Un transistor può funzionare come un interruttore elettronico per controllare la corrente in un circuito. Utilizza un piccolo segnale per attivare o disattivare carichi più grandi, il che lo rende utile in molti sistemi elettronici. Questo articolo spiega in dettaglio come vengono utilizzati i transistor BJT e MOSFET nella commutazione, inclusi il controllo low-side e high-side, i resistori di base e di gate, la protezione del carico induttivo e l'interfacciamento del microcontrollore.
Panoramica della commutazione dei transistor
Un transistor è un dispositivo a semiconduttore che può funzionare come un interruttore elettronico per controllare il flusso di corrente in un circuito. A differenza degli interruttori meccanici che aprono o chiudono fisicamente un percorso, un transistor esegue la commutazione elettronicamente utilizzando un segnale di controllo applicato alla sua base (BJT) o gate (FET). Nelle applicazioni di commutazione, il transistor funziona solo in due regioni principali: la regione di cut-off (stato OFF), dove non c'è flusso di corrente e il transistor si comporta come un interruttore aperto, e la regione di saturazione (stato ON), dove la corrente massima scorre con una caduta di tensione minima attraverso di essa, agendo come un interruttore chiuso.
Stati di commutazione dei transistor
| Regione | Cambia stato | Descrizione | Utilizzo nel passaggio |
|---|---|---|---|
| Taglio | SPENTO | Nessun flusso di corrente (circuito aperto) | Usato |
| Attivo | Lineare | Conduzione parziale | Evitare (amplificatori) |
| Saturazione | IL | Flussi massimi di corrente (percorso chiuso) | Usato |
Applicazioni dei transistor nei circuiti di commutazione
Controllo relè e solenoide
I transistor azionano relè e solenoidi fornendo la corrente della bobina richiesta che i microcontrollori non possono fornire direttamente. Un diodo flyback viene utilizzato per la protezione contro i picchi di tensione.
LED e lamp Commutazione
I transistor commutano LED e piccole lampade utilizzando segnali di controllo bassi, proteggendo al contempo il circuito di controllo da correnti eccessive. Sono utilizzati negli indicatori, nei display e nel controllo dell'illuminazione.
Driver del motore
I transistor azionano i motori CC fungendo da interruttori ad alta corrente. I BJT o MOSFET di potenza sono utilizzati per un controllo affidabile in robotica, ventole, pompe e sistemi di automazione.
Circuiti di gestione dell'alimentazione
I transistor sono utilizzati nella commutazione, protezione e regolazione dell'alimentazione elettronica. Compaiono nei caricabatterie, nei convertitori CC e nei circuiti di controllo automatico dell'alimentazione.
Interfacce per microcontrollori
I transistor interfacciano microcontrollori con carichi ad alta potenza. Amplificano i segnali logici deboli e consentono il controllo di relè, motori, cicalini e LED ad alta corrente.
Transistor NPN come interruttore
Un transistor NPN può essere utilizzato come interruttore elettronico per controllare carichi come LED, relè e piccoli motori utilizzando un segnale a bassa potenza proveniente da dispositivi come sensori o microcontrollori. Quando il transistor funziona come interruttore, funziona in due regioni: cut-off (stato OFF) e saturazione (stato ON). Nella regione di cut-off, non scorre corrente di base e il transistor blocca la corrente sul lato del collettore, quindi il carico rimane OFF. Nella regione di saturazione, scorre una corrente di base sufficiente per accendere completamente il transistor, consentendo alla corrente di passare dal collettore all'emettitore e alimentare il carico.
Per utilizzare un transistor NPN come interruttore, è necessario un resistore di base (RB) per limitare la corrente che entra nella base. La corrente di base viene calcolata utilizzando:
dove IC è la corrente attraverso il carico e βforced è un valore di guadagno ridotto utilizzato per una commutazione sicura, β/10. Il resistore di base viene quindi calcolato utilizzando:
dove VIN è la tensione di controllo e VBE è la tensione base-emettitore (circa 0,7 V per i transistor al silicio). Queste formule aiutano a garantire che il transistor riceva una corrente di base sufficiente per commutare correttamente senza essere danneggiato.
Transistor PNP come interruttore
Un transistor PNP può essere utilizzato anche come interruttore, ma viene applicato nella commutazione high side, in cui il carico è collegato a terra e il transistor controlla il collegamento alla tensione di alimentazione positiva. In questa configurazione, l'emettitore del transistor PNP è collegato a +VCC, il collettore è collegato al carico e il carico si collega a terra. Il transistor si accende quando la base viene abbassata (al di sotto della tensione dell'emettitore) e si spegne quando la base viene tirata in alto (vicino a +VCC). Ciò rende i transistor PNP adatti per circuiti di commutazione in cui il carico deve essere collegato direttamente alla guida positiva, come nel cablaggio automobilistico e nei sistemi di distribuzione dell'alimentazione.
Per limitare la corrente che scorre nella base, è necessaria una resistenza di base (RB). La corrente di base viene calcolata utilizzando:
dove IC è la corrente del collettore e βforzato è considerato come un decimo del guadagno tipico del transistor per una commutazione affidabile. Il valore del resistore di base viene quindi calcolato utilizzando:
Nei transistor PNP, il VBE è di circa -0,7 V quando polarizzato in avanti. Il segnale di controllo deve essere tirato abbastanza in basso da polarizzare in avanti la giunzione base-emettitore e accendere il transistor.
Resistenza di base nella commutazione BJT
Quando si utilizza un transistor BJT come interruttore, è necessario un resistore di base (RB) per controllare la corrente che entra nel terminale di base. Il resistore protegge il transistor e la sorgente di controllo, come un pin del microcontrollore, da troppa corrente. Senza questo resistore, la giunzione base-emettitore potrebbe assorbire una corrente eccessiva e danneggiare il transistor. Il resistore di base assicura inoltre che il transistor passi correttamente tra lo stato OFF e quello ON.
Per accendere completamente il transistor (modalità di saturazione), è necessario fornire una corrente di base sufficiente. La corrente di base IB viene calcolata utilizzando la corrente di collettore IC e un valore di guadagno sicuro chiamato beta forzato:
Invece di utilizzare il guadagno normale del transistor (beta), per la sicurezza viene utilizzato un valore più basso chiamato beta forzato:
Dopo aver calcolato la corrente di base, il valore del resistore di base viene trovato utilizzando la legge di Ohm:
Qui, VIN è la tensione di controllo e VBE è la tensione base-emettitore, circa 0,7 V per i BJT al silicio.
Commutazione MOSFET nel controllo a livello logico
I MOSFET sono utilizzati come interruttori elettronici nei circuiti moderni perché offrono una maggiore efficienza e una minore perdita di potenza rispetto ai BJT. Un MOSFET funziona applicando una tensione al suo terminale di gate, che controlla il flusso di corrente tra il drain e la sorgente. A differenza dei BJT che richiedono una corrente di base continua, i MOSFET sono azionati in tensione e non assorbono quasi corrente al gate, il che li rende adatti per sistemi alimentati a batteria e basati su microcontrollore.
I MOSFET sono preferiti per le applicazioni di commutazione perché supportano velocità di commutazione più elevate, una maggiore gestione della corrente e una resistenza ON RDS(on) molto bassa, che riduce al minimo il riscaldamento e la perdita di energia. Sono comunemente usati in driver per motori, strisce LED, relè, convertitori di potenza e sistemi di automazione. I MOSFET a livello logico sono appositamente progettati per accendersi completamente a basse tensioni di gate, 5 V o 3,3 V, il che li rende ideali per l'interfacciamento diretto con microcontrollori come Arduino, ESP32 e Raspberry Pi senza la necessità di un circuito gate driver.
I MOSFET a livello logico di uso comune includono:
• IRLZ44N – adatto per la commutazione di carichi ad alta potenza come motori CC, relè e strisce LED.
• AO3400 – MOSFET SMD compatto adatto per applicazioni di commutazione digitale a bassa potenza.
• IRLZ34N – utilizzato per carichi di corrente medio-alti nella robotica e nell'automazione.
Commutazione low-side e high-side
Commutazione low-side
Nella commutazione low-side, il transistor è posizionato tra il carico e la terra. Quando il transistor è acceso, completa il percorso verso terra e consente alla corrente di fluire attraverso il carico. Questo metodo è semplice e facile da usare, motivo per cui è comune nei circuiti digitali e basati su microcontrollori. La commutazione low-side viene eseguita utilizzando transistor NPN o MOSFET a canale N perché sono facili da pilotare con un segnale di controllo riferito a terra. Questo metodo viene utilizzato per attività come la commutazione di LED, relè e piccoli motori.
Commutazione a monte
Nella commutazione high-side, il transistor è posizionato tra l'alimentatore e il carico. Quando il transistor si accende, collega il carico all'alimentazione a tensione positiva. Questo metodo viene utilizzato quando il carico deve rimanere collegato a terra per motivi di sicurezza o di riferimento del segnale. La commutazione high-side viene eseguita utilizzando transistor PNP o MOSFET a canale P. Tuttavia, è leggermente più difficile da controllare perché la base o il cancello devono essere azionati a una tensione inferiore rispetto all'alimentazione per accenderli. La commutazione high-side è comunemente utilizzata nei circuiti automobilistici, nei sistemi alimentati a batteria e nelle applicazioni di controllo dell'alimentazione.
Protezione induttiva della commutazione del carico
Quando un transistor viene utilizzato per controllare carichi induttivi come motori, relè, solenoidi o bobine, necessita di protezione dai picchi di tensione. Questi carichi accumulano energia in un campo magnetico mentre la corrente scorre attraverso di essi. Nel momento in cui il transistor si spegne, il campo magnetico collassa e rilascia quell'energia come un improvviso picco di alta tensione. Senza protezione, questo picco può danneggiare il transistor e influenzare l'intero circuito.
Per evitare ciò, i componenti di protezione vengono aggiunti al carico. Il più comune è un diodo flyback, come 1N4007, collegato al contrario attraverso la bobina. Questo diodo fornisce alla corrente un percorso sicuro per fluire quando il transistor si spegne, arrestando il picco di tensione. Nei circuiti in cui il rumore elettrico deve essere controllato, viene utilizzato uno smorzatore RC (un resistore e un condensatore in serie) per ridurre gli impulsi bruschi. Per i circuiti che gestiscono tensioni più elevate, viene utilizzato un diodo TVS (Transient Voltage Suppression) per limitare i picchi pericolosi e proteggere le parti elettroniche.
Interfaccia a microcontrollore con commutazione a transistor
I microcontrollori come Arduino, ESP32 e STM32 possono fornire solo una piccola corrente di uscita dai loro pin GPIO. Questa corrente è limitata a circa 20-40 mA, che non è sufficiente per alimentare dispositivi come motori, relè, solenoidi o LED ad alta potenza. Per controllare questi carichi di corrente più elevati, viene utilizzato un transistor tra il microcontrollore e il carico. Il transistor funziona come un interruttore elettronico che consente a un piccolo segnale proveniente dal microcontrollore di controllare una corrente maggiore proveniente da una fonte di alimentazione esterna.
Quando si sceglie un transistor, assicurarsi che possa accendersi completamente con la tensione di uscita del microcontrollore. I MOSFET a livello logico sono una buona scelta per carichi più grandi perché hanno una bassa resistenza ON e rimangono freddi durante il funzionamento. I BJT come il 2N2222 vanno bene per carichi più piccoli.
| Microcontrollore | Tensione di uscita | Transistor consigliati |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5V | 2N2222 (BJT) o IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ESP32 | 3,3 V | AO3400 (N-MOSFET) |
| STM32 | 3,3 V | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Conclusione
I transistor sono interruttori elettronici affidabili utilizzati per controllare LED, relè, motori e circuiti di alimentazione. Utilizzando la base o il resistore di gate corretto, aggiungendo la protezione flyback per i carichi induttivi e scegliendo il giusto metodo di commutazione, i circuiti diventano sicuri ed efficienti. La comprensione della commutazione a transistor aiuta a progettare sistemi elettronici stabili con controllo e protezione adeguati.
Domande frequenti [FAQ]
Perché scegliere un MOSFET invece di un BJT per la commutazione?
Un MOSFET commuta più velocemente, ha una minore perdita di potenza e non necessita di corrente di gate continua.
Cosa causa il surriscaldamento di un transistor nei circuiti di commutazione?
Il calore è causato dalla perdita di potenza durante la commutazione, calcolata come P = V × I, se il transistor non è completamente acceso.
Che cos'è RDS(on) in un MOSFET?
È la resistenza ON tra lo scarico e la sorgente. Un RDS(on) più basso significa un calore inferiore e una migliore efficienza.
Un transistor può commutare i carichi CA?
Non direttamente. Un singolo transistor funziona solo per la corrente continua. Per i carichi CA, vengono utilizzati SCR, TRIAC o relè.
Perché il cancello o la base non dovrebbero essere lasciati fluttuanti?
Un cancello o una base flottante possono captare il rumore e causare una commutazione casuale, con conseguente funzionamento instabile.
Come si può proteggere un gate MOSFET dall'alta tensione?
Utilizzare un diodo zener tra il gate e la sorgente per bloccare la tensione extra e prevenire danni al gate.