Acionar cargas com ESP32 ou Arduino usando um MOSFET

O circuito básico: um MOSFET canal N no lado do terra

Para cargas em corrente contínua de até alguns ampères, a chave fica entre a carga e o GND: a carga vai entre o + da fonte e o dreno do MOSFET, o source vai ao GND e o pino aciona o gate. É o chaveamento no lado do terra (low-side), e ele permite que um pino de 3,3 V controle uma carga de 12 ou 24 V, porque a tensão de gate é medida em relação ao source, que está no GND.

Resistor de gate e pull-down como na nossa calculadora de transistor como chave. Use um pino que não seja de strapping (veja os erros comuns mais abaixo).

Escolher um MOSFET de nível lógico

Uma linha do datasheet decide se um MOSFET funciona a partir do seu pino: a RDS(on) máxima numa VGS informada. A tensão de limiar VGS(th) não é a tensão em que o MOSFET está ligado: é onde ele mal começa a conduzir, com 250 µA ou 1 mA. Entre o limiar e a menor VGS com RDS(on) garantida, o datasheet não promete nada.

• A partir de um ESP32 (3,3 V): escolha um MOSFET com RDS(on) garantida em 2,5 V. A Espressif especifica o nível alto de saída como pelo menos 0,8 × VDD com o pino fornecendo corrente; um gate carregado praticamente não consome corrente e vê quase 3,3 V, mas 2,5 V deixam margem.
• A partir de um Arduino Uno ou Nano (5 V): basta uma RDS(on) garantida em 4,5 V (ou 4 V).
• “Logic level” no nome ou num anúncio não é garantia. O IRLZ44N, vendido como de nível lógico há décadas, é garantido a partir de 4 V: serve em 5 V, não em 3,3 V.

Valores máximos a 25 °C dos datasheets dos fabricantes. As correntes a partir de 3,3 V mantêm um SOT-23 em torno de um quarto de watt, numa placa pequena (veja a seção sobre calor); as de 5 V são as maiores que a nossa calculadora aceita ao ar livre a 25 °C, com 25 °C de margem abaixo da temperatura máxima de junção, como nas páginas de cada componente. Segundo a AOS, o AO3400A e o AOD4184A estão em plena produção, e segundo a Infineon o IRLZ44N continua em produção. São exemplos, não recomendações de compra. Em qualquer alternativa, confira a RDS(on) na sua tensão de gate ou abaixo, a VDS com folga sobre a alimentação (30 V para 12 V é o comum), a VGS máxima e a resistência térmica do encapsulamento. Peças com o mesmo nome vendidas por outros fabricantes têm datasheet próprio: leia o da peça que você tem.

Calor: perdas de condução e encapsulamento

Um MOSFET totalmente ligado se comporta como um resistor pequeno. Ele dissipa P = I² × RDS(on), e a junção esquenta P × θJA acima do ar em volta. Além disso, a RDS(on) sobe com a temperatura, cerca de 1,5 vez a 125 °C, então um MOSFET quente esquenta mais; a nossa calculadora vai subindo a RDS(on) com a temperatura até os dois valores baterem.

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

Um AO3400A conduzindo 2 A a partir de um pino de 3,3 V: 2² × 0,048 = 0,19 W a 25 °C, um pouco mais depois de quente. Com PWM a 5 kHz ele dissipa 0,26 W no total e a junção chega a cerca de 58 °C: tranquilo. O Si2302CDS no mesmo lugar chega a cerca de 104 °C: dentro do limite, mas quente demais para ficar fechado numa caixa. Os números dos SOT-23 supõem as placas de teste dos fabricantes, com uma área de cobre no dreno; num pad sem cobre extra eles esquentam mais.

• SOT-23: num módulo pequeno, com menos cobre que isso, mantenha a dissipação em torno de um quarto de watt: cerca de 2 A para um AO3400A, 2,2 A para um IRLML6344 e 1,5 A para um Si2302CDS. As páginas de componentes da nossa calculadora usam os números dos fabricantes e aceitam mais (3,4 A para o AO3400A).
• TO-220 ao ar livre: cerca de 62 °C/W, então 1 W sobe a junção em uns 60 °C. Acima de 1,5 a 2 W coloque um dissipador; a calculadora diz quantos °C/W ele precisa ter.
• TO-252 (DPAK): usa a placa como dissipador: a AOS informa 55 °C/W para o AOD4184A numa polegada quadrada de cobre.

Escolha a placa, o MOSFET e a carga: a calculadora dá o veredito, o calor, a temperatura de junção, o diodo e opções melhores quando um componente não serve.Abrir a calculadora de transistor

PWM: frequência, carga de gate e perdas de chaveamento

Dimerizar LEDs: qualquer frequência acima de uns 1,25 kHz evita a cintilação visível. No ESP32 original, ledcAttach(pin, 5000, 13) dá 5 kHz com 13 bits de resolução (Arduino-ESP32 3.x); o analogWrite() usa 1 kHz e 8 bits. O analogWrite() de um Arduino Uno trabalha a 490 Hz nos pinos 3, 9, 10 e 11 e a 980 Hz nos pinos 5 e 6, com 8 bits.

Motores e bombas: a bobina suaviza a corrente, mas frequências audíveis apitam. Por volta de 20 kHz já está acima da audição: num ESP32 sobram 11 bits; num Uno, o Timer1 dos pinos 9 e 10 chega a 20 kHz com TOP = 799, cerca de 9,6 bits.

Perdas de chaveamento. A cada borda o MOSFET passa por um estado meio ligado, e o pino move a carga de gate Qg com só uns 20 mA. Um IRLZ44N (48 nC) acionado por um pino do Uno leva até cerca de 2,4 µs por borda. A 490 Hz isso custa no máximo 42 mW; a 20 kHz, com um motor de 3 A, chega a 1,73 W, o bastante para a calculadora pedir um dissipador. Os dois valores são limites superiores: a calculadora conta toda a Qg, enquanto o estado meio ligado corresponde só a uma parte dela. A perda real é menor, mas a 20 kHz ainda supera a perda de condução. PWM rápido pede um MOSFET com pouca carga de gate, ou um driver de gate.

Escolha o chip e a frequência: a calculadora dá a resolução do ciclo de trabalho, a frequência exata e o código para Arduino, ESPHome e os SDKs.Abrir a calculadora PWM

Quando usar um driver de gate

Ele é necessário em dois casos: um MOSFET que serve para a carga mas não é garantido na tensão do pino (um motor de 3 A a partir de um ESP32 em 3,3 V), ou um PWM tão rápido que o pino não consegue mover a carga de gate a tempo. Um driver de gate recebe o sinal lógico e aciona o gate com um ampère ou mais, a partir de uma alimentação de 10 a 12 V. Para o motor de 3 A a 20 kHz a partir de um ESP32, a nossa calculadora encontra um IRLZ44N acionado em 12 V por um driver: ele dissipa 0,52 W e fica em torno de 57 °C.

Segundo as páginas de produto da Microchip e da TI. Em qualquer alternativa, confira se o limiar de entrada fica abaixo do seu nível alto, se a faixa de alimentação cobre a tensão de gate desejada, e mantenha o gate abaixo de 80% da VGS máxima do MOSFET: 12 V servem para um gate de ±20 V, não para um de ±12 V.

Para um serviço lento, um transistor bipolar resolve: um NPN pequeno que puxa o gate para o GND, com um resistor que puxa para 12 V, dá ao gate uma excursão de 12 V a partir de um pino de 3,3 V. Ele só liga o MOSFET na velocidade em que o resistor de pull-up carrega o gate, então serve para liga/desliga e PWM lento, não para 20 kHz. Ele também inverte a lógica. Enquanto o pino está em nível baixo ou flutuando (no reset, no boot e na gravação do firmware, ou com a placa desligada), o pull-up faz o MOSFET conduzir e a carga liga: o contrário do que o pull-down de 10 kΩ faz no circuito padrão. Se a carga precisa ficar desligada até você acioná-la, acrescente um segundo estágio NPN que inverta a lógica de volta, ou use um driver de gate não inversor como o TC4427, com 10 kΩ entre a entrada dele e o GND.

Chaveamento no lado positivo com um MOSFET canal P

Algumas cargas precisam manter o próprio GND: um módulo que compartilha o GND com o microcontrolador por uma linha de dados, ou um aparelho que você quer desligar pelo positivo. Aí a chave vai no +. Um MOSFET canal P fica com o source na alimentação; um resistor entre gate e source o mantém desligado, e puxar o gate para baixo o liga. Em 12 V um pino de 3,3 V não faz isso direto (o nível alto dele continua 8,7 V abaixo do source, então o MOSFET nunca desliga): quem faz isso é um NPN pequeno.

Com um AO3401A em 12 V e 1 A, a calculadora mantém o gate em cerca de 9 V com esse divisor, e o MOSFET dissipa 62 mW (abra o exemplo). A lógica não é invertida: pino alto, carga ligada. Qualquer NPN pequeno serve como conversor de nível: 2N3904, BC547 ou o MMBT3904 em SMD.

Segundo os datasheets dos fabricantes (a AOS informa que o AOD4185 está em plena produção). Aqui o canal P não é questão de “nível lógico”: a excursão do gate vem da alimentação da carga, então compare a VGS máxima com ela.

Cargas comuns, e qual diodo usar

Diodos como a nossa calculadora escolhe: 1N4148 (75 V, 150 mA de média), 1N4007 (1000 V, 1 A), 1N5819 Schottky (40 V, 1 A), SS34 Schottky (40 V, 3 A). Com PWM o diodo conduz a cada ciclo: use um Schottky adequado à corrente da carga.

Dimensione o MOSFET e o diodo de um motor pela corrente com o rotor travado, não pela de funcionamento: veja o datasheet do motor, ou meça a resistência do enrolamento e divida por ela a tensão de alimentação. Um diodo simples em paralelo com uma válvula ou um relé deixa o desligamento um pouco mais lento; se o tempo de desligamento importa, as notas de aplicação do fabricante da válvula ou do relé mostram as alternativas.

A armadilha do módulo IRF520, e módulos melhores

O famoso módulo vermelho “IRF520 MOSFET driver” 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 em 10 V. A partir de um ESP32 ele pode nem ligar (para a nossa calculadora ele fica desligado); a partir de um Arduino conduz só em parte (não garantido em 5 V) e esquenta com poucos ampères.

Os módulos montados com o AOD4184A (muitas vezes vendidos como módulos “D4184”) são uma melhora real em 5 V: 9,5 mΩ garantidos em 4,5 V. Em 3,3 V eles também não são garantidos, porque o limiar do AOD4184A vai até 2,6 V e nenhuma RDS(on) é informada abaixo de 4,5 V. Diga o anúncio o que disser, leia a marcação do MOSFET e procure o datasheet dele.

Exemplos completos

A. Uma fita de LED de 12 V e 2 A dimerizada por um ESP32

AO3400A no GPIO25 com 100 Ω e 10 kΩ, sem diodo, PWM a 5 kHz com 13 bits. A calculadora: 0,26 W de calor (dos quais 42 mW vêm do chaveamento), junção em torno de 58 °C com 25 °C de temperatura ambiente, 109 mV perdidos no MOSFET. Um IRLML6344 no mesmo lugar: 0,2 W, 45 °C. No código, 4096 de 8192 é 50%.

const int STRIP = 25;

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

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

Abra este exemplo na calculadora de transistor e depois mude a corrente da fita ou a frequência do PWM.Exemplo A na calculadora

B. Uma bomba de 12 V e 3 A a partir de um Arduino Uno

IRLZ44N no pino 9 com 100 Ω e 10 kΩ, um Schottky SS34 em paralelo com a bomba, analogWrite() a 490 Hz. A calculadora: 0,29 W, dos quais no máximo 42 mW de chaveamento, cerca de 43 °C, sem dissipador. Um AOD4184A em DPAK, digitado como componente personalizado, dá 88 mW de perda de condução: componentes personalizados não têm carga de gate, e os 17 nC dele (máximo em 4,5 V) somam no máximo 15 mW a 490 Hz. O mesmo IRLZ44N a partir de um ESP32 não é garantido: nesse caso, use um driver de gate, ou um AO3400A se a bomba consumir menos de 2 A.

Abra o exemplo B: Arduino Uno, IRLZ44N, bomba de 3 A a 490 Hz.Exemplo B na calculadora

C. Uma válvula solenoide de 12 V a partir de um ESP32

A bobina da válvula mede 24 Ω, então ela consome 0,5 A e 6 W em 12 V. Um AO3400A com um 1N4007 em paralelo com a bobina, ligando e desligando sem PWM: 12 mW no MOSFET, praticamente frio. Uma bobina de relé de 12 V com uns 70 mA é ainda mais fácil: a calculadora escolhe um 1N4148.

Abra o exemplo C: ESP32, AO3400A, válvula de 0,5 A com o diodo.Exemplo C na calculadora

Erros comuns

• Sem GND comum. O − da fonte precisa ir ao GND da placa, senão a tensão de gate não significa nada.
• Gate flutuando no boot. Sem o pull-down de 10 kΩ a carga pode ligar por um instante ao energizar ou durante a gravação do firmware, enquanto o pino ainda é entrada.
• Um pino de strapping. Num ESP32, um pull-down de 10 kΩ no GPIO0 o mantém em nível baixo no reset e a placa inicia em modo de download; GPIO2, 5, 12 e 15 também são de strapping, e em algumas placas os GPIO5, 14 e 15 mostram atividade no boot. GPIO4, 13, 16 a 19, 21 a 23, 25 a 27, 32 e 33 são escolhas mais seguras (exceto 16 e 17 nos módulos WROVER, que os usam para a PSRAM), como mostra a nossa pinagem do ESP32.
• Sem diodo em motor, bomba, válvula ou relé. O pico de tensão no desligamento pode passar da VDS do MOSFET e queimá-lo, muitas vezes depois de funcionar por um tempo.
• Confiar na VGS(th). Um limiar de 1 a 2 V não faz um MOSFET funcionar em 3,3 V; quem faz é a RDS(on) na sua tensão de gate.
• Um MOSFET no lado positivo acionado direto pelo pino. Um canal N no + precisa de um gate acima da alimentação; um canal P em 12 V nunca desliga a partir de 3,3 V.
• Alimentar a carga pela placa. O pino de 5 V de uma placa de desenvolvimento e as trilhas dela não foram feitos para ampères: leve a alimentação da carga direto à carga e ao MOSFET.

Segurança

• Nunca chaveie a rede elétrica com estes circuitos. Os MOSFETs deste guia são para corrente contínua de baixa tensão. Para cargas de 127 ou 220 V use um módulo de relé certificado, um relé de estado sólido certificado ou uma tomada inteligente pronta, e deixe a ligação à rede elétrica a cargo de um profissional qualificado quando as normas exigirem.
• Um fusível na alimentação de baixa tensão. Uma fonte de 12 V que fornece 10 A joga tudo isso num curto-circuito; um fusível dimensionado para o fio protege a fiação.
• Calor. Um TO-220 dissipando 2 W ao ar livre tem a junção bem acima de 100 °C e a aba queima: monte num dissipador e longe de plástico.
• Partida e travamento. Motores, bombas e cargas capacitivas puxam na partida várias vezes a corrente de funcionamento: dimensione a fonte, os fios e o MOSFET para isso.