Il transistor (BJT) come interruttore.

In questa presentazione, si vuole utilizzare il transistor in una delle due configurazioni fondamentali, ovvero quella di funzionamento come interruttore (l’altra è quella di funzionamento come amplificatore). L’utilità di questa configurazione è quella che consente di comandare un generico utilizzatore (nel nostro caso un diodo led) attraverso una tensione fornita da un dispositivo (circuito integrato o altro), lasciando il compito al transistor di supportare l’assorbimento richiesto dal carico (diodo led) senza che quest’ultimo gravi sull’uscita del dispositivo di comando (circuito integrato o simile).

Ovviamente il transistor dovrà avere caratteristiche idonee a supportare il carico che comanderà, cioè soddisfare la corrente di assorbimento richiesta dall’utilizzatore, altresì dovrà essere correttamente dimensionato il circuito di polarizzazione del transistor (resistenze di base e di collettore) in funzione del carico e dell’ampiezza del segnale di comando di base.

Teoria spicciola …

Il transistor utilizzato in questo tipo di applicazione in genere è di tipo NPN, ed il generico carico è inserito in serie alla giunzione collettore-emettitore lato collettore. Il funzionamento è molto semplice, quando nella base non è applicata alcuna tensione (Vb) la corrente è nulla (Ib=0) anche nella giunzione collettore-emettitore, dove è collegato l’utilizzatore (U) e la sua tensione di alimentazione (Vcc) non scorrerà nessuna corrente (Ic=0) , quindi la giunzione collettore-emettitore equivale ad un interruttore aperto.

Quando invece viene applicata una tensione di polarizzazione alla base (Vb) si avrà una corrente nella base con un valore sufficiente (Ib>Ic/ßF) si avrà una conseguente corrente collettore-emettitore (Ic) funzione della tensione di alimentazione del carico che interesserà lo stesso carico, pertanto la giunzione collettore-emettitore equivale ad un interruttore chiuso.

Pertanto, perché ci sia la conduzione nella giunzione collettore-emettitore dovrà essere soddisfatta la condizione : iB>iC /ßF.  Lo stato di conduzione del transistor o BJT è nota con il nome di “saturazione”.

Dopo questa spicciola premessa teorica (c’è molto di più da conoscere, ma lascio l’argomento ai Prof. ed ai libri di testo.. J ) si passa alla pratica, dimensionando il circuito di polarizzazione necessario al nostro bjt per comandare un diodo led con una tensione di comando Vb pari a 5 V.

L’idea è quella di utilizzare un diodo led, di colore rosso e 5 mm di diametro con una tensione di polarizzazione diretta di 2 V ed un’intensità di corrente diretta di 20 mA  per pilotarlo sarà idoneo un BC 337 avendo verificato sul proprio datasheet BC337  le caratteristiche necessarie : VCE : 50 V più che sufficienti, ed IC : 800 mA di gran lunga coprono i 20 mA richiesi dal diodo led.

BC 337 transistor planare epitassiale di tipo NPN, complementare al BC327 e BC328 che sono PNP. E’ fornito in un contenitore tipo TO-92 di plastica SOT 54 del peso di circa 0,18 g. Alcune caratteristiche fondamentali per la sua corretta polarizzazione e l’indicazione dei relativi terminali di base (B), collettore (C) ed emettitore (E):

  • VBESAT : 1,2 V
  • VCESAT : 0,7 V
  • hFEmin : 100
  • hFEmax: 630

Per quanto riguarda il diodo led (DL) si utilizza un classico diodo led da 5 mm di colore rosso le cui caratteristiche considerate sono di 5V per la tensione di polarizzazione diretta (Vled, VF nei datashet) e di 20 mA per la corrente di polarizzazione diretta (Iled, IF nei datashett), mentre per le polarità si considera la tacca di riferimento come meglio indicato in:

A questo punto, con le info necessarie disponibili posso procedere a dimensionare i resistori di polarizzazione del bjt.

 

Dimensionamento resistori di polarizzazione..

Determino dapprima il valore della tensione VRC ai capi del resistore di collettore Rc attraverso l’espressione ..

VRC=VCC – VCESAT – VLED = 5 – 0,7 – 2 = 2,3 V

Nota la tensione ai capi di Rc e l’intensità di corrente stabilita per il diodo led con iLED = 20 mA  che poi corrisponde alla corrente di collettore Ic posso determinare il valore del resistore attraverso la ben nota legge di  Ohm..

RC = VRC / iLED   = 2,3 / 0,02 = 115

A questo punto si trova la corrente di base IB con la relazione

iB>iCF

al fine si ottenere una certa saturazione e considerando le tolleranze dei resistori si aumenta la ib di un 20% pertanto

iB>1,2  ( iCF )

 

iB = 1,2 ( 0,02 /60 ) = 0,36 mA

Ora essendo la tensione VRB ai capi del resistore RB pari  a  VB  – VBESAT  (VBESAT si rileva dal datasheet) occorre determinare il valore in ohm della resistenza di base RB, pertanto sempre applicando la legge di Ohm trovo ..

RB = VRB / iB   = VB  – VBESAT /  iB =  5 – 1,2/  0,36 x 10-3 = 10.555Ω

Nella pratica andrò ad utilizzare un valore prossimo commerciale, ovvero il valore di 10,5 kΩ, e lo schema diventerà

E la verifica di funzionamento realizzata su breadboard diventa :

Polarizzando la base del BJT con la tensione Vb si ottiene l’accensione del diodo led ..

La conclusione di questa presentazione, è nell’idea di presentare un’applicazione del transistor come interruttore quando a fornire il comando per un generico utilizzatore o carico di potenza sia una delle tante applicazioni di dispositivi elettronici che poco si prestano a supportare gli assorbimenti considerevoli di carichi quali ad esempio bobine di elettromagneti o elettrovalvole, piuttosto che attuatori o simili. In tal caso si prendono in considerazione dei BJT con caratteristiche adeguate agli assorbimenti, ovvero quei dispositivi semiconduttori che fanno parte dell’elettronica di potenza.

Disclaimer: quanto rappresentato in questa esposizione, testo, immagini e disegni sono frutto di una elaborazione propria e rappresentata a scopo si studio e didattico, pertanto ogni possibile danno a cose o persone per un utilizzo improprio delle informazioni dell’esposizione non è responsabilità dell’autore che declina ogni responsabilità.

 

 

 

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13 commenti su “Il transistor (BJT) come interruttore.

  1. AvatarJohn il said:

    Salve,avrei un dubbio su un calcolo Ib=1,2(0.02/60)=0.36mA …come fa ad avere quel risultato???ho provato in diversi modi ma i conti non tornano.(1,2x(0.02/60=1,2×3,333periodico=0,004).Per il resto nulla da dire, molto comprensibile e ben fatta!Grazie.

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    • Salve John.
      In effetti come mi hai giustamente fatto notare, non si può avere quel risultato. Credo di aver trascritto un valore (60) di hfe in luogo di un altro, credo il valore di frequenza tipica del BJT in luogo del valore di hfe che avevo considerato nei calcoli (che ora non ritrovo..); comunque considerando il datasheet del BJT BC337, ed una corrente di collettore Ic max pari a 0,5 A, si può considerare ad esempio il valore minimo di hfe pari a 100, e dall’espressione precedente si ricava una Ib = 1,2 (20/100) = 0,24 mA , od un valore maggiore di hfe fino al valore di 600 indicato come valore massimo nel datasheet fornito dal costruttore.
      Grazie per l’appunto.

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  2. Avatarv98 il said:

    Premetto che sto studiando elettronica per passione da autodidatta… Non capisco sinceramente l’utilizzo del bjt (scusate l’ignoranza) come interruttore… Cioè… Se la corrente di base supera un certo valore, allora l’utilizzatore (resistenza o lampadina) si accende, diversamente no… Ma nella prova di laboratorio che viene mostrata su breadboard a me pare che la lampadina non si accenda semplicemente perchè mancante dell’alimentazione… E’ ovvio che se non viene chiuso il circuito non passi corrente e quindi non si accenda la lampadina… Come amplificatore penso sia più intuitivo da capire…

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    • Salve v98. Sull’utilizzo del BJT o transistor come interruttore in elettronica di applicazioni se ne possono trovare diverse, un esempio può essere quello di un comando di un generico carico (lampada,motore o altro) attraverso lo stato di uscita di una porta logica, condizione in cui con un segnale di tensione di piccola ampiezza ed intensità di corrente si comanda la base di un BJT per comandare a sua volta un carico generico. Relativamente all’alimentazione del carico, o meglio del diodo led rappresentato nella dimostrazione su bread board, quest’ultimo ha la sua tensione di alimentazione che è quella indicata con Vcc. Spero di aver interpretato bene le domande ed aver risposto altrettanto.
      Ciao.

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  3. AvatarGioco il said:

    da profano totale: ma serve un interruttore per far funzionare il transistor come interruttore?

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    • Se in un circuito elettrico/nico si vuole utilizzare un transistor in configurazione interruttore, si avranno giustificati motivi elettrici per preferirlo al classico interruttore di tipo elettromeccanico.

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  4. AvatarStefano il said:

    Nella formaula: Vrc = Vcc – Vcesat – Vled = 5 – 0,7 – 0,2 = 2,3 V qualcosa non torna, in effetti Vled è 2V (In una parte è scritto 2V e in una 5V) credo sia un errore di battitura.

    Vrc = Vcc – Vcesat – Vled = 5 – 0,7 – 2 = 2,3 V

    Grazie per l’articolo in ogni caso, mi è stato molto utile.

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    • KirkadminKirkadmin il said:

      Grazie Stefano per la tua precisazione. Rispondo al posto di Elettrico, che probabilmente è impegnato con il lavoro in questo periodo. Dopo una attenta lettura credo sia molto probabilmente un errore di battitura ed ho provveduto alla correzione. Grazie di nuovo per la segnalazione e per aver trovato molto utile l’articolo proposto da Elettrico.

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    • Salve Stefano, rispondo con ritardo perchè come mi ha anticipato admin sono impegnato con orari di lavoro/impegni particolari, allo stesso tempo admin mi ha anticipato nella risposta, ovvero ti confermo l’errore di battitura; una tensione di 0,2 V per la giunzione di un diodo led è un tantinello bassa .. 🙂 . Grazie per la segnalazione.

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  5. AvatarIgor il said:

    Salve elettrico, sto cercando di invertire il pilotaggio di un elettroiniettore da positivo a negativo. Ho compreso che un transistor npn puo’ essere la soluzione, ma non so ne quale componente scegliere ne come dimensionare il tutto… Mi ouo’ aiutare?
    Saluti.
    Igor

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    • Salve igor.
      L’elettromeccanica relativa alle vetture non è il mio campo e non è il mio forte, ma se non vado errato un “elettroiniettore” credo sia un’elettrovalvola comandata in apertura e chiusura dalla centralina,per polverizzare opportunamente la benzina o diesel sul pistone; in tal senso direi che quanto vorresti approcciare, ammesso che sia fattibile (normativa-codice della strada ..) è opportuno che venga svolto presso un’officina autorizzata, se non altro per avere certezza sullpaffidabilità del lavoro eseguito e della fattibilità.
      Per quanto scritto non posso andare, da un punto di vista didattico posso semplicemente dire che “per invertire una polarità, su di un carico in genere, non è di un -interruttore- che ci si deve servire, sia esso elettronico o elettromeccanico”.
      Ciao.

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  6. AvatarFrank il said:

    Salve, sto riproducendo il suo esercizio su breadboard, mi è tutto chiaro tranne il motivo per cui ha inserito nei calcoli hfe pari a 60 nonostante abbia indicato come valori minimo e massimo 100 e 630, potrebbe aiutarmi? grazie

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    • Salve Frank.
      Hai ragione, ho indicato un hFEmin di 100 ed utilizzato nei calcoli un hFEmin di 60, in pratica ho utilizzato il valore del coefficiente di amplificazione minimo indicato nel datasheet per un valore di corrente di collettore di 300 mA, a differenza di quello considerato prima indicato per una corrente di collettore di 100 mA.
      Considerando che nell’esempio ho pilotato un diodo led (5 mm) che in genere richiede al massimo una If pari a 20 mA, direi che ho dimensionato eccessivamente (Ic 300mA) la portata della corrente di collettore del BJT considerando appunto un hFEmin pari a 60.
      Grazie per la segnalazione.

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