เป็นเวลานานแล้วที่เราคุ้นเคยกับอุปกรณ์ 3.3V มากมาย เช่น ESP8266, ESP32, โมดูลบลูทูธ HC-05, หน้าจอ LCD Nokia 5110 และเซ็นเซอร์ความดันบรรยากาศ BMP180 เป็นต้น ในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ 3.3V กับอุปกรณ์ 5V เช่น Arduino สำหรับการสื่อสารแบบสองทิศทาง โดยเฉพาะบัสแบบ open-drain เช่น I2C สามารถใช้ตัวแปลงระดับลอจิกภายนอกได้ ตัวแปลงระดับลอจิกแบบนี้ใช้ MOSFET BSS138 ต่อเข้ากับบัสเพื่อรองรับการแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทาง บทความนี้จะอธิบายโดยย่อเกี่ยวกับ MOSFET ชนิด N-channel รุ่น BSS138

MOSFET ที่สามารถนำมาพิจารณาเป็นทางเลือกของ BSS138 ได้แก่ 2N7000 และ 2N7002 อย่างไรก็ตาม MOSFET แต่ละรุ่นมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและการจัดเรียงขาที่แตกต่างกัน จึงควรตรวจสอบค่า RDS(on), VGS(th), ความจุ และพิกัดกระแสให้เหมาะสมกับวงจรที่ใช้งาน

BSS138 MOSFET คืออะไร?

BSS138 เป็น MOSFET ชนิด N-channel แบบ enhancement-mode ที่เหมาะสำหรับงานแรงดันต่ำและกระแสต่ำ บรรจุอยู่ในแพ็กเกจ SOT-23 มีแรงดันระหว่างเดรนกับซอร์สสูงสุด 50V และแรงดันเกต-ซอร์สสูงสุด ±20V MOSFET รุ่นนี้มีคุณสมบัติการสวิตช์ที่รวดเร็วและมีความจุอินพุตค่อนข้างต่ำ จึงเหมาะสำหรับงานสวิตช์สัญญาณและวงจรแปลงระดับลอจิก

BSS138 เป็น MOSFET ชนิด N-channel ขนาดกะทัดรัดที่มีแรงดันเกณฑ์เกต-ซอร์ส (VGS(th)) อยู่ที่ 0.8–1.5V โดยมีค่าทั่วไปประมาณ 1.3V อย่างไรก็ตาม VGS(th) ไม่ใช่แรงดันที่หมายความว่า MOSFET จะเปิดเต็มที่ แต่เป็นแรงดันที่ใช้ในการกำหนดเงื่อนไขการเริ่มนำกระแสตามที่ระบุใน datasheet

ด้วยขนาดที่กะทัดรัดและคุณสมบัติการสวิตช์ที่รวดเร็ว BSS138 จึงเหมาะสำหรับงานแรงดันต่ำและกระแสต่ำ เช่น วงจรแปลงระดับลอจิก วงจรสวิตช์สัญญาณ และวงจรควบคุมต่างๆ

‍

หากต้องการเลือก MOSFET ทางเลือกที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับ BSS138 สามารถพิจารณา 2N7000 หรือ 2N7002 ได้ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องตรวจสอบคุณสมบัติของ MOSFET แต่ละรุ่น เช่น ความต้านทานระหว่างเดรนกับซอร์สขณะเปิด (RDS(on)), แรงดันเกต-ซอร์ส, ความจุ, พิกัดกระแส และการจัดเรียงขา เพื่อให้เหมาะสมกับวงจร

BSS138 มีจำหน่ายในแพ็กเกจ SMD ขนาดเล็ก ทำให้สามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันที่มีพื้นที่จำกัดได้ ข้อจำกัดสำคัญของ MOSFET รุ่นนี้คือพิกัดกระแสค่อนข้างต่ำ โดยสามารถรองรับกระแสเดรนต่อเนื่องได้ 0.22A และกระแสเดรนแบบพัลส์ได้สูงสุด 0.88A ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดใน datasheet การใช้งานเกินค่าพิกัดสูงสุดที่กำหนดอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายและส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์

แผนผังขา/การจัดเรียงขาของ MOSFET รุ่น BSS138

BSS138 เป็น MOSFET ชนิด N-channel แบบสามขา การจัดเรียงขาของ BSS138 แสดงอยู่ในรูปด้านล่าง

‍

ขาที่ 1: เกต (Gate) – ใช้ควบคุมการนำกระแสของ MOSFET
ขาที่ 2: ซอร์ส (Source) – เป็นขั้วหนึ่งของช่องนำกระแส
ขาที่ 3: เดรน (Drain) – เป็นขั้วอีกด้านหนึ่งของช่องนำกระแส

ข้อมูลจำเพาะของ BSS138

รายละเอียดและคุณสมบัติของ BSS138 มีดังต่อไปนี้

• เป็น MOSFET ชนิด N-channel แบบ enhancement-mode
• กระแสเดรนต่อเนื่อง (ID) คือ 0.22A
• แรงดันระหว่างเดรนกับซอร์สสูงสุด (VDSS) คือ 50V
• แรงดันเกต-ซอร์สสูงสุด (VGSS) คือ ±20V
• แรงดันเกณฑ์เกต-ซอร์ส (VGS(th)) อยู่ที่ 0.8–1.5V โดยมีค่าทั่วไปประมาณ 1.3V
• ความต้านทานระหว่างเดรนกับซอร์สขณะเปิด (RDS(on)) สูงสุด 3.5Ω ที่ VGS = 10V และ ID = 0.22A
• ความต้านทาน RDS(on) สูงสุด 6.0Ω ที่ VGS = 4.5V และ ID = 0.22A
• มีจำหน่ายในแพ็กเกจ SMD SOT-23

คุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนสูงสุดที่อุณหภูมิ T = 25°C

• แรงดันระหว่างเดรนกับซอร์ส (VDSS): 50V
• แรงดันระหว่างเกตกับซอร์ส (VGSS): ±20V
• กระแสเดรนต่อเนื่อง (ID): 0.22A
• กระแสเดรนแบบพัลส์: 0.88A
• กำลังไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถระบายได้: 360mW
• ช่วงอุณหภูมิการทำงานและอุณหภูมิรอยต่อ: -55°C ถึง +150°C
• อุณหภูมิสูงสุดสำหรับตะกั่วบัดกรี: 300°C
• ความต้านทานความร้อนจากรอยต่อถึงอากาศโดยรอบ: 350°C/W
• ค่าความจุอินพุต (Ciss) ที่ VDS = 25V, VGS = 0V, f = 1MHz: 27pF
• ค่าความจุเอาต์พุต (Coss) ที่ VDS = 25V, VGS = 0V, f = 1MHz: 13pF
• ค่าความจุการถ่ายโอนย้อนกลับ (Crss) ที่ VDS = 25V, VGS = 0V, f = 1MHz: 6pF
• ความต้านทานภายในเกต: 9Ω

แผนผังวงจร/คู่มือการใช้งาน

ต่อไป เรามาดูแผนผังวงจรและวิธีการใช้ MOSFET ชนิด N-channel รุ่น BSS138 เป็นตัวแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทางกัน พิจารณาแผนผังวงจรด้านล่าง ซึ่งประกอบด้วย MOSFET ชนิด N-channel รุ่น BSS138 และตัวต้านทาน pull-up โดยแบ่งวงจรออกเป็นสองส่วน คือ ด้านซ้ายหรือด้านแรงดันต่ำ (LV) และด้านขวาหรือด้านแรงดันสูง (HV)

ทั้งสองด้านมีแรงดันไฟเลี้ยงและระดับลอจิกที่แตกต่างกัน สายด้านแรงดันต่ำถูกดึงขึ้นไปยังระดับ HIGH ที่ 3.3V ส่วนสายด้านแรงดันสูงถูกดึงขึ้นไปยังระดับ HIGH ที่ 5V ขั้วเกตของ MOSFET เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันต่ำ 3.3V ขั้วซอร์สเชื่อมต่อกับสายด้านแรงดันต่ำ และขั้วเดรนเชื่อมต่อกับสายด้านแรงดันสูง วงจรอย่างง่ายนี้สามารถทำหน้าที่เป็นตัวแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทางสำหรับสัญญาณแบบ open-drain เช่น I2C

ต่อไปเราจะมาดูวิธีการทำงานของวงจรข้างต้นในฐานะตัวแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทาง เพื่อให้เข้าใจการทำงานได้ดียิ่งขึ้น เราจะแบ่งการทำงานออกเป็นสามสถานะ

สถานะรอ

ประการแรก เมื่อไม่มีอุปกรณ์จากด้านใดดึงสัญญาณลงสู่ LOW ตัวต้านทาน pull-up จะดึงแรงดันของบัสทั้งสองด้านขึ้นไปยังระดับ HIGH โดยด้านแรงดันต่ำจะอยู่ที่ประมาณ 3.3V และด้านแรงดันสูงจะอยู่ที่ประมาณ 5V

ในกรณีนี้ แรงดันระหว่างเกตกับซอร์ส (VGS) คือ 0V เนื่องจากเกตและซอร์สอยู่ที่ประมาณ 3.3V ดังนั้น MOSFET จึงอยู่ในสถานะ OFF ด้วยเหตุนี้ สัญญาณด้าน LV1 จึงถูกดึงขึ้นไปที่ประมาณ 3.3V ผ่านตัวต้านทาน R1 และสัญญาณด้าน HV1 จึงถูกดึงขึ้นไปที่ประมาณ 5V ผ่านตัวต้านทาน R2 ดังนั้น ปลายทั้งสองด้านจึงอยู่ในระดับลอจิก HIGH

ด้านแรงดันต่ำถูกดึงลงสู่ระดับ LOW

หากอุปกรณ์ด้านแรงดันต่ำต้องการส่งสัญญาณ LOW อุปกรณ์จะดึงสายด้าน LV ลงสู่ 0V ผ่านเอาต์พุตแบบ open-drain ทำให้แรงดันที่ซอร์สของ Q1 ลดลงสู่ 0V ขณะที่แรงดันที่เกตยังคงอยู่ที่ 3.3V

ดังนั้น VGS จึงมีค่าประมาณ 3.3V ทำให้ MOSFET เปิดทำงาน เมื่อ MOSFET เปิด กระแสจะไหลผ่าน MOSFET และดึงสายด้าน HV ลงสู่ระดับ LOW เช่นเดียวกัน ดังนั้นอุปกรณ์ทั้งสองด้านจึงสามารถตรวจจับสัญญาณ LOW ได้

ด้านแรงดันสูงถูกดึงลงสู่ระดับ LOW

เมื่ออุปกรณ์ด้านแรงดันสูงดึงสาย HV ลงสู่ 0V แรงดันที่เดรนของ Q1 จะลดลง ในขณะที่ซอร์สยังอยู่ที่ระดับสูงกว่าในช่วงแรก การทำงานร่วมกันของไดโอดภายใน MOSFET (body diode) และแรงดันเกตทำให้ MOSFET สามารถเข้าสู่สถานะ ON ได้

เมื่อ MOSFET เปิดทำงาน สายด้าน LV จะถูกดึงลงสู่ระดับ LOW เช่นเดียวกับด้าน HV ทำให้ทั้งสองด้านมีแรงดันใกล้เคียง 0V และอุปกรณ์ทั้งสองด้านสามารถตรวจจับสัญญาณ LOW ได้

เมื่อรวมสถานะทั้งสามนี้เข้าด้วยกัน ระดับลอจิกสามารถเปลี่ยนได้ทั้งสองทิศทาง โดยตัวต้านทาน pull-up จะทำหน้าที่สร้างระดับ HIGH และ MOSFET จะทำหน้าที่เชื่อมต่อการดึงสัญญาณ LOW ระหว่างทั้งสองด้าน ดังนั้นวงจรนี้จึงทำหน้าที่เป็นตัวแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทาง

BSS138 ใช้ที่ไหน/มีแอปพลิเคชันอะไรบ้าง?

ต่อไปนี้คือการประยุกต์ใช้ BSS138

• ใช้ในงานที่มีแรงดันต่ำและกระแสต่ำ
• ใช้ในวงจรแปลงระดับลอจิกแบบสองทิศทาง
• ใช้ในวงจรสวิตช์สัญญาณ
• ใช้ในงานที่ต้องการความต้านทาน RDS(on) ต่ำ
• ใช้ในวงจรควบคุมเกต
• ใช้ในการควบคุมมอเตอร์เซอร์โวขนาดเล็ก
• ใช้ในงานด้านการจัดการพลังงานที่มีแรงดันและกระแสต่ำ

โปรดดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ เอกสารข้อมูล (datasheet) ของ MOSFET รุ่น BSS138 ได้ที่ลิงก์นี้

โดยสรุป นี่คือภาพรวมของ MOSFET ชนิด N-channel รุ่น BSS138 MOSFET ชนิดนี้ได้รับการออกแบบสำหรับงานสวิตช์แรงดันต่ำและกระแสต่ำ โดยมีคุณสมบัติการสวิตช์ที่รวดเร็วและมีขนาดกะทัดรัด จึงเหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น วงจรแปลงระดับลอจิก วงจรสวิตช์สัญญาณ วงจรควบคุมเกต การควบคุมมอเตอร์เซอร์โวขนาดเล็ก และงานสวิตช์อื่นๆ