Arduino Nano - Módulo MOSFET

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Sobre o Módulo MOSFET

Um pino do Arduino Nano consegue fornecer apenas alguns miliampères a 5V. Isso é suficiente para um LED pequeno, mas não para uma fita LED de 12V, um ventilador ou uma bomba. O módulo MOSFET fica entre os dois mundos. O Nano envia um sinal pequeno, e o MOSFET do módulo abre ou fecha o caminho para a grande corrente de 12V.

Este único tutorial cobre três módulos: AOD4184 (também vendido como D4184), LR7843 e FR120N. Eles usam o mesmo projeto de placa, com o mesmo tamanho, pinos, ligação e código. Só o chip MOSFET da placa é diferente.

Por que escolher um módulo MOSFET e não um relé? Ele não faz barulho de clique, não tem partes móveis, chaveia muito rápido e dura muito tempo. Principalmente, ele suporta PWM, então o Nano pode dimerizar uma fita LED ou reduzir a velocidade de um ventilador. Um relé só consegue fazer LIGADO e DESLIGADO.

Pinagem do Módulo MOSFET

O módulo tem dois grupos de pinos. O grupo de controle é um pequeno conector de 2 pinos com passo de 2.54mm, então ele encaixa direto na protoboard ao lado do Nano:

• Pino PWM: deve ser conectado a um pino do Arduino Nano com capacidade PWM (D9 neste tutorial). Este pino recebe o sinal de controle
• Pino GND: deve ser conectado ao pino GND do Arduino Nano (terra do sinal)

O grupo de alimentação tem três bornes de parafuso, porque ele conduz a corrente da carga:

• Pino +: deve ser conectado 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: deve ser conectado ao fio negativo da carga. Este é o lado chaveado, e ele vai para o dreno (drain) do MOSFET
• Pino −: deve ser conectado ao negativo (−) da fonte de alimentação da carga

Como o Módulo Funciona

O sinal do Nano não vai direto para o MOSFET. Ele segue este caminho: pino D9 do Nano → pino PWM → resistor pequeno → LED dentro do optoacoplador PC817 → luz → fototransistor dentro do PC817 → gate do MOSFET. Um resistor pull-down no gate o mantém em 0V enquanto o optoacoplador está desligado. O MOSFET fica entre o terminal LOAD e o terminal −, e a carga fica entre + e LOAD.

O módulo reage de três maneiras diferentes, dependendo do que o Nano coloca no pino PWM.

Caso 1: O Pino PWM Está em LOW (0V)

• Nenhuma corrente flui para o optoacoplador, então o LED dele fica apagado.
• O fototransistor fica desligado. O resistor pull-down mantém o gate do MOSFET em 0V.
• O MOSFET está DESLIGADO. Entre LOAD e −, ele se comporta como uma chave aberta.
• O fio − da fita LED não tem caminho para o − do adaptador, então nenhuma corrente flui. A fita recebe 0V e fica apagada.
• No código: digitalWrite(MOSFET_PIN, LOW) ou analogWrite(MOSFET_PIN, 0).

Caso 2: O Pino PWM Está em HIGH (5V)

• O pino de 5V empurra alguns mA pelo LED do optoacoplador. Ele acende dentro do chip, onde você não consegue ver.
• A luz liga o fototransistor. Agora o gate do MOSFET recebe cerca de metade da alimentação da carga, cerca de 6V com um adaptador de 12V.
• O MOSFET liga totalmente. Ele se comporta como uma chave fechada com uma resistência muito baixa: alguns mΩ para o AOD4184 e o LR7843, cerca de 0.2Ω para o FR120N.
• A corrente flui em um circuito: + do adaptador → terminal + → fita LED → terminal LOAD → MOSFET → terminal − → − do adaptador.
• A fita recebe quase os 12V completos e brilha com brilho total.
• No código: digitalWrite(MOSFET_PIN, HIGH) ou analogWrite(MOSFET_PIN, 255).

Caso 3: O Pino PWM Recebe um Sinal PWM

• O pino alterna entre 0V e 5V cerca de 490 vezes por segundo (a taxa padrão do analogWrite() no D9).
• O MOSFET acompanha cada pulso: ele fica LIGADO durante cada parte HIGH e DESLIGADO durante cada parte LOW.
• A carga recebe pulsos de 12V. O ciclo de trabalho (duty cycle) é a parcela de tempo em que o pino está em HIGH, e a tensão e a potência médias são iguais ao ciclo de trabalho vezes o valor total.
• No código: analogWrite(MOSFET_PIN, value), onde value vai de 0 a 255 e o ciclo de trabalho é value / 255. O código do tutorial vai de 10% a 100% em passos.

• Uma fita LED parece mais fraca. Ela ainda pisca, mas rápido demais para o olho perceber.
• Um ventilador, motor ou bomba funciona mais devagar, porque a massa em rotação suaviza os pulsos.
• O PC817 é um componente lento, então a frequência do PWM deve ficar entre cerca de 500 Hz e 1 kHz. Em uma frequência muito maior, o MOSFET não chaveia totalmente, a carga não recebe pulsos limpos e o MOSFET esquenta. Os 490 Hz do pino D9 são adequados.

Mais alguns pontos são importantes para o seu projeto:

• Terras isolados: O GND do sinal e o GND da carga NÃO estão conectados no módulo. O lado do Nano e o lado de 12V são separados eletricamente pelo optoacoplador.
• Chave do lado negativo (low-side): O MOSFET é do tipo canal N. Ele chaveia o fio negativo da carga, não o fio positivo.
• Alimentação da carga de pelo menos cerca de 6V: Como mostrado no Caso 2, a tensão do gate vem da alimentação da carga por meio de um divisor de tensão. Por isso, a alimentação da carga deve ser de pelo menos cerca de 6V. Use 9V ou mais se a carga consumir mais do que alguns ampères. O módulo NÃO vai funcionar bem com uma alimentação de carga de 5V, então não use o pino de 5V do Nano para alimentar a carga.
• Corrente de controle pequena: O LED do optoacoplador precisa de apenas alguns mA, então um pino do Nano pode acioná-lo diretamente, sem transistor extra.
• Sem diodo flyback na placa: Para motores, bombas, solenoides e relés (cargas indutivas), adicione um diodo flyback externo (por exemplo 1N5819 ou 1N4007) sobre a carga. O cátodo (o lado com a faixa) vai para o + da carga, e o ânodo vai para o − da carga.

Diagrama de Ligação

O Nano e o módulo compartilham apenas dois fios (sinal e GND), e o adaptador de 12V alimenta o lado da carga através do conector de alimentação DC, como mostrado abaixo.

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Ligando o Módulo MOSFET a Outros Dispositivos de 12V

A fita LED é apenas uma opção. Os exemplos abaixo mostram outras cargas comuns de 12V. No lado do Nano, nada muda: D9 vai para PWM e GND vai para GND. Só o lado dos bornes de parafuso é diferente. A tabela dá uma visão geral rápida:

Para cada dispositivo, a tensão do adaptador deve corresponder à tensão do dispositivo (um dispositivo de 12V precisa de um adaptador de 12V), e deve ser de pelo menos 6V. Verifique também quanta corrente o dispositivo consome. O módulo FR120N serve apenas para cargas pequenas, de cerca de 2A sem dissipador de calor. Para cargas maiores, escolha o módulo AOD4184 ou LR7843.

O mesmo código do Arduino Nano funciona para todos esses dispositivos. Para a trava solenoide e a válvula solenoide, use apenas HIGH e LOW (100% ou 0%) no lugar do fade.

Exemplo de Ligação da Fita LED de 12V

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• O fio + da fita (geralmente marcado como 12V) deve ser conectado ao +, e o fio − deve ser conectado ao LOAD.
• Uma fita LED não é uma carga de bobina, então não precisa de diodo flyback.
• O PWM define o brilho.
• Este exemplo é apenas para fita de cor única. Fitas RGB e endereçáveis são ligadas de outra forma. Uma fita mais longa consome mais corrente, então verifique a corrente dela antes de escolher o módulo.

Exemplo de Ligação do Motor DC de 12V

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Um motor é uma carga de bobina. O diodo sobre os fios do motor protege o MOSFET do pico de tensão quando o motor desliga (veja "Sem diodo flyback na placa" acima). O PWM define a velocidade. O módulo consegue acionar o motor em uma direção apenas. Para mudar a direção, use um driver de motor como o L298N, como no tutorial Arduino Nano - Motor DC.

Exemplo de Ligação do Ventilador de Resfriamento de 12V

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• O fio vermelho é o +, e deve ser conectado ao +. O fio preto é o −, e deve ser conectado ao LOAD.
• Se o ventilador tem um terceiro fio (amarelo, o sinal de velocidade), deixe-o desconectado.
• Adicione o diodo flyback da mesma forma que para o motor DC. Ele é barato e não causa nenhum problema.
• O PWM define a velocidade. Alguns ventiladores não partem com um ciclo de trabalho muito baixo, então comece acima de cerca de 30%.

Exemplo de Ligação da Bomba d'Água de 12V

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• O + da bomba vai para o +, e o − da bomba vai para o LOAD.
• Uma bomba tem um motor dentro, então o mesmo diodo flyback é necessário.
• O PWM define a vazão. Nunca deixe a bomba funcionar a seco.

Exemplo de Ligação da Trava Solenoide de 12V

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• O + da trava vai para o +, e o − da trava vai para o LOAD. A bobina interna também exige o diodo flyback.
• Acione-a somente totalmente LIGADA ou totalmente DESLIGADA. Não use dimerização por PWM.
• A trava esquenta se ficar LIGADA por muito tempo. Ligue-a somente por um breve momento para destravar e depois DESLIGUE-a.

Exemplo de Ligação da Válvula Solenoide de 12V

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Veja A melhor forma de alimentar o Arduino Nano e outros componentes.

• O + da válvula vai para o +, e o − da válvula vai para o LOAD, com o diodo flyback sobre a bobina.
• Esta é uma válvula normalmente fechada: totalmente LIGADA abre a válvula, e DESLIGADA fecha a válvula.
• Use somente LIGA/DESLIGA, não PWM.

Como Programar o Módulo MOSFET

Nenhuma biblioteca é necessária. O módulo é acionado com as funções nativas do Arduino.

• O primeiro passo é especificar o pino do Arduino Nano que está conectado ao pino PWM do módulo. Ele deve ser um pino PWM (marcado com ~ no Nano, como o D9):

• Configure o pino como saída no setup():

• Para deixar a carga totalmente LIGADA ou totalmente DESLIGADA, uma simples escrita digital é suficiente:

• Para definir um nível de potência, escreva um valor PWM de 0 a 255. É mais fácil pensar em porcentagem, então o valor em porcentagem é convertido com map():

Código Arduino Nano para o Módulo MOSFET

O código abaixo faz o seguinte em um loop:

• Liga a carga totalmente por 2 segundos e depois a desliga totalmente por 2 segundos
• Aumenta a potência de 10% a 100% em passos de 10%, um passo a cada 0.5 segundo
• Diminui a potência de 90% de volta a 0% da mesma forma
• Espera 1 segundo e começa de novo

Passos Rápidos

• Se esta é a primeira vez que você usa o Arduino Nano, veja como configurar o ambiente para o Arduino Nano no Arduino IDE.
• Ligue os componentes como mostrado no diagrama. Não conecte o adaptador de 12V ainda.
• Conecte a placa Arduino Nano ao computador usando um cabo USB.
• Abra o Arduino IDE no computador.
• Selecione a placa Arduino Nano e a porta COM dela.
• Copie o código acima e cole-o no Arduino IDE.
• Clique no botão Upload para fazer o upload do código para o Arduino Nano.
• Conecte o adaptador de alimentação de 12V.
• Abra o Serial Monitor e defina o baud rate como 9600.
• Observe a fita LED: ela fica com brilho total por 2 segundos, apagada por 2 segundos e depois vai ficando lentamente mais brilhante e lentamente mais fraca.
• Veja o resultado no Serial Monitor:

Se você usar um ventilador de 12V no lugar da fita LED, o ventilador funciona na velocidade máxima, para, e depois acelera e desacelera passo a passo.

Conhecimento Adicional

AOD4184 vs LR7843 vs FR120N: Qual Escolher

Os três módulos se conectam ao Arduino Nano da mesma forma. A escolha depende da tensão e da corrente da sua carga.

• LR7843: Tem a menor resistência, então funciona mais frio com corrente alta. É o melhor para fitas LED de 12V/24V de alta potência e motores grandes. O limite é 30V.
• AOD4184: É um bom módulo para todo uso. Funciona até 40V e suporta corrente forte.
• FR120N: Suporta a maior tensão (até 100V), mas a resistência dele é a mais alta. Serve apenas para correntes pequenas, cerca de 2A sem dissipador de calor.

É evidente que o LR7843 é a melhor escolha para cargas pesadas de 12V/24V, enquanto o FR120N é a única opção acima de 40V.

Módulo MOSFET vs Relé

Para um projeto com Nano em uma protoboard que controla uma fita LED, um ventilador ou uma bomba de 12V, o módulo MOSFET é a melhor escolha. Para dispositivos da rede elétrica AC, use um relé.

Vídeo

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