Transistor BJT PNP: funzionamento e uso come interruttore high-side

Il transistor BJT PNP è il fratello complementare del transistor BJT NPN: stessa fisica, stesse tre zone di lavoro, ma polarità e versi delle correnti invertiti. Per condurre, la base deve trovarsi circa 0,6–0,7 V più in basso dell’emettitore, e l’emettitore è di solito collegato al positivo dell’alimentazione. È proprio questa caratteristica a rendere il transistor PNP come interruttore la scelta naturale sul lato positivo del carico, il cosiddetto high-side switch.

In questa guida vediamo prima, in modo sintetico, struttura, simbolo e zone di lavoro del PNP, allineandoci alle convenzioni dell’articolo sull’NPN. Il cuore dell’articolo è però l’uso del PNP come interruttore high-side: un esempio di dimensionamento completo (carico, corrente di collettore, hFE minimo, corrente di base con fattore di sovrapilotaggio, resistenza di base e resistenza base-emettitore) e il comando da un microcontrollore a 5 V o 3,3 V tramite un NPN, indispensabile quando l’emettitore lavora a una tensione più alta della logica. In chiusura i dati di datasheet di 2N3906, BC557 e 2N2907A, con il pinout da non confondere.

Struttura del BJT PNP e simbolo

Il PNP è formato da tre regioni semiconduttrici in sequenza P-N-P: un emettitore di tipo P fortemente drogato, una base di tipo N molto sottile e debolmente drogata, un collettore di tipo P più esteso, progettato per sopportare la tensione inversa e dissipare potenza. Emettitore e collettore sono entrambi di tipo P ma non sono intercambiabili: invertendoli il transistor conduce ancora, ma con guadagno molto basso e parametri non garantiti. Per il significato di drogaggio P e N si veda Semiconduttori di tipo N e di tipo P.

Quando la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente, l’emettitore inietta lacune nella base. Le lacune sono portatori maggioritari nell’emettitore, ma attraversano la base di tipo N come portatori minoritari: poiché la base è sottile, solo una piccola parte si ricombina (ed è questa ricombinazione a costituire gran parte della corrente di base), mentre la maggior parte raggiunge la giunzione base-collettore polarizzata inversamente e viene raccolta dal collettore. Il meccanismo è identico a quello dell’NPN, con le lacune al posto degli elettroni.

Simbolo, versi delle correnti e convenzioni dei segni

Nel simbolo del PNP la freccia è sull’emettitore e punta verso la base: indica il verso convenzionale della corrente nella giunzione base-emettitore polarizzata direttamente. Ne segue che nel PNP la corrente entra dall’emettitore ed esce da base e collettore, l’opposto dell’NPN.

Anche per il PNP vale la legge di Kirchhoff ai nodi e il guadagno statico è il rapporto tra le correnti:

\(I_E = I_C + I_B \qquad h_{FE} = \frac{I_C}{I_B}\)

I datasheet dei PNP riportano tensioni e correnti con il segno negativo (VCEO = −40 V, IC = −200 mA, VCE(sat) = −0,4 V): è solo la conseguenza della convenzione di riferimento, uguale a quella usata per l’NPN, applicata a un dispositivo che lavora con polarità opposte. Nei calcoli conviene ragionare con grandezze positive scambiando l’ordine dei pedici: VEB = VE − VB al posto di VBE e VEC = VE − VC al posto di VCE. In questo articolo useremo sempre VEB, VEC, VEB(sat) e VEC(sat) positivi e correnti in modulo, esattamente come nell’articolo sull’NPN si usano VBE, VCE, VBE(sat) e VCE(sat).

Corrispondenza tra NPN e PNP (valori positivi)

NPN                      PNP
VBE  ≈ 0,6…0,7 V         VEB  ≈ 0,6…0,7 V     (base sotto l'emettitore)
VBE(sat)                 VEB(sat)             (datasheet: −VBE(sat))
VCE(sat)                 VEC(sat)             (datasheet: −VCE(sat))
VCEO = 40 V              VCEO = −40 V         (stesso limite, segno opposto)
emettitore a massa       emettitore al positivo
interruttore low-side    interruttore high-side

Zone di lavoro del PNP: interdizione, zona attiva e saturazione

Il PNP ha le stesse tre regioni operative dell’NPN, definite dallo stato delle due giunzioni. Il grafico mostra le caratteristiche di uscita IC = f(VEC) con la retta di carico del progetto d’esempio che svilupperemo più avanti (12 V, 80 Ω).

In interdizione la base è allo stesso potenziale dell’emettitore e il transistor è spento. In zona attiva la corrente di collettore è controllata dalla corrente di base secondo hFE, che però varia con IC, VEC, temperatura ed esemplare: per questo un amplificatore si progetta con retroazione e non contando su un valore preciso di guadagno. In saturazione anche la giunzione base-collettore va in diretta: il collettore si porta a pochi decimi di volt dall’emettitore e la corrente non dipende più da IB ma dal circuito esterno.

Nello switching si lavora solo nei due estremi della retta di carico: punto OFF (VEC ≈ VCC, IC ≈ 0) e punto ON in saturazione. Il passaggio attraverso la zona attiva deve essere rapido, perché è lì che il transistor dissipa di più. Per esempio un 2N3906 in zona attiva con VEC = 10 V e IC = 50 mA dissipa 0,5 W: con RθJA = 200 °C/W la giunzione salirebbe di 100 °C sopra l’ambiente, cioè 125 °C a 25 °C ambiente, troppo vicino al limite di 150 °C.

Il transistor PNP come interruttore high-side

Nella configurazione high-side l’emettitore del PNP è collegato al positivo dell’alimentazione, il collettore alimenta il carico e l’altro capo del carico va a massa. Rispetto all’interruttore low-side con NPN (carico tra positivo e collettore, emettitore a massa) il vantaggio è che il carico, quando è spento, resta riferito a massa e non “galleggia” al potenziale di alimentazione: è la soluzione da preferire quando il carico ha una massa in comune con altre parti del circuito (moduli, sensori, sezioni di un sistema alimentate a richiesta, strisce LED a catodo comune) o quando si vuole togliere del tutto il positivo a una sezione del circuito.

Il principio di comando è semplice:

• OFF: la base è portata al potenziale dell’emettitore (VEB = 0). Una resistenza RBE tra base ed emettitore garantisce questa condizione anche quando il comando è flottante, per esempio durante l’avvio o il reset del microcontrollore.
• ON: la base viene tirata verso massa attraverso la resistenza di base RB, che fissa la corrente di base. La corrente esce dalla base verso il circuito di comando, che deve quindi essere in grado di assorbirla.

Le due formule del dimensionamento sono le stesse dell’NPN, con le grandezze del PNP. La corrente di base si ricava dall’hFE minimo garantito e da un fattore di sovrapilotaggio k (tipicamente 2–3, come nell’esempio dell’articolo sull’NPN), che assicura la saturazione anche con l’esemplare peggiore e a bassa temperatura:

\(I_B = k \cdot \frac{I_C}{h_{FE(min)}} \qquad \beta_{forzato} = \frac{I_C}{I_B}\)

La resistenza di base si ottiene dalla maglia che va dall’emettitore al punto di comando, aggiungendo alla corrente di base quella assorbita da RBE:

\(R_B = \frac{V_E – V_{EB(sat)} – V_{L}}{I_B + \dfrac{V_{EB(sat)}}{R_{BE}}}\)

dove VL è la tensione del nodo di comando quando il PNP è acceso: 0 V circa per un pin di microcontrollore a livello basso, la VCE(sat) dell’NPN di comando (0,1–0,2 V) nello schema completo. Il valore commerciale si sceglie inferiore al risultato, per non ridurre la corrente di base.

Quando il PNP si può comandare direttamente dal pin

Il comando diretto funziona solo se l’emettitore del PNP è alimentato alla stessa tensione del microcontrollore. Con pin alto (VOH ≈ VE) la base è allo stesso potenziale dell’emettitore e il transistor è spento; con pin basso la base è tirata a massa tramite RB e il transistor si accende. La logica è invertita: pin basso = carico acceso.

Esempio: LED alimentato a 5 V, MCU a 5 V, PNP 2N3906

Carico: LED rosso (VF ≈ 2 V tipico) + resistenza, IC = 15 mA
hFE(min) 2N3906 = 100 a 10 mA, 60 a 50 mA -> si usa 60 (prudente)
k = 3

IB  = 3 x 15 mA / 60 = 0,75 mA
IRBE = 0,85 V / 10 kohm ≈ 0,085 mA        (RBE = 10 kohm)
RB  = (5 V - 0,85 V - 0 V) / (0,75 mA + 0,085 mA) ≈ 4,97 kohm
-> RB = 4,7 kohm  ->  IB ≈ 0,80 mA  (beta forzato ≈ 19)

Resistenza del LED (VEC(sat) ≈ 0,25 V):
RLED = (5 V - 0,25 V - 2 V) / 15 mA ≈ 183 ohm -> 180 ohm (≈ 15,3 mA)

Corrente nel pin (assorbita a livello basso): < 1 mA

Lo stesso circuito non funziona con un microcontrollore a 3,3 V (ESP32, Raspberry Pi Pico, STM32) e il LED sempre alimentato a 5 V: con il pin alto a 3,3 V restano 1,7 V tra emettitore e pin, la giunzione base-emettitore conduce (circa 0,14 mA di base con RB = 4,7 kΩ) e il LED resta quasi completamente acceso. In più, la corrente entra nel pin da una tensione superiore alla sua alimentazione. In tutti questi casi serve lo stadio NPN descritto nella prossima sezione.

Esempio di dimensionamento completo: carico a 12 V comandato da microcontrollore

Progettiamo un interruttore high-side per un carico resistivo alimentato a 12 V, comandato da un pin di un microcontrollore a 5 V (Arduino Uno) oppure a 3,3 V (ESP32, Raspberry Pi Pico). Poiché VE = 12 V è maggiore della tensione logica, il pin non può spegnere direttamente il PNP: la base di Q1 viene comandata da un NPN Q2, e il microcontrollore vede soltanto la base di Q2.

Il funzionamento è il seguente. Con il pin a livello alto Q2 satura e tira verso massa, attraverso RB, la base di Q1, che si accende e alimenta il carico. Con il pin a livello basso (o flottante: R3 tiene a massa la base di Q2) Q2 è interdetto, nessuna corrente scorre in RB e RBE riporta la base di Q1 a 12 V: Q1 è spento. Lo stadio NPN ha anche un effetto collaterale utile: la logica non è più invertita (pin alto = carico acceso).

Dati di progetto: VCC = 12 V, carico resistivo RL = 80 Ω, Q1 = P2N2907A, Q2 = 2N3904, comando a 5 V o 3,3 V. I valori di datasheet usati sono riportati nella tabella della sezione dedicata.

1) Corrente di collettore (VEC(sat) ≈ 0 V nel primo calcolo)

IC = VCC / RL = 12 V / 80 ohm = 150 mA
Verifica 1: IC max P2N2907A = 600 mA            -> OK (margine 4x)
Verifica 2: VCEO P2N2907A = 60 V > 12 V          -> OK
Con VEC(sat) = 0,4 V: IC = 11,6 V / 80 ohm = 145 mA (differenza trascurabile)

2) Corrente di base di Q1 (fattore di sovrapilotaggio k = 3)

hFE(min) = 100   (datasheet, IC = 150 mA, VCE = 10 V)
IB(min)  = IC / hFE(min) = 150 mA / 100 = 1,5 mA
IB       = k x IB(min) = 3 x 1,5 mA = 4,5 mA     (beta forzato ≈ 33)

3) Resistenza base-emettitore di Q1

RBE = 10 kohm  ->  IRBE = VEB(sat) / RBE ≈ 1,3 V / 10 kohm = 0,13 mA
(si usa VEB(sat) massimo, 1,3 V: caso peggiore per la corrente sottratta)

4) Resistenza di base di Q1 (nodo di comando = VCE(sat) di Q2 ≈ 0,2 V)

RB = (VE - VEB(sat) - VCE(sat)Q2) / (IB + IRBE)
RB = (12 V - 1,3 V - 0,2 V) / (4,5 mA + 0,13 mA) = 10,5 V / 4,63 mA ≈ 2,27 kohm
-> valore commerciale inferiore: RB = 2,2 kohm (E12)

Verifica con VEB(sat) = 1,3 V: IRB = 4,77 mA, IB = 4,64 mA > 4,5 mA  -> OK
Verifica con VEB(sat) = 0,8 V: IRB = 5,00 mA, IB = 4,92 mA           -> OK
Potenza in RB: (5 mA)^2 x 2,2 kohm ≈ 55 mW -> resistore da 0,25 W

5) Transistor di comando Q2 (2N3904)

IC2 = IRB ≈ 5 mA          VCEO 2N3904 = 40 V > 12 V   -> OK
hFE(min) 2N3904 = 100 (IC = 10 mA)  -> IB2(min) = 5 mA / 100 = 0,05 mA
con k = 3: IB2 >= 0,15 mA

R2 = 10 kohm, VBE(sat) max = 0,85 V, R3 = 100 kohm (pull-down, ≈ 8,5 µA):
  da 5 V:   IB2 = (5 V - 0,85 V) / 10 kohm - 8,5 µA ≈ 0,41 mA  (≈ 8 x IB2(min))
  da 3,3 V: IB2 = (3,3 V - 0,85 V) / 10 kohm - 8,5 µA ≈ 0,24 mA  (≈ 5 x IB2(min))
-> lo stesso R2 = 10 kohm va bene per entrambe le logiche;
   il pin eroga meno di 0,5 mA.

6) Stato OFF

Q2 interdetto: corrente di perdita dell'ordine delle decine di nA
(datasheet 2N3904: ICEX <= 50 nA, specificata con VEB inversa di 3 V)
caduta su RBE ≈ 50 nA x 10 kohm = 0,5 mV -> VEB ≈ 0, Q1 sicuramente spento

Verifica termica di Q1

Il datasheet del P2N2907A garantisce VCE(sat) ≤ 0,4 V a 150 mA con IB = 15 mA (β forzato 10). Con β forzato 33 (k = 3 sull’hFE minimo) il transistor è comunque saturo, ma il valore massimo di VCE(sat) non è più garantito dal datasheet: per la stima termica usiamo prudenzialmente 0,4 V.

P(Q1) ≈ VEC(sat) x IC + VEB(sat) x IB
P(Q1) ≈ 0,4 V x 150 mA + 0,9 V x 4,6 mA ≈ 60 mW + 4 mW ≈ 64 mW

RθJA (TO-92) = 200 °C/W
TJ = TA + P x RθJA = 25 °C + 0,064 W x 200 °C/W ≈ 38 °C
con TA = 50 °C:  TJ ≈ 63 °C            -> ampio margine rispetto a 150 °C

Se serve una caduta minima garantita (per esempio con alimentazione a batteria), si può progettare con β forzato 10 come nelle condizioni di prova del datasheet: IB = 15 mA, RB ≈ 680 Ω e circa 15 mA nel collettore di Q2, valore ancora compatibile con il 2N3904 ricalcolando R2. Per correnti di carico oltre qualche centinaio di milliampere, o per ridurre la dissipazione, conviene passare a un MOSFET a canale P con lo stesso schema di comando.

Perché non collegare il pin del microcontrollore alla base

L’errore più frequente con il PNP high-side è collegare il pin direttamente alla base, tramite la sola RB, quando l’emettitore è a una tensione più alta della logica. Il circuito sembra corretto, ma non può funzionare e mette a rischio il microcontrollore.

Con il pin a livello alto (5 V) la base non può salire oltre circa 12 − 0,7 = 11,3 V senza che la giunzione base-emettitore conduca: tra la base e il pin restano oltre 6 V. Il PNP quindi resta acceso, e attraverso RB scorre una corrente che entra nel pin e raggiunge l’alimentazione del microcontrollore attraverso il transistor d’uscita e i diodi di protezione interni:

Pin alto a 5 V,   RB = 2,2 kohm:  I ≈ (12 - 0,75 - 5,0) V / 2,2 kohm ≈ 2,8 mA
Pin alto a 3,3 V, RB = 2,2 kohm:  I ≈ (12 - 0,75 - 3,3) V / 2,2 kohm ≈ 3,6 mA
Pin in alta impedenza (reset):    I ≈ (12 - 0,75 - 5,5) V / 2,2 kohm ≈ 2,6 mA
                                  (conduce il diodo di protezione verso VDD)

Il risultato è un carico che non si spegne mai e una corrente iniettata continuamente nella linea di alimentazione della logica: se l’alimentazione del microcontrollore assorbe poco, quella corrente può persino farne salire la tensione. I pin di molti microcontrollori a 3,3 V non sono tolleranti ai 5 V, figuriamoci a 12 V. La regola è semplice: se VE è maggiore della tensione di alimentazione della logica, la base del PNP va comandata con un NPN (o un MOSFET a canale N) verso massa, con RBE tra base ed emettitore, come nello schema di destra.

Carichi induttivi: relè con diodo di ricircolo

Bobine di relè, elettrovalvole e motori immagazzinano energia nel campo magnetico. Quando il PNP si spegne, l’induttanza mantiene la corrente e il collettore viene spinto sotto massa (nell’high-side la sovratensione ha segno negativo, nel low-side positivo): senza protezione la tensione emettitore-collettore supera rapidamente la VCEO. Il rimedio è il diodo di ricircolo in parallelo al carico, con il catodo verso il collettore e l’anodo verso massa: allo spegnimento il diodo conduce, limita il collettore a circa −0,7 V e la corrente si esaurisce nella bobina e nel diodo. Per l’energia immagazzinata in un induttore si veda l’approfondimento tecnico sugli induttori.

Esempio: bobina relè 12 V, 400 ohm (valore indicativo, vedi datasheet del relè)

IC = 12 V / 400 ohm = 30 mA          Q1 = 2N3906 (IC max 200 mA, VCEO 40 V)
hFE(min) 2N3906 = 60 (IC = 50 mA, condizione più vicina e prudente)
IB  = 3 x 30 mA / 60 = 1,5 mA
RB  = (12 V - 0,95 V - 0,2 V) / (1,5 mA + 0,95 V / 10 kohm) ≈ 6,8 kohm
-> RB = 6,8 kohm: IB = 1,50…1,55 mA (VEB(sat) da 0,95 a 0,75 V) -> OK
Q2 = 2N3904 con R2 = 10 kohm e R3 = 100 kohm, come nell'esempio precedente

Allo spegnimento: VEC di picco ≈ 12 V + 0,7 V ≈ 12,7 V < 40 V  -> OK
Diodo: corrente di picco = corrente della bobina (30 mA): 1N4148 o 1N4007

Il diodo semplice rallenta il rilascio del relè, perché la corrente si estingue lentamente; se serve uno sgancio rapido si usa un diodo in serie a uno zener, accettando una sovratensione maggiore da verificare con la VCEO. Per la scelta del diodo si veda Dimensionamento e scelta di un diodo; se i contatti del relè commutano la rete, valgono tutte le precauzioni descritte in Gestione carichi AC con Arduino o RaspberryPI.

2N3906, BC557 e 2N2907A: dati di datasheet

Sono i tre PNP di piccolo segnale più diffusi, complementari rispettivamente di 2N3904, BC547 e 2N2222 trattati nell’articolo sull’NPN. Somigliano, ma non sono intercambiabili senza verifiche. I valori seguenti sono tratti dai datasheet onsemi (2N3906 Rev. 4, BC556B/D Rev. 3, P2N2907A Rev. 6), in modulo; altri produttori possono differire, soprattutto per dissipazione e pinout.

Alcune osservazioni pratiche. Il 2N3906 è il PNP general purpose per eccellenza, adatto fino a qualche decina di milliampere; il suo hFE minimo crolla a 30 a 100 mA, quindi sopra i 50 mA serve una corrente di base generosa. Il BC557 nasce per piccoli segnali e audio: 100 mA continui sono il limite assoluto, non un valore di lavoro, e la lettera A, B o C indica il gruppo di guadagno, utile negli stadi analogici ma ininfluente nello switching, dove si progetta comunque con β forzato. Il P2N2907A (e le versioni PN2907A, 2N2907A in TO-18 metallico, MMBT2907A in SOT-23) è il più robusto in corrente: è la scelta naturale tra i tre per carichi da 100 a 300 mA, sempre verificando la dissipazione.

Il tempo di immagazzinamento ts ricorda che un BJT saturo non si spegne istantaneamente: la carica accumulata nella base va rimossa, e più il transistor è sovrapilotato più lo spegnimento è lento. RBE aiuta a scaricare la base. Per il comando di relè, LED o carichi in PWM a qualche kilohertz (vedi uscite PWM con Arduino) i ritardi sono trascurabili; diventano importanti oltre le decine di kilohertz.

Pinout: 2N3906 e BC557 non si scambiano

Con il TO-92 visto dal lato piatto e i terminali in basso, il 2N3906 ha la sequenza E-B-C, mentre BC557 e P2N2907A di onsemi hanno C-B-E. La base è al centro in tutti e tre, quindi montando un BC557 al posto di un 2N3906 si scambiano emettitore e collettore: il circuito “quasi funziona”, con guadagno bassissimo, caduta elevata e riscaldamento. Con alimentazioni oltre 5 V c’è un problema in più: a transistor spento la giunzione base-emettitore reale si trova polarizzata inversamente con l’intera tensione di alimentazione, oltre la VEBO di 5 V, e va in breakdown, quindi il carico non si spegne del tutto. Prima di montare il componente verificate il pinout sul datasheet del produttore effettivo, oppure identificate i terminali con la prova diodi del multimetro: in un PNP la base è il terminale comune ai due “diodi”, con il puntale nero (catodo) sulla base.

Errori comuni

Checklist di progetto: PNP high-side

[ ] VE <= tensione della logica?  sì: comando diretto (logica invertita)
                                  no: NPN di comando + RBE
[ ] IC = corrente del carico (con spunto, se lampade o motori)
[ ] IC max e VCEO del PNP con margine (almeno 2x su VCEO)
[ ] hFE(min) alla corrente reale  ->  IB = k x IC / hFE(min), k = 2…3
[ ] RB con VEB(sat) massimo e corrente di RBE; valore commerciale inferiore
[ ] corrente nel collettore dell'NPN e nel pin entro i limiti
[ ] P = VEC(sat) x IC, TJ = TA + P x RθJA < 150 °C con margine
[ ] carico induttivo: diodo di ricircolo
[ ] pinout verificato sul datasheet del componente montato

Fonti e approfondimenti

• onsemi, 2N3906 General Purpose Transistor PNP, datasheet (2N3906/D, Rev. 4)
• onsemi, BC556B, BC557A/B/C, BC558B Amplifier Transistors PNP, datasheet (BC556B/D, Rev. 3)
• onsemi, P2N2907A Amplifier Transistor PNP, datasheet (P2N2907A/D, Rev. 6)
• onsemi, 2N3903, 2N3904 General Purpose Transistors NPN, datasheet (2N3903/D)

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