Il commutatore a transistor

Il transistore NPN è composto da due zone formate da conduttori del tipo N, e da una zona intermedia del tipo P.

Le due zone esterne si chiamano emettitore e collettore, quella centrale si chiama base. In un transistore di questo tipo la tensione di lavoro viene applicata connettendo il polo negativo all’emettitore e quello positivo al collettore. Nei transistori del tipo PNP,sempre meno usati, le polarità sono invertite.

Quando alla base di un transistore, a cui la tensione di lavoro è stata applicata come descritto, non si applica anche una tensione alla base, il transistore non può essere attraversato da alcuna corrente apprezzabile, cioè non conduce,e si dice quindi che è interdetto. Se invece si applica alla base di un transistore NPN una tensione, anche piccola, con potenziale positivo rispetto all’emettitore, passa corrente fra emettitore e collettore: si dice allora che il transistore è in conduzione, cioè è inserito.


Fig 1 – Schema di un transistore NPN

La corrente che attraversa la zona dell’emettitore in un transistore, la cosidetta corrente di emettitore lE, si suddivide, nella zona della base in una corrente di base IB, ed in una di collettore lc.

Inoltre la corrente di base è sempre molto più piccola della corrente di collettore; oggi si arriva a proporzioni di 1 a 100 ed anche di 1 a 1000.

Fig 2 – Correnti in un transistore NPN

Il transistore ha solo tre elettrodi: l’emettitore, la base ed il collettore. Poiché in un circuito d’amplificazione sono necessari due elettrodi per l’ingresso e due elettrodi per l’uscita, è evidente che un elettrodo del transistore dovrà essere usato in comune sia per l’ingresso che per l’uscita.

A seconda di quale elettrodo viene usato per questo scopo, dobbiamo distinguere tra collegamento ad emettitore comune (fig. 3a), collegamento a base comune (fig 3b) e collegamento a collettore comune (fig. 3c).

Per l’impiego del transistore come interruttore-commutatore, si usa quasi esclusivamente il collegamento ad emettitore comune.

Fig 3 a)Collegamento ad emettitore comune b) Collegamento a base comune c) Collegamento a collettore comune

In ognuno dei due collegamenti in cui la base non è usata come elettrodo comune, il transistore può essere pilotato (comandato) attraverso la base, e cioè con una piccolissima corrente di base. Il rapporto fra corrente di collettore Ic e la corrente di base IB, vien chiamato amplificazione di corrente hFE.

La figura 4 rappresenta un transistore in un circuito con collegamento ad emettitore comune. La rappresentazione del transistore si differenzia da quella della figura 2, in quanto anziché indicare le zone N e la zona P come in figura 2, si è usato il simbolo internazionale del transistore e si è aggiunta la resistenza di carico RL.

Fig 4 – Transistore collegato con emettitore comune.

In questo modo, perché la corrente di base IB di pilotaggio passi attraverso il transistore, è necessario disporre di una tensione VBE, relativamente piccola, tra emettitore e base. Essa è di circa 0,5 V e di conseguenza molto più piccola della tensione di batteria (VBatt) disponibile, che generalmente è dell’ordine tra 10 e 100 V. Nel circuito ad emettitore comune si può pilotare una forte corrente IC di uscita con una forte tensione di batteria VBE, a mezzo di una piccola corrente di base IB ed una piccola tensione d’entrata VBE. Per tale ragione nei circuiti di commutazione si usa quasi esclusivamente il collegamento con emettitore comune.

Nel funzionamento del transistore come interruttore, sono importanti i suoi comportamenti nelle differenti fasi: transistore interdetto (interruttore aperto), transistore in conduzione (interruttore chiuso), e le fasi di passaggio tra l’una e l’altra condizione.

Consideriamo dapprima il caso di un transistore interdetto (fig. 5).

Mentre in un interruttore meccanico aperto non può passare alcuna corrente, in un transistore interdetto la corrente non è veramente nulla. Ciò è da ascriversi alle regolarità insite nella conformazione del cristallino del transistore.

Per il caso più semplice, qui indicato, di un transistore interdetto in cui la base non è neppure collegata (cioè è “aperta“), la corrente che passa (lCE0) è la più alta tra quelle che passerebbero qualora la base fosse in qualche modo collegata. Questa corrente vien denominata: corrente residua tra collettore (C) ed emettitore (E) con base aperta (cioè 0).

Fig 5 – Interruttore aperto (Corrente residua ICE0)

In pratica raramente si presenta il caso citato nella visto precedentemente, di un transistore interdetto con base aperta. Molto più spesso si trova una resistenza R, di opportuno valore, inserita all’ingresso, cioè fra base ed emettitore. Allora la corrente residua ICER (R anziché 0, indica che la base non è aperta ma è collegata all’emettitore tramite una resistenza R) è già notevolmente minore. Ciò avviene perché una parte della corrente residua del collettore viene deviata ed asportata dalla resistenza R, migliorando cosi la funzione di interruttore del transistore. Più piccolo è il valore di R e maggiore è la corrente che viene deviata e che non passa per il transistore.

Fig. 6 – Corrente residua ICER

Dalla figura 6 si desume che la corrente residua avrebbe il valore più basso quando il valore di R fosse il più piccolo possibile, cioè 0; il che equivarrebbe ad un corto circuito tra base ed emettitore. In questa ipotesi la corrente residua viene indicata con IECS, (dove S sta per “short-circuit” dall’inglese corto circuito).

Il valore ICES indica il valore limite inferiore che può raggiungere la lesa, che come già detto dipende dal valore della resistenza R.

Fig 7 – Corrente residua ICES

Se non solo si asporta dalla base quella corrente residua del collettore che la attraversa, ma si cerca di impedire che essa si formi, la corrente residua totale può ancora essere ridotta, migliorando ancora il funzionamento di un transistore interdetto in paragone ad un interruttore aperto, nel quale non esiste una corrente residua.

A questo scopo è necessario applicare fra base ed emettitore una tensione tra 0,5 ed 1 V, ma con polarità inversa rispetto a quella di pilotaggio del transistore. Nel caso di un transistore NPN il polo negativo sarà quindi collegato alla base (vedi figura 1). La corrente residua che risulta con tale collegamento si chiama ICEV, dove “V” indica che una tensione è stata applicata alla base.

Fig 8 – Corrente residua ICEV

Nelle figure precedenti si sono esaminate le correnti residue di un transistore interdetto. La figura 9 rappresenta in sintesi quanto avete appreso.

Si osserva che il valore delle correnti residue del collettore dipende da come si usa il transistore, e dal valore della tensione tra collettore ed emettitore (VCE ∼ Tensione di lavoro). Per un determinato valore di tensione la corrente residua, di colpo cresce “enormemente e porta alla distruzione del transistore. Questo valore di tensione si chiama: “tensione di rottura”.

Fig. 9 – Le correnti residue di un transistore

Se alla base di un transistore viene applicata una tensione sufficientemente elevata, in esso si stabilisce un passaggio di corrente, cioè esso viene “lNSERlTO”; in altre parole vien posto in stato di conduzione.

Quindi attraverso il transistore e la sua resistenza di carico esterna RL. passerà una corrente lc – della corrente di collettore -, il cui valore verrà stabilito dalla tensione di batteria (Vbatt) e dal valore della resistenza RL.

Fig 10 – Interruttore chiuso.

Esempio: Che valore ha la corrente di collettore lc, se la tensione di batteria Vbatt = 20 V e la resistenza esterna è RL = 1KOhm; (Trascurando la resistenza interna del transistore?)

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