Arduino Nano ESP32 - Módulo MOSFET
Neste guia, vamos aprender a usar um módulo MOSFET com o Arduino Nano ESP32 para acionar uma carga de 12V. Os pinos do Nano ESP32 dão apenas 3.3V e uma corrente minúscula, então eles não conseguem alimentar sozinhos uma fita LED ou uma ventoinha de 12V. O módulo MOSFET fica no meio e faz o trabalho pesado. Em detalhes, vamos aprender:
- Como ligar o módulo MOSFET AOD4184, LR7843 ou FR120N, um adaptador de 12V e uma fita LED de 12V ao Arduino Nano ESP32.
- Como escrever um programa para o Arduino Nano ESP32 ligar e desligar totalmente a carga, e mudar a potência dela passo a passo com PWM.
Quando isso funcionar, depois você pode adicionar WiFi ao mesmo sketch e definir a potência da sua fita ou ventoinha a partir de um celular ou de uma página web.
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Sobre o Módulo MOSFET
Pense no módulo MOSFET como uma chave eletrônica sem partes móveis. O Nano ESP32 envia um pequeno sinal de 3.3V, e o módulo abre ou fecha o caminho de uma corrente DC muito maior. Ele funciona com fitas LED de 12V, motores DC, ventoinhas, bombas, válvulas solenoide e aquecedores.
Este guia cobre três módulos: AOD4184 (também vendido como D4184), LR7843 e FR120N. Eles usam o mesmo projeto de placa. O tamanho, os pinos, a ligação e o código são todos iguais. Só o chip MOSFET da placa é diferente.
Por que escolher um módulo MOSFET e não um relé? Um relé faz clique e se desgasta com o tempo, e só pode fazer ON ou OFF. O módulo MOSFET é silencioso, muito rápido e dura muito tempo. Ele também aceita PWM, então você pode dimerizar uma fita LED ou diminuir a velocidade de uma ventoinha. O único limite: ele é só para cargas DC. Nunca o use com a rede elétrica AC.
| AOD4184 | LR7843 | FR120N | |
|---|---|---|---|
| MOSFET | AOD4184A (canal N) | IRLR7843 (canal N) | IRFR120N (canal N) |
| Tensão máx. da carga (especificação do MOSFET) | 40V DC | 30V DC | 100V DC |
| Corrente máx. (especificação do MOSFET) | 50A | 161A | 9.4A |
| Resistência ligado RDS(on) | cerca de 7 mΩ | cerca de 3.3 mΩ | cerca de 210 mΩ |
| Corrente prática sem dissipador | cerca de 10–15A | cerca de 15A | cerca de 2A |
| Sinal de controle | lógica 3.3V / 5V, ativo em HIGH | lógica 3.3V / 5V, ativo em HIGH | lógica 3.3V / 5V, ativo em HIGH |
| Isolação | optoacoplador PC817 | optoacoplador PC817 | optoacoplador PC817 |
| PWM | sim, mantenha ≤ ~1 kHz | sim, mantenha ≤ ~1 kHz | sim, mantenha ≤ ~1 kHz |
| Tipo de carga | somente DC | somente DC | somente DC |
Qual você deve comprar?
- LR7843: a menor resistência, então fica o mais frio em corrente alta. Uma boa escolha para cargas grandes de 12V ou 24V, como fitas LED longas ou motores grandes. Máx. 30V.
- AOD4184: um bom modelo para todo uso. Ele suporta até 40V com corrente forte, então serve para cargas de 12V, 24V e 36V.
- FR120N: ele aceita a maior tensão (até 100V), mas a resistência dele também é a maior. Use-o com correntes pequenas, cerca de 2A sem dissipador. Bom para cargas pequenas de 24V ou 48V.
Os números de 50A e 161A são limites do chip em si, não da placa pequena. No uso real, o calor é o limite. Depois de alguns minutos de funcionamento, toque no módulo. Se estiver quente demais, diminua a carga ou adicione um dissipador.
Como Funciona
O lado da entrada tem um optoacoplador PC817, e o sinal do pino D9 segue este caminho: pino PWM → resistor pequeno → LED dentro do PC817 → luz → fototransistor dentro do PC817 → gate do MOSFET. Um resistor no gate o puxa para 0V quando o PC817 está desligado. Só a luz atravessa o PC817, então o lado do Nano ESP32 e o lado de 12V nunca se tocam. O GND do sinal e o GND da carga não estão conectados no módulo.
O MOSFET é uma chave low-side de canal N. Ele fica entre o terminal LOAD e o terminal −, então ele chaveia o fio negativo da carga, e não o positivo. A própria carga é conectada entre + e LOAD.
Veja o que o módulo faz com cada tipo de sinal vindo do D9.
HIGH (3.3V) no pino PWM → carga em potência total
- Alguns mA fluem para o LED dentro do PC817, e ele acende (você não consegue ver, ele está dentro do chip).
- O fototransistor conduz e entrega ao gate do MOSFET cerca de metade da alimentação da carga. Com um adaptador de 12V, isso dá cerca de 6V.
- O MOSFET agora está totalmente ON, como uma chave fechada. Sua resistência é minúscula: alguns mΩ (AOD4184, LR7843) ou cerca de 0.2Ω (FR120N).
- A corrente vai do + do adaptador para o terminal +, passa pela carga, entra no LOAD, passa pelo MOSFET, sai pelo − e volta ao − do adaptador.
- A carga recebe quase os 12V completos. O pino de 3.3V é suficiente para isso, porque o LED do PC817 precisa de apenas uma corrente pequena. Nenhum conversor de nível é necessário.
- Código: analogWrite(MOSFET_PIN, 255), ou 100% de duty.
LOW (0V) no pino PWM → carga desligada
- Sem corrente, então o LED dentro do PC817 fica apagado.
- O fototransistor está desligado. O resistor do gate mantém o gate em 0V.
- O MOSFET está OFF, como uma chave aberta entre LOAD e −.
- O fio negativo da carga fica cortado do adaptador, então nenhuma corrente flui e a carga recebe 0V.
- Código: analogWrite(MOSFET_PIN, 0), ou 0% de duty.
Sinal PWM no pino PWM → carga em potência parcial
- O D9 alterna entre LOW e HIGH muito rápido. O analogWrite() do Nano ESP32 usa 1 kHz por padrão, o que significa 1000 vezes por segundo.
- O MOSFET segue cada alternância: ON em cada parte HIGH, OFF em cada parte LOW. A carga recebe pulsos de 12V.
- O duty cycle é a fração do tempo em que o pino fica em HIGH. Ele é o valor do analogWrite() dividido por 255. A tensão média e a potência são o duty cycle vezes o valor total. Com uma alimentação de 12V:
- AnalogWrite 64 (25%) → cerca de 3V de média → cerca de um quarto da potência
- AnalogWrite 128 (50%) → cerca de 6V de média → cerca de metade da potência
- AnalogWrite 191 (75%) → cerca de 9V de média → cerca de três quartos da potência
- Uma fita LED parece mais fraca, pois ela pisca rápido demais para os seus olhos. Uma ventoinha, motor ou bomba gira mais devagar, pois a parte giratória suaviza os pulsos. Uma ventoinha pode não partir com um duty cycle baixo.
- O PC817 é lento, então mantenha a frequência em cerca de 500 Hz a 1 kHz. O padrão de 1 kHz está bom. Em uma frequência muito mais alta, o MOSFET não chaveia por completo, os pulsos ficam bagunçados e o MOSFET esquenta.
- Não use PWM em uma trava ou válvula solenoide. Use apenas HIGH e LOW para elas.
Algumas regras para lembrar:
- Como o gate recebe apenas cerca de metade da alimentação da carga, a alimentação da carga deve ser de pelo menos cerca de 6V. Uma alimentação de carga de 5V não vai funcionar bem. Se a carga puxa mais do que alguns amperes, use 9V ou mais.
- A placa não tem diodo de roda livre (flyback). Para um motor, bomba, solenoide ou bobina de relé, adicione um diodo externo (por exemplo 1N5819 ou 1N4007) em paralelo com a carga. Conecte o cátodo (o lado com a faixa) ao + da carga e o ânodo ao − da carga.
Pinagem
O módulo tem dois grupos de pinos. Um conector de 2 pinos (2.54mm, encaixa em uma protoboard) fica no lado de controle, e bornes de parafuso ficam no lado de potência.
Lado de controle:
- Pino PWM: conecte a um pino GPIO do Arduino Nano ESP32 (o sinal de controle)
- Pino GND: conecte ao GND do Arduino Nano ESP32 (terra do sinal)
Lado de potência:
- Pino +: conecte ao positivo da fonte de alimentação da carga (por exemplo 12V) E ao fio positivo da carga. Os dois fios compartilham este único terminal.
- Pino LOAD: conecte ao fio negativo da carga (este é o lado chaveado, ele vai para o dreno do MOSFET)
- Pino −: conecte ao negativo (terra) da fonte de alimentação da carga
Os rótulos podem ser um pouco diferentes entre lotes. Sempre leia o texto impresso na sua própria placa.
Diagrama de Ligação
O Nano ESP32 apenas envia um sinal do pino D9 (mais o GND) para os pinos PWM e GND do módulo, enquanto o adaptador de 12V alimenta a carga pelos bornes de parafuso, então os 12V nunca chegam perto dos pinos da placa.
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Exemplos: Ligando Diferentes Cargas
Quer acionar algo diferente de uma fita LED? Mantenha os fios D9 e GND do Nano ESP32 como estão. Só o lado de potência muda, e o padrão é sempre o mesmo:
- + do adaptador de 12V no terminal +, e − do adaptador no terminal −.
- Fio + da carga no mesmo terminal +, e fio − da carga no terminal LOAD.
Antes de começar:
- Combine o adaptador com a carga. Uma carga de 12V precisa de um adaptador de 12V. O módulo precisa de pelo menos 6V para funcionar.
- Combine o módulo com a corrente. O FR120N serve só para cargas pequenas (cerca de 2A sem dissipador). Para cargas maiores, use o AOD4184 ou o LR7843.
- Você pode fazer o upload do mesmo código para todas as cargas. Para um solenoide, use apenas ON total e OFF total (HIGH e LOW) no lugar do fade.
O diodo de roda livre (flyback) da parte "Como Funciona" é necessário para toda carga abaixo que tenha uma bobina por dentro: o motor, a ventoinha, a bomba e os dois solenoides. Coloque-o entre os dois fios da carga, com a faixa no +.
Exemplo de Motor DC de 12V
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O + do motor vai para +, o − do motor vai para LOAD. Adicione o diodo (1N5819 ou 1N4007): o lado da faixa (cátodo) no + do motor, o outro lado (ânodo) no − do motor. O PWM muda a velocidade.
O módulo só consegue girar o motor em um sentido. Se você precisa de frente e ré, use um driver de motor como o L298N. O guia Arduino Nano ESP32 - Motor DC mostra como.
Exemplo de Ventoinha de Refrigeração de 12V
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O fio vermelho (+) vai para +, o fio preto (−) vai para LOAD. Se a sua ventoinha tem um fio amarelo, ele é o sinal de velocidade. Deixe-o solto. O diodo é uma boa ideia aqui também, pois é barato e seguro. O PWM define a velocidade da ventoinha, mas uma ventoinha pode não partir com um duty cycle baixo, então comece com cerca de 30% ou mais.
Exemplo de Fita LED de 12V
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Esta é a mesma carga do diagrama principal. + da fita (muitas vezes rotulado 12V) no +, − da fita no LOAD. Nenhum diodo é necessário, porque uma fita LED não tem bobina. O PWM define o brilho. Uma fita longa puxa mais corrente, então verifique primeiro a corrente dela e escolha o módulo adequado. Nota: isso funciona para uma fita de cor única, não para fitas RGB ou endereçáveis.
Exemplo de Bomba de Água de 12V
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+ da bomba no +, − da bomba no LOAD, e adicione o diodo. O PWM define a vazão de água. Não deixe a bomba funcionar sem água.
Exemplo de Trava Solenoide de 12V
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Ligue como a bomba, com o diodo. Chaveie somente em ON total ou OFF total (100% ou 0%). Sem dimerização PWM. A trava esquenta se você a mantiver em ON, então ligue-a por um instante curto para destravar e depois desligue.
Exemplo de Válvula Solenoide de 12V
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Mesma ligação, mesmo diodo. Esta é uma válvula normalmente fechada: ON a abre, OFF a fecha. Use somente ON e OFF, não PWM.
Como Programar para o Módulo MOSFET
Nenhuma biblioteca é necessária. O Nano ESP32 usa a função analogWrite() embutida.
- Defina o pino do Arduino Nano ESP32 que se conecta ao pino PWM do módulo:
- Faça do pino uma saída e comece com a carga desligada:
- Ligue a carga totalmente:
- Desligue a carga:
- Defina a carga em um nível de potência em porcentagem (0 a 100):
Se você só precisa de ON e OFF, digitalWrite(MOSFET_PIN, HIGH) e digitalWrite(MOSFET_PIN, LOW) também funcionam.
Código do Arduino Nano ESP32 - Módulo MOSFET
O código abaixo liga a carga por 2 segundos e a desliga por 2 segundos. Depois, ele aumenta a potência de 10% a 100% em passos de 10%, a cada 0.5 segundo. Em seguida, ele baixa a potência de 90% de volta até 0%, espera 1 segundo e começa de novo.
Passos Rápidos
Siga estas instruções passo a passo:
- Se esta é a primeira vez que você usa o Arduino Nano ESP32, veja como configurar o ambiente para o Arduino Nano ESP32 no Arduino IDE.
- Faça a ligação dos componentes de acordo com o diagrama fornecido. Deixe o adaptador de 12V desconectado por enquanto.
- Conecte o Arduino Nano ESP32 ao seu computador usando um cabo USB Type-C.
- Abra o Arduino IDE no seu computador.
- Selecione a placa Arduino Nano ESP32 apropriada (por exemplo, Arduino Nano ESP32) e a porta COM.
- Copie o código acima e cole no Arduino IDE.
- Clique no botão Upload para enviar o código ao Arduino Nano ESP32.
- Conecte o adaptador de alimentação de 12V.
- Abra o Serial Monitor e defina o baud rate para 9600.
- Observe a fita LED: brilho total por 2 segundos, apagada por 2 segundos, depois ela fica lentamente mais brilhante e lentamente mais fraca de novo.
Se você conectou uma ventoinha de 12V, vai ouvi-la girar em velocidade máxima, parar e depois acelerar e desacelerar no mesmo padrão.