Controlar cargas desde un ESP32 o Arduino con un MOSFET

El circuito básico: un MOSFET de canal N en el lado de masa

Para cargas de continua de hasta unos cuantos amperios, el interruptor va entre la carga y masa: la carga queda entre el + de la fuente y el drenador del MOSFET, la fuente del MOSFET (source) va a masa y el pin controla la puerta. Es la conmutación en el lado de masa (low-side), y permite que un pin de 3,3 V controle una carga de 12 o 24 V, porque la tensión de puerta se mide respecto a la fuente del MOSFET, que está a masa.

Resistencia de puerta y pull-down como en nuestra calculadora de transistor como interruptor. Usa un pin que no sea de arranque (strapping): mira los errores habituales más abajo.

Elegir un MOSFET de nivel lógico

Una línea de la hoja de datos decide si un MOSFET funciona desde tu pin: RDS(on) máxima a una VGS indicada. La tensión umbral VGS(th) no es la tensión a la que el MOSFET está encendido: es aquella a la que apenas empieza a conducir, a 250 µA o 1 mA. Entre el umbral y la VGS más baja con una RDS(on) garantizada, la hoja de datos no promete nada.

• Desde un ESP32 (3,3 V): elige un MOSFET con la RDS(on) garantizada a 2,5 V. Espressif indica el nivel alto de salida como al menos 0,8 × VDD con el pin entregando corriente; una puerta, una vez cargada, apenas consume y ve casi 3,3 V, pero 2,5 V dejan margen.
• Desde un Arduino Uno o Nano (5 V): basta con una RDS(on) garantizada a 4,5 V (o 4 V).
• «Nivel lógico» en el nombre o en un anuncio no es una garantía. El IRLZ44N, vendido como de nivel lógico desde hace décadas, está garantizado desde 4 V: va bien a 5 V, no a 3,3 V.

Valores máximos a 25 °C de las hojas de datos de los fabricantes. Las corrientes desde 3,3 V mantienen un SOT-23 en torno a un cuarto de vatio, en una placa pequeña (consulta la sección sobre el calor); las de 5 V son las más altas que admite nuestra calculadora al aire libre a 25 °C, con 25 °C de margen bajo la temperatura máxima de unión, como en sus páginas de componentes. Según AOS, el AO3400A y el AOD4184A están en plena producción, y según Infineon el IRLZ44N sigue en fabricación. Son ejemplos, no recomendaciones de compra. En cualquier alternativa comprueba la RDS(on) a tu tensión de puerta o por debajo, la VDS con margen sobre la alimentación (30 V para 12 V es lo habitual), la VGS máxima y la resistencia térmica del encapsulado. Las piezas que otros fabricantes venden con el mismo nombre tienen su propia hoja de datos: lee la de la pieza que tienes.

El calor: pérdidas de conducción y encapsulado

Un MOSFET encendido del todo se comporta como una resistencia pequeña. Disipa P = I² × RDS(on), y la unión se calienta P × θJA por encima del aire que la rodea. Además la RDS(on) sube con la temperatura, más o menos 1,5 veces a 125 °C, así que un MOSFET caliente se calienta más; nuestra calculadora la va subiendo con la temperatura hasta que los dos valores cuadran.

P = I² × RDS(on)(Tj) + P(conmutación)
Tj = Ta + P × θJA

Un AO3400A con 2 A desde un pin de 3,3 V: 2² × 0,048 = 0,19 W a 25 °C, algo más en caliente. Con PWM a 5 kHz disipa 0,26 W en total y la unión llega a unos 58 °C: sin problema. El Si2302CDS en el mismo sitio llega a unos 104 °C: dentro de sus límites, pero demasiado caliente para dejarlo dentro de una caja. Las cifras de los SOT-23 suponen las placas de prueba de los fabricantes, con una zona de cobre en el drenador; con solo el pad, sin cobre alrededor, se calientan más.

• SOT-23: en un módulo pequeño, con menos cobre que eso, mantenlo en torno a un cuarto de vatio: unos 2 A para un AO3400A, 2,2 A para un IRLML6344 y 1,5 A para un Si2302CDS. Las páginas de componentes de nuestra calculadora usan las cifras de los fabricantes y admiten más (3,4 A para el AO3400A).
• TO-220 al aire libre: unos 62 °C/W, así que 1 W sube la unión unos 60 °C. Por encima de 1,5–2 W pon un disipador; la calculadora te dice cuántos °C/W necesita.
• TO-252 (DPAK): usa la placa como disipador: AOS da 55 °C/W para el AOD4184A sobre una pulgada cuadrada de cobre.

Elige la placa, el MOSFET y la carga: la calculadora te da el veredicto, el calor, la temperatura de unión, el diodo y alternativas mejores cuando un componente no encaja.Abrir la calculadora de transistor

PWM: frecuencia, carga de puerta y pérdidas de conmutación

Regular el brillo de LED: cualquier frecuencia por encima de unos 1,25 kHz evita el parpadeo visible. En el ESP32 original, ledcAttach(pin, 5000, 13) da 5 kHz con 13 bits de resolución (Arduino-ESP32 3.x); analogWrite() usa 1 kHz y 8 bits. El analogWrite() de un Arduino Uno trabaja a 490 Hz en los pines 3, 9, 10 y 11 y a 980 Hz en los pines 5 y 6, con 8 bits.

Motores y bombas: la bobina suaviza la corriente, pero las frecuencias audibles pitan. Unos 20 kHz quedan por encima del oído: en un ESP32 eso deja 11 bits; en un Uno, el Timer1 en los pines 9 y 10 llega a 20 kHz con TOP = 799, unos 9,6 bits.

Pérdidas de conmutación. En cada flanco el MOSFET pasa un instante a medio conducir, y el pin mueve la carga de puerta Qg con apenas unos 20 mA. Un IRLZ44N (48 nC) controlado desde un pin del Uno tarda hasta unos 2,4 µs por flanco. A 490 Hz eso cuesta como mucho 42 mW; a 20 kHz, con un motor de 3 A, hasta 1,73 W, lo bastante para que la calculadora pida un disipador. Ambas cifras son cotas superiores: la calculadora cuenta toda la Qg, mientras que el estado a medio conducir solo corresponde a una parte de ella. La pérdida real es menor, pero a 20 kHz sigue superando a la de conducción. Un PWM rápido pide un MOSFET con poca carga de puerta o un driver de puerta.

Elige el chip y la frecuencia: la calculadora te da la resolución del ciclo de trabajo, la frecuencia exacta y el código para Arduino, ESPHome y los SDK.Abrir la calculadora PWM

Cuándo hace falta un driver de puerta

Hace falta en dos casos: un MOSFET que encaja con la carga pero no está garantizado a la tensión del pin (un motor de 3 A desde un ESP32 a 3,3 V), o un PWM tan rápido que el pin no mueve la carga de puerta a tiempo. Un driver de puerta recibe la señal lógica y ataca la puerta con un amperio o más desde una alimentación de 10–12 V. Para el motor de 3 A a 20 kHz desde un ESP32, nuestra calculadora encuentra un IRLZ44N controlado a 12 V por un driver: disipa 0,52 W y se queda en unos 57 °C.

Según las páginas de producto de Microchip y TI. En cualquier alternativa comprueba que el umbral de entrada quede por debajo de tu nivel alto, que el rango de alimentación cubra la tensión de puerta que quieres, y mantén la puerta por debajo del 80 % de la VGS máxima del MOSFET: 12 V valen para una puerta de ±20 V, no para una de ±12 V.

Para un trabajo lento basta un transistor bipolar: un NPN pequeño que lleva la puerta a masa, con una resistencia que la sube a 12 V, da a la puerta una excursión de 12 V desde un pin de 3,3 V. Enciende el MOSFET solo a la velocidad con la que la resistencia de pull-up carga la puerta, así que sirve para encender y apagar y para PWM lentos, no para 20 kHz. Además invierte la lógica. Mientras el pin está a nivel bajo o flotante (durante el reset, el arranque y la grabación del firmware, o con la placa sin alimentación), el pull-up hace conducir al MOSFET y la carga se enciende: lo contrario de lo que hace el pull-down de 10 kΩ en el circuito estándar. Si la carga debe quedar apagada mientras no la actives, añade una segunda etapa NPN que vuelva a invertir la lógica, o usa un driver de puerta no inversor como el TC4427, con 10 kΩ entre su entrada y masa.

Conmutar el lado positivo con un MOSFET de canal P

Algunas cargas tienen que conservar su masa: un módulo que comparte masa con el microcontrolador a través de una línea de datos, o un aparato que quieres desconectar del positivo. Entonces el interruptor va en el +. Un MOSFET de canal P tiene la fuente en la alimentación; una resistencia entre puerta y fuente lo mantiene apagado, y bajar la puerta lo enciende. Con 12 V un pin de 3,3 V no puede hacerlo directamente (su nivel alto sigue 8,7 V por debajo de la fuente, así que el MOSFET nunca se apaga): de eso se encarga un NPN pequeño.

Con un AO3401A a 12 V y 1 A, la calculadora deja la puerta a unos 9 V con ese divisor, y el MOSFET disipa 62 mW (abre el ejemplo). La lógica no se invierte: pin alto, carga encendida. Como adaptador de nivel vale cualquier NPN pequeño: 2N3904, BC547 o el MMBT3904 en SMD.

Según las hojas de datos de los fabricantes (AOS indica que el AOD4185 está en plena producción). Aquí el canal P no es una cuestión de «nivel lógico»: la excursión de la puerta sale de la alimentación de la carga, así que compara con ella la VGS máxima.

Cargas habituales y qué diodo poner

Diodos como los elige nuestra calculadora: 1N4148 (75 V, 150 mA de media), 1N4007 (1000 V, 1 A), 1N5819 Schottky (40 V, 1 A), SS34 Schottky (40 V, 3 A). Con PWM el diodo conduce en cada ciclo: usa un Schottky adecuado a la corriente de la carga.

Dimensiona el MOSFET y el diodo de un motor para la corriente con el rotor bloqueado, no para la de marcha: mira la hoja de datos del motor, o mide la resistencia del bobinado y divide entre ella la tensión de alimentación. Un diodo simple en paralelo con una electroválvula o un relé retrasa un poco su desconexión; si el tiempo de desconexión importa, las notas de aplicación del fabricante de la válvula o del relé explican las alternativas.

La trampa del módulo IRF520, y módulos mejores

El típico módulo rojo «IRF520 MOSFET driver» une el pin de señal casi directamente a la puerta de un IRF520. Su umbral puede llegar a 4 V y su RDS(on) solo está garantizada a 10 V. Desde un ESP32 puede que ni se encienda (para nuestra calculadora se queda apagado); desde un Arduino conduce solo en parte (no garantizado a 5 V) y se calienta con unos pocos amperios.

Los módulos con un AOD4184A (que se suelen vender como módulos «D4184») son una mejora real desde 5 V: 9,5 mΩ garantizados a 4,5 V. Desde 3,3 V tampoco están garantizados, porque el umbral del AOD4184A llega a 2,6 V y por debajo de 4,5 V no se indica ninguna RDS(on). Diga lo que diga el anuncio, lee la referencia del MOSFET y busca su hoja de datos.

Ejemplos completos

A. Una tira LED de 12 V y 2 A regulada por un ESP32

AO3400A en el GPIO25 con 100 Ω y 10 kΩ, sin diodo, PWM a 5 kHz con 13 bits. La calculadora: 0,26 W de calor (42 mW de ellos por la conmutación), unión a unos 58 °C con 25 °C de temperatura ambiente, 109 mV perdidos en el MOSFET. Un IRLML6344 en el mismo sitio: 0,2 W, 45 °C. En el código, 4096 de 8192 es el 50 %.

const int STRIP = 25;

void setup() {
  ledcAttach(STRIP, 5000, 13);
}

void loop() {
  ledcWrite(STRIP, 4096);
}

Abre este ejemplo en la calculadora de transistor y cambia la corriente de la tira o la frecuencia del PWM.Ejemplo A en la calculadora

B. Una bomba de 12 V y 3 A desde un Arduino Uno

IRLZ44N en el pin 9 con 100 Ω y 10 kΩ, un Schottky SS34 en paralelo con la bomba, analogWrite() a 490 Hz. La calculadora: 0,29 W, de los que como mucho 42 mW son de conmutación, unos 43 °C, sin disipador. Un AOD4184A en DPAK, introducido como componente personalizado, da 88 mW de pérdida de conducción: los componentes personalizados no incluyen la carga de puerta, y los 17 nC del AOD4184A (máximo a 4,5 V) añaden como mucho 15 mW a 490 Hz. El mismo IRLZ44N desde un ESP32 no está garantizado: ahí usa un driver de puerta, o un AO3400A si la bomba consume menos de 2 A.

Abre el ejemplo B: Arduino Uno, IRLZ44N, bomba de 3 A a 490 Hz.Ejemplo B en la calculadora

C. Una electroválvula de 12 V desde un ESP32

La bobina de la válvula mide 24 Ω, así que consume 0,5 A y 6 W a 12 V. Un AO3400A con un 1N4007 en paralelo con la bobina, encendiendo y apagando sin PWM: 12 mW en el MOSFET, prácticamente frío. Una bobina de relé de 12 V de unos 70 mA es todavía más fácil: la calculadora elige un 1N4148.

Abre el ejemplo C: ESP32, AO3400A, válvula de 0,5 A con su diodo.Ejemplo C en la calculadora

Errores habituales

• Sin masa común. El − de la fuente tiene que ir al GND de la placa, o la tensión de puerta no significa nada.
• Puerta flotante al arrancar. Sin el pull-down de 10 kΩ la carga puede encenderse un instante al dar corriente o al grabar el firmware, mientras el pin aún es una entrada.
• Un pin de arranque (strapping). En un ESP32, un pull-down de 10 kΩ en el GPIO0 lo mantiene bajo en el reset y la placa arranca en modo descarga; GPIO2, 5, 12 y 15 también son de strapping, y en algunas placas GPIO5, 14 y 15 muestran actividad al arrancar. GPIO4, 13, del 16 al 19, del 21 al 23, del 25 al 27, 32 y 33 son opciones más seguras (no el 16 y el 17 en los módulos WROVER, que los usan para la PSRAM), como muestra nuestro pinout del ESP32.
• Sin diodo en un motor, bomba, válvula o relé. El pico de tensión al apagar puede superar la VDS del MOSFET y destruirlo, a menudo después de un tiempo funcionando.
• Fiarse de la VGS(th). Un umbral de 1–2 V no hace que un MOSFET funcione a 3,3 V; lo hace la RDS(on) a tu tensión de puerta.
• Un MOSFET en el lado positivo controlado directamente desde el pin. Un canal N en el + necesita la puerta por encima de la alimentación; un canal P con 12 V no se apaga nunca desde 3,3 V.
• Alimentar la carga a través de la placa. El pin de 5 V de una placa de desarrollo y sus pistas no están hechos para amperios: lleva la alimentación de la carga directamente a la carga y al MOSFET.

Seguridad

• Nunca conmutes la red con estos circuitos. Los MOSFET de esta guía son para continua de baja tensión. Para cargas de 230 V usa un módulo de relé certificado, un relé de estado sólido certificado o un enchufe inteligente ya hecho, y deja la instalación de red a un profesional cualificado cuando la normativa lo exija.
• Un fusible en la alimentación de baja tensión. Una fuente de 12 V capaz de dar 10 A los mete todos en un cortocircuito; un fusible dimensionado para el cable lo protege.
• Calor. Un TO-220 que disipa 2 W al aire libre tiene la unión muy por encima de 100 °C y la pestaña quema: móntalo en un disipador y lejos del plástico.
• Arranque y bloqueo. Motores, bombas y cargas capacitivas piden al arrancar varias veces su corriente de marcha: dimensiona para eso la fuente, los cables y el MOSFET.