Il commutatore a transistor

Nell’esempio si ammise che la resistenza interna del transistore fosse nulla, cioè uguale a zero. In realtà ciò non è il caso. Esiste una piccola resistenza interna nel transistore in stato di conduzione, che provoca al passaggio della corrente lCE0 di collettore (con base aperta, vedi figura 11), una caduta di tensione .VCEsat tensione di saturazione collettore-emettitore.


Fig. 11 – Distribuzione delle tensioni in un transistore in conduzione

I valori usuali della tensione di saturazione di un transistore sono fra 0,2 ed 1 Volt. Queste piccole cadute di tensione non nuocciono nei casi pratici di uso. Quando fossero veramente dannose – ad es. nella commutazione di forti carichi – esse possono essere ridotte aumentando opportunamente la corrente di base.

La figura 12 mostra le curve caratteristiche della corrente di base In in funzione della tensione collettore-emettitore VCE e della corrente di collettore IC. È anche indicata la retta corrispondente ad una determinata resistenza di carico RL. Si vede che già con una corrente di pilotaggio della base di 1 mA, si raggiunge la massima corrente di collettore IC = 100, possibile con quella data RL. Se si aumenta il valore di IB, ad esempio sino a 2 mA (cioè raddoppiandolo), la tensione di saturazione VCEsat scende da 0,4 a 0,2 dimezzandosi. Quindi la potenza necessaria per pilotare il transistore è praticamente proporzionale al valore della corrente di pilotaggio della base.

Fig. 12 – Tensione di saturazione di un transistore

Come avete appreso, il transistore non è un‘interruttore ideale; infatti esso nello stato di interdizione — cioè disinserito – lascia ancora passare una corrente residua, mentre nello stato di conduzione – cioè inserito – si stabilisce in esso una tensione di saturazione. Quest’ultima sussiste anche quando la corrente di collettore (lC) è massima, per cui si ha nel transistore una perdita, detta dissipazione complessiva di potenza: Ptot. Il valore di questa perdita è uguale al prodotto della tensione di saturazione per la corrente di collettore:

Fig 13 – Potenza dispersa

La potenza dissipata riscalda il transistore. Il calore che vi si genera deve essere ceduto all’aria circostante affinché la giunzione non si riscaldi oltre i limiti indicati dal costruttore. La conduzione di calore può essere paragonata a quella della corrente elettrica: anch’essa può essere limitata ad una resistenza la cosidetta resistenza termica Rth.

La differenza di temperatura Δ ϑ fra quella interna del transistore temperatura della giunzione. dove si genera il calore – e quella dell’aria esterna, può essere paragonata alla tensione elettrica, per cui si può utilizzare la legge di Ohm.

Fig 14 – La legge di Ohm “termica”

La resistenza termica fra giunzione ed aria esterna(Rthj-a) è formata dalla resistenza termica fra giunzione e contenitore (Rthj-c) e quella fra contenitore e I’aria (Rthc-a). Il valore delle due resistenze termiche Rthj-a e Rthj-c sono indicate fra i dati del costruttore del transistore. Se la resistenza termica Rthj-a indicata è troppo alta in funzione della dissipazione di potenza Ptot ammissibile per un certo uso del transistore, si dovrà prevedere un raffreddamento supplementare, ad es. montando il transistore su di un radiatore di calore. Con ciò viene diminuita la resistenza termica fra aria e contenitore, che verrà ora determinata dalla resistenza termica fra radiatore ed aria. Questo valore sarà tanto più piccolo quanto più grande sarà la superficie del radiatore.

Fig. 15 – Le diverse resistenze termiche

L’inserzione e la disinserzione di un transistor: – cioè il passaggio dallo stato di interdizione a quello di conduzione e viceversa – non avvengono istantaneamente. Durante il passaggio di stato variano stabilmente i valori di corrente e di tensione nel transistore. Infatti nell’attimo dell’inserzione la corrente passa da un piccolo valore ad uno grande, e la tensione da uno grande ad uno piccolo. Così pure nell’ultimo della disinserzione avviene l‘inverso. l valori estremi di corrente e di tensione determinano i limiti entro cui deve essere contenuto il campo di commutazione, o campo attivo.

Fig. 16 – inserzione e disinserzione

Consideriamo dapprima il tempo di inserzione. Il transistore riceve una corrente ed una tensione dette di pilotaggio. Il punto di lavoro di esso si sposta lungo la sua Curva caratteristica (tracciata in funzione del tempo e della corrente di collettore), dal valore corrispondente alla piccola corrente residua con tensione di lavoro, al valore corrispondente alla corrente di collettore con tensione di saturazione. (Cioè dal punto A al punto B nella figura I6). Questa variazione del punto di lavoro non è istantanea. ma impiega un certo intervallo di tempo. Per definire meglio questo tempo di inserzione, lo si misura fra due istanti in cui la corrente lC passa dal l0% al 90% dei suoi valori estremi. Il simbolo per il tempo d’inserzione, detto anche tempo di salita, è tr: (“r” dall’inglese rise = salita). Teoricamente il tempo d‘inserzione è un pò maggiore del tempo di salita a causa del cosidetto tempo di ritardo, che però è talmente piccolo che in pratica viene trascurato.

Fig 17 – Inserzione

Il tempo di inserzione di un transistore può essere ridotto rinforzando il segnale di pilotaggio. Occorre per questo che la corrente di pilotaggio sia maggiore di quella effettivamente necessaria per consentire il passaggio della corrente di collettore, limitata dalla resistenza di carico.

Il rapporto fra la corrente di base usata effettivamente (lBI) e quella necessaria al pilotaggio (lBI), è chiamato fattore di sovrapilotaggio.

Fig. 18 – Curva del tempo di inserzione in funzione del fattore ü di sovrapilotaggio.

Come si può rilevare dal diagramma, oltre un certo limite l’aumento del rapporto u non porta ad alcuna ulteriore riduzione del tempo di inserzione.

Come più tardi studieremo il sovrapilotaggio di un transistore disturba durante la disinserzione. Si cerca perciò di usare una maggior corrente di base solo durante E l’inserzione. Una disposizione circuitale adatta a questo scopo è indicata dalla figura 19. Nell’applicare la tensione di pilotaggio viene istantaneamente fornita al circuito della base, la corrente, relativamente forte, di carica del condensatore. Poi la corrente di base del transistore, ormai inserito, viene limitata dalla resistenza RB che lascerà passare solo la corrente di base necessaria a permettere il fluire della corrente IC del transistore in conduzione.

Fig. 19 – Sovrapilotaggio di un transistore solo durante I’inserzione

Il tempo di disinserzione è formato dal tempo di immagazzinamento e dal tempo di caduta sommati assieme. Durante il primo la corrente di collettore fluisce ancora col suo valore pieno. Il tempo di caduta, similmente a quello di salita, viene misurato dal momento in cui la corrente di collettore scende dal 90% al 10% dei suoi valori estremi.

Il simbolo per il tempo di immagazzinamento è ts (in inglese “s” da storage = immagazzinamento), e quello per il tempo di caduta è tf(in inglese “f” da fall = caduta).

Fig. 20 – Disinserzione

Il tempo di immagazzinamento è tanto più grande quanto maggiore è il fattore di sovrapilotaggio ü( poiché la base del transistore si trova innondata da una esuberanza di portatori di cariche, che debbono essere rimosse prima che la corrente di collettore inizi a diminuire. Questa rimozione avviene tramite una corrente diretta in senso inverso di quella inviata per il pilotaggio, e vien detta corrente di svuotamento.

Il tempo di immagazzinamento, diviene perciò tanto più breve, quanto maggiore è questa corrente di svuotamento. Il rapporto fra corrente di svuotamento IBI (vedi figura 18) è detto fattore di svuotamento a.

Fig. 21 -Tempo di immagazzinamento in funzione del fattore ü di sovrapilotaggio e del fattore a di svuotamento. A parità di ü il tempo ts decresce con l’aumentare di a.

Una notevole corrente di svuotamento non solo accorcia il tempo di immagazzinamento, ma anche il tempo di caduta.

Ciò è senz’altro comprensibile, poiché il rapido diminuire dei portatori di cariche nella base, perdura anche durante il tempo di caduta. Quindi l’iniziale sovrapilotaggio del transistore non ha più alcuna influenza, poiché la sovrabbondanza di portatori di cariche provocate da esso nella base venne già asportata durante il tempo di immagazzinamento.

Fig. 22 – Andamento del tempo di caduta in funzione del fattore di svuotamento a

Si potrebbe ad esempio ottenere un alto fattore di svuotamento, se si applicasse alla base di un transistore NPN una tensione negativa rispetto al potenziale dell’emettitore. Ciò però comporterebbe un sensibile aumento di costo del circuito di commutazione, e perciò si preferiscono generalmente altre soluzioni. Una di queste, spesso adottata, è indicata dalla figura 23. Nel circuito del collettore viene inserito un diodo al silicio collegato nel senso della conduzione, ai capi del quale venga a crearsi una tensione da 0,5 a 0,7 V.

In queste condizioni, se si interdice il transistore ad es. ponendo in corto circuito l’entrata, il potenziale alla base verrebbe a trovarsi più negativo rispetto all’emettitore proprio di quel suddetto valore di tensione creato dal diodo. Anche il famoso condensatore, necessario per avere un sovrapilotaggio all’inserzione (figura 19), aumenta il fattore di svuotamento: infatti esso è carico con le polarità indicate in figura e perciò fornisce una ulteriore tensione negativa alla base, quando il transistore viene disinnescato.

Fig. 23 – Aumento del fattore di svuotamento

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