Transistor BJT come interruttore
Un transistor BJT può essere usato non soltanto per amplificare, ma anche come interruttore elettronico. Pilotando opportunamente la base possiamo portarlo in interdizione o in saturazione e comandare LED, relè, solenoidi, piccoli motori e altri carichi con un segnale logico proveniente da Arduino, ESP32 o da un circuito digitale.
Come funziona un BJT usato come interruttore?
Nel funzionamento âswitchâ non ci interessa mantenere il transistor nella regione lineare. Vogliamo invece due condizioni nette:
OFF
Base non pilotata â transistor in interdizione â corrente di collettore quasi nulla.
ON
Base sufficientemente pilotata â transistor in saturazione â carico alimentato.
Controllo
Una piccola corrente di base permette di controllare una corrente maggiore nel collettore.
Interdizione, regione attiva e saturazione
| Regione | Condizione | Uso tipico |
|---|---|---|
| Interdizione | IB â 0, transistor OFF | Interruttore aperto |
| Attiva | IC â β¡IB | Amplificazione |
| Saturazione | Base fortemente pilotata | Interruttore chiuso |
NPN come interruttore low-side
Ă la configurazione piĂš comune. Il carico viene collegato tra VCC e collettore, mentre l’emettitore va a GND.
PNP come interruttore high-side
Con un PNP il transistor viene posto sul lato positivo del carico. L’emettitore è collegato a VCC e il carico è sul collettore.
Corrente di base, collettore e guadagno
Quando il transistor viene usato come interruttore, vogliamo invece portarlo in saturazione. Per questo non conviene affidarsi al solo β nominale.
Beta forzato per garantire la saturazione
Una tecnica pratica è scegliere un rapporto tra corrente di collettore e corrente di base molto piÚ basso del beta nominale.
IB = 200 mA / 10 = 20 mA.
Come calcolare la resistenza di base
Per una stima iniziale si può usare VBE â 0,7â0,9 V in funzione della corrente e del transistor.
IB = 10 mA
VBE â 0,8 V
RB = (5 â 0,8) / 0,01 â 420 Ί.
Valore commerciale vicino: 430 Ί.
Esempio: accendere un LED con un NPN
Supponiamo di voler pilotare un LED a 20 mA con un transistor NPN. Il LED mantiene comunque la propria resistenza serie.
RLED = (5 â 2 â 0,2) / 0,02 = 140 Ί.
Si può scegliere 150 Ί.
Pilotare un BJT da Arduino
Un’uscita digitale di Arduino può pilotare la base attraverso RB. La corrente richiesta deve però restare entro limiti sicuri per il GPIO e per il microcontrollore complessivo.
Pilotare un BJT da ESP32 a 3,3 V
Con ESP32 la tensione logica è 3,3 V. Il calcolo di RB deve quindi usare 3,3 V, non 5 V.
VBE = 0,8 V
IB = 5 mA
RB = (3,3 â 0,8) / 0,005 = 500 Ί.
Valore commerciale: 510 Ί.
VCE(sat): la tensione residua quando il transistor è ON
Un BJT saturo non equivale a un corto perfetto. Tra collettore ed emettitore rimane una tensione:
Dissipazione di potenza del BJT
IC = 500 mA
P â 0,2 Ă 0,5 = 0,1 W.
Carichi induttivi: relè, solenoidi e motori
Un carico induttivo immagazzina energia nel campo magnetico. Quando il transistor si spegne, la corrente non può annullarsi istantaneamente.
Diodo flyback: protezione fondamentale
Nel pilotaggio DC di un relè o solenoide si collega normalmente un diodo in antiparallelo alla bobina. Durante il funzionamento normale il diodo è interdetto; allo spegnimento conduce la corrente della bobina.
Esempio pratico: pilotare un relè
Corrente bobina = 70 mA
Transistor NPN
βforzato = 10
IB = 70 mA / 10 = 7 mA.
Con controllo a 5 V e VBE â 0,8 V:
Un valore commerciale di 620 Ί può essere un buon punto di partenza, verificando poi VCE(sat) e i dati reali del transistor.
Pilotare un piccolo motore DC
Un piccolo motore è anch’esso un carico induttivo, ma presenta anche correnti di spunto elevate. La corrente di avviamento o di stallo può essere molte volte superiore alla corrente nominale.
Resistenza tra base ed emettitore
In alcuni circuiti viene aggiunta una resistenza tra base ed emettitore per garantire che il transistor rimanga spento quando il segnale di controllo è flottante o ad alta impedenza.
VelocitĂ di commutazione e saturazione profonda
Portare un BJT molto profondamente in saturazione può aumentare il tempo necessario per spegnerlo, perchÊ nella base viene immagazzinata carica.
Limiti elettrici da controllare
| Parametro | Significato |
|---|---|
| VCEO | Massima tensione collettore-emettitore. |
| IC | Massima corrente di collettore. |
| IB | Massima corrente di base. |
| VCE(sat) | Caduta in saturazione alle condizioni specificate. |
| PD | Potenza dissipabile. |
| hFE | Guadagno in corrente, non costante. |
| SOA | Safe Operating Area. |
BJT o MOSFET come interruttore?
| BJT | MOSFET |
|---|---|
| Richiede corrente continua di base. | Il gate richiede soprattutto corrente durante le transizioni. |
| Perdita â VCE(sat)¡IC. | Perdita di conduzione â I²¡RDS(on). |
| Semplice per piccole correnti. | Spesso migliore per correnti medio-alte. |
| Può saturare. | Non usa il concetto di saturazione allo stesso modo del BJT switch. |
Errori comuni usando un BJT come interruttore
- collegare la base direttamente al GPIO;
- dimensionare RB usando soltanto il beta nominale;
- dimenticare VCE(sat);
- superare la corrente consigliata del GPIO;
- non condividere GND quando necessario;
- dimenticare il diodo flyback sui carichi induttivi;
- dimensionare il transistor sulla corrente nominale del motore anzichĂŠ sulla corrente di stallo;
- ignorare la dissipazione termica;
- usare un NPN high-side come se fosse un low-side;
- non controllare VCEO, IC, PD e SOA nel datasheet.