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Calculadora de transistor ou MOSFET como chave

Este transistor liga a minha carga a partir de um pino de 3,3 V ou 5 V? Escolha a placa, o componente e a carga: você recebe o resistor de base ou o veredito sobre o gate com base nos valores garantidos pelo datasheet, o calor, o diodo de roda livre e opções melhores quando não funciona.

Veredito
Funciona
RDS(on) de no máximo 48 mΩ com 3,3 V no gate, 0,21 W de calor
Calor
0,21 W
Junção
52 °C
Tensão de gate
3,3 V
O circuito
+12 VCARGAGDSAO3400AGPIO3,3 V100 Ω10 kΩ

Opções melhores

As formas mais comuns de chavear a mesma carga, na ordem que combina com os seus valores.

Agora, AO3400A: 0,21 W de calor, junção a 52 °C.

Menos calor

MOSFET de nível lógico

Um MOSFET com RDS(on) garantida a 2,5 V ou 4,5 V conduz totalmente a partir de um pino de 3,3 V ou 5 V, esquentando pouco.

IRLML6344: 0,16 W de calor, junção a 41 °C.

PWM rápido

Driver de gate

Um driver como o TC4427 (1,5 A, alimentação de 4,5–18 V, entrada alta a partir de 2,4 V) põe 10–12 V no gate e chaveia em nanossegundos: para MOSFETs comuns e PWM rápido.

TC4427 com uma alimentação separada de 9 V (regulador ou zener) e um AO3400A: 0,14 W, junção a 42 °C.

Diodos embutidos

ULN2003A ou ULN2803A

7 ou 8 canais Darlington com os diodos de roda livre embutidos, 50 V e 500 mA por canal: para relés, solenoides pequenos e motores de passo. Cada canal tem queda de 1 a 1,6 V.

Acima dos 300 mA por canal que ele aguenta com este pino.

Módulo MOSFET

Confira qual MOSFET o módulo usa. O módulo IRF520 comum precisa de uns 10 V no gate; módulos com MOSFET de nível lógico ou com driver funcionam a partir de 3,3 V.

Isolado

Módulo relé

Isola totalmente a carga e chaveia CA ou CC quase sem calor. Não serve para PWM, é lento e a bobina consome corrente própria: confira se a entrada do módulo funciona com 3,3 V.

Cargas em CA

Relé de estado sólido (SSR)

Para cargas na rede elétrica: silencioso, sem contatos que se desgastam. Modelos para CA não chaveiam CC: para isso existem modelos CC.

Protegido

Chave integrada de lado positivo

Chips como os PROFET da Infineon chaveiam o lado positivo com um MOSFET canal N e uma bomba de carga embutida, com limitação de corrente e proteção térmica.

Pino do microcontrolador
V
mA

Um pino do ESP32 fornece até 40 mA com a força de saída no máximo; o ajuste padrão é o degrau de 20 mA, usado aqui.

Transistor

SOT-23 · até 30 V e 5,7 A · RDS(on) 48 mΩ garantida a partir de 2,5 V · limiar até 1,45 V

Carga
V
A

Para um motor, digite a corrente de rotor bloqueado: é o que ele consome na partida ou travado.

Posição da chave

Lado do terra (low side): transistor entre a carga e o terra (GND). Lado positivo (high side): entre a alimentação e a carga, com um MOSFET canal P.

Hz

Deixe 0 se você só liga e desliga.

°C

Resultados

Carga12 V × 2 A = 24 W (carga resistiva)
Gate100 Ω em série, 10 kΩ entre gate e terra
RDS(on)no máximo 48 mΩ, garantida a 2,5 V (3 A); o gate recebe 3,3 V, limiar até 1,45 V
Queda de tensão0,11 V (RDS(on) de 54 mΩ quente): 0,21 W
Temperatura de junção52 °C = 25 °C + 0,21 W × 125 °C/W
Limites12 V de 30 V · 2 A de 5,7 A
Ao ar livreaté 1 W a 25 °C (θJA 125 °C/W)

Dicas

Mantenha o resistor de 10 kΩ entre gate e terra: enquanto o microcontrolador inicializa, os pinos ficam flutuando e o MOSFET poderia ligar sozinho.

Com vários ampères circulando, separe o retorno de terra da carga do fio de terra do microcontrolador: junte os dois na fonte.

Um SOT-23 dissipa o calor pelo cobre do pino de dreno: o valor do datasheet supõe cerca de 6,5 cm² (1 polegada²); só com o pad ele esquenta muito mais.

O microcontrolador e a alimentação da carga precisam ter o terra em comum; senão, o gate ou a base fica sem referência.

Texto pronto para colar em um fórum ou em uma issue.

Como a calculadora decide

Um transistor usado como chave deve estar totalmente desligado ou totalmente ligado. Totalmente ligado quer dizer saturado, no caso de um bipolar, e com a RDS(on) baixa, no caso de um MOSFET: a queda sobre ele é pequena, e o calor também. A calculadora confere se o seu pino consegue levá-lo até lá usando só os valores garantidos pelo datasheet e depois calcula o calor e a temperatura de junção.

Transistores bipolares: corrente e resistor de base

O hFE do datasheet é medido com vários volts sobre o transistor, não em saturação. Para a tensão de saturação VCE(sat), os datasheets usam um ganho bem menor, em geral IC = 10 × IB (20 × no BC547, 250 × no Darlington TIP120). A calculadora usa esse mesmo ganho forçado, então a tensão de saturação do resultado é garantida.

IB = IC ÷ β(forçado)
RB = (VGPIO − VBE(sat)) ÷ IB
P = VCE(sat) × IC + VBE(sat) × IB

Exemplo: um ESP32 acionando a bobina de um relé de 12 V e 70 mA com um 2N2222A. IB = 70 ÷ 10 = 7 mA e RB = (3,3 − 1,2) ÷ 0,007 = 300 Ω, arredondado para baixo para 270 Ω, para a base receber um pouco mais. O transistor tem queda de no máximo 0,3 V: cerca de 30 mW, nada preocupante. Com 300 mA a base precisaria de 30 mA, mais do que os 20 mA que um pino do ESP32 deveria fornecer: é aí que entra um MOSFET.

MOSFETs: a tensão de gate que é realmente garantida

A tensão de limiar VGS(th) não é a tensão em que o MOSFET liga: é aquela em que ele mal começa a conduzir, com 250 µA ou 1 mA. O que importa é a RDS(on) que o datasheet garante com uma dada tensão de gate. O AO3400A a garante a 2,5 V e conduz totalmente a partir de um pino de 3,3 V. O IRLZ44N a garante a partir de 4 V: bom com 5 V, sem garantia com 3,3 V. O IRF520 e o IRF540N só a 10 V. Entre o limiar e o ponto garantido mais baixo o datasheet não promete nada, e a calculadora diz isso em vez de chutar.

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

A RDS(on) sobe com a temperatura, cerca de 1,5 vez a 125 °C nesses datasheets (1,43 no AO3400A e 1,8 no 2N7000, pelas tabelas deles). A calculadora a aumenta com a temperatura de junção e repete até as duas baterem. Exemplo: um AO3400A acionado por um ESP32 ligando uma fita de LED de 2 A em 12 V. Com 3,3 V vale o valor garantido a 2,5 V, 48 mΩ: 2² × 0,048 = 0,19 W, cerca de 0,21 W quente. Com 125 °C/W a junção chega a uns 52 °C.

Por que o módulo IRF520 não funciona com 3,3 V

O módulo vermelho comum com IRF520 liga o pino de sinal quase direto ao gate de um IRF520. O limiar dele pode chegar a 4 V e a RDS(on) só é garantida a 10 V. Com um ESP32 em 3,3 V ele pode nem conduzir; com um Arduino em 5 V ele conduz só em parte e esquenta com poucos ampères. Em 5 V dá para trocá-lo por um MOSFET de nível lógico com a mesma pinagem, como o IRLZ44N ou o IRLB8721. Em 3,3 V use um MOSFET garantido a 2,5 V ou um driver de gate.

Motores, relés e solenoides: o diodo de roda livre

Uma bobina se opõe a variações de corrente. Quando o transistor desliga, a bobina mantém a corrente e a tensão dela dispara até algo ceder, normalmente o transistor. Um diodo em paralelo com a carga, com o catodo para o positivo, dá um caminho a essa corrente. Para relés que só ligam e desligam, um 1N4148 (bobinas pequenas) ou um 1N4007 basta; com PWM em um motor, use um diodo Schottky como o 1N5819 (1 A) ou o SS34 (3 A), adequado à corrente da carga.

Lado positivo: MOSFET canal P e conversor de nível

Às vezes a carga precisa continuar ligada ao terra e a chave fica entre a alimentação e a carga. Com um MOSFET canal P, a fonte vai ao positivo e um resistor puxa o gate para a mesma tensão (desligado); um pequeno NPN acionado pelo pino leva o gate ao terra (ligado). O gate vê então toda a tensão de alimentação: acima de 80% do limite do gate, a calculadora acrescenta um divisor. Um pino não consegue acionar o MOSFET canal P diretamente quando a alimentação é maior que a tensão do pino: o MOSFET nunca desligaria.

PWM e perdas de chaveamento

A cada borda o MOSFET passa um instante meio ligado, com tensão e corrente ao mesmo tempo. Um pino de microcontrolador carrega e descarrega o gate com algumas dezenas de miliampères, então um IRLZ44N (48 nC) leva alguns microssegundos por borda: inofensivo a 1 kHz, alguns watts a 20 kHz com 5 A. A calculadora estima isso como ½ × V × I × (tempo de subida + descida) × frequência, com toda a carga de gate, o que erra para o lado seguro. Para PWM rápido, use um MOSFET pequeno com pouca carga de gate ou um driver.

Os transistores da lista

ComponenteTipoEncapsulamentoV máx.I máx.GarantidoCom 3,3 VCom 5 VθJA
2N2222ANPNTO-9240 V600 mAVCE(sat) 1 V / 500 mA——200 °C/W
2N3904NPNTO-9240 V200 mAVCE(sat) 0,3 V / 50 mA——200 °C/W
BC547NPNTO-9245 V100 mAVCE(sat) 0,6 V / 100 mA——200 °C/W
S8050NPNSOT-2325 V500 mAVCE(sat) 0,6 V / 500 mA——417 °C/W
TIP120NPN DarlingtonTO-22060 V5 AVCE(sat) 4 V / 5 A——62,5 °C/W
2N7000MOSFET canal NTO-9260 V200 mARDS(on) 5,3 Ω / 4,5 Vsem garantia5,3 Ω313 °C/W
BS170MOSFET canal NTO-9260 V500 mARDS(on) 5 Ω / 10 Vsem garantiasem garantia357 °C/W
AO3400AMOSFET canal NSOT-2330 V5,7 ARDS(on) 48 mΩ / 2,5 V48 mΩ32 mΩ125 °C/W
Si2302MOSFET canal NSOT-2320 V2,6 ARDS(on) 75 mΩ / 2,5 V75 mΩ57 mΩ175 °C/W
IRLML6344MOSFET canal NSOT-2330 V5 ARDS(on) 37 mΩ / 2,5 V37 mΩ29 mΩ100 °C/W
IRLZ44NMOSFET canal NTO-22055 V47 ARDS(on) 35 mΩ / 4 Vsem garantia25 mΩ62 °C/W
IRLB8721MOSFET canal NTO-22030 V62 ARDS(on) 16 mΩ / 4,5 Vsem garantia16 mΩ62 °C/W
IRF520MOSFET canal NTO-220100 V9,2 ARDS(on) 270 mΩ / 10 Vsem garantiasem garantia62 °C/W
IRF540NMOSFET canal NTO-220100 V33 ARDS(on) 44 mΩ / 10 Vsem garantiasem garantia62 °C/W
AO3401AMOSFET canal PSOT-2330 V4 ARDS(on) 85 mΩ / −2,5 V——125 °C/W
IRF9540NMOSFET canal PTO-220100 V23 ARDS(on) 117 mΩ / −10 V——62 °C/W

Valores máximos garantidos a 25 °C, dos datasheets dos fabricantes (onsemi, CJ, Alpha & Omega, Vishay, Infineon). Com 3,3 V e com 5 V: a RDS(on) garantida com essa tensão de gate. A θJA é medida na placa de teste de cada fabricante, cerca de 6,5 cm² de cobre para os SOT-23: com menos cobre eles esquentam mais.

Perguntas frequentes

Um ESP32 consegue acionar um MOSFET diretamente?

Sim, se a RDS(on) do MOSFET for garantida a 2,5 V ou menos, como no AO3400A, no Si2302 ou no IRLML6344. Coloque 100 Ω em série com o gate e 10 kΩ entre gate e terra, para ele continuar desligado enquanto o ESP32 inicializa. O IRLZ44N, muitas vezes vendido como de nível lógico, só tem garantia a partir de 4 V.

Por que o meu módulo IRF520 não funciona com 3,3 V?

Porque o IRF520 não é um MOSFET de nível lógico: o limiar dele pode ser de 4 V e a RDS(on) só é garantida a 10 V. Com 3,3 V ele pode nem conduzir. Use um driver de gate, um módulo com MOSFET de nível lógico ou um MOSFET garantido a 2,5 V, como o AO3400A.

Qual resistor de base usar em um transistor como chave?

RB = (VGPIO − VBE(sat)) ÷ IB, com IB = IC ÷ 10 para a maioria dos transistores pequenos (IC ÷ 20 para o BC547). Para 100 mA a partir de um Arduino de 5 V com um 2N2222A: IB = 10 mA e RB = (5 − 1,2) ÷ 0,01 = 380 Ω, então 330 Ω.

TIP120 ou MOSFET?

Com um Arduino de 5 V o TIP120 funciona com pouca corrente de base, mas tem queda de até 2 V a 3 A: até 6 W de calor. Um MOSFET de nível lógico tem queda de algumas dezenas de milivolts com a mesma corrente. Com um ESP32, escolha um MOSFET garantido a 2,5 V.

Preciso de diodo de roda livre?

Sim, em tudo que tem bobina: motores, relés, solenoides, válvulas, ventoinhas. Coloque-o em paralelo com a carga, com o catodo (o lado da faixa) para o positivo. Fitas de LED e resistências de aquecimento não precisam.

Quanta corrente um MOSFET em SOT-23 consegue chavear?

No papel, vários ampères, mas quem decide é o calor. Um AO3400A acionado por um pino de 3,3 V dissipa cerca de 0,2 W com 2 A e fica perto de 50 °C; com 3 A chega perto de 100 °C. Mais cobre em volta do pino de dreno ajuda.

Lado do terra ou lado positivo?

O lado do terra (transistor entre a carga e o terra) é mais simples: um MOSFET canal N ou um NPN acionado direto pelo pino. Use o lado positivo quando a carga precisa continuar ligada ao terra, por exemplo um sensor que compartilha o terra com o microcontrolador: aí entra um MOSFET canal P com um pequeno NPN que leva o gate ao terra.