TIP120 vs IRLZ44N: Por Que o MOSFET é Melhor para Controlar Motor DC com ESP32?

Comparação entre o transistor TIP120 e o MOSFET IRLZ44N no controle de um motor DC.

TIP120 × IRLZ44N: Qual é melhor para controlar um motor DC com ESP32?

No projeto Diodo 1N4007 no Motor DC, utilizamos um TIP120 para controlar a velocidade de um motor DC usando um ESP32 e PWM.

Neste projeto, vamos dar um passo a mais e substituir o TIP120 pelo IRLZ44N, um MOSFET de canal N.

A ideia é simples: manter o mesmo código e praticamente a mesma lógica de controle, mas trocar o componente responsável pelo acionamento do motor.

E aqui entra uma comparação muito interessante para quem está aprendendo eletrônica: por que o MOSFET pode apresentar uma queda de tensão muito menor que um transistor Darlington como o TIP120?

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O projeto

O circuito utiliza:

• ESP32
• MOSFET IRLZ44N
• Motor DC de 3 V a 6 V
• Potenciômetro de 10 kΩ
• Diodo 1N4007
• Resistor de 220 Ω
• Fonte externa para o motor

Circuito para controle da velocidade de um motor DC usando ESP32, MOSFET IRLZ44N, potenciômetro de 10K e diodo 1N4007.

O princípio de funcionamento é:

Potenciômetro → ADC do ESP32 → PWM → Gate do IRLZ44N → Motor DC

O potenciômetro determina a posição desejada. O ESP32 lê essa posição e transforma a leitura em um sinal PWM.

Esse PWM controla o Gate do IRLZ44N, fazendo com que o MOSFET controle a energia entregue ao motor.

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O que é a tecnologia MOSFET?

MOSFET significa Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, ou, em português, transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor.

Apesar do nome parecer complicado, podemos entender sua função de maneira simples.

O MOSFET é um dispositivo semicondutor que permite controlar a corrente que passa pela carga através da tensão aplicada ao Gate.

No IRLZ44N temos três terminais principais:

• Gate (G) — controla o MOSFET
• Drain (D) — conectado ao lado da carga
• Source (S) — geralmente conectado ao GND em uma configuração de chaveamento pelo lado baixo

Uma característica importante é que o Gate é isolado eletricamente do canal por uma camada de óxido. Por isso, em condições estáticas, a corrente de Gate é muito pequena.

Isso é diferente de um transistor bipolar, como o TIP120, no qual a Base participa diretamente do controle da corrente do transistor.

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MOSFET como chave eletrônica

Montagem do IRLZ44N como chave eletrônica para acionar um mini motor DC de 3V a 6V usando uma fonte externa de 6 V.

Uma das aplicações mais interessantes do MOSFET para nós, makers, é utilizá-lo como uma chave eletrônica.

Imagine uma chave mecânica:

Chave aberta → motor desligado

Chave fechada → motor ligado

Com o MOSFET podemos fazer algo semelhante eletronicamente:

Gate em nível adequado → MOSFET conduz

Gate sem acionamento → MOSFET bloqueia

E podemos ir além.

Em vez de simplesmente ligar e desligar, o ESP32 pode utilizar PWM para controlar rapidamente o MOSFET.

É exatamente isso que permite controlar a velocidade do motor.

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TIP120 × IRLZ44N

Agora chegamos ao ponto principal da experiência.

No projeto anterior utilizamos o TIP120, que é um transistor NPN Darlington.

Neste projeto utilizamos o IRLZ44N, que é um MOSFET de canal N.

Embora os dois possam ser utilizados para controlar uma carga, o modo como trabalham é diferente.

Comparação entre o TIP120 e o IRLZ44N, mostrando os terminais Base, Coletor e Emissor do transistor e Gate, Drain e Source do MOSFET.

         No TIP120, o PWM controla a Base. No IRLZ44N, o PWM controla o Gate.

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E o código do ESP32?

MOTOR DC 6V + ESP32 + IRLZ44N

INÍCIO DO CÓDIGO

/*
  ============================================================
       MOTOR DC 6V + ESP32 + IRLZ44N + POTENCIÔMETRO
  ============================================================

  Projeto: Controle da velocidade de um motor DC com ESP32

  Componentes:
  - ESP32
  - Motor DC 6V
  - IRLZ44N
  - Potenciômetro de 10K
  - Diodo 1N4007
  - Resistor de 220 Ω para o Gate do IRLZ44N
  - Fonte externa de 6V para o motor

  Funcionamento:

  Potenciômetro
       ↓
  Entrada ADC do ESP32
       ↓
  PWM
       ↓
  IRLZ44N
       ↓
  Motor DC

  Ao girar o potenciômetro, o ESP32 lê sua posição
  e altera o PWM enviado ao Gate do IRLZ44N.

  IMPORTANTE:
  O motor NÃO deve ser alimentado diretamente pelo ESP32.
  Utilize uma fonte externa adequada para o motor.

  O GND da fonte do motor deve estar conectado
  ao GND do ESP32.

  ============================================================
*/


// -------------------- PINOS --------------------

#define PINO_POTENCIOMETRO 34          // Entrada analógica do potenciômetro
#define PINO_MOTOR         25          // Saída PWM para o Gate do IRLZ44N


// -------------------- CONFIGURAÇÃO PWM --------------------

#define FREQUENCIA_PWM 5000            // Frequência do PWM: 5 kHz
#define RESOLUCAO_PWM 8                // Resolução: 8 bits (0 a 255)


// -------------------- SETUP --------------------

void setup() {

  // Configura o PWM no pino que controla o Gate do IRLZ44N
  ledcAttach(PINO_MOTOR, FREQUENCIA_PWM, RESOLUCAO_PWM);

  // Começa com o motor desligado
  ledcWrite(PINO_MOTOR, 0);
}


// -------------------- LOOP --------------------

void loop() {

  // Lê o valor do potenciômetro
  int valorPot = analogRead(PINO_POTENCIOMETRO);

  // Converte a leitura do ADC para o valor do PWM
  int valorPWM = map(valorPot, 0, 4095, 0, 255);

  // Envia o PWM para o Gate do IRLZ44N
  ledcWrite(PINO_MOTOR, valorPWM);

  // Pequena pausa para estabilizar a leitura
  delay(10);
}

FIM DO CÓDIGO

Aqui temos uma vantagem interessante para deixar o projeto mais didático.

O código praticamente não precisa mudar.

No projeto anterior, o ESP32 fazia:

Potenciômetro → leitura ADC → PWM → TIP120

Agora fazemos:

Potenciômetro → leitura ADC → PWM → IRLZ44N

A lógica continua a mesma.

O ESP32 lê o potenciômetro, transforma a leitura em um valor de PWM de 0 a 255 e envia esse sinal para o pino que controla o componente de potência.

A grande mudança está no componente utilizado para fazer o chaveamento da carga.

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Por que utilizar um IRLZ44N?

O IRLZ44N é um MOSFET de canal N conhecido por apresentar baixa resistência entre Drain e Source quando adequadamente acionado.

Essa resistência é chamada de:

RDS(on)

Quando o MOSFET está conduzindo, existe uma pequena resistência interna entre Drain e Source.

Quanto menor essa resistência, menor tende a ser a queda de tensão no MOSFET e menor a potência dissipada nele, considerando a mesma corrente.

Podemos simplificar pela relação:

P = I² × RDS(on)

Ou seja, quanto maior a corrente e maior a resistência, maior será a dissipação de potência.

É justamente por isso que a escolha do MOSFET é importante em projetos que controlam motores e outras cargas de maior corrente.

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Vamos comparar na prática

E aqui está uma das partes mais interessantes do projeto.

Utilizamos a mesma fonte, com aproximadamente 5,5 V, e fizemos a medição da queda de tensão no componente com o PWM em 100%.

TIP120

A queda de tensão medida foi aproximadamente:

0,700 V

A tensão medida diretamente nos terminais do motor ficou em aproximadamente:

3,99 V

IRLZ44N

A queda de tensão medida foi aproximadamente:

0,006 V — 6 mV

E a tensão diretamente nos terminais do motor chegou a aproximadamente:

4,55 V

Isso mostra claramente, no nosso experimento, uma diferença significativa entre os dois componentes.

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Por que o motor recebeu mais tensão com o IRLZ44N?

Quando utilizamos o TIP120, uma parcela maior da tensão da fonte é perdida no próprio transistor.

No nosso teste:

Fonte ≈ 5,5 V

Queda no TIP120 ≈ 0,700 V

Portanto, sobra uma tensão menor para o motor.

Com o IRLZ44N, a queda medida foi muito menor:

Fonte ≈ 5,5 V

Queda medida ≈ 0,006 V

Consequentemente, uma parcela maior da tensão da fonte fica disponível para o motor.

Isso ajuda a explicar por que obtivemos aproximadamente:

TIP120 → 3,99 V no motor

IRLZ44N → 4,55 V no motor

      Importante: esses valores são os resultados do nosso experimento específico. A queda real depende da corrente do motor, do MOSFET utilizado, da tensão de Gate e das condições de medição. 

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E o aquecimento?

A queda de tensão no componente está diretamente relacionada à potência que ele dissipa.

Se uma corrente percorre o componente e existe uma queda de tensão significativa sobre ele, parte da energia elétrica é transformada em calor.

No TIP120, por exemplo, uma queda de aproximadamente 0,7 V pode representar uma dissipação considerável dependendo da corrente do motor.

No MOSFET, quando o RDS(on) é baixo e o dispositivo está adequadamente acionado, a queda de tensão pode ser muito menor.

Isso significa que, em determinadas condições, o MOSFET pode dissipar muito menos potência na condução.

É uma das grandes vantagens dos MOSFETs em aplicações de chaveamento.

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⚠️ IRLZ44N não significa que qualquer MOSFET serve para ESP32

Aqui existe um detalhe muito importante.

Não devemos escolher um MOSFET apenas olhando para a corrente máxima indicada no componente.

Também precisamos verificar a tensão aplicada ao Gate e as condições em que o fabricante especifica o RDS(on).

O ESP32 trabalha com GPIO de aproximadamente 3,3 V.

Por isso, para projetos com microcontroladores, é interessante utilizar MOSFETs que sejam adequados para serem acionados com baixa tensão de Gate.

O IRLZ44N pertence à família de MOSFETs logic-level, sendo muito mais apropriado para esse tipo de aplicação do que um MOSFET que dependa de uma tensão de Gate mais elevada para atingir sua baixa resistência especificada.

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E o diodo 1N4007?

O motor DC possui bobinas e, portanto, é uma carga indutiva.

Quando desligamos a corrente, o campo magnético armazenado nas bobinas começa a desaparecer.

Essa mudança pode gerar um pico de tensão.

Por isso utilizamos o 1N4007 em paralelo com o motor, funcionando como um caminho para a corrente gerada pela energia armazenada na indutância do motor.

O objetivo é ajudar a proteger o dispositivo de chaveamento contra esses picos.

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Cultura Maker: medir, comparar e aprender

Este projeto mostra uma ideia muito importante da cultura Maker:

            Não apenas montar o circuito, mas experimentar e medir para entender o que está acontecendo 

Primeiro utilizamos o TIP120.

Depois substituímos o componente pelo IRLZ44N.

Mantivemos a lógica do programa e observamos o comportamento do circuito.

Depois pegamos o multímetro e medimos:

Queda de tensão no TIP120 → aproximadamente 0,700 V

Queda de tensão no IRLZ44N → aproximadamente 0,006 V

Tensão no motor com TIP120 → aproximadamente 3,99 V

Tensão no motor com IRLZ44N → aproximadamente 4,55 V

A partir dessas medições conseguimos visualizar, na prática, uma das vantagens do MOSFET em aplicações de chaveamento.

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Conclusão

O TIP120 continua sendo um componente muito útil para aprender sobre transistores e chaveamento. Porém, quando trabalhamos com cargas como motores e queremos reduzir as perdas durante a condução, um MOSFET adequado pode oferecer vantagens importantes.

Neste projeto, o IRLZ44N apresentou uma queda de tensão muito menor que o TIP120 nas condições do nosso teste, permitindo que uma tensão maior chegasse ao motor.

E o mais interessante é que não precisamos reinventar o projeto.

O ESP32 continua fazendo exatamente o mesmo trabalho:

Potenciômetro → ADC → PWM → dispositivo de potência → motor

O que mudou foi a tecnologia utilizada para realizar o chaveamento.

É assim que aprendemos eletrônica na prática: montando, medindo, comparando e entendendo o porquê dos resultados.

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