Come si dimensiona un BJT come switch?
Durante una discussione sul forum si chiede come dimensionare un commutatore a BJT (anche senza il datasheet).
Sul forum viene fatto un calcolo veloce, vengono chiesti ulteriori chiarimenti sul processo.
Inoltre vedremo il dimensionamento in una applicazione reale.
I fondamentali
PierAisa 650: Il Decalogo del Transistor BJT consigliamo un veloce ripasso sui BJT.
Il circuito
Nella figura sopra vediamo un circuito dove una piccola corrente di controllo permette di gestire una corrente molto maggiore in un altro circuito.
In questo caso abbiamo un transistor che lavora in commutazione acceso o spento.
Quando il commutatore S1 è aperto non scorre corrente nella base del transistor e sul collettore non scorre corrente.
Il collettore è alla tensione di alimentazione e la lampadina DS1 è spenta.
Quando S1 è chiuso scorre corrente e la base sale a 0,6 V.
Sulla resistenza di base abbiamo una caduta di 11,4 V, e scorre una corrente di 9,4 mA.
Ipotizzando che il transistor abbia un beta = 100 la corrente che ci attendiamo è di 940 mA.
In realtà il transistor si porta in saturazione e la corrente che scorre è legata alla resistenza della lampadina.
La tensione di saturazione Vce è tipicamente 0,05-0,2 V.
Una Ib di 1 mA sarebbe sufficiente per saturare il transistor, di solito si usa una corrente 10 x Ib per una progettazione conservativa.
La lampada da fredda ha una resistenza bassa, quando si accende la sua resistenza aumenta di 5-10 volte.
Inoltre l’ Hfe del transistor diminuisce con bassa Vce, aumentando la corrente che serve per saturare il circuito.
Inoltre nei circuiti reali si mette una resistenza fra base e massa, per essere sicuri che senza pilotaggio il bjt sia aperto.
Durante la progettazione conviene seguire alcune educazione:
- Scegliere la resistenza con cura per avere un eccesso di corrente specialmente quando si pilotano lampadine. In quanto queste diminuiscono la propria resistenza interna di almeno 10 volte da fredde. A frequenze alte (ordine del Mhz) le capacità parassite sono da caricare e abbiamo una diminuzione dell hFE.
- Se il carico in commutazione arriva sotto la massa per varie ragioni (carico ac o induttivo) mettere un diodo in serie al collettore..
- Nel caso di carico induttivo proteggere il BJT con un diodo in parallelo al carico. Quando il carico si apre genera extratensioni che possono distruggere il BJT.
Applicazione pratica
Il BJT Q1 di tipo BC547 se pilotato in base chiude pilotando i relè RLA1 e RLA2 in parallelo.
La tensione Vcc è di 5 V.
Verifichiamo il consumo del relè G6K-2P-Y-DC5 Omron e definiamo il consumo in stato on dalla documentazione.
Dalla tabella vediamo che il nostro relè alimentato a 5 V consuma 21,1 mA che arrotondiamo a 22 mA.
Avendo due relè in parallelo avremo 22 * 2 = 44 mA arrotondiamo a 50 mA
Il transistor usato è il BC547 conviene verificare hFE con la corrente che ci serve:
Sul grafico possiamo verificare che per una corrente di 50 mA il guadagno è di 110 e non abbiamo variazioni.
Ricaviamo Ib 50 / 110 = 455 uA
Per avere margine di sicurezza della saturazione fissiamo una corrente di 10 x Ib abbiamo:
10 x 455 = 4,5 mA
Dal datasheet per 50 mA di Ic abbiamo una caduta di 90 mV determiniamo la dissipazione:
otteniamo una dissipazione di 4 mW una potenza irrisoria.
Calcoliamo R2 = ( 5 – 0,7 ) / 4,5 x 10-3 = 955 Ohm arrotondiamo ad 1 K.
Conclusione
Abbiamo mostrato come calcolare uno stadio con BJT usato come commutatore.
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Saluti Tiziao