transistor on off

TRANSISTOR BJT
Il transistor può essere utilizzato in due modi:
•
•
come AMPLIFICATORE
come INTERRUTTORE
RETTA DI CARICO
La retta di carico è un metodo grafico che si trova nei datasheet per trovare il punto di lavoro statico di un
transistor. La retta incontra l’asse della corrente di collettore IC (Vcc/Rc) ossia la corrente circolante nel carico e
la tensione applicata al transistor tra collettore ed emettitore. Il tutto in relazione alla corrente di base IB.
Le curve che compongono il grafico rappresentano la tipologia stessa del transistor e possono variare in funzione
di un hfe (guadagno del transistor) instabile
Ad esempio se ho un carico alimentato a 12V nel quale scorre una corrente di 83 mA, il punto di lavoro varierà in
funzione della corrente applicata alla base.
Con IB = 7µA il punto incontrerà la curva in zona di interdizione
Con IB = 150µA il punto incontrerà la curva in zona attiva
Con IB = 285µA il punto incontrerà la curva in zona di saturazione
IC
100 mA
IB = 400µA
IB = 350µA
60 mA
IB = 285µA
IB = 240µA
Saturazione
80 mA
Attiva
IC
IB = 190µA
IB = 150µA
IB = 110µA
40 mA
20 mA
IB
C
B
IB = 75µA
6
9
E
IB = 7µA
Interdizione
3
VCE
12
15
VCE
VBE
IE
Retta di carico
Zona di saturazione: è la zona in cui il transistor conduce, IC raggiunge il massimo valore, VCE assume
valori molto bassi. Lavora come interruttore chiuso (ON).
Zona attiva: è la zona centrale delle caratteristiche, in tale zona viene utilizzato come amplificatore, avendo
un comportamento abbastanza lineare.
Zona di interdizione: è la zona in cui il transistor si comporta da circuito aperto, IC assume valori molto
bassi, VCE valori molto alti. Lavora come interruttore aperto (OFF).
Da notare come all’aumento della corrente di base aumenterà la IC e diminuirà la VCE.
Questa caratteristica ne fa un regolatore di tensione e/o un regolatore di corrente, le due cose sono dipendenti
l’una dall’altra.
Possiamo immaginare questa caratteristica come una diga che diminuisce o aumenta il passaggio dell’acqua
attraverso i condotti aprendo o chiudendo le valvole.
L’acqua rappresenta la corrente che scorre nel carico detta IC, la valvola che ne regola il passaggio rappresenta IB.
AMPLIFICATORE
VCC
Le caratteristiche del componente e in particolare il
guadagno, variano notevolmente con la
temperatura e sono molto diverse addirittura tra
esemplari dello stesso tipo. Per questi motivi,
quando si vuole realizzare un amplificatore per
RL
piccoli segnali, è necessario introdurre una
controreazione per la corrente continua proprio per
stabilizzare le polarizzazioni e renderle il più
IC
C
possibile indipendenti dalla temperatura e dalle
R1
caratteristiche del componente.
Questa controreazione fa in modo che eventuali
IB
variazioni del punto di lavoro del circuito di uscita
possano agire sulla polarizzazione del circuito di
B
ingresso.
La polarizzazione del BJT dove compare la RE in
R2
E
I2
VBE
parallelo al condensatore C (detto di by-pass in
quanto fa passare solo la componente non
continua) si utilizza per il corretto funzionamento
RE
IE
C del BJT come amplificatore.
Per il buon funzionamento del BJT in zona attiva ci
sono fattori importanti come la stabilità da tenere
compresa tra valori di 5 e 20 la cui formula è:
S = 1+(RB/RE) dove RB = (R1*R2)/(R1+R2).
La stabilità del punto di lavoro avviene attraverso RE. Considerando la maglia dello schema proposto, costituita
da R2, VBE ed RE (tralasciando il condensatore di by-pass); l'equazione della maglia è la seguente:
(R2*I2) - (RE*IE) - VBE = 0 DA CUI (R2*I2) = VBE + (RE*IE).
Da tale ultima equazione si vede come la tensione VBE è influenzata dalla tensione presente sui capi del resistore
RE, cioè (RE*IE); infatti: VBE = (R2*I2) - (RE*IE).
In pratica: se aumenta IB di conseguenza aumenta IC; essendo IE = IB+IC aumenterebbe (RE*IE) quindi dalla
formula VBE = (R2*I2) – (RE*IE) si ottiene che VBE diminuisce ossia che IB diminuisce ristabilendo la giusta
IC
corrente. Da notare che la tensione di VBE è in un
range di valori compresi tra 0,6V e 0,7V
Queste considerazioni vanno fatte per fissare il
IB = 400µA
giusto punto di lavoro (statico) del BJT sulla retta
IB = 350µA
di carico, in modo che all'ingresso del segnale (ad
IB = 285µA
esempio sinusoidale) esso non vada in distorsione
IB = 240µA
(punto di lavoro dinamico).
IB = 190µA
Infatti se nel circuito proposto applichiamo alla
IB = 150µA
base una tensione variabile, si ha di conseguenza
IB = 110µA
una corrente di base variabile che farà scorrere
P1
IB = 75µA
sulla retta di carico il punto di lavoro statico da noi
P
IB = 7µA
impostato. Questo punto prende il nome di punto
t
di lavoro dinamico. Lo scorrere è dato dal
VCE
P2
guadagno del transistor, infatti ad esempio:
Con IB = 7µA (corrente continua e quindi stabile) e
tensione VCE = 11V (tensione sinusoidale e quindi
con valori variabili) otterremo:
t
→VCEmax = 11V ICmin = 0 A
→ VCEmin = 8V ICmax = 30 mA
La parte tratteggiata nel grafico rappresenta il segnale cimato (tagliato) e quindi non completamente amplificato.
Questa anomalia è detta distorsione.
Si avranno amplificatori di classe A - AB - B – C - D in base all’accuratezza della rete di polarizzazione, al punto
di lavoro statico, dalla fedeltà del suo hfe (guadagno). Ecco quindi dimostrata l'importanza della rete di
polarizzazione quando si usa il BJT (con un hfe stabile) per realizzare un amplificatore HI-FI (alta fedeltà).
INTERRUTTORE OVVERO ON – OFF DEL BJT
Quando il BJT viene usato come interruttore le considerazioni fatte precedentemente, per la configurazione in
amplificazione, decadono in quanto il punto di lavoro passa dall'interdizione (assenza di corrente nella base o
perlomeno molto piccola) alla saturazione (corrente di saturazione della base).
IC
VCC
100 mA
IB = 400µA
IB = 350µA
60 mA
IB = 285µA
IB = 240µA
Saturazione
80 mA
RL
IC
IB = 190µA
40 mA
IB = 150µA
IB = 110µA
20 mA
IB = 75µA
3
9
RB
IB
B
IB = 7µA
Interdizione
6
IN
C
12
15
VCE
VBE
E
Retta di carico
La IBsat è un parametro del BJT ed insieme all'hfe permetteranno il passaggio attraverso il collettore di tutta la
corrente che il BJT può supportare detta ICsat. Teniamo presente che IE = IB+IC.
La formula per ottenere la saturazione è la seguente: IB = IC / hfe
Supponiamo che si vuole alimentare con 12V un carico di 150Ω; ci sarà una corrente massima che scorrerà nel
carico di circa 80mA. Questa corrente (essendo il carico posto tra l'alimentazione ed il collettore) sarà la nostra Ic.
Quindi: IC = 12V / 150Ω = 80mA
Dalle caratteristiche del BJT sappiamo che il suo hfe vale 200, la IB necessaria affinchè ci sia una IC = 80 mA
varrà: IB = IC / hfe = 0,08 / 200 = 400µA
In pratica con una corrente di base del valore di 400µA permetterò lo scorrere di tutta la corrente possibile nel
carico ossia di IC = 80mA.
In realtà avrò portato il BJT dalla zona di interdizione alla zona di saturazione.
Molte volte l’hfe del transistor è minore di quello dichiarato del datasheet.
Quindi il parametro hfe non è un parametro molto sicuro in quanto subisce delle fluttuazioni di valore in funzione
della temperatura, umidità, usura, composizione chimica ecc. Per essere certi che il BJT lavori in saturazione si
applica il fattore di sicurezza ossia si utilizza 1/3 di hfe quindi IB varrà:
IB = IC /(hfe/3) = 0,08/67 = 1,2mA
IB = 1,2mA ci dà la certezza che il BJT andrà in saturazione ed avremo la configurazione di interruttore.
In pratica la IB funziona come la maniglia di un rubinetto completamente aperto dove la corrente di IC è
rappresentata dallo scorrere dell'acqua. Il fattore di sicurezza ci dà la certezza che scorre la portata massima e che
se anche aprissimo di più il rubinetto, non cambierebbe la portata dell’acqua.
Per ricavare la RB si può lavorare in questo sistema:
Si calcola la corrente massima di collettore IC per far funzionare il carico. Supponiamo, per il nostro esempio, che IC sia data
da una lampadina 12V/1W rappresentata nello schema da RL (la rappresentazione di RL riguarda il carico e non il simbolo).
I C max =
P
1W
Vcc 12 V
=
= 0, 083 A = 83 mA oppure se conoscessimo la resistenza I C max =
=
= 0, 083 A = 83 mA
Vcc 12 V
Rc 144 Ω
In funzione della tipologia del BJT si avrà un guadagno hfe che nel nostro esempio vale hfe = 200. La IB varrà:
IB =
I C 0, 083
=
= 0, 000415 A = 415 µ A
hfe
200
Se si utilizzasse il fattore di sicurezza del BJT per ricavare IB l’hfe varrebbe hfe/3, quindi:
IB =
IC
0, 083
=
= 0, 00251 A = 2,5mA (sono certo che il BJT entrerà in saturazione accendendo la lampadina).
hfe 3
33
Per lavorare quindi in configurazione di interruttore a noi interesserà la corrente che scorre nel resistore di base.
La tensione da applicare alla base può essere anche alta in quanto la VBE rimarrà fissa a circa 0,7V e la restante
caduta di tensione sarà tutta su RB.
La legge di Ohm indica con semplicità come trovare la RB ossia R = V / I
Bisogna però tenere conto di un ultimo fattore che potrebbe determinare il malfunzionamento del transistor:
la tensione base-emettitore quando il BJT lavora in saturazione.
Conoscendo la tensione di base VB, la corrente di base IB e la tensione tra base ed emettitore VBESAT quando il
BJT è in saturazione in relazione di IC (da vedere nel grafico del datasheet), potremo ricavarci la resistenza di
base:
 V − VBE   5V − 0, 7V 
RB =  IN
=
 = 17131Ω ≅ 17 k Ω approssimeremo per difetto a 15 kΩ (resistore serie E12).
IB

  0, 000251 A 
BJT IN PARALLELO - RESISTORI DI BILANCIAMENTO
La configurazione in parallelo viene utilizzata per distribuire la
corrente su due o più transistor in quanto un solo transistor non
supporterebbe una corrente (IC) richiesta dal carico, elevata per
le sue caratteristiche.
Vcc
IC
RL
R1
RB
R2
½ IC
10 Ω
Nella configurazione in parallelo ai transistor vengono inseriti
due resistori uguali sugli emettitori del valore di pochi Ohm
detti resistori di bilanciamento.
½ IC Questo viene fatto perchè il guadagno ( hfe) di ogni transistor
non è perfettamente quello dato dal datasheet ma ha una larga
tolleranza; in virtù di queste considerazioni un transistor
10 Ω avrebbe un assorbimento diverso dall’altro ossia scorrerebbero
correnti diverse (IC) pur essendo transistor dello stesso tipo e
con la stessa polarizzazione.
Le correnti diverse potrebbero generare in uno dei due
transistor sovraccarichi e quindi elevato calore che
distruggerebbero il transistor, subito dopo anche l’altro
andrebbe distrutto in quanto si troverebbe a supportare tutta la
corrente imposta dal carico.
Si utilizzano resistori con basso valore (10Ω oppure 100 Ω) per evitare inutili assorbimenti di corrente.