IL TRANSISTOR. Le 3 zone di funzionamento del transistor

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1 Nome: Fabio Castellini Quarta esperienza IL TRANSISTOR Data: 03/02/2015 Il transistor è un componente a semiconduttore molto sfruttato, grazie alle sue proprietà, nell elettronica digitale ed analogica. Esso è infatti in grado di controllare attraverso una piccola corrente di controllo anche correnti, quindi potenze (V I) molto elevate non dissipando, teoricamente, energia (quindi potenza). I transistor più comuni sono i BJT (bipolar junction transistor) e sono composti da tre strati di semiconduttore (solitamente silicio) sottoposti ad un processo di drogaggio, in cui lo strato centrale ha drogaggio opposto agli altri due. Abbiamo, di conseguenza, transistori NPN oppure PNP che hanno comportamento sostanzialmente opposto. In un transistor, come si può osservare, abbiamo un terminale per ciascuno strato: Collettore, Base (terminale di controllo della quantità di corrente che passa attraverso il transistor) ed Emettitore. Si verranno a formare una V BE (max 0,7V), data dal diodo in polarizzazione diretta tra B ed E, una V CE (>>0), data dal diodo polarizzato inversamente tra B e C, una I E (vale circa I C poiché I B è trascurabile). Le 3 zone di funzionamento del transistor Un transistor BJT ha due principali funzioni: quella di interruttore (on/off) e quella di amplificatore di segnale. Nella zona di saturazione si ha una I B molto grande e per qualsiasi valore di I C C, V CE tende a 0, il caso dell interruttore chiuso (corto circuito); nella zona di interdizione si ha una V CE di saturazione del valore di 0,2V, una I B e I C pari a 0 inoltre ci si trova nel caso dell interruttore aperto, dove nonn scorre alcuna corrente; nella zona attiva, invece, nella quale il transistor si comporta come un generatore di corrente controllato da I B, si ha una V CE >V CE di saturazione (0,2V) & I B >0, una I C direttamente proporzionale alla I B, calcolabile con la formula β II B,dove β indica il guadagno di corrente del transistor in zona attiva, differente per ogni transistor. Riassumendo il transistor può avere la funzione di interruttore, se usato in zona di saturazione od interdizione, aprendo o chiudendo i contatti C ed E controllati dalla corrente che entra nella base, molto piccola ed in grado di interfacciarsi con dispositivi che sfruttano correnti elevate. La velocità con cui può avvenire la commutazione ( apertura o chiusura dei contatti ) è molto superiore a quella di un qualsiasi interruttore meccanico. Altrimenti, facendolo lavorare in zona attiva, può svolgere la funzione di amplificatore di segnale.

2 PRIMA ESPERIENZA Dopo questa lunga premessa teorica, ma necessaria per comprendere al meglio la funzione di tale componente, veniamo alla prima esperienza che presenta il transistor in funzione di interruttore. Come possiamo notare quando quand l interruttore è aperto la corrente I=0, quindi il transistor si trova in zona di interdizione (IC=0) e il diodo è spento; quando il contatto si chiude la VCE=0 (corto circuito) e la corrente, fluendo, fa accendere il diodo led. Successivamente abbiamo utilizzato un relè che è un componente elettromeccanico che contiene una bobina, la quale, se eccitata fa chiudere o aprire dei contatti. Inoltre se viene utilizzato in corrente continua la bobina si eccita quando viene rispettata la polarità, mentre in alternata le due fasi devono essere presenti in modo corretto. Per quando riguarda il funzionamento del circuito nel caso dell interruttore aperto si ha una corrente I=0 e quindi una IC=0, il relè non viene eccitato e l utilizzatore l utilizzatore rimane spento. Nel caso dell interruttore chiuso (corto circuito), il relè si eccita, K si chiude, vi è passaggio di corrente e l utilizzatore viene alimentato. Il principio di questo circuito è quello di controllare attraverso un piccola corrente corren ci controllo all interno della base del transistor, dispositivi che usufruiscono di correnti molto più elevate.

3 SECONDA ESPERIENZA In questa seconda esperienza abbiamo analizzato il comportamento del transistor BJT in funzione di amplificatore di segnale nale (tensione). Come già detto per far lavorare un transistor da amplificatore bisogna sfruttare la sua zona attiva (V ( CE>VCEsat (0,2V) & IB>0; IC=β IB).. Abbiamo quindi collegato il circuito costituito dal transistor e da 4 resistori in regime continuo dove l unico obiettivo era quello di verificare il calcoli teorici effettuati su carta delle varie tensioni sulle resistenze e quella tra base ed emettitore. Simulazione eseguita su Multisim: Calcoli teorici: VR1 13,2V VR2 1,8V VRc 3,5V VRe 1,1V VBE 0,6 0,7V Misure con multimetro: VR1 VR2 13,47V 1,83V VRc 3,68V VRe 1,21V VBE 0,63V

4 In seguito abbiamo realizzato un secondo circuito dei quali abbiamo calcolato i guadagni su emettitore e collettore,, come si può notare il guadagno sull emetittore è circa 1 (AE=gE=voE/vi=199mV/200mV=1), =199mV/200mV=1 si parla di inseguitore poiché non viene amplificata la tensione,, mentre quello sul collettore vale -3,3 (AC=gC=voC/vi=--RC/Re =-3,3)) poiché l amplificatore è invertente. Infine in questo circuito è presente una condensatore da 100nF detto di disaccoppiamento, necessarrio per separare punti a diversa tensione e regime (da alternata vi a continua Vcc). Infine abbiamo realizzato un amplificatore ad emettitore comune che ha la caratteristica di raggiungere guadagni piuttosto elevati. In questo caso il guadagno calcolato era di -140 dato da -40 VRC=voC/vi. Inoltre è stato aggiunto un condensatore di bypass da 10µF 10 F con la funzione si rendere costante la tensione sulla resistenza.

5 TERZA ESPERIENZA Nella terza esperienza abbiamo studiato il comportamento di un circuito pushpush-pull, in grado di amplificare la corrente e quindi la potenza (V I) ma non la tensione, a differenza dei precedenti. Esso è composto da due sottostadi che hanno BJT di tipo npn e uno di tipo pnp. Questo finale (amplificatore di corrente) è alimentato generalmente in modo duale più la massa. Tale circuito ha una buona resa: per i semiperiodi negativi del segnale funziona lo stadio PULL (transistor pnp), mentre lo stadio PUSH è interdetto, detto, viceversa per i semiperiodi positivi funziona lo stadio PUSH (transistor npn) e lo stadio PULL non lavora. Vi sono poi due diodi collegati alla base dei due stadi, i quali evitano il fenomeno detto "crossover", cioè una fase di "stallo" tra lo spegnimento spegn di uno stadio e l'accensione dell'altro, dovuta alla tensione base-emettitore base (VBE) dei transistor bipolari, che costituisce una soglia non nulla (generalmente vale 0,6 volt). Quando il segnale negativo è maggiore di -0,6 0,6 volt lo stadio PULL si disattiva, disattiva, ma lo stadio PUSH non si accende fino al raggiungimento da parte del segnale di un valore maggiore di 0,6 volt. Spesso questo finale è dotato di transistor aggiuntivi di protezione contro il cortocircuito dell'uscita verso massa. Come si può vedere, in questo semplice circuito si viene a formare una distorsione (crossover) del segnale che ne modifica l ampiezza iezza introducendo dei disturbi. Tale ale circuito ha un rendimento del 75%. f=1khz vo=vi-0,6v 0,6V

6 Un altro esempio di circuito push-pull nel quale è stato eliminato il problema del crossover aggiungendo due diodi polarizzati direttamente per avere una tensione V D di 0,6V che si elida con la V BE del transistor (v i =v o +0,6-0,6) ): Circuito realizzato su breadboard: Ulteriore esempio di circuito push- trovato in pull senza crossover rete:

7 QUARTA ESPERIENZA Controllo PWM (pulse width modulation) E un tipo di modulazione digitale che permette di controllare la potenza sul carico e tale controllo può essere di tipo dissipativo o non dissipativo. Controllo DISSIPATIVO Il principale limite di questo controllo è la potenza dissipata (sprecata) sulla R1, inoltre la resistenza variabile sarebbe molto grandee fisicamente (reostati) (reost rendendo il circuito ingombrante, svantaggioso sotto molti aspetti, anche per quanto riguarda il sistema di aerazione e la regolazione manuale. Questo tipo di controllo è, per varie ragioni già elencate, poco soddisfacente, infatti ha un rendimento del 50%. Applicando le seguenti formule con i dati presenti nello schema si ottengono una potenza massima di 1,44W, una potenza persa sul reostato di 0,36W, una potenza sul carico di 0,36W e una potenza erogata dal generatore di 0,72W. Si può quindi dedurre che metà della potenza erogata viene sprecata.

8 Controllo NON DISSIPATIVO Questo tipo di controllo si dice non dissipativo appunto perché la potenza dissipata è pari a 0. Quello a fianco è il circuito semplificato per capire come funziona un controllo di questo tipo. Quando l interruttore è aperto, la corrente che circola è nulla, la potenza dissipata sul carico è dunque 0 (V int 0A=0); quando l interruttore è chiuso, la corrente è maggiore di 0 ma in ogni caso la potenza sul carico è 0 poiché la tensione a capi dell interruttore stesso è 0 (I 0V=0). Si può quindi affermare che tale controllo ha un rendimento del 100%. Per agire sulla velocità del motore (o in questo caso sulla velocità di commutazione tra lo stato on e off della lampadina, dato che simulare un motore non è possibile per evidenti motivi) basta modificare il parametro del Duty Cycle (DC) presente sul generatore di funzione. Tale valore indica il rapporto tra il periodo in cui il segnale è alto (1) e il periodo totale, può essere al massimo 1 nel caso in cui si voglia avere un rendimento del 100%. Duty cycle=0,5

9 Duty cycle=1 Duty cycle=0,75

10 Duty cycle=0,25