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I transistor sono dei componenti molto utilizzati nel campo elettronico soprattutto come amplificatori di corrente, amplificatori di segnali e amplificatori di potenza. Essi possono essere di tipo NPN e PNP.

Nel caso NPN la corrente esce dall'emettitore e va verso massa, come nella figura seguente.

Nel caso di transistor PNP la corrente ha il verso opposto, cioè entra dall'emettitore.

I transistors sono utilizzati quindi come  amplificatori di tensione e di corrente.

Essi hanno tre pin denominati EMETTITORE, BASE e COLLETTORE.

A secondo di quale pin è in comune tra la maglia di ingresso e quella di uscita, si hanno le seguenti configurazioni:

 

-configurazione a emettitore comune

-configurazione a base comune

-configurazione a collettore comune.

La configurazione ad emettitore comune è la seguente:

Schema elettrico

EQUAZIONE DELLA MAGLIA DI INGRESSO:

Vbb= Rb*Ib +VBE

Ib= (Vbb-VBE)/ Rb

Rb= (Vbb -VBE)/ Ib

 

EQUAZIONE DELLA MAGLIA DI USCITA:

Vcc= Rc *Ic +VCE

Ic= (Vcc-VCE)/ Rc

Rc= (Vcc-VCE)/ Ic

 

VALORI DELLE CORRENTI:

Ie= Ic +Ib

Ic= b*Ib      con b compreso tra 100  e 500

Ic/Ib = Hfe  con Hfe circa uguale al valore di  b

Ie= a* Ic   con a circa  uguale ad 1

 

Transistor in configurazione ad emettitore comune con alimentazione singola.

Nelle immagini seguenti ho polarizzato il transistor BC107 ad emettitore comune con una alimentazione singola. Questo perchè a volte in laboratorio non si hanno due alimentatori, uno per polarizzare la maglia di ingresso Vbb e uno per polarizzare la maglia di uscita sul collettore cioè la Vcc.

In questo semplice esempio abbiamo inserito la resistenza di base Rb=4,5K Ohm e una Rc= 220 Ohm.

Abbiamo posto Vbb=Vcc=5V.

Transistor con alimentazione singola

Nelle immagini che seguono, abbiamo polarizzato il transistor BC107 sempre con alimentazione singola, cioè abbiamo posto Vbb=Vcc=5 Volt. Questa volta però nella maglia di uscita in serie alla Rc abbiamo inserito un diodo led rosso o bianco e lo abbiamo fatto accendere.

Le resistenze di polarizzazzione le abbiamo lasciate uguali al caso precedente.

Come si vede dalle immagini il catodo dei diodi è sempre rivolto verso il collettore in quanto la corrente Ic ha il verso che va dal +Vcc  verso Vce, cioè dall'anodo verso il catodo.

Transistor con diodo led
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Caratteristiche di uscita del transistor o BJT

Schema elettrico del transistor in configurazione ad emettitore comune e relative correnti e tensioni

Pilotaggio di un diodo led con il Transistor in configurazione ON-OFF

Il transistor in configurazione ON-OFF è un transistor in cui nella maglia di ingresso è stato inserito un tasto che può essere aperto o chiuso, mentre nella maglia di uscita è stato aggiunto un diodo led per visualizzare lo stato di ON (diodo acceso) e lo stato di OFF (diodo spento).

Per spiegare questa configurazione bisogna guardare la famiglia delle caratteristiche di uscita del transistor considerato ed andare a vedere la zona di saturazione (PUNTO ON) e la zona di interdizione (PUNTO OFF). 

Il punto ON si trova nella zona di saturazione e si ha per una VCEsat di circa 0,2 V (caso reale) o di zero Volt nel caso ideale; questa tensione sul collettore fa accendere il diodo led in quanto al suo catodo ci sono circa zero Volt mentre al suo anodo essendo collegato all'alimentazione ci sono 5 Volt.

Il punto OFF si trova nella zona di interdizione, in cui si ha una VCE circa uguale alla tensione di alimentazione; in questo caso sul catodo del diodo led ci sono 5 Volt e il diodo rimane spento.

Lo schema elettrico della configurazione ON-OFF è il seguente:

Utilizzo del transistor in configurazione ON-OFF

Un ulteriore utilizzo del transistor in configurazione ON-OFF è quello di sostituire il tasto nella maglia di ingresso con un generatore di onda quadra, come ad esempio un TIMER 555 progettato per funzionare ad una frequenza di pochi Hertz (ad esempio 5HZ).

Il generatore di onda quadra in ingresso fa accendere e spegnere in modo intermittente il diodo led che può cosi' essere utilizzato come una spia luminosa.

Un altro utilizzo della configurazione ON-OFF è quella di invertitore di segnale in quanto se nella maglia di ingresso abbiamo zero volt , Vi LOW, nel suo collettore si avra la tensione di interdizione VCE circa 5 Volt e quindi Vu High.

Viceversa se in ingresso abbiamo 5 Volt , Vi High, in uscita avremo una tensione di saturazione cioè Vce circa zero e quindi VU Low.

Pilotaggio di un motore con il transistor

Configurazioni di transistor


Schema "A" mostra un transistor NPN con le gambe che copre il simbolo che mostra il nome di ogni pin. Il transistor è di tipo "general purpose" e ed è il tipo più piccolo e più economico si può ottenere. Il numero sulla transistore cambierà a seconda del paese in cui il circuito è stato progettato ma i tipi ci riferiamo sono tutti uguali.

Diagramma "B" mostra due diversi transistor "general purpose" e le diverse piedinatura. È necessario fare riferimento alle schede tecniche o testare il transistor per trovare la piedinatura corretta.

Schema "C" mostra l'equivalente di un transistor come una valvola dell'acqua. Se entra più corrente (acqua) nella base, più acqua fluisce dal collettore all'emettitore.
 


Schema "D" indica il transistore collegato alla linea di alimentazione. Il collettore collegato ad un resistore chiamato LOAD e l'emettitore collegato alla massa di 0v o Ground o "terra".

Diagramma "E" indica il transistor in modalità AUTO BIAS. Questo è chiamato un palco emettitore comune e la resistenza della resistenza di base BIAS viene selezionato in modo che la tensione sul collettore è metà della tensione di alimentazione. In questo caso è 2.5V. Per capire la teoria semplice, ecco come si fa. Utilizzare 22k come la resistenza di carico. Selezionare la resistenza di polarizzazione di base fino a quando la tensione misurata sulcollettore è 2.5v . La polarizzazione di base sarà di circa 2M2. In questo modo il transistore reagisce alla resistenza di polarizzazione di base: La resistenza di polarizzazione di base alimenta una piccola corrente nella base e questo rende il transistore attivo per creare un flusso di corrente anche sui cavi collettore-emettitore. Questo fa sì che la stessa corrente fluisce attraverso il resistore di carico ed una caduta di tensione viene creato attraverso questa resistenza. Questo abbassa la tensione sul collettore. La tensione più bassa provoca una corrente inferiore a fluire nella base e il transistore smette di girare su una piccola quantità. Il transistore deposita molto rapidamente a consentire una certa corrente di fluire attraverso il collettore-emettitore e produrrà una tensione al collettore che è appena sufficiente a consentire la giusta quantità di corrente per accedere alla base.

Il diagramma "F" mostra che il transistor viene acceso mediante un dito. Premere con forza sui due fili e il LED si accende più luminoso. Quando si preme di più, la resistenza delle dita diminuisce. Questo permette più corrente di fluire nella base e il transistor si accende.

Il diagramma "G" mostra un secondo transistore che  "amplifica l'effetto di un dito" e il LED si illumina circa 100 volte di più e sarà più luminoso.
 

Il diagramma "H" mostra l'effetto di mettere un condensatore sul conduttore base. Il condensatore deve essere scarico e quando si applica la pressione, il LED lampeggia con colori luminosi e poi si spegne. Questo perché il condensatore viene caricato quando si toccano i fili. Non appena viene caricata non scorrepiù alcuna corrente . Il primo transistore smette di ricevere corrente e il circuito non riesce a mantenere il LED acceso. Per far si che  il circuito funzioni ancora una volta, il condensatore deve essere scaricato. Questo è un semplice concetto di come funziona un condensatore. Un condensatore di grande valore manterrà il LED illuminato per un periodo di tempo più lungo.

Il diagramma "I" mostra l'effetto di mettere un condensatore sull'uscita. Esso deve  caricarsi per fare questo accendere il led.

Sappiamo da diagramma G che il circuito rimane accesa quando i fili si toccano con un dito, ma quando il condensatore è posto in uscita, esso si caricae ciò consentirà al circuito di attivarsi e consentirà solo al LED di  lampeggiare.
 

Prova adesso a capire come funzionano queste configurazioni se inviamo alla base dei segnali sinusoidali.

Se colleghiamo il circuito come nella figura precedente la potenza dissipata sul transistor (uguale al prodotto della corrente per la tensione ai suoi capi) è sempre minima e tutta l'energia prelevata dall'alimentazione è effettivamente usata dal motore.
Infatti:

· quando il transistor conduce (ON) la tensione ai suoi capi (cioè la sua Vce) è prossima a 0 volt mentre quella ai capi del motore è praticamente pari alla Vcc. Il motore quindi ruota alla massima velocità

· quando il transistor è aperto (OFF) la corrente nel BJT è evidentemente nulla e quindi nulla la potenza;

Il limite di questa tecnica di pilotaggio è evidente: il motore è fermo oppure ruota alla massima velocità.

Adesso ci chiediamo:

Perché si usano sempre tanti diodi ?

L' avvolgimento del motore è sostanzialmente in induttore, cioè un oggetto che tende a mantenere costante la corrente che in esso scorre.

Quando il transistor rappresentato nello schema precedente si chiude (ON), la corrente raggiunge il valore a regime in un certo tempo, secondo una curva esponenziale dipendente dal rapporto di La ed Ra del circuito equivalente. Questo fatto non causa, in prima approssimazione, particolari problemi.

Quando un transistor si apre (OFF), la corrente istantaneamente dovrebbe andare a zero; l'induttore tende però ad impedire questo repentina diminuzione e per fare questo tende a far salire la tensione sul collettore del transistor (immaginate il transistor che, improvvisamente, sia diventato una resistenza molto elevata in cui l'induttore tenta di far passare una corrente: per la legge di ohm, la tensione deve salire).
La tensione arriva facilmente a centinaia di volt, danneggiando il transistor stesso. Tale tensione è spesso chiamata "di fly-back".

Per evitare questo fenomeno distruttivo viene inserito in parallelo alla bobina del motore un diodo che fornisce alla corrente una via alternativa a quella del transistor nel momento in cui questo si apre (caso OFF). Il questo casoil catodo va connesso alla tensione di alimentazione: in pratica la corrente va "in salita".

Guardando lo schema seguente si possono considerare due casi:
Primo caso:
E' la situazione in cui il transistor è in conduzione cioè ON. La corrente attraversa l'avvolgimento del motore, (rappresentato dal solo induttore), ed il transistor; nel diodo non passa corrente in quanto polarizzato inversamente.
Secondo caso:
Se si spegne il transistor (caso OFF) la stessa corrente che prima attraversava il transistor e andava a massa attraversando l'emettitore, ora passa nel diodo in verso opposto, cioè va verso la Vcc.
Infatti stavolta il diodo essendo polarizzato direttamente conduce con verso che va dall'anodo al catodo attraversando l'alimentazione e poi si scarica a massa.

Ovviamente quest'ultima situazione si esaurisce abbastanza rapidamente, mancando generatori in grado di mantenere nel tempo il passaggio di corrente.
Questo tempo è legato al rapporto tra l'induttanza e la resistenza equivalente del motore e, in situazioni tipiche, è dell'ordine delle decine di millisecondi.