Il transistor BJT

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 transistors di diversi tipi

Bjt significa transistor bipolare a giunzione. Giunzione poichè è un ulteriore sviluppo della giunzione PN dei comuni diodi che è stata spiegata approfonditamente nell’articolo “diodi e diodi led”.

funzionamento bjt npn pnp

I tre piedini del transistor vengono comunemente chiamati Emettitore, Base, Collettore. In poche parole rispetto al diodo normale, dispone di un ulteriore polo quindi diventa una giunzione a tre strati PNP oppure NPN. La configurazione più utilizzata è la NPN, poichè permette di lavorare con correnti alla Base positive:

correnti bjt pnp npn

Come illustrato nella figura, potete immaginare la composizione del Bjt simulata attraverso comuni diodi. Le giunzioni presenti all’interno del transistor agiscono infatti esattamente come diodi: per polarizzare correttamente il diodo fra C e B nel caso NPN, servirà una tensione in Base superiore a 0,7v rispetto alla tensione sul Collettore. Gli 0,7v sono la tensione di soglia neccessaria per attivare una comune giunzione PN e renderla conduttrice. Allo stesso modo, applicando all’Emettitore una tensione di 0,7 volt inferiore rispetto alla Base, si polarizza il diodo tra B ed E. Nel caso PNP avviene semplicemente l’opposto.

correnti bjt pnp npn

Prima di tutto memorizziamo il simbolo del BJT: la freccia nel simbolo indica l’unico verso in cui può scorrere la corrente durante il suo funzionamento, come potete constatare anche notando la direzione della corrente Ie e la corrente Ic. Come dicevo poco sopra, le correnti nella versione NPN sono l’esatto opposto rispetto al PNP e questo vale anche per la più importante di tutte, la corrente di base Ib.

polarizzazione bjt

La rete esterna alla quale il transistor viene connesso, viene chiamata rete di polarizzazione: essa va studiata per far giungere le correnti al Bjt nel verso corretto e permetterne quindi il funzionamento. Nel’immagine di esempio potete notare grazie alla freccia del simbolo che si tratta di un NPN, quindi l’emettitore va posto a potenziale più basso, mentre nel caso del PNP a potenziale più basso sarebbe stato collegato il collettore così da permettere il flusso della corrente verso l’alto, no?

Le tre correnti in gioco, Ic per il collettore, Ib per la base ed Ie per l’emettitore, sono legate tra loro dall’equazione Ie = Ib + Ic. Combinando i vari casi di polarizzazione dei diodi interni, è possibile ottenere tre diversi stati di funzionamento del Bjt.

Interdizione

bjt stato interdizione

Il Bjt si dice interdetto quanto entrambi i diodi interni sono polarizzati inversamente oppure le tensioni in gioco non superano la soglia di 0,7v necessaria per la conduzione elettrica. Piccole variazioni della corrente di base in questo caso non hanno effetto. In generale, il transistor NPN è interdetto quanto le tensioni sul Collettore ed Emettitore sono maggiori rispetto alla tensione sulla Base. Viceversa il transistor PNP è interdetto quando la tensione sulla Base è maggiore rispetto alle tensioni tra Collettore ed Emettitore.

Regione Attiva
bjt stato regione attiva
Il Bjt funziona in modo normale -cioè nella regione attiva- quando la giunzione B-E è polarizzata in modo corretto e quindi conduce, mentre la giunzione B-C non è polarizzata completamente. Essendo la giunzione B-C prossima alla conduzione, anche piccole variazioni della corrente di base creano una grande variazione nella corrente Ic, e proprio questo fenomeno alla base dell’amplificazione. In definitiva, un transistor NPN lavora in regione attiva quando la tensione sull’Emettitore è inferiore a quella sulla Base di almeno 0,7v mentre la tensione di Collettore è inferiore a quella della Base ma non abbastanza per attivare la giunzione, quindi attorno gli 0.5v. Si ha quindi una differenza di tensione tra Collettore ed Emettitore di circa 0.2v. Ovviamente nel Bjt PNP si lavora all’esatto contrario, ovvero la tensione sull’Emettitore è maggiore rispetto a quella di Base di almeno 0.7v mentre il Collettore ha una tensione inferiore rispetto all’Emettitore di 0.2v.

La saturazione

bjt stato saturazione
Il Bjt si dice in saturazione invece, quando entrambe le giunzioni sono polarizzate correttamente e sono quindi in conduzione. Piccole variazioni della corrente di base in questo caso non hanno alcun effetto. Perchè il Bjt NPN saturi è necessario che la tensione di Base sia superiore a quella del Collettore ed anche a quella dell’Emettitore. Per il transistor PNP invece vale il contrario.

Tipi di utilizzo

Fin’ora abbiamo parlato teoricamente di come si comporta un transistor Bjt nei vari casi possibili, ma durante l’applicazione reale, questi casi vanno saputi sfruttare per ottenere l’effetto desiderato. Di seguito facciamo i due esempi classici, ovvero la modalità “interruttore” ON-OFF, dove il transistor grazie alla piccola corrente Ib può controllare una piu grande corrente che lo attraversa Ic; oppure la modalità di Amplificazione, in modo che a seconda del segnale in entrata sulla base si possa trovare tale segnale amplificato proporzionalmente sul collettore. La prima modalità è molto simile al funzionamento di un relè o di un mosfet, la seconda invece è modalità propria degli amplificatori per esempio audio.

Modalità ON-OFF


circuito polarizzazione transistor on off             grafico corrente Ic Ib
A sinistra abbiamo il circuito da dimensionare, mentre a destra abbiamo la curva che mostra come varia la corrente Ic in base alla corrente Ib.

Il massimo valore che Ic può raggiungere, ovvero quando il transistor è in saturazione (come se al suo posto ci fosse un interruttore su ON) è determinato solamente dalla presenza di Rc, come in un normale circuito, quindi Icmax = Vcc/Rc.
La zona di linea retta dove la corrente Ic cresce proporzionalmente ad Ib per ora non ci interessa, essa sarà utilizzata successivamente nella modalità di amplificazione. Il nostro Bjt arriva in saturazione dove la curva diventa orizzontale, ovvero la massima conduzione oltre la quale anche aumentando Ib, Ic non può crescere ulteriormente. Per ottenere un funzionamento ON-OFF, sarà necessario far si che quando Vbb raggiunge la soglia interessata il transistor vada in saturazione, mentre quando Vbb ritorna a zero il transistor si stabilizzi in interdizione. Per esempio se volessimo pilotare il transistor con un PIC la tensione di soglia Vbb dovrebbe essere 5volt (vedi il PIC16F84). La corrente Ic dipende quindi da Ib, la quale a sua volta dipende da Rb e Vbb: si ha che Rb = (Vbb-Vbe)/Ibsat.
Vbe è la caduta di tensione tra Base ed  Emettitore (normalmente 0,7v) trovate questo valore sul datasheet del vostro Bjt.
Ibsat è la corrente di saturazione: se fornita alla base del transistor, esso entra in saturazione e la corrente Ic aumenterà fino al suo massimo valore, trasformando il transistor in un interruttore impostato su ON. Per calcolare la corrente di saturazione Ibsat = Ic/hFE.
hFE è il guadagno del vostro transistor, che potete trovare nel suo datasheet assieme ad altri parametri; il parametro Ic invece è la corrente che volete ottenere al collettore, quindi dipende da che “carico” desiderate pilotare: per esempio un led acceso avrebbe una corrente Ic di circa 20mA. In questo modo avete tutto quello che vi serve per calcolare la resistenza adatta che vi permetta di ottenere la giusta corrente Ib quando Vbb raggiunge i 5 volt, in modo che il transistor entri in conduzione. Ricordatevi di calcolare una Rc adatta a far si che la corrente Ic non superi le soglie limite del vostro transistor in caso di cortocircuito (sempre da datasheet) altrimenti rischiate di comprometterlo: Rc = (Vcc-Vce)/Ic! Vce di saturazione solitamente è attorno gli 0.2v.

Modalità Amplificazione

grafico corrente Ic Ib

 

Abbiamo visto che nella semplice modalità ON-OFF, viene inserita una resistenza calcolata in modo da mandare totalmente in conduzione il transistor quando la tensione sulla Base raggiunge il valore di 5volt. Ma se noi volessimo amplificare ad esempio un segnale audio, dobbiamo fare in modo che questo avvenga in modo proporzionale, per evitare distorsioni. Dal grafico delle correnti Ib ed Ic si può notare la linea retta obliqua che corrisponde all’incremento proporzionale di Ic rispetto ad Ib. L’amplificazione ottenuta è indicata attraverso il rapporto hFE da datasheet, solitamente attorno 100. Per ottenere un’amplificazione priva di distorsioni è necessario dimensionare il circuito in modo che il livello massimo e minimo di corrente sulla base rientrino nella la zona di proporzionalità. Per comodità si può considerare una Ic di lavoro posizionata al centro della retta, in questo esempio circa Ic=13mA. Per ottenere questa polarizzazione è necessario un circuito differente, chiamato ad Emettitore Comune:

 

schema bjt npn ad emettitore comune

 

In questo circuito spiccano le resistenze R1 ed R2 le quali agiscono da partitore di tensione necessario per creare una tensione sulla Base maggiore dell’Emettitore ma comunque inferiore al Collettore, in modo da polarizzare il diodo interno B-E senza polarizzare completamente invece il diodo C-B. Come vanno calcolate queste resistenze?
Prima di tutto è necessario considerare la corrente Ip che scorre attraverso R1 ed R2 molto maggiore rispetto ad Ib, ad esempio 10-100 volte Ib. In questo modo la corrente sulla Base sarà trascurabile, permettendoci di calcolare R1 ed R2 come un normale partitore.

Ib = Ic/hFE
Ip = 10*Ib
R1 =  Vbe/Ip
R2 = (Vcc/Ip) – R1

La resistenza Re agisce come stabilizzatrice in caso di variazioni di amplificazione del transistor: il guadagno infatti dipende da molti fattori, primo tra i quali l’aumento di temperatura. Quando l’amplificazione aumenta, aumenta anche la corrente circolante attraverso Re la quale quindi genera una caduta di tensione maggiore. Questo influisce su R2, attraverso la quale scorre maggiore corrente, sottraendola alla Base. Così facendo il guadagno torna a diminuire e quindi si ristabilizza.
Per cacolare Re prima di tutto si stabilisce un valore Vre =  (1/10)Vcc e successivamente:

Re = Vre/Ic

Ora manca semplicemente il calcolo di Rc, che è la parte piu semplice di tutto il lavoro:

Rc = (Vcc-Vce-Vre) / Ic

Ora il nostro Bjt può amplificare perfettamente un segnale in ingresso tra R1 ed R2!

Riccardo Maestri

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