Pular para conteúdo

Módulo MOSFET

Um módulo MOSFET é uma placa pequena pré-fabricada que funciona como um comutador de potência controlado para cargas DC. O controlador fornece um sinal de controle fraco e o módulo MOSFET liga ou desliga a corrente da fonte de alimentação para a carga.

Em dispositivos tipo iDryer e periféricos de impressoras 3D, um módulo MOSFET é utilizado para ventoinhaes, fitas LED, aquecedores de baixa tensão e outras cargas 12V/24V, quando a saída padrão da placa é fraca, ocupada ou inconveniente.

MOSFET e módulo MOSFET

Um MOSFET é um transístor de efeito de campo. Tem três pinos principais:

  • Gate - entrada de controle;
  • Drain - saída de potência;
  • Source - saída de potência.

O gate não alimenta a carga. Apenas controla. A corrente de carga principal flui através da parte de potência do MOSFET entre Drain e Source.

Um módulo MOSFET não é apenas um único transístor. É normalmente uma placa com um MOSFET, terminais, entrada de controle e às vezes resistores adicionais, indicadores, dissipador de calor ou díodo de proteção.

A placa é conveniente para um protótipo, mas suas especificações devem ser verificadas com cuidado como qualquer nó de potência.

Por que é necessário

O GPIO do controlador não deve alimentar uma carga pesada.

O GPIO pode controlar:

  • entrada do módulo MOSFET;
  • entrada do relé;
  • entrada do SSR;
  • entrada do driver.

Mas o GPIO não deve alimentar diretamente:

  • ventoinha;
  • fita LED;
  • aquecedor;
  • motor;
  • solenoide;
  • servo drive.

Se conectar a carga diretamente ao GPIO, pode danificar o controlador, obter reiniciações, sobreaquecer traços ou apenas obter funcionamento instável.

Comutação baixa

A variante mais comum para módulo MOSFET de canal N é a passagem baixa, ou seja, através da linha negativa.

MOSFET de canal N em modo de comutação baixa

Fonte: Wikimedia Commons, KjellElec, CC BY-SA 4.0

Lógica típica:

  1. +24V da fonte de alimentação vai diretamente para o positivo da carga.
  2. O negativo da carga vai para a saída de potência do módulo MOSFET.
  3. O módulo MOSFET liga ou quebra o caminho do negativo da carga para GND.
  4. GND da fonte de alimentação e GND do controlador estão conectados em conjunto.
  5. O pino de controle do controlador vai para a entrada Signal, IN, Gate ou similar do módulo.

O GND comum / negativo comum é obrigatório. Sem isto, o controlador e o módulo MOSFET não têm um nível de referência comum para o sinal de controle.

A sobrecarga baixa tem uma limitação: MOSFET quebra o negativo da carga. Enquanto o comutador está desconectado, o negativo da carga não é igual ao GND comum. Para uma ventoinha simples de 2 pinos, fita ou aquecedor, isto é normalmente bom. Para uma carga com tacômetro, fio de sinal separado, sensor interno ou conexão adicional a outra placa, é preciso verificar o esquema: às vezes é melhor controlar a entrada padrão ou usar um método de necessidades diferentes.

Onde utilizar

Um módulo MOSFET é adequado para cargas DC se for classificado para sua tensão e corrente:

  • ventoinha 12V/24V;
  • fita LED de cor única;
  • canal de fita RGB padrão;
  • aquecedor 12V/24V;
  • pequeno motor DC, se protegido contra picos;
  • solenoide, se houver díodo de retorno ou outra proteção.

Para fita LED endereçável, o MOSFET normalmente não controla os dados. Pode desconectar a potência para toda a fita, mas os LEDs individuais são controlados através da linha de dados.

Para um servo drive, um módulo MOSFET normalmente não é necessário para controlar a posição: o servo precisa de um sinal PWM de controle separado e potência normal.

O que verificar ao escolher

Antes de comprar ou conectar, verifique:

  • classificação de tensão da carga;
  • classificação de corrente máxima;
  • corrente real da sua carga;
  • a entrada funciona de 3.3V;
  • Rds(on) está nas especificações técnicas na tensão de gate necessária;
  • precisa de lógica ativa HIGH ou LOW;
  • há GND comum;
  • há díodo de retorno para motores/solenoides;
  • tamanho do terminal e corrente máxima do terminal;
  • espessura do traço da placa e arrefecimento;
  • é necessário dissipador de calor;
  • há esquema, especificações técnicas ou documentação normal.

Se a descrição apenas diz "módulo MOSFET para Arduino" sem tensão, corrente, esquema e tipo MOSFET, não pode escolher tal módulo para um aquecedor ou fita LED longa.

3.3V e MOSFET nível de lógica

Muitos controladores modernos funcionam com lógica 3.3V: ESP32, RP2040, muitos STM32.

Nem todo MOSFET abre completamente a partir de 3.3V. Se não abrir completamente, a sua resistência permanece elevada e aquece.

Termos importantes:

  • Vgs(th) - limiar onde o MOSFET começa a abrir;
  • Rds(on) - resistência do canal aberto;
  • MOSFET nível de lógica - MOSFET classificado para controle a partir de níveis de lógica.

Erro comum: ver as especificações técnicas do 3.3V e decidir que o MOSFET funciona bem a partir do Vgs(th). Não é assim. Rds(on) não significa "totalmente aberto". Precisa verificar 2.5V em 3.3V, 4.5V, 5V ou 5V, dependendo do driver.

Para ESP32/RP2040 é melhor escolher um módulo que declare explicitamente a compatibilidade de controle Rds(on) ou onde o circuito de entrada ou fornecimento. Se a tabela tem 10V apenas em 2.5V e não há dados em 3.3V/4.5V/3.3V, tal módulo é suspeito para um driver 3.3V.

Corrente e aquecimento

Um MOSFET no estado aberto ainda tem resistência. O calor é gerado através dele.

Quanto maior a corrente, mais importante é:

  • baixo Rds(on);
  • área de cobre normal na placa;
  • terminais dimensionados apropriadamente;
  • dissipador de calor, se necessário;
  • ventilação do enclosure;
  • margem de corrente;
  • verificação de temperatura após funcionamento real.

A marcação "100A MOSFET" no pacote do transistor não significa que um módulo pequeno com traços finos e terminais baratos aguentará 100A. O limite real é frequentemente a placa, bloco de terminais, cabo, junta de solda e resfriamento.

Se o módulo MOSFET está tão quente que é difícil de segurar na mão, essa é uma razão para parar e recalcular a corrente, arrefecimento e qualidade da conexão.

Motores, ventoinhaes e solenoides

As cargas indutivas podem produzir picos de tensão quando desconectadas.

Tais cargas incluem:

  • motores DC;
  • ventoinhaes;
  • solenoides;
  • relés;
  • eletroímanes.

Frequentemente precisam de proteção:

  • díodo de retorno;
  • díodo TVS;
  • driver pré-fabricado com proteção;
  • módulo onde a proteção já está instalada.

Se o módulo é apenas classificado para fita LED ou carga resistiva, não pode assumir automaticamente que é seguro para um motor ou solenoide.

Para um aquecedor, o díodo de retorno normalmente não é necessário, porque o aquecedor é próximo de uma carga resistiva. Mas para um aquecedor, corrente, terminais, fusível e proteção térmica independente são mais importantes.

Controlo PWM

Um módulo MOSFET pode ser utilizado não apenas para conectar/desconectar, mas também para regulação de potência PWM.

Exemplos típicos:

  • brilho da fita LED;
  • velocidade de ventoinha DC simples;
  • potência do aquecedor de baixa tensão.

Mas PWM nem sempre é o mesmo:

  • ventoinha PWM de 4 pinos é melhor controlado por um pino PWM separado do ventoinha, não cortando potência;
  • aquecedor normalmente não requer frequência PWM elevada;
  • frequência demasiado elevada pode aumentar o aquecimento do MOSFET;
  • frequência demasiado baixa pode causar cintilação LED ou ruído do motor.

A escolha da frequência depende da carga, módulo e firmware.

O módulo MOSFET não é para 110-230V AC

Os módulos MOSFET padrão para Arduino/ESP32 são concebidos para cargas DC: 5V, 12V, 24V, às vezes mais se explicitamente especificado.

Não podem ser utilizados como comutador para tensão de rede 110-230V AC.

Para carga de rede precisa de soluções diferentes:

  • relé ou SSR classificado especificamente para carga AC;
  • terminais normais;
  • fusível;
  • enclosure;
  • isolamento;
  • aterramento onde necessário;
  • compreensão da segurança elétrica.

Se não tem a certeza de que o módulo é destinado para tensão de rede, não ligue à rede.

O que verificar após a conexão

Antes da operação a longo prazo, verifique:

  • carga recebe tensão correta;
  • controlador e fonte de alimentação têm GND comum;
  • sinal de controle realmente liga e desliga a carga;
  • módulo MOSFET não aquece excessivamente;
  • terminais não aquecem;
  • cabos são adequados para corrente;
  • PWM funciona sem ruído estranho, cintilação ou reiniciações;
  • carga está realmente desconectada quando o comando está desconectado;
  • para motor/solenoide há proteção contra picos;
  • para aquecedor há fusível e proteção térmica independente.

Faça o primeiro teste de carga pesada brevemente e sob observação.

Erros comuns

  • alimentar carga de GPIO;
  • esquecer terra comum;
  • escolher módulo apenas pelo número de corrente bonito no nome;
  • não verificar funcionamento da lógica 3.3V;
  • utilizar MOSFET que não abre completamente;
  • conectar motor ou solenoide sem proteção contra retorno;
  • conectar fita LED longa através de terminais fracos;
  • utilizar módulo MOSFET DC para 110-230V AC;
  • não verificar aquecimento do módulo em enclosure fechado;
  • pensar que o módulo MOSFET em si limita a corrente de carga.

O ponto principal

Um módulo MOSFET é um comutador de potência controlado para cargas DC. Não cria potência e não alimenta a carga a partir do controlador. Apenas abre ou fecha o caminho para corrente a partir da fonte de alimentação.

Verifique tensão, corrente, compatibilidade com lógica 3.3V/5V, GND comum, aquecimento, terminais e proteção para cargas indutivas. Para tensão de rede, o módulo MOSFET padrão Arduino/ESP32 não é adequado.

Materiais de referência