I TRANSISTOR I TRANSISTORI

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1 I TRANSISTORI Il transistor è un componente fondamentale dell elettronica (più del diodo, in quanto è un componente attivo cioè un amplificatore di corrente). Anche se non è più molto usato come componente singolo, è contenuto in tutti i circuiti integrati sia analogici (es. amplificatori, stabilizzatori di V, operazionali), che digitali (porte logiche, memorie), che nei moderni microprocessori. Un transistor può avere diverse forme e dimensioni, ma ha sempre tre piedini chiamati Collettore (C), Base (B) ed Emettitore (E). Anche l ordine dei piedini varia da un tipo di transistor ad un altro, anche se alcune sequenze di piedini sono molto usate (vedi figura: i primi due transistor sono per piccole correnti, mentre il terzo transistor è per correnti massime di collettore di decine di A). Per conoscere precisamente i piedini si può cercare il datasheet (foglio dei dati) del singolo transistor in internet o il data book che contiene i dati/caratteristiche principali di tutti i transistor; vedi anche Piedinatura dei transistor nel sito Il transistor a giunzione è un costituto da 3 blocchetti di semiconduttore (silicio) drogate alternativamente di tipo P o N; di conseguenza esistono due tipi di transistor : il transistor NPN e il transistor PNP, ma il più utilizzato è l NPN. Tecnologia costruttiva, circuito equivalente a diodi e simbolo elettronico del transistor NPN Tecnologia costruttiva, circuito equivalente a diodi e simbolo elettronico del transistor PNP Possiamo notare che la zona centrale del transistor, chiamata Base (B), è molto sottile ed è poco drogata; le altre 2 zone sono chiamate Collettore (C) ed Emettitore (E). 1

2 Nel simbolo elettronico del transistor, per i due tipi di transistor NPN e PNP, il piedino con la freccia è sempre l emettitore: nel transistor NPN (quello più utilizzato) la freccia è uscente. Il piedino di base è sempre quello centrale. POLARIZZAZIONE DEL TRANSISTOR PNP I transistor per funzionare devono essere alimentati con una tensione continua e con la corretta polarità (+ e -). Se polarizziamo correttamente il transistor (TRS) PNP possiamo vedere le correnti che lo attraversano: L'emettitore (così chiamato perché è il piedino che emette la corrente nel transistor) è una sorgente di cariche (+) che entrano (ecco perché la freccia nel simbolo è entrante) e attraversano la zona dell emettitore, passano attraverso la base e per la maggior parte raggiungono il collettore. Poiché la base è molto sottile e debolmente drogata, la corrente che esce dalla base è molto piccola e quindi la maggior parte della corrente esce dal collettore. Di conseguenza, come si vede dalla figura, la Ib (corrente di base) è molto piccola, mentre la Ic è molto grande (anche se un po più piccola della Ie). Inoltre, come dal secondo principio di Kirchhoff (sui nodi), vale la regola: Ie = Ib + Ic cioè la corrente di emettitore è sempre la somma della corrente di base e della corrente di collettore. Notiamo che per polarizzare correttamente il transistor: la giunzione (diodo) BE deve essere polarizzata direttamente e cioè con il + all Emettitore (drogato di tipo P) e il alla Base (drogata di tipo N); vedi generatore di V tra E e B nel circuito di uscita (C, E) il Collettore va polarizzato inversamente, cioè con il al Collettore (drogato di tipo P) e conseguentemente con il + all Emettitore; vedi generatore di V tra C ed E. In altre parole si può dire che la giunzione BC è polarizzata inversamente. 2

3 POLARIZZAZIONE DEL TRANSISTOR NPN I TRANSISTOR Per polarizzare correttamente il transistor NPN valgono le regole generali dette sopra: la giunzione (diodo) BE deve essere polarizzata direttamente e cioè con il + alla Base (drogata di tipo P) e il all Emettitore (drogato di tipo N); vedi generatore di V tra B e E nel circuito di uscita (C, E) il Collettore va polarizzato inversamente, cioè con il + al Collettore (drogato di tipo N) e conseguentemente con il - all Emettitore; vedi generatore di V tra C ed E. Praticamente rispetto al precedente TRS PNP abbiamo girato la polarità delle due pile (generatori di V) e di conseguenza si invertono anche le correnti: la corrente di Emettitore è uscente dal transistor, mentre la Ib e la Ic sono entranti. Naturalmente vale ancora il principio di Kirchhoff: Ie = Ib + Ic Si nota che la Ic è molto più grande della Ib (per i motivi spiegati nel caso del TRS PNP); ciò significa che se la pila Vb fa passare una piccolissima Ib (corrente di Base), passerà una Ic (corrente di Collettore) molto più grande. Possiamo allora definire una caratteristica molto importante del transistor, chiamata guadagno di corrente o, (si legge beta): β = Ic / Ib e che possiamo ricavare facendo la divisione tra la Ic (corrente di Collettore) e la Ib (corrente di Base). In pratica il β ci dice quante volte più grande è la Ic che scorre nel circuito di uscita, rispetto alla Ib che facciamo entrare nella base del transistor (circuito di ingresso). Esempio: Ic = 1A Ib = 0,05A = Ic/Ib = 1/0,05 = 20 e questo significa che per quel transistor la Ic sarà sempre più grande della Ib di 20 volte. In pratica il guadagno β varia da un transistor ad un altro (con sigle diverse) e può avere un valore da circa 20 a 150. Oltre al guadagno di corrente, il transistor possiede le seguenti caratteristiche principali: Ic max: è la massima corrente che può attraversare il circuito di collettore senza distruggere il TRS Pd max: è la potenza dissipabile max, mantenendo il contenitore a 25 C (Pd = Vce * Ic) Vce max: è la massima tensione che può essere applicata fra il collettore e l'emettitore senza la distruzione del TRS Sigla TRS Tipo Foto Β min (guadagno in I) Ic max (A) Pd max (W) Vce max (V) 3

4 BC 237 NPN 110 0,1 0,3 45 BC 337 NPN 100 0,5 0,8 45 BC327 PNP 100 0,5 0,8 45 TIP41 NPN TIP122 (Darlington) NPN N3055 NPN SEMPLICE CIRCUITO APPLICATIVO con TRS NPN Notiamo che rispetto allo schema precedente esista una sola pila di alimentazione (o alimentatore a 24V in corrente continua) che alimenta sia il circuito di uscita (Collettore - Emettitore) che il circuito di ingresso (Base - Emettitore). A proposito precisiamo che tutti i circuiti elettronici devono essere alimentati con una V continua e con la corretta polarità, per poter polarizzare correttamente i transistor o i circuiti integrati (che all interno contengono da qualche decina di TRS fino a migliaia di TRS con relative Resistenze e 4

5 Condensatori). Tornando al nostro circuito applicativo, come si comporterà il transistor e quindi il LED con il pulsante P1 non premuto? Per rispondere riprendiamo la formula del guadagno in corrente del TRS: β=ic/ib Se trascriviamo tale formula in modo inverso, in modo che ci fornisca il valore di Ic (corrente di Collettore): Ic = β Ib Vediamo che c è Ic solamente se c è Ib, in quanto se ad esempio Ib=0 e β=100, la corrispondente corrente di Collettore sarà: Ic = β Ib = 100*0 = 0. Quindi possiamo concludere affermando che: la Ic esiste solo se c è Ib (il transistor è comandato dalla corrente di base Ib) più aumenta Ib e più aumenterà la Ic la Ic è sempre β volte più grande della Ib (amplificazione di corrente del transistor) Poiché il transistor (T1) ha la Base B scollegata, non potrà scorrere corrente I B e di conseguenza non passerà nemmeno I C, per cui il LED è spento. Quindi possiamo dire che se manca I B il transistor si comporta tra C ed E (circuito di uscita) come un interruttore aperto. Tecnicamente si dice che il transistor è INTERDETTO. Se ora premiamo il pulsante P1, la R2 verrà collegata alla Base B del transistor, quindi entrerà una piccola corrente I B nella Base che farà passare una corrente molto più grande in Collettore illuminando perfettamente il LED. 5

6 In questa situazione il transistor si comporterà tra C ed E (circuito di uscita) come un interruttore chiuso. Tecnicamente si dice che il transistor è SATURO. Facciamo notare che il transistor è un amplificatore di corrente infatti: la I C è di 0,01A (Ic = (Vcc - V LED ) / R1 = (24-2)/2200=0,01A) mentre la sua I B è circa 100 volte più piccola (I B Vcc/R2 = 24/ = 0,0001A). Quindi basta una piccolissima I B per far passare una I C mooolto più grande. FUNZIONAMENTO DEL TRS NPN Con S1 aperto: S1 Vbe (V) Ib (ma) Ic (ma) VCE (V) LED Transistor (interruttore) aperto (OFF) V Spento (OFF) (stato interdetto R interna (tra C ed E) Altissima la Vbe = 0 perché la Vbe non arriva alla Base essendo S1 aperto quindi non può nemmeno passare Ib la Ic esiste solo se c è Ib (la formula del β=ic/ib se trascritta in modo inverso: Ic = β * Ib mi dice che se Ib=0 e ad esempio β=100, Ic = 100*0 = 0) Da ciò si deduce che il transistor è un amplificatore di corrente nel senso che basta far passare una piccola corrente di Base (es. 0,1 A) affinché circoli una corrente di Collettore circa cento volte più grande (10 A). Se si aumenta Ib, aumenta di conseguenza Ic (Ib è la causa ed Ic è l effetto). Questo effetto di amplificatore viene sfruttato negli amplificatori audio HI-FI (High Fidelity, Alta Fedeltà) nei quali le piccolissime correnti di un microfono vengono amplificate da vari transistor tanto da arrivare a correnti di decine di A che circolano nella bobina dell altoparlante con potenze emesse di centinaia di Watt. Se non scorre Ic il transistor si dice interdetto (bloccato) e tra C ed E si comporta come un 6

7 interruttore aperto Se il transistor è interdetto (tra C ed E si comporta come un interruttore aperto ) non passa corrente per il LED che quindi è spento Infine la Vce = Vc = 12V, in quanto non scorrendo Ic non c è perdita di V sulla Rc e quindi tutta la Vc arriva al Collettore Con S1 chiuso: S1 Vbe (V) Ib (ma) Ic (ma) VCE (V) LED Transistor R interna (tra C ed E) (interruttore) (stato chiuso (ON) 0,7 * 0, Acceso (ON) saturo Bassissima La Vbe è uguale a circa 0,7 V in quanto tra B ed E c è un diodo polarizzato direttamente e quindi la V con una piccola corrente è di poco superiore alla V di soglia La Ib con la Rb inserita vale 0,5 ma Per calcolare la Ib con la legge di Ohm: Ib= (Vb Vbe) / Rb con Vbe che vale circa 0,7V La Ic è β volte più grande e vale 20 ma (quindi β = ) La Vce = 0 in quanto essendoci una Ib il transistor tra C ed E si comporta come un interruttore chiuso (Rce=0) per cui la Vce=Rce*Ic=0*0,02=0) Concludendo possiamo dire che il comportamento del transistor si definisce a commutazione (o ON-OFF) in quanto il TRS, nel circuito di uscita, si comporta come un interruttore chiuso (ON) o aperto (OFF) dipendentemente dalla presenza o meno della Ib (che dipende dallo stato dell interruttore S1). 7

8 ZONE DI LAVORO DEL TRANSISTOR nelle curve caratteristiche di uscita Le caratteristiche di uscita del transistor rappresentano il comportamento del TRS nel circuito di uscita: nell asse orizzontale viene indicata la Vce (tensione tra Collettore ed Emettitore) e nell asse verticale la corrispondente Ic. Il punto di lavoro del transistor nel circuito di uscita non dipende solamente dalla Vc (pila) e dalla Rc (che determinano la posizione della retta di carico), ma anche dalla Ib. Se ad esempio la Ib = 200 ua (0,2 ma) il punto di lavoro sarà P e il transistor è saturo. Se la Ib = 0, la Ic sarà 0 e la Vce = 12V (transistor interdetto, cioè tra C ed E è un interruttore aperto). Se la Ib è circa 100 ua (0,1mA) il transistor si trova nella zona attiva (centrale) e quindi può amplificare segnali analogici come quelli audio e non dovrà lavorare nella zona di interdizione o saturazione altrimenti genera distorsione sul segnale amplificato. Se il trs lavora nella zona/regione attiva si dice che lavora in modo lineare (e non crea distorsioni/deformazioni sul segnale di uscita). Nel circuito a LED visto precedentemente il TRS si trovava nella zona di interdizione (LED spento) o nella zona di saturazione (LED acceso) e quando cambiava stato passava velocemente attraverso la zona attiva: questo modo di lavorare del TRS si dice in commutazione o ON-OFF (ad interruttore). 8