i dispositivi attivi

6. I DISPOSITIVI ATTIVI
I dispositivi attivi servono per elaborare segnali logici; per elaborare segnali analogici; per regolare
flussi di potenza elettrica.
6.1. DISPOSITIVI ATTIVI PER ELABORAZIONI LOGICHE
Il dispositivo ideale per applicazioni logiche è un interruttore comandato o un dispositivo che si
comporta come un interruttore comandato. La fig.6.1 mostra un dispositivo attivo ideale per
applicazioni logiche. Allo stato “on” si può associare il valore 1, allo stato “off” il valore 0 di una
variabile logica. Nella stessa figura è riportata la caratteristica corrente - tensione di un simile
dispositivo. Vedremo come caratteristiche del genere possano essere individuate nelle situazioni
limite di funzionamento di dispositivi reali, (transistori), usabili in linea di principio anche per
applicazioni analogiche.
vi
vi alto
interruttore chiuso
vi
alto
basso
stato interruttore
on
off
variabile logica
1
0
vi basso
interruttore aperto
Fig.6.1:Dispositivo attivo ideale per applicazioni logiche.
6.2. DISPOSITIVI ATTIVI PER ELABORAZIONI ANALOGICHE
Il dispositivo ideale per applicazioni analogiche deve regolare con
I
continuità l’uscita in funzione di una grandezza elettrica costituita
I =g mVi
Vi = cost
dalla variabile di ingresso. Inoltre un dispositivo ideale dovrebbe
(I = hIi)
(Ii = cost)
presentare una relazione lineare tra il comando e la grandezza
comandata. Naturalmente il dispositivo è attivo nel senso che regola
la potenza erogata da una sorgente esterna (alimentatore, batteria).
V
Fig.6.2: Caratteristiche di un Un dispositivo ideale di questo genere è schematizzabile come un
dispositivo
ideale
per generatore di corrente o di tensione, comandato dalla grandezza di
applicazioni analogiche. Il ingresso, a sua volta una corrente o una tensione. Un dispositivo
pedice “i” si riferisce elettronico attivo per elaborazioni analogiche dovrebbe comportarsi
all’ingresso o grandezza di come in fig.6.2, in cui si è supposto che la grandezza comandata sia
la corrente e si è prevista la possibilità che il dispositivo sia
comando
comandato in tensione o in corrente.
I dispositivi reali si comportano come quelli ideali in campi limitati: dinamica è l’intervallo in cui il
componente viene utilizzato in modo lineare: la definizione
I
dipende dalla precisione richiesta. Confrontando le figg.6.1 e
on
6.2 che riportano le caratteristiche ideali di un dispositivo per
zona lineare
applicazioni logiche e di un dispositivo per applicazioni
analogiche, si vede come la prima possa essere ritenuta una
situazione limite della seconda. Infatti riuniamo le due
off V
caratteristiche (fig.6.3) e tracciamo una retta di carico relativa a
n
Fig.6.3: Zone di funzionamento un circuito in cui sia inserito il dispositivo attivo. Al variare del
di un dispositivo attivo.
punto di lavoro sulla retta di carico il dispositivo può passare
dallo stato on a quello off oppure può restare in zona lineare. Vedremo che se il dispositivo è lineare
l’uscita copia l’ingresso, senza distorsioni. L’ipotesi di piccoli segnali consente la linearizzazione
delle caratteristiche.
6.3. CIRCUITO EQUIVALENTE AI PICCOLI SEGNALI DI UN DISPOSITIVO IDEALE
PER APPLICAZIONI ANALOGICHE.
Vediamo ora come un dispositivo ideale per elaborazioni analogiche equivalga a un generatore
comandato dal segnale di ingresso e possa funzionare da amplificatore della grandezza di ingresso.
Consideriamo il circuito di fig.6.4:, in cui il doppio bipolo evidenziato con tratto più marcato è un
dispositivo che funziona come regolatore di corrente, cioè regola il flusso di una corrente a seconda
del valore assunto da un segnale di ingresso. Le caratteristiche, riportate in figura 6.5, mostrano che
il dispositivo accetta una corrente, che non dipende dalla tensione ai suoi capi (in effetti questa
ipotesi semplificativa sarebbe inessenziale), ma solo da un segnale vi, con il quale varia in modo
lineare. Non sfugga l’analogia di questo dispositivo con una valvola, che regola su comando il
flusso, per esempio di un liquido. Da qui il nome “valvola” dato ai tubi elettronici.
R
iC
iC
vi crescente
VA
vi
vC
IC0
vi=0
vi calante
Fig.6.4: Circuito con dispositivo
ideale che regola il flusso della
corrente su comando di un
ingresso.
Si supponga che si possa scrivere:
vC
Fig.6.5: Caratteristiche di
regolatore di corrente ideale.
un
iC  G vi  IC0 ,
dove IC0 è il valore della corrente totale a riposo, cioè per vi  0 . L’espressione non fa altro che
tradurre in equazione le caratteristiche del dispositivo. Si ha allora, con riferimento al circuito di
figura
(retta di carico)
VA  RiC  vC
e sostituendo a iC l’espressione precedente (equazione del dispositivo):
VA  RG vi  RIC0  vC
che determina i possibili valori di vC e quindi di iC (soluzioni del sistema di equazioni del
dispositivo e della retta di carico). La fig.6.6 mostra la soluzione grafica sul piano delle
caratteristiche.
Se vi  0 , dall’ultima relazione si ha:
VA  RIC0  vC
che permette di trovare il valore
vC  VA  RIC0  VC0
iC
di equilibrio di vC , cioè il punto di lavoro a riposo. Al variare di
v i il punto di lavoro si sposta lungo la retta di carico. Cerchiamo
ora di esprimere le variazioni vc di vC in funzione di v i .
IC0
vi=0
Dalla
VA  RG vi  RIC0  vC
otteniamo
vC
VC0 VA
vC  VA  RG vi  RIC0
Fig.6.6: Individuazione del ma, poiché
VA  RIC0  VC0
punto di lavoro a riposo.
scrivendo
vC  VC0  vc
si avrà:
VA
R
vc   RGvi
Possiamo riportare il risultato sul piano iC , vC della figura precedente (fig.6.7). Si noti che se v i
cresce vc cala (inversione di fase). Se il prodotto RG è sufficientemente grande, si ha
amplificazione, cioè
vc   v vi con  v  1.
Dall’espressione vc  RGvi si vede che per il segnale il dispositivo attivo equivale a un generatore
di corrente comandato dalla tensione di ingresso v i , come
iC
mostrato in fig.6.8. La figura rappresenta quindi il circuito
VA/R
equivalente ai piccoli segnali del dispositivo regolatore di
corrente, avente come carico la resistenza R.
IC0
vi=0
vi
VC0
VA
vc
Gv i
R
vc
vC
Fig.6.8: Circuito equivalente ai piccoli
segnali del circuito di fig.6.4.
Riprendendo poi in considerazione l’espressione
t
VA  RiC  vC
Fig.6.7: Escursione del punto di
lavoro sulla retta di carico al della retta di carico e moltiplicando ambo i membri per la
variare del segnale di ingresso e corrente iC totale nel circuito, si ha la seguente relazione tra
segnale di uscita.
le potenze:
V AiC  RiC 2  vC iC
dove il primo termine rappresenta la potenza totale erogata dalla batteria o alimentatore, vCiC è
quella dissipata nel dispositivo attivo e RiC 2 è dissipata nel carico.