Del pin a la carga: transistores, MOSFET y drivers

01 · Punto de partida

El pin no alcanza

Hasta ahora los sensores nos pedían microamperios y los LED unos 10 mA. Con los actuadores el orden de magnitud cambia. Un pin de un AVR de 5 V soporta unos 20 mA recomendados (40 mA como máximo absoluto, y el chip entero, unos 200 mA); un ESP32, del orden de 20 a 40 mA por pin a 3,3 V. Las cargas del bloque que empieza piden mucho más:

La solución general: el pin no alimenta la carga, solo comanda un interruptor electrónico. La carga toma su energía de una fuente aparte, con la masa común. Hay además un segundo problema que el pin no tiene: la carga puede trabajar a otra tensión (12 o 24 V) y, si es inductiva, devolver picos de tensión peligrosos. Este tema resuelve las dos cosas: cuánta corriente, y qué tensión, y cómo se protege el microcontrolador.

02 · La llave de corriente

El transistor bipolar como llave

Un transistor bipolar NPN (como el 2N2222, el BC337 o el BC547) tiene tres terminales: base, colector y emisor. Una pequeña corriente I_B que entra por la base permite que circule una corriente mucho mayor I_C entre colector y emisor: IC = β × IB, con una ganancia β (h_FE) de 50 a 300 que varía entre unidades y con la temperatura. Como llave, el transistor se usa en dos estados: cortado (sin corriente de base, no conduce) y saturado (con base suficiente, conduce con una caída V_CE(sat) de unos 0,2 V).

Para saturar de forma segura no se usa la ganancia de la hoja de datos, que varía mucho, sino una ganancia forzada menor, típicamente 10: se da a la base mucha más corriente de la que hace falta. La resistencia de base se calcula con:

Ejemplo: un relé de 100 mA conmutado desde un pin de 5 V, con β forzada 10: IB = 10 mA, RB = 4,3 / 0,01 = 430 Ω. Se elige el valor normalizado menor (390 Ω, serie E12), porque una resistencia mayor dejaría menos corriente de la prevista; con 390 Ω circulan 11 mA, que el pin tolera. Con un pin de 3,3 V la cuenta cambia: 2,6 V sobre la base, RB = 260 Ω y se usa 220 Ω.

// Pin 7 --[390 Ω]--> base de un 2N2222 / BC337
// Emisor a masa; colector a la carga; la carga al positivo de su fuente (masa común).
const uint8_t PIN_CARGA = 7;

void setup() { pinMode(PIN_CARGA, OUTPUT); digitalWrite(PIN_CARGA, LOW); }   // arranca apagado

void cargaOn()  { digitalWrite(PIN_CARGA, HIGH); }
void cargaOff() { digitalWrite(PIN_CARGA, LOW); }

El bipolar es barato y sirve hasta algunos cientos de miliamperios (el 2N2222 admite 800 mA, el BC547 solo 100 mA). Su límite es que consume corriente de base (un pin que da 10 mA para manejar 100 mA) y que la tensión de saturación genera calor: con 500 mA y 0,2 V son 100 mW. Para corrientes mayores aparece el MOSFET, que se comanda con tensión y casi sin corriente.

03 · La llave de tensión

El MOSFET de nivel lógico

Un MOSFET de canal N tiene compuerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). Se controla con la tensión entre compuerta y fuente (V_GS), no con corriente: la compuerta está aislada y, en régimen, no consume nada. Cuando V_GS supera un umbral, el canal se forma y entre drenador y fuente aparece una resistencia pequeña, la R_DS(on), de milésimas de ohm. La conexión habitual para encender una carga es el interruptor del lado de masa (low-side): la carga va entre el positivo de su fuente y el drenador, y la fuente del MOSFET a masa.

La trampa de la hoja de datos: el umbral V_GS(th) (por ejemplo, 2 a 4 V) es la tensión en que apenas empieza a conducir, no la tensión para encenderlo del todo. Lo que importa es la R_DS(on) especificada a la tensión de compuerta que tenés. Hay dos familias:

Con un pin de 5 V (o de 3,3 V) hay que usar un MOSFET de nivel lógico, con R_DS(on) garantizada a 4,5 o 2,5 V. Con 3,3 V (ESP32, RP2040), hay que mirar aún más de cerca o usar un driver de compuerta que eleve la señal a 10 V. Un IRF540N con 3,3 V ni siquiera conduce: queda a medio encender, con una resistencia alta, y se calienta con una carga que debería ser trivial.

// Pin 9 --[100 Ω]--> compuerta del MOSFET; compuerta --[10 kΩ]--> masa; fuente a masa; drenador a la carga.
const uint8_t PIN_MOSFET = 9;

void setup() {
    pinMode(PIN_MOSFET, OUTPUT);
    digitalWrite(PIN_MOSFET, LOW);
}

void loop() {
    analogWrite(PIN_MOSFET, 128);                  // 50 % de ciclo: la carga recibe la mitad de la potencia
}

Los dos componentes extra de la compuerta no son opcionales:

• La resistencia en serie (100 a 220 Ω) limita la corriente que carga la capacidad de compuerta (nanofaradios) en cada flanco, que de otro modo es un pico de varios amperios para el pin y genera oscilaciones.
• El pull-down (10 kΩ a masa) mantiene la compuerta en bajo mientras el pin del microcontrolador está sin configurar, por ejemplo durante el arranque. Sin él, la compuerta flotante puede encender la carga sola (un motor que gira apenas se conecta la alimentación).

04 · El calor

Disipación y temperatura

Un conmutador cerrado no es un cable ideal: tiene resistencia y disipa potencia como calor. Para un MOSFET conduciendo una corriente I:

La resistencia térmica R_θJA de un encapsulado TO-220 sin disipador ronda 62 °C/W; la temperatura de unión máxima es de 150 a 175 °C. Dos ejemplos con 3 A continuos a 25 °C ambiente:

• IRLZ44N con compuerta a 5 V (R_DS(on) ≈ 0,028 Ω): P = 9 × 0,028 = 0,25 W; T_j = 25 + 62 × 0,25 ≈ 41 °C. Sin problemas, ni disipador.
• IRF540N con 5 V (≈ 0,25 Ω): P = 2,25 W; T_j ≈ 165 °C. Se quema, y además cae 0,75 V sobre el MOSFET.

La misma carga, el mismo circuito y la diferencia es una letra en la hoja de datos. Con 10 A en el IRLZ44N, P = 2,8 W y T_j ≈ 199 °C: hace falta un disipador (con 10 °C/W en total, T_j = 25 + 28 = 53 °C). La conclusión práctica: calculá P y T_j con la R_DS(on) real a tu V_GS, no con la mejor cifra de la primera página. Estos cálculos son de conducción; en conmutación rápida (PWM de alta frecuencia) se suman pérdidas en cada transición.

05 · Cargas con inercia

Cargas inductivas y diodo de rueda libre

Una bobina (relé, solenoide, motor) almacena energía en su campo magnético, y la corriente por una inductancia no puede cambiar bruscamente: V = L × di/dt. Al abrir el transistor, la corriente intenta seguir circulando y la bobina genera la tensión que haga falta, de signo opuesto, para forzarla. Un solenoide de 12 V, 7 Ω y 50 mH conduce 1,71 A; si se interrumpe en 1 µs, la fórmula da 0,05 × 1,71 / 10−6 ≈ 86 000 V. En la realidad esa tensión se limita por la ruptura del propio transistor (avalancha), un arco en los contactos o el aislamiento del circuito, y el resultado es un transistor dañado, un microcontrolador que se reinicia o un chip que muere.

La protección es un diodo de rueda libre (flyback) en paralelo con la bobina, con el cátodo hacia el positivo. En funcionamiento normal no conduce (está polarizado en inversa). Cuando el transistor abre, la tensión de la bobina se invierte, el diodo conduce y la corriente recircula por la bobina y el diodo hasta agotarse: la tensión en el drenador queda limitada a la alimentación más una caída de diodo (12,7 V en el ejemplo).

• Diodos habituales: 1N4007 (lento pero robusto), 1N4148 (rápido, solo hasta 200 mA), 1N5819 o SS14 (Schottky, rápidos y con poca caída) para corrientes mayores.
• Polaridad: invertir el diodo es un cortocircuito en cuanto se enciende la carga.
• Costo: la corriente decae despacio. Con el diodo solo, el solenoide del ejemplo tarda unos 21 ms en apagarse (τ = L / R = 7,1 ms); un relé o una electroválvula se sueltan con retraso. Si la velocidad de apagado importa, se agrega un zener en serie con el diodo (de 12 V, por ejemplo): la corriente cae en unos 4,8 ms, con una tensión de drenador de ≈ 24,7 V, que el MOSFET debe soportar.

Muchos motores y todas las cargas con bobinas necesitan este diodo; los módulos de relé y los drivers como el ULN2003 lo traen incorporado. En un driver para motor, el diodo está dentro de los transistores del puente (tema 30).

06 · Soluciones integradas

Drivers integrados

Para no armar cada llave con componentes discretos, existen circuitos integrados que reúnen varias, con protecciones. Los que vas a ver en el curso:

El ULN2003 es la forma más sencilla de manejar varias cargas medianas: cada entrada acepta 5 V directo desde el pin del microcontrolador, tiene el diodo de protección y evita el cableado. Su defecto es la caída de ~1 V: a 12 V es aceptable, pero con 5 V roba el 20 % de la tensión de la carga. Un puente H permite además invertir el sentido de la corriente (un motor que gira en los dos sentidos), y lo desarrollamos en el tema 30.

Cada vez que se agrega una etapa de potencia, la masa debe ser común entre la fuente de la carga y el microcontrolador: sin referencia común, la tensión de comando no significa nada para el transistor.

07 · Regular sin perder

PWM y potencia media

Una llave solo conoce dos estados, pero se puede regular la potencia encendiéndola y apagándola rápidamente: la modulación por ancho de pulso (PWM) del curso de Microcontroladores. La carga recibe una tensión media V × D (con D el ciclo de trabajo, de 0 a 1), y como la llave pierde poco cuando está cerrada o abierta, la regulación es mucho más eficiente que con una resistencia. Un motor de 12 V con D = 50 % recibe 6 V medios.

La frecuencia importa: analogWrite genera 490 o 980 Hz en un Arduino Uno, una frecuencia audible (los motores y bobinas «silban»). Subir a 20 kHz o más aleja el sonido del rango audible, pero aumenta las pérdidas de conmutación del transistor. En una carga con inercia o inductancia (un motor) la corriente se alisa sola; en un LED, la persistencia visual hace el resto. Los pulsos de la compuerta de un MOSFET grande exigen corriente instantánea, por eso la resistencia de compuerta y, para PWM rápido o transistores grandes, un driver de compuerta.

08 · Elegir

Comparación y elección

Regla práctica: carga de hasta 100 a 500 mA, un bipolar o un ULN2003; de 1 A en adelante, o si se quiere PWM, un MOSFET de nivel lógico; para sentido de giro, un puente H; para aislación o corriente alterna de red, un relé.

09 · Analogía con programación

Calcular la llave antes de soldarla

Los cálculos de este tema se parecen a un chequeo de tipos: si no cierran, el circuito falla. Probemos tres: la resistencia de base de un bipolar con valores de la serie E12, el MOSFET con su R_DS(on) a cada V_GS (con una tabla ilustrativa) y el diodo de rueda libre.

import math

# ---- 1. Resistencia de base de un bipolar (serie E12) ----
E12 = [1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8, 8.2]
SERIE = [m * 10 ** d for d in range(7) for m in E12]


def e12_menor(r):
    return max(v for v in SERIE if v <= r + 1e-9)


VBE, VCE_SAT = 0.7, 0.2
print("Vpin   Ic (mA)  Ib (mA)  Rb ideal  Rb E12  Ib real  β efectiva  P en el transistor")
for vpin, ic in ((5.0, 0.100), (5.0, 0.070), (3.3, 0.100)):
    ib = ic / 10                                         # ganancia forzada de 10
    rb = (vpin - VBE) / ib
    rb_std = e12_menor(rb)
    ib_real = (vpin - VBE) / rb_std
    print(f"{vpin:4.1f}  {ic * 1000:7.0f}  {ib * 1000:7.1f}  {rb:8.0f}  {rb_std:6.0f}  {ib_real * 1000:7.2f}  {ic / ib_real:10.2f}  {VCE_SAT * ic * 1000:5.0f} mW")

# ---- 2. MOSFET: R_DS(on) según V_GS (valores ilustrativos), potencia y temperatura ----
TABLA = {"IRLZ44N": [(2, 1.0), (3, 0.08), (4, 0.035), (5, 0.028), (10, 0.022)],
         "IRF540N": [(3, None), (4, 1.0), (5, 0.25), (6, 0.1), (8, 0.06), (10, 0.044)]}
RTH, TAMB = 62.0, 25.0                                   # °C/W (TO-220 sin disipador), °C


def rds_on(dispositivo, vgs):
    t = TABLA[dispositivo]
    if vgs < t[0][0] or t[0][1] is None and vgs <= t[0][0]:
        return math.inf
    if vgs >= t[-1][0]:
        return t[-1][1]
    for (v0, r0), (v1, r1) in zip(t, t[1:]):
        if v0 <= vgs <= v1:
            if r0 is None:
                return math.inf
            return math.exp(math.log(r0) + (math.log(r1) - math.log(r0)) * (vgs - v0) / (v1 - v0))


print()
for disp, vgs, corriente in (("IRLZ44N", 5, 3), ("IRLZ44N", 3.3, 3), ("IRF540N", 5, 3), ("IRF540N", 10, 3), ("IRF540N", 3.3, 3), ("IRLZ44N", 5, 10)):
    r = rds_on(disp, vgs)
    if math.isinf(r):
        print(f"{disp} con {vgs} V y {corriente} A: no conduce")
        continue
    p = corriente ** 2 * r
    print(f"{disp} con {vgs} V y {corriente} A: Rds = {r:.3f} Ω, caída = {corriente * r:.2f} V, P = {p:.2f} W, Tj = {TAMB + RTH * p:.1f} °C")

# ---- 3. Diodo de rueda libre en un solenoide de 12 V, 7 Ω, 50 mH ----
V, R, L = 12.0, 7.0, 0.05
I = V / R
tau = L / R
print()
print(f"Corriente: {I:.2f} A; constante de tiempo L/R = {tau * 1000:.2f} ms")
print(f"Pico teórico sin diodo (corte en 1 µs): {L * I / 1e-6 / 1000:.1f} kV")
for nombre, vc in (("diodo", 0.7), ("diodo + zener de 12 V", 12.7)):
    t0 = tau * math.log(1 + I * R / vc)                  # tiempo hasta anular la corriente
    print(f"Con {nombre}: drenador a {V + vc:.1f} V; la corriente se anula en {t0 * 1000:.1f} ms")

Resultado: para 100 mA a 5 V, R_B ideal 430 Ω → 390 Ω (11,03 mA reales); para un relé de 70 mA, 614 Ω → 560 Ω; con 3,3 V y 100 mA, 260 Ω → 220 Ω; la potencia en el transistor saturado es 20 mW. Con 3 A, el IRLZ44N a 5 V disipa 0,25 W (T_j = 40,6 °C) y a 3,3 V (R_DS(on) ≈ 0,062 Ω), 0,56 W (59,8 °C); el IRF540N a 5 V tiene 0,25 Ω, 2,25 W y 164,5 °C (se destruye), a 10 V 0,044 Ω y 49,6 °C, y a 3,3 V no conduce. Con 10 A, el IRLZ44N alcanza 198,6 °C sin disipador. En el solenoide: 1,71 A, τ = 7,14 ms, un pico teórico de 85,7 kV sin diodo, y con diodo el drenador queda en 12,7 V y la corriente se anula en 20,7 ms (4,8 ms con el zener, a 24,7 V).

10 · Exploración interactiva

Llaves, calor y protección

El primer instrumento calcula la resistencia de base de un bipolar. El segundo compara dos MOSFET según la tensión de compuerta, la corriente, el ciclo de trabajo y el disipador, y estima la temperatura de unión. El tercero muestra qué pasa con una carga inductiva al apagarla con o sin protección. Los datos del MOSFET son una tabla ilustrativa, no de un lote real.

Recorrido guiado

1. Con 5 V, 100 mA y ganancia forzada 10: I_B = 10 mA y R_B ideal de 430 Ω; la normalizada es 390 Ω, con 11 mA reales. Subí la corriente a 500 mA: I_B = 50 mA, un valor que el pin no puede dar. Con un bipolar, a esa corriente conviene un MOSFET o un Darlington.
2. Bajá la ganancia forzada a 5: la base recibe más corriente (el transistor satura mejor pero el pin se carga más). Subila a 50: la base recibe poco y el transistor puede no saturar.
3. Pasá a 3,3 V con 100 mA: R_B = 260 Ω → 220 Ω.
4. En el MOSFET, IRLZ44N a 5 V y 3 A: 0,25 W y ~41 °C. Pasá a IRF540N: R_DS(on) de 0,25 Ω, 2,25 W y 165 °C, sobrecalentamiento. Con 10 V el mismo IRF540N baja a 0,044 Ω y 50 °C.
5. Con IRF540N y 3,3 V el MOSFET no conduce. Con el IRLZ44N sí, con 0,062 Ω.
6. IRLZ44N a 5 V, 10 A, sin disipador: ~199 °C. Cambiá a «con disipador»: ~53 °C. Bajá el ciclo de trabajo a 50 %: la potencia media es la mitad.
7. En el instrumento 3, «Sin diodo»: el pico teórico supera los 50 V que soporta un MOSFET típico, y el transistor entra en avalancha. Con «Diodo»: el drenador queda en la alimentación más 0,7 V, pero la corriente tarda unos 21 ms en apagarse. Con «Diodo + zener»: apaga en ~5 ms, a 24,7 V en el drenador.

11 · Método de trabajo

Cómo elegir un conmutador

1. Anotá los datos de la carga: tensión, corriente continua, corriente de arranque (un motor o una lámpara piden varias veces la nominal) y si es inductiva.
2. Comparalos con el pin: si la carga pide más de unos 10 mA o trabaja a otra tensión, hace falta un conmutador.
3. Elegí el tipo: bipolar o ULN2003 para cargas medianas, MOSFET de nivel lógico para corrientes altas o PWM, puente H para invertir el sentido, relé para aislación.
4. Verificá la R_DS(on) a tu V_GS y calculá P = I²R y T_j, dejando un margen amplio.
5. Calculá R_B con ganancia forzada si es un bipolar, y verificá que el pin la soporte.
6. Agregá lo que protege: resistencia de compuerta, pull-down, diodo de rueda libre y masa común.
7. Probá en frío: medí la caída sobre el conmutador y tocá (con cuidado) la temperatura tras unos minutos de funcionamiento.

Si el conmutador se calienta, revisá V_GS (¿el MOSFET es de nivel lógico?) y la corriente real; si el microcontrolador se reinicia al apagar la carga, falta el diodo; si la carga se enciende sola al arrancar, falta el pull-down; si nada pasa, revisá la masa común.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Resistencia de base

Un relé de 70 mA se maneja con un bipolar desde un pin de 5 V. Con ganancia forzada 10, calculá I_B, R_B y el valor E12 que elegís.

2. Disipación

Un MOSFET con R_DS(on) = 0,05 Ω maneja 4 A continuos. ¿Qué potencia disipa y qué temperatura alcanza sin disipador (62 °C/W, 25 °C ambiente)?

3. PWM

La misma carga con PWM al 50 %: ¿qué potencia media se disipa en el MOSFET (solo conducción)?

4. Pico inductivo

Una bobina de 100 mH con 1 A se interrumpe en 10 µs. ¿Cuánto vale la tensión teórica? ¿Cómo se evita?

5. ¿Qué MOSFET?

Un ESP32 (3,3 V) debe conmutar una tira de LED de 12 V y 2 A. ¿Sirve un IRF540N? ¿Qué cambia con un IRLZ44N?

6. Elegir el driver

Elegí conmutador para: (a) 4 relés pequeños de 5 V desde un Arduino; (b) un motor de 12 V y 6 A con PWM; (c) un motor DC pequeño que debe girar en ambos sentidos; (d) un LED de 10 mA.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 28?

Antes de avanzar, calculá la resistencia de base para un relé de 100 mA desde un pin de 3,3 V, explicá por qué un MOSFET con umbral de 3 V puede no servir con 3,3 V de compuerta y decí qué hace el diodo de rueda libre y en qué sentido va conectado. Si podés justificar las tres respuestas, ya sabés pasar del pin a la carga.

En el próximo tema usamos estas llaves con relés electromecánicos y de estado sólido: bobina, contactos, aislación y cargas de red.