Transitor (parte1)

Premetto che l'argomento transistor è molto vasto, servirebbe un intero libro per spiegarne tutte le sue funzionalità, quindi mi limiterò a trattare l'argomento in maniera superficiale, cercando di dare comunque tutte le indicazioni, per un suo corretto utilizzo all'interno dei circuiti elettronici.

Il transistor si presenta come un componente con 3 piedini dette anche zampette, precisamente denominati base, emettitore e collettore.
I transistor si dividono in 2 grandi famiglie transistor npn e transistor pnp, quindi è ovvio che come minimo esistono 2 simboli molto simili ma differenti tra di loro, proprio per identificare i 2 tipi di transistor.

transistor_simbol.png

Inutile dire che la lettera B indica la base, la lettera C il collettore e la lettera E l'emettitore.
La freccia rivolta verso l'emettitore, indica che il transistor è un npn, mentre invece la freccia rivolta verso il collettore indica un transistor pnp.

Il transistor si presenta sotto diverse forme, o meglio con diversi contenitori o package, forse è il componente che ha la maggior varietà di package.

transistor_package.png

Purtroppo, non è sempre possibile identificare i 3 piedini, quindi molto spesso per identificarli, c'è da fare riferimento al foglio dati rilasciato dal costruttore, comunemente chiamato DataSheet.

Abbiamo visto nell'articolo riguardante il diodo, come quest'ultimo sia formato da una giunzione P-N, o N-P ovvero formato da due parti dello stesso materiale ad esempio il silicio, a cui sono state apportate delle modifiche a livello molecolare, drogando, e quindi aggiungendo atomi di altro materiale, in modo da ottenere una parte di silicio, con un numero maggiori di cariche positive detta P, e un altra parte di silicio con un numero maggiore di cariche negative detta N.
Queste 2 parti dello stesso materiale, se unite tra di loro, formano la famosa giunzione P-N o N-P, che sta alla base di tutti i semiconduttori, e di cui abbiamo visto il suo funzionamento nell'articolo sul diodo.

Se adesso prendiamo 2 giunzioni P-N e N-P e le colleghiamo assieme, otteniamo un unica giunzione P-N-P, se invece colleghiamo assieme 2 giunzioni N-P e P-N, otteniamo un unica giunzione N-P-N
Questi 2 tipi di giunzioni rappresentano il transistor, o meglio le 2 grandi famiglie di transistor, infatti quest'ultimi si dividono proprio in transistor NPN e transistor PNP.



giunzioni.png



In particolare la sottile parte di materiale che si viene a trovare nel mezzo, viene chiamata base del transistor, le altre 2 parti di materiale che si vengono a trovare ai lati della giunzione, sono rispettivamente chiamate emettitore e collettore del transistor.

Abbiamo però visto sempre nell'articolo sul diodo, che una giunzione P-N è in grado di condurre corrente solo se polarizzata direttamente, ovvero con una tensione positiva collegata sulla parte P, o una tensione negativa collegata sulla parte N.

Quindi in un transistor ad esempio NPN, se noi applichiamo a sinistra(emettitore) il negativo e a destra(collettore) il positivo, la prima giunzione (N-P) lascerà tranquillamente passare corrente da sinistra verso destra, in quanto polarizzata direttamente, ma la seconda giunzione (P-N), bloccherà il passaggio di corrente, perché si verrà a trovare polarizzata in modo inverso, ovvero con il positivo collegato alla sua parte N.
In questa situazione, il transistor non è in grado di condurre, si comporta come un isolante o circuito aperto.

Se però adesso applichiamo una piccola tensione positiva sulla base, poiché la tensione è applicata nel senso giusto, (positivo su base P e negativo su emettitore N), si stabilirà una corrente attraverso la giunzione P-N tra base ed emettitore, detta corrente di base.
Grazie a questa corrente, si crea un movimento di cariche elettriche all'interno della base, e dato che la base è piccolissima, questo movimento si ripercuote anche sulla giunzione N-P collettore-base, infatti molti elettroni riescono a superare la giunzione N-P e a scappare verso il collettore.
Questo determina un movimento di cariche anche nella giunzione N-P, ed è questo movimento di cariche che rompe gli equilibri.
In pratica grazie a questa piccola tensione di base, si riesce a far condurre la giunzione N-P emettitore base, anche se si trova polarizzata inversamente, e quindi si riesce a creare un collegamento e quindi un passaggio di corrente tra emettitore e collettore.

Questo è l'effetto transistore, semplificando di molto, possiamo vedere il transistor come un interruttore aperto, che si chiude nel momento in cui viene applicata una piccola corrente sulla base, nella realtà poi questo è pure uno dei tanti utilizzi del transistor, ovvero un interruttore, in grado di chiudere il collegamento tra emettitore e collettore, e quindi far condurre correnti nell'ordine anche degli ampere o decine di ampere, con una piccola corrente nell'ordine di qualche milliampere fornita sulla base.

transistor.bmp

Sopra possiamo vedere uno dei vari utilizzi del transistor, utilizzato proprio come interruttore, per poter accendere un lampada da 12v e 500mA, con una tensione di 5v magari fornita da un integrato.
Nel funzionamento del transistor, a differenza dei componenti elettronici visti fino ad ora, entrano in gioco 2 tensioni e quindi 2 correnti.
La prima tensione è la Vce, tensione tra collettore ed emettitore, che genera quindi una corrente di collettore Ic;
la seconda è la Vbe, tensione tra base ed emettitore, che genera quindi una corrente di base Ib.
La corrente Ic è quella che scorre tra emettitore e collettore, quindi la corrente assorbita dal carico, nel nostro caso i 500mA della lampadina.

Per poter utilizzare correttamente un transistor, è necessario conoscere tutti i suoi parametri, quindi è necessario avere sottomano il DataSheet del transistor, ovvero il foglio dati rilasciato dal costruttore, che possiamo tranquillamente trovare in rete.
Per poter consultare assieme il datasheet, metto il link al datasheet in formato pdf, relativo al transistor utilizzato, un transistor modello bd239.

Consultando il datasheet, possiamo ad esempio vedere subito in prima pagina a destra il contenitore o package in cui si presenta il nostro transistor, e la disposizione dei 3 piedini base, collettore, emettitore.
Il costruttore poi rilascia tutta una serie di parametri, normalmente i primi dati che vengono riportati, sono i valori limite, che non debbono assolutamente essere superati, pena la distruzione del transistor.
Consultando la tabella di pagina1, tra i più importanti, troviamo il valore massimo di Vce, ovvero la tensione massima che possiamo applicare tra collettore ed emettitore.
Dal datasheet si evince che esistono diversi modelli di questo transistor, bd239, bd239A, bd239B, bd239C, e il costruttore in un unico datasheet riporta i valori di tutti i modelli di transistor bd239.
Si nota anche che il costruttore riporta 2 valori di Vce, la Vcer, 55V che è la massima tensione applicabile tra collettore ed emettitore, quando la base dal transistor è collegata verso massa con una resistenza da 100 Ohm, e la Vceo, 45V che è sempre la massima tensione collettore emettitore, però applicabile quando la base del transistor è scollegata.
Continuando troviamo la Veb, che è la massima tensione applicabile tra base ed emettitore, più precisamente la Vebo, 5V che è la massima tensione base emettitore, quando il collettore si trova scollegato.
Ancora troviamo la Ic, che è la massima corrente che può scorrere nel collettore, quindi la massima corrente che il nostro transistor, è in grado di sopportare.
Anche qua vengono riportati 2 due valori, la Ic di 2A che è la massima corrente che il transistor può sopportare continuativamente, e la Icm 4A che è la corrente impulsiva, ovvero la corrente che il transistor può sopportare per un breve periodo.
Abbiamo la Ib, 0,6A la massima corrente che il transistor può sopportare sulla base, e le 2 potenze, la potenza totale di 30W utilizzando il transistor con relativo dissipatore, e 2W utilizzando il transistor in aria libera, la tabella finisce poi con i valori di temperatura massima a cui il transistor può lavorare.

Se fino ad ora abbiamo visto i valori limite del transistor, a pag2, troviamo un altra tabella con i valori tipici di funzionamento, valori testati dal costruttore ad una temperatura ambiente di 25 gradi, valori utili per il corretto dimensionamento del transistor.
Il primo valore che a noi serve per un corretto dimensionamento, è il valore di Vbe.

Il datasheet ci dà una indicazione di 1,3V , valore testato con una tensione Vce di 4v e corrente Ic di 1A, ma noi stiamo utilizzando il transistor con valori diversi, e allora come fare?

Semplice scorriamo a pag3 del datasheet dove ci sono tutti i grafici, e andiamo a consultare l'ultimo grafico della pagina, figura3.
Questo grafico ci dice quanto sarà la Vbe in base alla corrente che scorre sul collettore.

vbe.png

Sull'asse delle ascisse andiamo nel punto di corrente Ic=0,5A, poi saliamo in verticale fino ad incrociare la curva, e andiamo verso sinistra a leggere sull'asse delle ordiniate il valore di Vbe, troviamo il valore di circa 0,8V.

Adesso che conosciamo la Vbe, dobbiamo calcolare la tensione che dovrà cadere sulla resistenza, allora avendo come tensione di pilotaggio una tensione di 5V, e sapendo che 0,8V cadono sulla base del transistor, possiamo calcolare che sulla resistenza dovranno cadere 5-0,8=4,2V.

Poniamo poi una corrente di pilotaggio di 15mA(poi vedremo anche come decidere questa corrente)

Con la onnipresente legge di Ohm R=V/I possiamo calcolarci il valore della resistenza di base, ovvero R=4,2/0,015 =280 Ohm approssimato al valore commerciale 270 Ohm.

In pratica grazie al transistor, con una piccola corrente di 15mA sulla base, siamo in grado di far scorrere 500mA tra collettore ed emettitore, e quindi di far accendere la nostra lampadina, siamo riusciti a pilotare un carico di circa 33 volte più grande, in pratica è come se avessimo amplificato il nostro segnale di 33 volte.

Questo è uno dei concetti fondamentali del transistor, l'amplificazione, ogni transistor ha un suo valore di amplificazione comunemente chiamato Hfe.

Sempre sfogliando il datasheet, possiamo anche conoscere il valore Hfe del nostro transistor bd239.
Valore che varia in funzione della corrente di collettore, e che possiamo rilevare più precisamente conoscendo ovviamente la corrente Ic che scorre tra collettore ed emettitore, e poi consultando il grafico Hfe, primo grafico a sinistra di pag. 3, figura 1.

hfe.png

Consultando tale grafico, e prendendo come riferimento, la curva relativa ad una temperatura ambiente di 25 gradi, possiamo vedere che, con una corrente Ic di 0,5A si ha una amplificazione Hfe di circa 100.

Questo significa che il rapporto corrente di base e corrente di collettore è di 100volte, ovvero una corrente di 1mA sulla base, produce un passaggio di corrente di 100mA tra collettore ed emettitore, nel nostro caso una corrente di 15mA sulla base, produce un passaggio di corrente di 1500mA o 1,5A sul collettore, più che sufficienti a pilotare la nostra lampada da 500mA.

Volendo, dato che dobbiamo pilotare un carico di 500mA potremmo pure permetterci di utilizzare una corrente di base più bassa, con amplificazione hfe=100 sarebbero già sufficienti 500mA/100=5mA.
In pratica però, quando vogliamo utilizzare il transistor come interruttore, è consigliato utilizzare una corrente di base almeno 3 volte superiore a quella necessaria, da qui la scelta di pilotare il transistor con una corrente di 15mA.
Nella scelta della Ib, ci viene in aiuto anche un altro grafico, precisamente il grafico di figura2.

Vce.png

Tra i vari parametri del transistor, vi è la Vce(sat), questa è la tensione che cade sulle giunzioni emettitore-collettore, in pratica la tensione che cade sul transistor.
Con una Vce ad esempio di 2V, sulla lampada arriverebbero solo 10V dei 12V a disposizione, infatti Vce=2V significa che 2V cadono sul transistor tra emettitore e collettore.
Risulta quindi evidente che per utilizzare il transistor come interruttore, c'è da fare in modo che la Vce(sat) sia la più bassa possibile, in modo da far arrivare sulla lampada la maggior tensione possibile.
Ecco quindi che consultando il grafico, possiamo leggere il valore di Vce(sat) in funzione della Ib, ed anche della corrente di collettore.
Con una corrente Ib di 15mA, ed una corrente Ic di 300mA si avrebbe una Vce di 0,07V, mentre invece con una Ib sempre di 15mA ed una Ic di 1A si avrebbe una Vce di circa 1V.
Purtroppo non abbiamo la curva relativa ai nostri 500mA, ma comunque consultando il grafico, possiamo immaginare la nostra curva, ed approssimare una tensione Vce(sat) di 0,1V.
Il nostro transistor è ben saturato, causando una caduta di tensione di soli 0,1V possiamo dire che praticamente tutta la tensione arriva sulla lampada.

Ricapitolando:

Dobbiamo far accendere una lampada da 12v 500mA con una tensione di 5v proveniente da un integrato.

Scegliamo quindi un transistor in grado di sopportare una tensione Vce di almeno 12v ed una corrente Ic di almeno 500mA, la nostra scelta è caduta su un transistor bd239.

Consultiamo il datasheet del transistor, e vediamo a quanto corrisponde l'amplificazione hfe per una corrente Ic di 500mA, e otteniamo un valore Hfe di circa 100.

Adesso che conosciamo l'amplificazione Hfe=100 possiamo calcolare che per pilotare un carico di 500mA serve una corrente di 500/100=5mA , per sicurezza, scegliamo una corrente di base di almeno 3 volte superiore, quindi 15mA, possiamo pure consultare il grafico relativo alla Vce(sat) per aiutarci a scegliere la corrente di base.

Ora consultiamo nuovamente il datasheet per rilevare quanto è la tensione Vbe del transistor con una Ic di 0,5A, e vediamo che essa corrisponde a circa 0,8V.

Conosciamo il valore di tensione che abbiamo a disposizione per pilotare il nostro transistor ovvero 5V, conosciamo la Vbe del transistor, possiamo calcolare la tensione che dovrà cadere sula resistenza 5-0,8=4,2V.

Adesso che conosciamo la tensione che dovrà cadere sulla resistenza 4,2V e la corrente che vogliamo far circolare sulla base 15mA possiamo applicare la legge di Ohm R=V/I e calcolare il valore della resistenza.

R=4,2/0,015=280 Ohm, valore commerciale più vicino 270 Ohm.

In questo modo, fornendo 5v sulla base del transistor, e limitando la corrente a 15mA grazie alla resistenza da 270 Ohm, riusciamo tranquillamente a pilotare la nostra lampada da 12v 500mA, senza nessun problema.

Si dice allora che il transistor è saturato, sta lavorando come se fosse un interruttore chiuso, e riesce a far circolare tutta la corrente richiesta.

In realtà c'è ancora un parametro da verificare, non meno importante degli altri, che potrebbe pure pregiudicare il funzionamento del transistor.

Il costruttore ci indica una corrente massima Ic di 2A ed una tensione massima Vce di 45V, ma non sarà mai possibile utilizzare il transistor per pilotare un carico a 45V e 2A di corrente, lo distruggeremo nel giro di pochi attimi.

Per far lavorare il transistor in condizioni di sicurezza, ci viene in aiuto il grafico di figura 4, che ci indica i limiti del transistor in funzione di tensione e corrente.

Forward.png

Per essere sicuri che il nostro transistor lavori senza problemi, dobbiamo assicurarci di rimanere all'interno dell'aerea delimitata della prima linea continua, area che ho colorato in verde.

Quindi andiamo sull'asse delle ascisse fino a 12V di Vce, poi saliamo sull'asse delle ordinate fino ad una Ic di 0,5A, e vediamo che il punto di lavoro, rimane all'interno dell'aerea interessata.
Adesso siamo sicuri che con una tensione Vce di 12v ed una corrente Ic di 0,5A riusciamo a far lavorare il nostro transistor in condizioni di sicurezza.
Sullo stesso grafico possiamo pure notare limiti maggiori, delimitati da linee tratteggiate.
Questi limiti sono in funzione della durata per cui tensione e corrente sono applicate al transistor. E' logico che applicando tensione e corrente per brevi istanti, si possa sconfinare in un area più grande, infatti il primo limite è riferito a brevi impulsi della durata di 10mS, il secondo limite con impulsi della durata di 1ms, fino al terzo e più ampio limite utilizzando il transistor con impulsi di 300uS.

continua parte 2


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