Commander des charges depuis un ESP32 ou un Arduino avec un MOSFET

Le montage de base : un MOSFET canal N côté masse

Pour des charges en courant continu jusqu’à quelques ampères, l’interrupteur se place entre la charge et la masse : la charge est entre le + de l’alimentation et le drain du MOSFET, la source va à la masse et la broche commande la grille. C’est la commutation côté bas (low-side) : elle permet à une broche en 3,3 V de commander une charge en 12 ou 24 V, car la tension de grille se mesure par rapport à la source, qui est à la masse.

Résistance de grille et pull-down comme dans notre calculateur de transistor en commutation. Évitez les broches de strapping (voir les erreurs courantes plus bas).

Choisir un MOSFET logique

Une ligne de la datasheet décide si un MOSFET peut être commandé par votre broche : la RDS(on) maximale à une VGS donnée. La tension de seuil VGS(th) n’est pas la tension à laquelle le MOSFET est passant : c’est celle à laquelle il commence à peine à conduire, à 250 µA ou 1 mA. Entre le seuil et la plus basse VGS assortie d’une RDS(on) garantie, la datasheet ne promet rien.

• Depuis un ESP32 (3,3 V) : choisissez un MOSFET dont la RDS(on) est garantie à 2,5 V. Espressif donne un niveau haut de sortie d’au moins 0,8 × VDD quand la broche débite ; une grille chargée ne consomme presque rien et reçoit donc presque 3,3 V, mais une RDS(on) garantie à 2,5 V laisse de la marge.
• Depuis un Arduino Uno ou Nano (5 V) : une RDS(on) garantie à 4,5 V (ou 4 V) suffit.
• « Logic level » dans un nom ou une annonce n’est pas une garantie. L’IRLZ44N, vendu comme MOSFET logique depuis des décennies, est garanti à partir de 4 V : il convient en 5 V, pas en 3,3 V.

Valeurs maximales à 25 °C tirées des datasheets des fabricants. Les courants depuis 3,3 V maintiennent un SOT-23 autour d’un quart de watt, sur une petite carte (voir la partie sur la chauffe) ; ceux depuis 5 V sont les plus élevés que notre calculateur admet à l’air libre à 25 °C, avec 25 °C de marge sous la température de jonction maximale, comme sur ses pages composant. AOS indique que l’AO3400A et l’AOD4184A sont en pleine production, Infineon que l’IRLZ44N est toujours en production. Ce sont des exemples, pas des recommandations d’achat. Sur toute autre référence, vérifiez la RDS(on) garantie à votre tension de grille ou en dessous, la VDS avec de la marge sur l’alimentation (30 V pour du 12 V, c’est courant), la VGS maximale et la résistance thermique du boîtier. Les composants vendus sous le même nom par d’autres fabricants ont leur propre datasheet : lisez celle de la pièce que vous avez.

La chauffe : pertes par conduction et boîtier

Un MOSFET pleinement passant se comporte comme une petite résistance. Il dissipe P = I² × RDS(on), et la jonction monte de P × θJA au-dessus de la température ambiante. La RDS(on) augmente aussi avec la température, d’un facteur 1,5 environ à 125 °C : un MOSFET chaud chauffe donc davantage ; notre calculateur la recalcule à chaque température jusqu’à ce que les deux valeurs concordent.

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

Un AO3400A commandé par une broche en 3,3 V et traversé par 2 A : 2² × 0,048 = 0,19 W à 25 °C, un peu plus une fois chaud. Avec un PWM à 5 kHz, il dissipe 0,26 W au total et sa jonction atteint environ 58 °C : sans souci. Le Si2302CDS au même endroit monte à environ 104 °C : dans ses limites, mais trop chaud pour rester enfermé dans une boîte. Les chiffres des SOT-23 supposent les cartes de test des fabricants, avec une surface de cuivre sur le drain ; sur une pastille nue, ils chauffent davantage.

• SOT-23 : sur un petit module, avec moins de cuivre que cela, restez autour d’un quart de watt : environ 2 A pour un AO3400A, 2,2 A pour un IRLML6344, 1,5 A pour un Si2302CDS. Les pages composant de notre calculateur reprennent les chiffres des fabricants et admettent davantage (3,4 A pour l’AO3400A).
• TO-220 à l’air libre : environ 62 °C/W, donc 1 W fait monter la jonction d’environ 60 °C. Au-delà de 1,5 à 2 W, ajoutez un dissipateur ; le calculateur indique les °C/W qu’il lui faut.
• TO-252 (DPAK) : il se sert de la carte comme dissipateur : AOS donne 55 °C/W pour l’AOD4184A sur un pouce carré de cuivre.

Choisissez la carte, le MOSFET et la charge : le calculateur donne le verdict, la chauffe, la température de jonction, la diode et de meilleures options quand un composant ne convient pas.Ouvrir le calculateur de transistor

PWM : fréquence, charge de grille et pertes de commutation

Variation de luminosité des LED : toute fréquence au-dessus d’environ 1,25 kHz évite le scintillement visible. Sur l’ESP32 d’origine, ledcAttach(pin, 5000, 13) donne 5 kHz avec 13 bits de résolution (Arduino-ESP32 3.x) ; analogWrite() utilise 1 kHz et 8 bits. L’analogWrite() d’un Arduino Uno tourne à 490 Hz sur les broches 3, 9, 10 et 11 et à 980 Hz sur les broches 5 et 6, avec 8 bits.

Moteurs et pompes : le bobinage lisse le courant, mais aux fréquences audibles le moteur siffle. Vers 20 kHz, on sort de l’audible : sur un ESP32, il reste 11 bits ; sur un Uno, le Timer1 des broches 9 et 10 atteint 20 kHz avec TOP = 799, soit environ 9,6 bits.

Pertes de commutation. À chaque front, le MOSFET traverse un état à moitié passant, et la broche doit apporter la charge de grille Qg avec seulement 20 mA environ. Un IRLZ44N (48 nC) commandé par une broche d’Uno met jusqu’à 2,4 µs environ par front. À 490 Hz, cela coûte au plus 42 mW ; à 20 kHz avec un moteur de 3 A, jusqu’à 1,73 W, assez pour que le calculateur réclame un dissipateur. Ce sont deux bornes supérieures : le calculateur compte toute la Qg, alors que l’état à moitié passant ne correspond qu’à une partie de cette charge. La perte réelle est plus faible, mais à 20 kHz elle dépasse encore la perte par conduction. Un PWM rapide réclame un MOSFET à faible charge de grille, ou un driver de grille.

Choisissez la puce et la fréquence : le calculateur donne la résolution du rapport cyclique, la fréquence exacte et le code pour Arduino, ESPHome et les SDK.Ouvrir le calculateur PWM

Quand ajouter un driver de grille

Deux cas le justifient : un MOSFET adapté à la charge mais non garanti à la tension de votre broche (un moteur de 3 A depuis un ESP32 en 3,3 V), ou un PWM si rapide que la broche ne déplace pas la charge de grille assez vite. Un driver de grille reçoit le signal logique et attaque la grille avec un ampère ou plus, à partir d’une alimentation de 10 à 12 V. Pour le moteur de 3 A à 20 kHz depuis un ESP32, notre calculateur propose un IRLZ44N commandé sous 12 V par un driver : il dissipe 0,52 W et reste vers 57 °C.

D’après les pages produit de Microchip et de TI. Sur toute autre référence, vérifiez que le seuil d’entrée est sous votre niveau haut, que la plage d’alimentation couvre la tension de grille voulue, et gardez la grille sous 80 % de la VGS maximale du MOSFET : 12 V conviennent à une grille de ±20 V, pas à une grille de ±12 V.

Pour une commutation lente, un transistor bipolaire suffit : un petit NPN qui tire la grille à la masse, avec une résistance qui la remonte à 12 V, donne à la grille une excursion de 12 V depuis une broche en 3,3 V. Il ne rend le MOSFET passant qu’à la vitesse à laquelle la résistance de rappel charge la grille : il convient au tout-ou-rien et aux PWM lents, pas à 20 kHz. Il inverse aussi la logique. Tant que la broche est à l’état bas ou flottante (pendant le reset, le démarrage et le flashage, ou carte hors tension), la résistance de rappel rend le MOSFET passant et la charge s’allume : l’inverse de ce que fait le pull-down de 10 kΩ dans le montage standard. Si la charge doit rester éteinte tant que vous ne la commandez pas, ajoutez un second étage NPN qui rétablit la logique, ou utilisez un driver de grille non inverseur comme le TC4427, avec 10 kΩ entre son entrée et la masse.

Côté positif avec un MOSFET canal P

Certaines charges doivent rester reliées à la masse : un module qui partage sa masse avec le microcontrôleur par une ligne de données, ou un appareil qu’on veut couper de son positif. L’interrupteur passe alors côté +. Un MOSFET canal P a sa source sur l’alimentation ; une résistance entre grille et source le maintient bloqué, et tirer la grille vers le bas le rend passant. Sous 12 V, une broche en 3,3 V ne peut pas le faire directement (son niveau haut reste 8,7 V sous la source, donc le MOSFET ne se bloque jamais) : c’est un petit NPN qui s’en charge.

Avec un AO3401A sous 12 V et 1 A, le calculateur place la grille environ 9 V sous la source grâce à ce pont, et le MOSFET dissipe 62 mW (ouvrir l’exemple). La logique n’est pas inversée : broche haute, charge alimentée. N’importe quel petit NPN fait l’affaire : 2N3904, BC547 ou MMBT3904 en CMS.

D’après les datasheets des fabricants (AOS indique que l’AOD4185 est en pleine production). Avec un canal P, la question du « niveau logique » ne se pose pas ici : l’excursion de grille vient de l’alimentation de la charge, comparez donc la VGS maximale à celle-ci.

Charges courantes et diode à choisir

Diodes telles que les choisit notre calculateur : 1N4148 (75 V, 150 mA en moyenne), 1N4007 (1 000 V, 1 A), 1N5819 Schottky (40 V, 1 A), SS34 Schottky (40 V, 3 A). En PWM, la diode conduit à chaque cycle : prenez une Schottky dimensionnée pour le courant de la charge.

Dimensionnez le MOSFET et la diode d’un moteur pour le courant rotor bloqué, pas pour le courant en marche : consultez la datasheet du moteur, ou mesurez la résistance du bobinage et divisez la tension d’alimentation par cette valeur. Une simple diode sur une électrovanne ou un relais ralentit un peu sa retombée ; si le temps de retombée compte, les notes d’application du fabricant de la vanne ou du relais donnent les alternatives.

Le piège du module IRF520, et de meilleurs modules

Le très répandu module rouge « IRF520 MOSFET driver » relie sa broche de signal presque directement à la grille d’un IRF520. Le seuil de ce MOSFET peut atteindre 4 V et sa RDS(on) n’est garantie qu’à 10 V. Depuis un ESP32, il peut ne pas conduire du tout (notre calculateur le donne bloqué) ; depuis un Arduino, il ne conduit qu’en partie (non garanti en 5 V) et chauffe dès quelques ampères.

Les modules construits autour de l’AOD4184A (souvent vendus comme modules « D4184 ») sont un vrai progrès en 5 V : 9,5 mΩ garantis à 4,5 V. En 3,3 V, ils ne sont pas garantis non plus, car le seuil de l’AOD4184A monte jusqu’à 2,6 V et aucune RDS(on) n’est donnée sous 4,5 V. Quoi que dise l’annonce, lisez le marquage du MOSFET et cherchez sa datasheet.

Exemples complets

A. Un ruban LED 12 V de 2 A, piloté en PWM par un ESP32

AO3400A sur le GPIO25 avec 100 Ω et 10 kΩ, sans diode, PWM à 5 kHz sur 13 bits. Le calculateur : 0,26 W dissipés (dont 42 mW dus à la commutation), jonction vers 58 °C pour 25 °C ambiants, 109 mV perdus dans le MOSFET. Un IRLML6344 au même endroit : 0,2 W, 45 °C. Dans le code, 4096 sur 8192 correspondent à 50 %.

const int STRIP = 25;

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

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

Ouvrez cet exemple dans le calculateur de transistor, puis changez le courant du ruban ou la fréquence du PWM.Exemple A dans le calculateur

B. Une pompe 12 V de 3 A depuis un Arduino Uno

IRLZ44N sur la broche 9 avec 100 Ω et 10 kΩ, une Schottky SS34 en parallèle sur la pompe, analogWrite() à 490 Hz. Le calculateur : 0,29 W, dont au plus 42 mW de commutation, environ 43 °C, sans dissipateur. Un AOD4184A en DPAK, saisi comme composant personnalisé, donne 88 mW de perte par conduction : les composants personnalisés n’ont pas de charge de grille, et ses 17 nC (maximum à 4,5 V) ajoutent au plus 15 mW à 490 Hz. Le même IRLZ44N depuis un ESP32 n’est pas garanti : il faut alors un driver de grille, ou un AO3400A si la pompe consomme moins de 2 A.

Ouvrez l’exemple B : Arduino Uno, IRLZ44N, pompe de 3 A à 490 Hz.Exemple B dans le calculateur

C. Une électrovanne 12 V depuis un ESP32

La bobine de la vanne mesure 24 Ω : elle consomme donc 0,5 A et 6 W sous 12 V. Un AO3400A avec une 1N4007 en parallèle sur la bobine, en tout-ou-rien sans PWM : 12 mW dans le MOSFET, pratiquement froid. Une bobine de relais 12 V d’environ 70 mA est encore plus simple : le calculateur choisit une 1N4148.

Ouvrez l’exemple C : ESP32, AO3400A, vanne de 0,5 A avec sa diode.Exemple C dans le calculateur

Erreurs courantes

• Pas de masse commune. Le − de l’alimentation doit être relié au GND de la carte, sinon la tension de grille ne veut rien dire.
• Une grille flottante au démarrage. Sans le pull-down de 10 kΩ, la charge peut s’allumer un instant à la mise sous tension ou pendant le flashage, tant que la broche est encore une entrée.
• Une broche de configuration au démarrage (strapping). Sur un ESP32, un pull-down de 10 kΩ sur le GPIO0 le maintient bas au reset et la carte démarre en mode téléchargement ; GPIO2, 5, 12 et 15 sont aussi des broches de strapping, et sur certaines cartes les GPIO5, 14 et 15 émettent des signaux au démarrage. GPIO4, 13, 16 à 19, 21 à 23, 25 à 27, 32 et 33 sont des choix plus sûrs (pas 16 ni 17 sur les modules WROVER, qui les réservent à la PSRAM), comme le montre notre brochage de l’ESP32.
• Pas de diode sur un moteur, une pompe, une vanne ou un relais. La pointe de tension au blocage peut dépasser la VDS du MOSFET et le détruire, souvent après qu’il a fonctionné un moment.
• Se fier à la VGS(th). Un seuil de 1 à 2 V ne garantit pas qu’un MOSFET fonctionne en 3,3 V ; c’est la RDS(on) à votre tension de grille qui compte.
• Un MOSFET côté positif commandé directement par la broche. Un canal N côté + exige une grille au-dessus de l’alimentation ; un canal P sous 12 V ne se bloque jamais depuis 3,3 V.
• Alimenter la charge à travers la carte. La broche 5 V d’une carte de développement et ses pistes ne sont pas faites pour des ampères : amenez l’alimentation de la charge directement à la charge et au MOSFET.

Sécurité

• Ne commutez jamais le secteur avec ces montages. Les MOSFET de ce guide sont faits pour du courant continu en basse tension. Pour des charges en 230 V, utilisez un module relais certifié, un relais statique certifié ou une prise connectée toute faite, et confiez le câblage secteur à une personne qualifiée lorsque la réglementation l’exige.
• Un fusible sur l’alimentation basse tension. En cas de court-circuit, une alimentation 12 V capable de 10 A les débitera tous ; un fusible dimensionné pour la section du fil protège le câblage.
• Chaleur. Un TO-220 qui dissipe 2 W à l’air libre a une jonction bien au-dessus de 100 °C et une languette brûlante : montez-le sur un dissipateur, loin du plastique.
• Courant d’appel et blocage. Moteurs, pompes et charges capacitives appellent au démarrage plusieurs fois leur courant de marche : dimensionnez l’alimentation, les fils et le MOSFET en conséquence.