BJT NPN come switch

In questo articolo si vogliono percorrere tutti gli step che portano alla scelta e dimensionamento di un transistor BJT NPN utilizzato come interruttore in un sistema switching.

Prima di esaminare il dimensionamento di un piccolo circuito di comando è necessario fare una breve introduzione sulla struttura e sul funzionamento dei transistor BJT (Bipolar Junction Transistor). Nella seguente immagine è possibile vedere il simbolo con i tre relativi terminali chiamati collettore (ramo sul quale verrà inserito il carico), base (ramo sul quale verrà dato il comando di chiusura/apertura tramite una corrente) ed emettitore (ramo sul quale il circuito chiude tipicamente verso massa).

Un transistor BJT possiede tre zone e tipologie di funzionamento: SATURAZIONE, INTERDIZIONE e ZONA ATTIVA. Se si vuole sfruttare un BJT come interruttore bisognerà lavorare nelle prime due zone, ed il passaggio da saturazione ad interdizione deve essere quanto più veloce possibile. Invece, se si vuole utilizzare il transistor BJT come amplificatore si sfrutterà la zona attiva.

Per capire le zone di funzionamento è necessario lavorare sul grafico della corrente di collettore in funzione della tensione tra collettore ed emettitore [ Ic = f(Vce) ].

La zona di saturazione è l’equivalente di una situazione ad interruttore chiuso. Quindi nel transistor scorre una determinata corrente di collettore Ic dettata dal carico e, con le dovute approssimazioni (Ic circa uguale ad Ie), è identificabile dal rapporto tra la tensione Vcc e la resistenza del carico inserito sul collettore. In questa situazione quindi, Ic sarà legata al carico e la tensione Vce è considerabile come nulla.

La zona di indeterminazione è l’equivalente di una situazione ad interruttore aperto che, con le dovute approssimazioni, porta a considerare una corrente di collettore ed emettitore nulla e di conseguenza una tensione Vce diversa da 0V.

Nella zona attiva, in base al punto di lavoro, si avrà invece un’amplificazione della base sul collettore.

Per il nostro obiettivo (BJT NPN come interruttore) ci basterà quindi considerare solo la zona di saturazione (stato di ON) e la zona di interdizione (stato di OFF). Con le dovute approssimazioni possiamo quindi affermare che:

Come messo in evidenza dall’immagine, la grandezza chiave che ha il compito di gestire l’apertura e chiusura del nostro interruttore digitale è la corrente di base: se essa è troppo debole non permetterà il passaggio di corrente tra collettore. Per evitare questa problematica quindi sarà necessario eseguire un accurato dimensionamento. Il circuito minimo che permette di pilotare correttamente un BJT è il seguente, sviluppato per alimentare il carico quando sulla base vengono forniti 5V e disalimentare il carico quando sulla base vengono forniti 0V.

Partendo dallo schema di sinistra presentiamo i componenti:

• Rb = resistenza di base, ha il compito di tarare correttamente la corrente necessaria alla gestione del transistor
• R1 = resistenza di pulldown, serve ad agganciare il potenziale della base a 0V se non arriva alcun segnale di comando
• Rcarico = resistenza interna del carico che vogliamo pilotare

Dato che, il resistore R1 svolge la funzione di pulldown, il valore della propria resistenza sarà elevato (tipicamente 100KΩ) verrà percorso da una corrente Ir1 trascurabile. Pertanto è lecito semplificare il circuito sostituendolo con lo schema di destra assumendo R1 = 100KΩ.

L’algoritmo da seguire per il dimensionamento è quindi relativamente semplice, ma necessita la lettura del datasheet del transistor da utilizzare (nel nostro caso 2N2222). I dati necessari alla progettazione sono:

• Tensione di alimentazione Vcc (legata strettamente al carico)
• Resistenza del carico o corrente assorbita dallo stesso: permetterà di determinare la corrente di collettore Ic
• hfe minimo (dato ricavabile dal datasheet)
• Vbe sat (dato ricavabile dal datasheet)

Esempio progettazione

Si vuole progettare un sistema di gestione on/off basato su transistor BJT NPN 2N3904 che gestisca un carico di 50Ω alimentato a 12Vdc. Il sistema sarà comandato da un microcontrollore con uscire 0V (carico OFF) e 5V (carico ON).

1. Approssimando Ic = Ie e Vce_sat = 0V è facilmente calcolabile la corrente di collettore eseguendo il rapporto tra Vcc (12V) e Rcarico (500Ω). Pertanto la corrente di collettore è pari a 0,024A.
   Verifica 1: tale corrente è gestibile dal transistor poiché il 2N3904 può raggiungere massimo 0,2A).
   Verifica 2: il transistor deve reggere il valore di Vcc come parametro Vce0.
2. Se Ic=0,024A allora Ib assume valore

\(Ib_saturazione = \frac{Ic}{hfe_minimo} = \frac{0,024}{100} = 0,0024 A = 0,24 mA\)
Ciò significa che grazie a 0,24mA di base si riuscirà a gestire un carico sul collettore da 24mA. Ciò nonostante, in sede di dimensionamento, è tipico maggiorare questo valore rendendolo doppio o triplo. Nel nostro caso:

Ibsat = 3 * Ib = 0,72mA

3. Dimensionamento Rb (analizzando la maglia di base):

\(Rb = \frac{Vbb – Vbesat}{Ibsat} = \frac{5 – 0,6}{0,00072} = 6,11k\Omega \)
Tale valore non sarà mai disponibile a livello commerciale quindi si opterà per il valore quanto più prossimo.

Nella seguente animazione è possibile comparare il segnale di comando (verde) che assume valori tra 0V e 5V e la corrente di collettore Ic (viola).