Transitor (parte2)
Abbiamo visto nella parte1, come si dimensiona un transistor, utilizzato come interruttore per comandare ad esempio l'accensione di una lampada a 12v, avendo a disposizione 5v forniti ad esempio da un integrato.
Abbiamo quindi utilizzato un bd239, e calcolato di utilizzare una resistenza di 270 Ohm, per far scorrere 15mA sulla base del transistor.
Ma cosa succede se aumentiamo il valore della resistenza, e quindi facciamo scorrere sulla base una corrente minore?
Riprendiamo quindi lo stesso schema, ma inseriamo sulla base una resistenza di valore maggiore, ad esempio 1,5K.
Intanto abbiamo visto che la Vbe, ovvero la tensione che cade tra base ed emettitore è di circa 0,8V, di conseguenza avendo a disposizione una tensione di pilotaggio di 5V, possiamo calcolare che sulla resistenza cadono 5-0,8=4,2V.
Adesso che abbiamo il valore di tensione che cade sulla resistenza, e il valore della resistenza stessa, grazie alla legge di Ohm, possiamo calcolarci la corrente che scorre su di essa e quindi anche sulla base del transistor:
I=V/R → I=4,2/1500 → I=0,0028 ovvero 2,8mA
Abbiamo altresì visto che l'amplificazione del nostro transistor è di circa 100 volte, quindi possiamo calcolare che per una corrente di 2,8mA sulla base, scorre sul collettore una corrente di 2,8x100=280mA.
Sulla lampada quindi arrivano solo 280mA dei 500mA richiesti, perché il transistor dimensionato in questo modo, è in grado di far scorrere solo 280mA, con la conseguenza che la luminosità della lampada sarà ridotta.
Il transistor in questa condizione, non funziona più come un interruttore chiuso che fa accendere completamente la lampada, ma sta funzionando come un regolatore, si dice in questo caso che il transistor sta lavorando in zona attiva o lineare.
La zona lineare del transistor infatti, è quella zona in cui il transistor non riesce a far circolare tutta la corrente richiesta dal carico, e quindi si comporta come se fosse un regolatore di corrente, o meglio come un amplificatore, perché comunque sta amplificando il segnale sulla base di 100 volte.
All'aumentare della corrente sulla base, aumenta in proporzione anche la corrente sul collettore, fino ad arrivare al punto in cui il transistor è in grado di far circolare tutta la corrente richiesta dal carico, in questo ultimo caso si dice che il transistor è saturo o saturato, e quindi passa dall'essere un regolatore, a comportarsi come un interruttore completamente chiuso.
Ricapitolando, abbiamo 3 zone di funzionamento del transistor:
- una zona detta di interdizione, dove il transistor non è in grado di condurre e si comporta come un interruttore aperto;
- una zona attiva o lineare dove il transistor conduce solo in parte, si comporta come un regolatore, o meglio si comporta come amplificatore, in quanto amplifica la corrente di base;
- una zona di saturazione dove il transistor lascia passare tutta la corrente, e quindi si comporta come un interruttore chiuso.
Nel funzionamento del transistor in zona lineare, però subentra un problema non da poco.
Riprendendo l'esempio sopra, troviamo una corrente di soli 280mA sulla lampada, a fronte dei 500mA richiesti.
Oramai conosciamo a memoria la legge di Ohm, e sappiamo benissimo che V=RxI, quindi se R nel nostro caso è la lampadina, che è sempre la stessa, significa che diminuendo la corrente allora diminuisce pure la tensione che arriva sulla lampadina.
Avendo una lampada da 12v e 500mA, possiamo calcolare che la sua resistenza è di:
R=V/I → R=12/0,5A → R=24 Ohm.
Adesso se noi facciamo circolare 500mA sulla nostra lampadina, ovviamente su questa cadono:
V=RxI → V=24x0,5 → V=12V
ma se noi facciamo circolare sulla nostra lampadina solo 280mA, su quest'ultima cadono:
V=RxI → V=24x0,28 → V=6,72V
questo significa che i rimanerti 12-6,72=5,28V cadono sul transistor.
Ed è questo il grande problema che dobbiamo risolvere, ovvero la tensione che cade sul transistor, non è che sparisce nel nulla, ma viene dissipata in calore dallo stesso transistor, e noi che oramai siamo diventati bravi, e grazie alla legge di Ohm, sappiamo che la potenza è il prodotto di tensione e corrente P=VxI, possiamo calcolare che il nostro transistor, nelle condizioni di cui sopra, si trova a dover dissipare in calore una potenza di:
P=VxI → P=5,28x0,28 → P=1,47W.
Il transistor inizia a scaldare, perché deve dissipare in calore la potenza di 1,47W, e grazie ai dati fomiti dal costruttore, che troviamo all'interno del datasheet, possiamo conoscere i valori relativi allo smaltimento del calore, e quindi calcolare pure la temperatura raggiunta dal nostro transistor.
Sfogliando il datasheet in fondo a pag2, troviamo una tabellina thermal characteristics, con all'interno 2 valori, Rjc di 4,17 C°/W e Rja di 62,5 C°/W.
Questi 2 valori sono la resistenza termica del transistor, in pratica ci dicono di quanti gradi aumenta la temperatura dello stesso, per ogni watt di potenza che il transistor deve dissipare.
Nello specifico il primo valore Rjc è la resistenza termica interna al transistor, tra la giunzione interna del transistor, e il suo case, mentre invece la Rja, è la resistenza termica del transistor tra quest'ultimo e l'ambiente esterno.
In poche parole, per essere pratici, il primo valore è quello da utilizzare quando si utilizza il transistor accoppiato ad un dissipatore di calore, il secondo valore è da utilizzare quando si utilizza il transistor in aria libera, quindi senza nessun dissipatore.
A questo punto sapendo che il transistor deve dissipare in calore una potenza di 1,47W, e sapendo che quest'ultimo ha una Rja di 62,5 C°/W, semplicemente possiamo calcolare che il transistor raggiungerà una temperatura di 1,47x62,5=91,87C°, alla quale poi va pure aggiunta la temperatura ambiente.
Supponendo una temperatura ambiente di 25°, il transistor raggiunge una temperatura superiore a 115°, temperatura che teoricamente il nostro transistor potrebbe ancora sopportare, perché per quest'ultimo il costruttore ci indica una temperatura massima di 150°, ma capite bene che avere all'interno di un circuito, un componente che raggiunge temperatura di oltre 115°, non è per nulla salutare, anzi potrebbe essere pure pericoloso, quindi direi che una temperatura così elevata è decisamente da evitare.
Ecco quindi che ci vengono in aiuto i dissipatori di calore, ogni dissipatore di calore ha una sua resistenza termica Rj, e se aggiunto al transistor, va a modificare il valore totale di Rja, ovviamente più è grande il dissipatore e minore sarà la sua resistenza termica.
Sopra vediamo un dissipatore da poter applicare al nostro transistor, nello specifico questo ha una Rj di 15 C°/W (dati forniti dal costruttore del dissipatore).
Questo significa che se collegato al nostro transistor, la resistenza termica totale non è più la Rja fornita dal costruttore del transistor, ma diviene la somma della Rjc interna al transistor con la Rj del dissipatore, alla quale deve essere pure aggiunta la resistenza di accoppiamento transistor/dissipatore, che dipende dal tipo di package del transistor, per un package TO220 come è il nostro bd239, quest'ultima è di 1,2 C°/W.
La Rja del transistor accoppiata al dissipatore di cui sopra, diventa allora:
4,17(Rjc transistor) + 1,2(Rj package To220) + 15(Rj dissipatore) = 20.37 C°/W
e quindi la temperatura raggiunta dal transistor, non sarà più prossima a 90 gradi, ma diventa 1,47x20,37=29,9°, che se sommata ad una temperatura ambiente di 25° arriviamo a circa 55°C, temperatura decisamente più accettabile.
Volendo possiamo mettere un dissipatore ancora più grande, e quindi abbassare ulteriormente la temperatura.
Il dissipatore sopra, ha un rj di 5,2 C°/W, quindi rifacendo i calcoli troviamo una Rja di 4,17+1,2+5,2=10,57 che moltiplicati per una potenza da dissipare di 1,47W da luogo ad una temperatura di 15,53°, e con una temperatura ambiente di 25 gradi divengono 15,53°+25°=40,53°
Se per dissipare 1,5W circa, e mantenere una temperatura sufficientemente bassa, abbiamo dovuto ricorrere ad un dissipatore alto 50mm largo 42mm con alette profonde 25mm, è anche facile capire perché, nei circuiti dove devono essere dissipate potenze elevate, si trovano dissipatori enormi, spesso pure raffreddati con l'ausilio di ventole.
Fino ad ora abbiamo visto, e fatto gli esempi su un transistor NPN, ma non dobbiamo dimenticarci che esistono pure i transistor PNP.
Questi ultimi sono praticamente invertiti rispetto agli npn, come abbiamo visto nella prima parte, hanno la giunzione invertita, quindi vien da se, che per utilizzare un transistor pnp ad esempio per comandare la stessa lampada da 12V e 500mA, dovremmo collegare il transistor in modo inverso.
Sopra vediamo lo schema di collegamento di un transistor Bd240, pnp, utilizzato per accendere una lampada 12V 500mA.
Vediamo che al contrario del npn, adesso l'emettitore è collegato direttamente al polo positivo, e la lampada è inserita tra collettore e massa.
Adesso però se l'emettitore è collegato direttamente al positivo di 12V, per far scorrere una qualche corrente sulla base, quest'ultima deve essere collegata ad una tensione inferiore a 12V, e il transistor sarà completamente saturato, quando la base è ad una tensione di 0V.
In pratica prima con il transistor npn, per poter accendere completamente la lampada, avevamo collegato l'emettitore a massa ovvero 0V, e poi si mandava la tensione di 5V tramite resistenza sulla base, adesso invece con il transistor pnp, abbiamo la giunzione che è esattamente al contrario, e allora per poter accendere la lampada, dobbiamo collegare l'emettitore a tensione positiva, e quindi di conseguenza portare la base a 0V.
Il transistor lavora al contrario, con 0V sulla base si avrà la massima tensione Vbe, e quindi pure la massima corrente in funzione della resistenza.
In pratica se colleghiamo i 2 transistor npn e pnp ad una uscita di un integrato, si avrà un funzionamento opposto.
Quando l'uscita dell'integrato è attiva +5V, si avrà che la lampada collegata al transistor npn è accesa, mentre quella collegata al transistor pnp è spenta, quando viceversa l'uscita dell'integrato e disattivata 0V, allora si avrà che la lampada collegata al npn è spenta, ma quella collegata al pnp sarà invece accesa.
Adesso la tensione tra base ed emettitore scorre nel verso contrario, nel npn scorreva da base verso emettitore, quindi era indicata nei datasheet con Vbe, adesso scorre da emettitore verso la base, quindi diventa Veb, oppure rimane sempre Vbe ma con segno meno davanti.
Se prendiamo il datasheet del bd240, che in pratica è il complementare del bd239 utilizzato prima, vediamo che le tensioni e corrente sono indicate con il meno davanti.
A livello di calcoli cambia poco, una corrente che attraversa una resistenza, è sempre legata alla legge di ohm, indipendentemente dal verso della corrente, però dobbiamo fare un appunto.
Prima con il npn, la tensione Vbe massima, la si aveva tra l'uscita integrato +5V, ed emettitore a massa, adesso invece la vbe massima la si ha con uscita integrato 0V ed emettitore a 12V.
Questo significa che se prima per calcolare la tensione che doveva cadere sulla resistenza abbiamo utilizzato il valore di 5V, e quindi 5-0,8=4,2V, adesso dobbiamo utilizzare un valore di 12V, per cui 12-0,8=11,2V.
Una volta calcolata la tensione che cade sulla resistenza, poi i calcoli rimangono uguali, quindi inutile ripeterli.
Adesso, per far accendere la lampada non abbiamo nessun problema, basta far scorrere una corrente sulla base, e per fare ciò basta avere sull'emettitore una tensione superiore a quella di base, il problema sorge quando dobbiamo interdire il transistor, e quindi far spegnere la lampada, perché per non far scorrere corrente sulla base, dobbiamo fare in modo di avere un Vbe uguale a zero.
Nel transistor npn, non vi erano problemi, bastava portare la base a 0V, l'emettitore era a 0V, quindi la differenza di tensione Vbe tra base ed emettitore era 0V, e di conseguenza non vi era nessun passaggio di corrente sulla base.
Sul pnp, invece abbiamo l'emettitore a 12V, quindi, per non far scorrere corrente sulla base e tenere la lampada spenta, dobbiamo portare la base a 12V.
Il nostro integrato però al massimo ci può fornire 5V, per cui con tutta la buona volontà, la differenza tra emettitore e base, sarà 12-5=7V, non è possibile avere una Vbe inferiore a 7V, e allora non è possibile non far scorrere corrente sulla base, siamo impossibilitati a spegnere la lampada.
Con l'aggiunta di una resistenza, invece riusciamo a portare la base a 12V, ed ora con la base a 12V, e l'emettitore a 12V, abbiamo una differenza tra base ed emettitore di 0V.
In questa condizione non può più scorrere corrente tra base ed emettitore, e quindi riusciamo ad interdire il transistor, e a far spegnere la lampada.