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Transistor come buffer del
microcontroller
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Per realizzare buffer di interfaccia per le uscite digitali dei
microcontroller, la scelta dei transistor è quanto mai ampia, perchè, a differenza delle applicazioni audio o di amplificazione in generale,
NON ha alcuna importanza la linearità o il rumore, dato che il transistor viene impiegato essenzialmente come interruttore
ON/OFF, lavorando in interdizione e saturazione.
Quello che interessa è:
- la massima tensione di collettore, che deve essere adeguata all'
applicazione
- la massima corrente di collettore, che deve essere tale da
supportare quella del carico
- il guadagno alla corrente richiesta
- la tensione di saturazione
Ne risulta che buona parte dei transistor è adeguata, praticamente
tutti quelli in grado di gestire 100 mA o più, a seconda
dell' applicazione.
Abbiamo provato a creare una tabella che raccoglie alcuni dei modelli più
comuni, dalla quale si potrà notare come, a parità dei parametri 1 e 2, l'
uso di un componente piuttosto che di un altro è abbastanza indifferente. Molti transistor, anche
con sigle assai diverse, ha parametri grosso modo analoghi, se non identici e
che sono sensibili in funzione della corrente di collettore e del tipo
di package (che limita la potenza massima).
Ad esempio, per comandare un carico da 100 mA, qualunque dei transistor della
tabella, dal 2N3904 in giù, sarà utilizzabile.
Ci sarà la necessità di una selezione quando si cercheranno di
comandare correnti più elevate: in tal caso, a parte la necessità di un
transistor con una sufficiente corrente di collettore, si dovrà controllare
anche il guadagno e la dissipazione di potenza.
Ovviamente la scelta cadrà sui componenti più facilmente reperibili, ma va
ricordato che alcuni transistor sono sul mercato da molti, molti anni e, nel
frattempo, sono stati realizzati altri prodotti migliori.
Quindi non ha alcun senso fissarsi su una sigla piuttosto di un' altra,
solo perchè è più popolare sul web; la scelta può non essere la
migliore e probabilmente un transistor diverso può fare meglio lo stesso lavoro.
Anche se alcune sigle possono essere poco note o comuni, questo non deve
essere un motivo per non scegliere un componente che può essere migliorativo
dell' applicazione.
Una tabella di riferimento per BJT
La tabella riporta, divise per fasce in relazione alla corrente massima,
alcuni modelli di transistor NPN adatti come buffer nelle applicazioni a
microcontroller.
La tabella indica i dati di massima del componente, il package e l' eventuale
complementare PNP.
Sono elencati modelli facilmente reperibili e comandabili direttamente
da un pin di usacita digitale del microcontroller, nelle varie
configurazioni possibili.
1 - transistor BISS a bassissima tensione di saturazione
2 - bassa tensione di saturazione
3 - guadagno >150
4 - darlington
5 - Ultra
reliable power transistor
Ovviamente esiste una miriade di altri transistor utilizzabili: non sono,
ad esempio, menzionati i tantissimi modelli delle serie giapponesi, che, peraltro, si
trovano in quantità in tutti gli apparecchi elettronici consumer e non. Così
non sono menzionati molti componenti della serie 2N, assai interessanti, dato che in
Europa probabilmente non sono immediatamente reperibili.
Nel campo della potenza, poi, c'è un' ampia scelta di componenti non
darlington, molto comuni. Questi, però, dato il basso guadagno, non
sempre possono
essere comandabili direttamente dal pin del microcontroller e richiedono
almeno un altro transistor. Chi intende usare questi componenti troverà
facilmente in rete un mare di applicazioni.
Ci si può chiedere perchè una prevalenza di transistor in contenitori
plastici.
Il motivo è semplice: la maggior parte del prodotto, oggi, ha questi
contenitori. I packages metallici (T0-39, TO-5, TO-18, ecc) sono più costosi
e le tecnologie attuali permettono di realizzare transistor con prestazioni
analoghe se non superiori in TO-92.
Ovviamente i contenitori metallici sono più adatti per essere dotati di
dissipatore di calore e questa è una ragione perchè il TO-3 sia ancora un
prodotto corrente. Però, a parte che l' elettronica consumer ha
richieste di potenza inferiori al passato, case come TO-3P o TO-247 o
TO-220, sono più economici di quelli interamente metallici, più semplici da montare e danno praticamente
prestazioni analoghe.
Per quanto riguarda le applicazioni industriali e di grande potenza, i
semiconduttori hanno spesso case di forme ben differenti da quelle citate (hockey puck, SOT-227,
ECOpack, GAl, GAR, ecc) allo scopo di trattare tensioni e correnti elevate.
I costi indicati sono quelli del catalogo RS alla data della stesura
della pagina (tenendo presente che spesso il costo è unitario, ma
c'è una confezione minima di acquisto di 5 o 10 pezzi e che il costo
per quantità maggiori può essere più basso).
Per evitare ogni polemica, sappiamo benissimo che ci sono mille altri
fornitori, come Distrelec,
DigiKey, Mouser,
Farnell,
oltre una miriade di possibilità di acquisto da piccoli rivenditori o
eBay, AliBaba, ecc.
E' certo, come in tutte le cose, che un transistor MJ11016G si trova
su eBay anche a 5.12€, ma lo stesso, sulla stessa pagina, è offerto
a costi variabili fino a 16.20 € (più del doppio di RS!)
il che non consente certo di dire che questa scelta di acquisto sia
sempre la più conveniente !!!!
La tabella non ha lo scopo di fornire "il prezzo migliore",
ma di indicare alcune caratteristiche tipiche che possono facilitare
la scelta del componente migliore in una data applicazione.
Ritenendo utile dare comunque un riferimento di costo, è stato
indicato quello del listino di un distributore che ha una buon
servizio. Anche gli altri, ovviamente, vanno più che bene ed ognuno potrà scegliere il suo
preferito. |
Alcune osservazioni sulla tabella
Osservando le caratteristiche comparate dei transistor si possono rilevare
alcuni punti che possono essere interessanti per la scelta del componente:
- Praticamente tutti i componenti in uno stesso package hanno
caratteristiche di potenza dissipabile analoghe. Se si verifica il foglio
dati, anche la resistenza termica sarà simile. Questo vuol dire che,
scelto un package, i limiti di potenza dissipabile sono da questo definiti
e limitati. Per avere maggiore dissipazione, occorrerà scegliere un
diverso package.
- La tensione Vcesat solitamente è più alta nei modelli con un Vce
elevata
- Maggiori sono le prestazioni come corrente di collettore/tensione Vce , minore è il guadagno
- Componenti con caratteristiche diverse dalla media hanno un costo più
elevato della media
Quindi, entro fasce delimitate, si può dire che, nell' uso per
commutazione un modello vale l' altro.
la scelta dipenderà dalla disponibilità e dal costo. Esistono certamente
molte eccezioni; così, nel caso in cui si voglia ottenere prestazioni
superiori, si potranno selezionare i modelli che offrono qualcosa di
più: Vcesat bassissima o guadagno elevato o una maggiore potenza dissipabile
o una Vce molto alta.
Può avere molto senso la scelta di alcuni modelli tipici con i quali
coprire tutte le esigenze. va da se che per uno sperimentatore o anche per un
Laboratorio è probabilmente più conveniente avere pochi modelli ad alte
caratteristiche in grado di essere utilizzati nelle più varie circostanze,
anche se il loro costo è elevato, piuttosto che un mucchio di sigle di low
cost che potrebbero non essere la scelta migliore.
Quale transitor si può comandare direttamente
dal microcontroller ?
Praticamente tutti quelli che hanno un guadagno sufficiente !
Il problema è quello della massima corrente erogabile dal pin del
microcontroller. La corrente alla base (NPN open collector) è :
Ib = Ic / hFE
Se fissiamo il massimo ragionevole a 20 mA per la corrente erogata dal port,
abbiamo:
| hFE |
Ic = Ib * hFE |
| 20 |
400 mA |
| 30 |
600 mA |
| 40 |
800 mA |
| 50 |
1 A |
| 100 |
2 A |
| 150 |
3 A |
| 500 |
10 A |
il che vuol dire l' impossibilità di comandare transistor a basso guadagno
per alte correnti di collettore. Ad esempio, il classico 2N3055, che ha una Ic=15A,
ma ha un guadagno minimo di 20 @ 4A, avrà obbligatoriamente la necessità di
uno stadio intermedio anche solo per 600 mA, altrimenti, anche estraendo 25 mA
dal port, più di1 A non potrà condurre. Invece un darlington, con guadagno
oltre 500 potrà comandare teoricamente ampere o decine di ampere.
In ogni caso, come ripetuto più volte, bufferare le uscite del
microcontroller ha come scopo non solo pilotare carichi con correnti/tensioni
più alte della Vdd e di 25mA, ma anche per ridurre la corrente direttamente
emessa o assorbita dai port. Quindi, anche nella scelta di un buffer esterno,
è opportuno far si che le correnti che attraversano il microcontroller siano
le minori possibili; questo allunga la vita al chip e costituisce un
presupposto per l' affidabilità dell' apparecchiatura.
Corrente e potenza
I fogli dati forniscono dei valori di massimo per i vari limiti di
tensione, corrente e potenza. A prima vista ci si sente autorizzati ad
utilizzare un transistor in T0-92, che dichiara una Ic = 3A per almeno 2A. E'
possibile questo ?
Dobbiamo considerare tre parametri:
- la Vcesat: è tipica del componente e va considerato che varia a seconda
della temperatura e della corrente di collettore.
- la corrente di collettore Ic a cui intendiamo usare il transistor
- la massima potenza Pj dissipabile dal package
- la resistenza termica giunzione-ambiente Rθja
La potenza dissipata in calore sulla giunzione è essenzialmente data da:
Pj = Vcesat * Ic
Ovviamente questo prodotto non deve superare la massima potenza ammessa per
quel dispositivo. Facciamo un esempio:
Il PN2222A dichiara:
- la Vcesat = 1 V @ 500 mA
- la corrente di collettore massima Ic = 1A
- la massima potenza dissipabile dal package Pj =
0.625 W
- la resistenza termica giunzione-ambiente Rθja
= 200 °C/W
Se supponiamo che la Vcesat sia la medesima a 1A, vediamo cosa succede
cercando di far passare questo ampere nel piccolo TO-92. La potenza dissipata
sarà:
Pj = Vcesat * Ic = 1 * 1 = 1 W
Il che supera gli 0.625W massimi ammessi dal package. Quindi,
una conduzione costante di 1A NON E' POSSIBILE.
Quale è il limite ? Considerando un massimo di 0.625W con 1 V:
Ic = Pj / Vcesat
= 0.625 / 1 = 625 mA
Ma è proprio così ? Questi 625 mW sono prodotti in calore
alla giunzione e vanno eliminati nell'ambiente circostante, altrimenti la
giunzione fonde. Il calore passa dalla giunzione all' ambiente attraverso la
resistenza termica Rtja del package, quindi la temperatura alla giunzione è:
Tj = Rθja
* Pj = 200 * 0.625 = 125 °C
il che si avvicina pericolosamente alla fusione della
giunzione, in quanto il calcolo più preciso deve comprendere la temperatura
ambiente Ta:
Tj = Ta + (Rθja
* Pj)
e con 40 °C ambiente abbiamo già superato il limite di sicurezza
(150 °C). Quindi, a meno di ricorrere ad un dissipatore, il massimo che il
transistor potrà dissipare, supponendo un ambiente a 40°C (il che è poco
nel caso di apparecchiature chiuse, all' aperto, su veicoli o in ambiente
industriale, dove il limite da considerare è 80°C), sarà:
Pj = (Tj
-
Ta) / Rθja
= ( 150 - 40) / 200 = 0.55 W
A questa potenza la giunzione raggiunge il punto limite di temperatura; il
package riesce, in aria libera, a scaricare il calore, ma risulterà molto,
molto caldo al tatto.
Per una condizione di sicurezza occorre che il package non sia troppo caldo, a
meno di utilizzare un radiatore.
0.55 W, con una Vcesat di 1 V corrispondono a 550 mA. Se limitiamo la
corrente a 400 mA, il calore risulterà minore.
Se consideriamo la resistenza termica tra giunzione package, Rθjc
con una dissipazione 400 mW, abbiamo una temperatura alla giunzione di 120°C
e al package inferiore ai 40 °C ( che, al tatto, fanno percepire l' oggetto
come caldo).
Siccome le caratteristiche dei transistor in TO-92, per quanto riguarda la
potenza dissipabile e la resistenza termica sono molto simili, a meno di
utilizzare un dissipatore, si può dire che prelevare più di 400 mW continui
è improponibile e una condizione di sicurezza con Tj massima di 100 °C non
permette di ottenere più di 300 mW (che in corrente, per l' esempio indicato,
equivalgono 300 mA).
Questo non è un taglio troppo deciso, in quanto si valuta che ogni aumento
della temperatura produca una riduzione statistica piuttosto significativa
della vita del componente. Una progettazione di qualità dovrà tenere conto
di questo.
Ovviamente esistono transistor a bassa e bassissima Vcesat
, il che riduce,
a parità di corrente, la potenza persa in calore; una riduzione della Vcesat
a 0.5V dimezza la potenza persa e permette il doppio di corrente.
Ad esempio, i transistor BISS a bassissima tensione di saturazione sono stati
pensati per realizzare switch di uso universale nei piccolissimi packages per montaggio
superficiale, dove le possibilità di dissipare calore sono limitate. Ne
esistono, però, anche in TO-92, ad esempio il PBSS8110S
con soli 0.12V a 500 mA. In queste condizioni la potenza persa in calore
sulla caduta di tensione della giunzione è solo di 60 mW. Analoghi sono i
transistor di Zetex: ad esempio ZTX869
ha una caduta di tensione di soli 0.08V a 1 A, il che equivale a 80 mW.
Così pure alcuni transistor hanno resistenze termiche minori e questo
consente temperature di giunzione minori a parità di potenza. Ne deriva che,
volendo spremere al massimo il componente, occorrerà fare una piccola
selezione tra i tanti modelli disponibili e non accontentarsi del primo che
capita in mano.
Lo stesso discorso vale per i transistor in TO-16, TO-220 e TO-3. In
particolare per i darlington, praticamente gli unici transistor di questa
fascia pilotabili direttamente dai pin del microcontroller.
Un BD677 dichiara:
- la Vcesat: @ 2A = 2.8 V
- la corrente di collettore Ic = 4A
- la massima potenza dissipabile dal package Pj = 40 W
- la resistenza termica giunzione-ambiente Rθja
= 100 °C/W
il che permette al massimo 1.1W di dissipazione senza radiatore, che,
per sicurezza, vanno ridotti a non più di 0.8W.
Analoghe considerazioni per i TO-220 e TO-3, che potranno rendere maggiore
potenza solamente se applicati su un dissipatore sufficientemente grande.
In conclusione, i parametri massimi dei foglio dati vanno presi proprio
come parametri massimi, valori assoluti da non superare, mentre quelli di
impiego reale andranno valutati in base alle reali caratteristiche dei vari
componenti.
Le considerazioni qui fatte valgono per situazioni di comando ON/OFF e per
carichi che sono mantenuti accesi in modo non impulsivo. Nel caso di modulazione, come
nel PWM, il tempo di conduzione si riduce e la giunzione può avere il tempo
per smaltire il calore. Quindi le correnti impulsive massime potranno essere
più grandi di quelle statiche. Per contro, una esatta valutazione della
possibile gestione di potenza ad impulsi da parte del transistor richiede
calcoli più complessi, considerando situazioni che qui sono tralasciate, come
i tempi di commutazione; l' argomento è ampio e non è trattabile in questa
pagina.
Alcune soluzioni tipiche
Qualche indicazione per le realizzazioni pratiche.
Carichi fino a 25 mA
Il pin del microcontroller può erogare solitamente fino a 25 mA. E' pertanto
possibile sfruttare questa possibilità per comandare direttamente piccoli
carichi. LED, display a sette segmenti, relè reed e relè classici, cicalini,
micro altoparlanti, micromotori. Carichi con resistenza da 180 ohm
in su potranno essere connessi direttamente al pin (ricordare la necessità di
un diodo in parallelo ai carichi induttivi). Una resistenza in serie sarà
necessaria per limitare la corrente il LED e display.
Si ricorda che 25 mA è un massimo e va inteso come compreso nel limite
massimo di corrente complessiva che il microcontroller può erogare. Questo
massimo rende impossibile a più di qualche pin di far circolare
contemporaneamente i 25 mA. Pertanto sarà possibile azionare uscite solo
entro questo limite. Inoltre la corrente emessa (source) o assorbita (sink)
dal pin passa attraverso il chip del microcontroller e contribuisce al suo
riscaldamento: minore è, minore sarà lo stress per il silicio (e maggiore la
durata della vita del componente). Si potranno utilmente impiegare buffer sia
open collector che emitter follower, in modo da ridurre la corrente ai pin da
mA a uA.
Carichi fino a 100mA.
Per quanto detto sopra, carichi oltre i 25 mA richiederanno un buffer. Ma
sarà anche utile impiegare un buffer per carichi minori, sia nel caso in cui
le uscite da attivare contemporaneamente siano molte, sia per ridurre al
minimo la corrente nel microcontroller: questo non è un uso eccessivo di
parti, ma indice di una progettazione volta alla sicurezza.
Comunque, oltre i 25 mA, il buffer è necessario. Moltissimi transistor sono
più che adeguati per questo compito, basta che abbiano una corrente di
collettore sufficiente e una tensione almeno doppia di quella applicata al
carico.
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Ad esempio i comuni 2N3904, 2N4124, ma anche quelli con
caratteristiche superiori vanno ovviamente bene, come PN2222A, BC337,
ZTX450, ZTX851, ecc. Tutti questi hanno una corrente di collettore massima di almeno
200 mA e una tensione massima di almeno 40V, il che li rende adatti per
carichi da 100 mA a 24 V. Per quanto riguarda il guadagno, questi piccoli
transistor in TO-92 hanno valori minimi che vanno da 30 a 100.
Si potrà realizzare uno "schema universale", come open
collector, adatto per tutti, con
questi valori: R1 = 1 k, R2 = 10 k.
Si potranno benissimo utilizzare anche darlington, come BC517, MPSA13 e
simili, che hanno guadagno superiore a 5-10000; in questo caso la resistenza R1
sarà portata a 10-100k o più.
Ricordare la necessità di un diodo in parallelo ai carichi induttivi. |
Transistor comuni come il BC547 hanno una corrente limite di 100 mA e
quindi sono consigliabili per carichi che impiegano al massimo la metà di
questa corrente. Altri modelli "classici" come BC107 e simili sono
elementi previsti per amplificazione in bassa e media frequenza e hanno limiti
di corrente di collettore molto bassi, per cui non sono adatti in questa
applicazione.
Ovviamente sarà possibile utilizzare anche configurazioni
emitter follower o transistor PNP,
con le medesime considerazioni.
Carichi fino a 500 mA.
I piccoli TO-92 hanno la possibilità di gestire tipicamente un massimo di
625 mW. Questo vuol dire che, con una tensione Vcesat media di 0.6V, si potrà
controllare una corrente massima di 1000 mA circa.
Bisogna tenere presente, però, che questi piccoli transistor sono in
contenitore plastico senza aletta per il raffreddamento, dato che non sono
previsti per una gestione di "potenza" e nemmeno per lavorare
collegati ad un dissipatore di calore. Quindi è molto ragionevoli farli
lavorare quanto più freddi possibile; considerando un margine di sicurezza
del 50% sulla potenza massima, solo
un TO-92 con una Vcesat molto bassa dovrebbe essere in grado di maneggiare
più di 200 mA.
E' ovvio che tutti gli elementi che hanno una corrente di collettore inferiore
vanni esclusi dalla scelta, ma restano comunque vari modelli, di produttori diversi. Nonostante le sigle che
paiono "esotiche", si tratta di componenti dalle prestazioni
considerevoli e con costi non improponibili. Il fatto che non siano nel
cassetto delle parti di riserva non deve escluderli dalle possibili scelte.
Così saranno adatti ZTX540, ZTX653, ZTX688B, ZTX869, ZTX851, KDS16161, STX724,
2STX1360, SS8050, TS13003. Non disponendo di questi, si dovrà passare a
transistor in TO-126 o TO-220.
Per transistor con guadagno di almeno 100 la R1 potrà essere da
560-820 ohm e la R2 da 47-68k,
mentre se si vuole risparmiare energia si potranno calcolare valori di R1
più precisi a seconda del transistor scelto.
Carichi 500mA - 1A
Se molti transistor TO-92 come quelli citati finora esibiscono correnti di
collettore di 2, 3 e perfino 5A questo non vuol dire che possono essere
impiegati per carichi così impegnativi. Queste correnti di massima sono da
considerare per uso impulsivo, non continuativo.
Con una corrente di 1A e una Vcesat di 1.1V, si dissipano 1.1W sulla
giunzione, il che supera le possibilità della maggior parte dei TO-92.
Se poi osserviamo le caratteristiche tecniche, la resistenza termica tra giunzione
ambiente, per questi package, si aggira tra 120 e 150 °C/W; il che vuol dire,
a 1.1W, raggiungere o superare la massima temperatura della giunzione e quindi
distruggere il transistor.
Vale sempre il monito della vecchia scuola di progettazione, che mira alla
sicurezza e alla durata delle realizzazioni:
"Se avete un componente che
scalda, avete un problema".
Questo è tanto più vero a livello di
circuiti logici.
Applicare sistemi di raffreddamento ad un TO-92 non è molto pratico; si
aumenta il costo del circuito (radiatore, pasta
termo conduttiva, montaggio) con risultati limitati in quanto la
resistenza termica giunzione-case non è di molto inferiore alla precedente e
quella dei piccoli radiatori per TO-92 vale parecchi °C/W. Quindi, o si
ricorre a transistor a bassissima saturazione oppure, meglio, per correnti dell' ordine dell' ampere o più, saranno da utilizzare
transistor in contenitori TO-126, TO-220, TO-3, TO-247, che presentano sia una
migliore resistenza termica giunzione-ambiente, sia sono predisposti per un
facile collegamento con un dissipatore.
Va notato che i transistor di potenza hanno solitamente guadagni bassi o molto
bassi; se il nostro scopo è il comando diretto dal pin del microcontroller si
dovrà forzatamente utilizzare un darlington. Per contro, si deve tenere
sempre presente che si avrà così una Vcesat consistente.
Anche qui c'è una buona scelta tra i classici BD681, TIP110, TIP112 e simili,
con almeno 2A di corrente di collettore e da 500 in su di guadagno.
Con hFE = 500-750 la R1 potrà essere attorno a
820-1.2k.
Attenzione a non farsi confondere dalle caratteristiche riportate nel
foglio dati. Elementi in TO-126 possono dissipare 40W e in TO220, 50 W o più.
Ma questi sono valori massimi per il case a 25°C.
Con una corrente di 1A e una Vcesatt tipicamente attorno ai
2V, il transistor
dissipa 2W. Se la resistenza termica giunzione-ambiente è 90-100 °C/W, senza
dissipatore si supera ampiamente la massima temperatura di giunzione. E anche
con un dissipatore, un TO-126 non potrà superare facilmente i 20W e un TO-220
i 50-70W. Quindi, mantenete sempre un ampio margine di sicurezza e, nel caso
di elevate correnti, verificate sempre se è necessario un dissipatore.
Carichi fino a 5A
Aumentando la corrente, aumentano anche i problemi della commutazione.
Questo diventa significativo per correnti da 5A in su e per PWM.
In questi casi non è consigliabile, e spesso neanche possibile, sopratutto su
grossi carichi induttivi, pilotare direttamente il transistor dal pin del
microcontroller, senza interporre una circuiteria adeguata.
Infatti è obbligo tenere presente che la commutazione di forti correnti o
forti tensioni genera forti interferenze elettromagnetiche e sovratensioni che
possono danneggiare sia il buffer che il microcontroller o, nei casi più
subdoli, creare problemi di rumore sugli ingressi e rendere instabile
l'esecuzione del programma, con le ovvie conseguenze.
Comunque, per carichi resistivi e LED, correnti da 5A sono affrontabili da un
buffer open collector, sempre utilizzando transistor darlington. A parte i
classici TIP, ci sono anche darlington in TO-3, con guadagno di 1000 e
capacità di corrente oltre i 10A, come MJ11016.
Con 10A e un guadagno di 1000, la corrente di base
richiesta dal transistor sarà 10 mA e, ovvero una R1 inferiore a 180 ohm, ad
esempio R1 = 100-150 ohm .
Va da sè che con guadagni minori o correnti maggiori si può arrivare a
superare i 25 mA emessi dal microcontroller il che rende, se non è ancora
chiara, la necessità di utilizzare circuiterie più complesse per l' uscita,
con almeno un altro transistor intermedio per elevare il guadagno complessivo.
Questa soluzione, a fronte di un piccolo aumento dei componenti, consente di
utilizzare transistor di potenza con tensione di saturazione minore di
quella dei darlington integrati.
Ovviamente un sistema di raffreddamento sarà d'obbligo: con 10A di
carico e 2V di Vcesat, sono da dissipare ben
20W di solo calore prodotto dalla caduta di tensione sulla giunzione, il
che richiede un dissipatore massiccio o ad aria forzata, se occorre evitare
alette di dimensioni eccessive.
La soluzione al problema delle correnti (o tensioni) elevate viene dall'
uso dei MOSFET, in cui non esiste più
il limite del guadagno e che hanno una perdita di potenza sulla giunzione di
molto inferiore ai BJT.
Occorre tenere presente, però, che il pilotaggio diretto del gate del MOSFET
dal pin del microcontroller è possibile solo usando elementi detti
Logic Level, altrimenti occorrerà interporre un gate driver.
Ovviamente, anche per correnti minori, l'uso del MOSFET, che è
disponibile anche in TO-92, impiegato in open drain, è solitamente
vantaggioso rispetto all' open collector a BJT.
Tensioni fino a 48V
Secondo le normative di sicurezza, tensioni in cc superiori a 50 V iniziano a
diventare pericolose per un contatto accidentale. Sia per questa ragione, sia
per le basse tensioni a cui opera gran parte dei circuiti logici, le tensioni
con cui solitamente si ha a che fare per alimentare relè, valvole , attuatori,
piccoli motori, lampade, ecc varia tra 12 e 48V.
Occorrerà scegliere un transistor che abbia un margine nella Vce sufficiente
ad operare con la tensione scelta, considerando anche che se la sorgenete di
alimentazione non è stabilizzata, si possono avere valori anche assai
maggiori di quello nominale e che la commutazione porta sempre a sovra
tensioni, in quanto all' interno di un qualsiasi circuito reale una componente
induttiva è sempre presente.
Quindi, transistor con almeno 40V di Vce per alimentazioni a 12V non
stabilizzate o 24V stabilizzate e, meglio, maggiori (60V o più) per 24V non
stabilizzati. Per tensioni superiori transistor da 80V o più dovrebbero
garantire una sufficiente sicurezza.
Tensioni oltre i 48V
Può capitare di avere bisogno di un piccolo transistor per un alimentatore
switching che eleva la tensione o per pilotare uno emettitore ultrasonico piezo
attraverso una bobinetta in parallelo o simili, con forti componenti induttive
nel carico. In questi case occorre un
modello con una tensione maggiore dei 30-40V della maggior parte dei modelli
comuni. Come si vede dalla tabella sopra, però ci sono molti piccoli transistor con
Vce superiore ai 100V. La scelta cadrà su questi modelli, sempre
tenendo presente la necessaria aggiunta di diodi di protezione contro le
tensioni inverse. Stiamo comunque parlando di piccole potenze, perchè su potenze oltre il
centinaio di watt, la commutazione dei carichi ricade nel caso seguente.
Carichi oltre i 10A e tensioni oltre i 50V
Lasciate perdere !
O meglio, se non avete il know how sufficiente per
comprendere come simili carichi non possono essere comandati
semplicisticamente con un open
collector, rischiate danni ai componenti e possibili rischi personali.
Attenzione a non esagerare !
Non è certo
possibile utilizzare semplici transistor in semplici configurazioni per carichi con correnti
elevate, dell' ordine delle decine di ampere e oltre, anche se
virtualmente non ci sono problemi se non la scelta di un transistor
dalle caratteristiche adeguate: questo genere di applicazioni riserva
notevoli problematiche, anche solo per lo smaltimento del calore.
Quindi il comando di grossi motori, grandi elettrovalvole,
teleruttori di potenza, celle elettrochimiche, riscaldatori
industriali e simili richiede circuiti ben più complessi di un
semplice transistor + resistenza e non è comunque alla portata di un
dilettante, richiedendo specifiche conoscenze sia teoriche che
pratiche.
Ugualmente, se la tensione del carico è molto elevata, non è
consigliabile utilizzare direttamente un comando dal pin del
microcontroller: la massa comune può essere un rischio in
applicazioni con carichi alimentati a tensione di rete o comunque
superiori a 50V, sia per l' utente che per il microcontroller.
Meglio sarà implementare un qualche genere di isolamento, ad esempio
attraverso opto isolatori, il che salvaguarda sia l' apparecchiatura
che l' utente.
Si ricorda che le normative reputano pericolose per il contatto
tensioni superiori ai 50V e, sicuramente, lavorare con tensioni
elevate oltre il centinaio di volt richiede specifiche conoscenze sia
teoriche che pratiche.
Altrettanto si deve dire per carichi fortemente induttivi, sopratutto
se soggetti a commutazione veloce, come in un comando con PWM. Se le
energie in gioco sono elevate, sono richiesti circuiti ben più
complessi di un semplice transistor + resistenza, probabilmente
con l' uso di altri tipi di semiconduttori (MOSFET, IGBT, ecc). Qui,
il problema dei tempi di commutazione, delle energie accumulate negli
induttori, ecc, diventano fatti critici: un sistema di controllo per
un grosso motore industriale in continua, se non un inverter per
alternata, sono casi ben differenti dal controllo di motori
passo-passo per piccoli CNC hobbistici.
Infine è indispensabile ricordare che il comando di correnti o
tensione elevate solitamente da origine a problemi di tensioni indotte
e sovratensioni importanti, tutti fenomeni che possono influire sul
sistema di controllo se questo non è stato progettato in modo
corretto, implementando implementando le indispensabili misure per
escludere l' effetto del rumore elettrico sul microcontroller
(isolamento galvanico, circuiti di snubber, filtraggio degli ingressi,
ecc.).
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Il problema verrà affrontato non con semplice transistor in open
collector, ma, allo stato dell' arte attuale, utilizzando componenti piuttosto
differenti, come
IGBT, IGCT,
ESBT,
GTO,
MOSFET,
ecc. Ecco, ad esempio, un semplice drive per IGBT:
Da notare l' isolamento galvanico con opto isolatore tra la logica del
microcontroller e il drive, minimo obbligo per comandare tensioni e correnti
elevate.
Link utili
Alcuni produttori di transistor
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