Comandare carichi

Interruttore high side.

Abbiamo visto come sia semplice comandare da un pin del port del microcontroller un carico con tensione o corrente molto più elevate dei limiti del port stesso. 
La configurazione open collector con un transistor NPN garantisce un guadagno di corrente elevato ed una minima necessità di componenti. La tensione di riferimento è la massa comune all' alimentazione del microcontroller e a quella del carico.

Può rendersi necessario, però, comandare un carico che sia collegato a massa e che, quindi, richieda l' "interruttore" sul lato della Vcc. Si tratta di realizzare quello che gli anglofoni definiscono un "high side switch", dato che il riferimento è alla Vcc. Sono molte le situazioni in cui una estremità del carico è collegata alla massa. Ad esempio in automotive, dove lampade, relè, ecc, sono collegati alla carrozzeria-massa. Sono normalmente con un capo a massa i carichi in uscita dai PLC. L' interruttore high side presenta una maggior sicurezza intrinseca per l' impianto: in posizione di aperto esclude il carico e i cavi di collegamento dalla presenza della tensione Vcc, mentre un interruttore low side disconnette la massa.

Sarebbe pensabile di utilizzare un transistor NPN con il carico sull' emettitore, però questa configurazione impedisce il raggiungimento della minima V_ce(sat) .  Quindi la soluzione è quella di utilizzare un transistor PNP, che, rispetto all' NPN, lavora con la polarità invertita, quindi l'emettitore è collegato alla tensione positiva e il collettore va sul carico verso la massa. 

Ne deriva lo schema seguente: 

Anche il segnale necessario per controllare il transistor PNP è invertito rispetto all' NPN:  port Q1 carico L on alimentato H off non alimentato Il limite principale di questa soluzione è quello che la Vcc e la tensione di alimentazione Vdd del microcontroller devono avere lo stesso valore.

Se Vcc fosse più alta della Vdd si avrebbe sull' emettitore una tensione superiore alla massima erogabile dal pin del microcontroller e non sarebbe possibile spegnere il transistor. 
Infatti, se osserviamo lo schema, la base del transistor è bloccata quando la sua tensione raggiunge quella dell' emettitore; se questo non è possibile e una tensione Vc-Vdd è disponibile ed è superiore agli 0.5-0.7V necessari a far condurre il transistor, nel collettore scorrerà sempre una corrente.
Da osservare che il circuito di comando della base si chiude dalla Vc alla massa attraverso il driver del port, che, al contrario della soluzione NPN, assorbe corrente dalla tensione di alimentazione attraverso la giunzione B-E.

Il calcolo della R1 è analogo a quello del circuito NPN e R2 ha la stessa funzione che ha nel circuito NPN, ovvero di mantenere bloccata la base anche in mancanza di pilotaggio. 
Anche in questa configurazione la corrente massima alla base non potrà superare quella erogabile dal pin del microcontroller e il transistor dovrà essere scelto in funzione delle caratteristiche del carico.

Se si comandano carichi induttivi, il diodo in parallelo è obbligatorio.

Se occorre comandare un carico high side con una Vcc diversa da quella di alimentazione del microcontroller occorre utilizzare un circuito leggermente più complesso.

Si tratta di una combinazione di un NPN open collector che alimenta un transistor PNP. Q2 rende il suo carico indipendente dalla Vdd del microcontroller e Q1 funge da high side switch, come visto sopra e gestisce l'alta tensione e corrente che il micro non può gestire. In questo modo la Vcc può essere maggiore della Vdd per quanto supportabile da Q1 e Q2. La logica è positiva, ovvero:  port Q2 Q1 carico L off off non alimentato H on on alimentato

I calcoli delle resistenze sono analoghi a quanto visto finora.  R1 limita la corrente di base di Q1 e dipende dal suo guadagno e dalla corrente del carico.

R4 limita la corrente di base di Q2, che dipende dal suo guadagno e dalla corrente da fornire alla base di Q1.

R2 e R3 hanno la funzione di blocco delle basi in mancanza di pilotaggio da parte del microcontroller.
indicativamente,  R2 deve mantenere a livello alto la base di Q1, quindi con una tensione vicina o maggiore di quella di emettitore. Se il valore di R3 è troppo basso, la corrente attraverso R1 può essere insufficiente, quindi una regola generica è quella di imporre R2 almeno dieci volte maggiore di R1
Analogamente, R3 potrà essere dieci volte il valore di R4, ma se il carico non ha problemi con il tempo di POR dove manca il pilotaggio del pin del port del microcontroller, può essere omessa. 

Ovviamente, se il carico ha una componente induttiva, il diodo D1 è obbligatorio.

Un esempio pratico per commutare un carico da 1-4A a 12V:

Anche in questo caso sarà utile valutare la potenza dissipata nel transistor Q1, che tratta la corrente sul carico. Nel caso di comando di relè cablati sul circuito stampato, le correnti in gioco sono limitate a 100-200 mA o meno, quindi non ci sono rischi di riscaldamento. Nel caso di relè di dimensioni maggiori o di elettrovalvole e motori a 12/24V, sarà indispensabile selezionare il transistore per la corrente/tensione richieste ed aggiungere un dissipatore adeguato.

Solitamente Q2 non presenta problemi di dissipazione, in quanto il suo scopo è quello di fornire la corrente di base a Q1; a meno che il guadagno di questo sia estremamente basso o la sua corrente di collettore molto alta, Q2 sarà un elemento generico, genere PN2222, BC547, ecc.
Per Q1, invece, se non si tratta di un darlington, necessita di corrente alla base; transistor PNP di potenza non sono troppo rari, facendo parte di coppie complementari NPN-PNP, utilizzate, ad esempio, nel campo audio, ma ottimamente adatte anche in queste applicazioni.

Come in precedenza, quanto detto riguarda un comando ON/OFF "statico", ovvero azionando il transistor come un interruttore acceso/spento.

Questa configurazione può essere, però, usata anche comandando la base del transistor con impulsi, ad esempio in PWM, anche se può rendersi necessaria una maggiore complessità del circuito a seconda del tipo di carico.