transistori

I transistori sono i componenti base dell'elettronica moderna. Nella forma discreta sono singoli mentre in quella integrata sono decine o milioni all`interno di un circuito integrato.

Si evidenziano due applicazioni fondamentali:

interruttore ON/OFF statico (senza parti in movimento) in elettronica digitale (per la realizzazione delle porte logiche) e in sostituzione del relè ( per il comando di carichi)
amplificatore in elettronica analogica

interruttore statico

In un semplice interruttore elettromeccanico il passaggio tra i due stati, cc e ca, avviene perchè si agisce su una parte meccanica in movimento che apre o chiude un contatto.

Invece un interruttore elettronico cambia lo stato del contatto tra i due terminali di uscita, al variare della tensione o corrente di comando (ingresso), senza parti meccaniche in movimento. In altre parole, in funzione del comando di ingresso, il dispositivo presenta alta o bassa resistenza tra i terminali di uscita.

Dal punto di vista della potenza dissipata dal dispositivo, idealmente si vorrebbe:

nel circuito di comando di ingresso una potenza nulla (corrente di ingresso nulla in entrambi gli stati ON/OFF)
potenza dissipata sul contatto di uscita nulla:
- - nello stato ON perfetto cc, tensione nulla tra i terminali
  - nello stato OFF perfetto ca, corrente nulla

L'applicazione tipica è quella del pin di uscita di un integrato, che ad es. può erogare meno di 1mA, e che deve gestire correnti molto più elevate sui più svariati attuatori: si dice che è necessaria una interfaccia di potenza, buffer, realizzabile tramite i transistori. Un'altra importante applicazione è la realizzazione delle porte logiche con un uso più limitato di resistenze non gradite perchè dissipano potenza. (la DL impiega resistenze)

transistori discreti e contenitori

Tecnologie costruttive

Ci sono due tecnologie storiche principali: MOS (contrazione di MOSFET, metal oxide semiconductor field effect transistor) e BJT (bipolar junction transistor). Ci occupiamo dei BJT

Wafer di silicio

BJT

I BJT sono formati da tre zone drogate alternativamente, alle quali si accede da tre terminali:

collettore, la zona più ampia
base, zona drogata di tipo opposto alle altre due e a loro intermedia
emettitore

La freccia sul simbolo indica l'emettitore: se uscente il bjt è NPN

Nelle figure si osserva:

una possibile sezione trasversale ( con uno spessore totale minimo di 150 um, notevolmente ridimensionato per esigenze grafiche rispetto alla profondità delle giunzioni)
i simboli grafici NPN e PNP
un circuito di polarizzazione didattico.

Analogia con l`acqua, transistor come rubinetto

Un transistor è come un valvola, un meccanismo che possiamo usare per controllare la portata dell'acqua. Questo controllo può avvenire in tre modi:

1) OFF- Circuito Aperto

BJT interdetto

Quando una valvola è chiusa può fermare il flusso d'acqua completamente.

Allo stesso modo un transistor può essere usato per creare un circuito aperto tra i pin collettore ed emettitore

2) ON - Corto Circuito

BJT saturo

Una valvola può essere aperta, permettendo all'acqua di fluire liberamente

Allo stesso modo, nelle giuste circostanze, un transistor può apparire come un corto circuito tra i pin collettore ed emettitore.

3) Controllo lineare del flusso

BJT in regione attiva

Una valvola può essere regolata per controllare la portata d'acqua tra completamente aperta e chiusa.

Un transistor può fare la stessa cosa: il segnale di regolazione in ingresso (che gestisce la valvola) può impegnare una potenza inferiore a quella del segnale regolato linearmente in uscita, con conseguente amplificazione. Il guadagno di potenza è a scapito dell'alimentatore in continua.

Polarizzazione delle due giunzioni JE e JC

E' comprensibile che il funzionamento dipenda dallo stato di conduzione delle due giunzioni (polarizzare significa applicare tensioni costanti):

JE dipende da VBE, JC da VCB

Sono possibili 4 modalità di polarizzazione:

funzionamento da interruttore aperto: JE OFF, JC OFF. BJT interdetto.
funzionamento da interruttore chiuso: JE ON, JC ON. BJT saturo.
funzionamento da amplificatore: JE ON, JC OFF. BJT in regione attiva
funzionamento inverso: JE OFF, JC ON, non si utilizza.

La polarizzazione delle due giunzioni dipende da un alimentatore, da eventuali resistenze o altri BJT, dalla tensione di ingresso.

Ovviamente un BJT non è realizzabile collegando due diodi discreti come in figura a causa dello spessore limitatissimo della regione di base che innesca fenomeni fisici molto complessi. A causa di questa complessità non si spiega in questa sede il significato del termine transistor (transfer resistor, ossia resistenza di trasferimento).

APPLICAZIONI ON/OFF

NPN per controllare un carico, ad es. un LED.

Mentre un normale interruttore richiederebbe un intervento fisico, questo interruttore è controllato dalla tensione al pin base. Ad es. un microcontrollore si può programmare per generare su un pin di out una tensione 5V/0V, HIGH/LOW, per accendere o spegnere un LED.

Quando la tensione sulla base è maggiore di 0,7V, quindi in termini di potenziale Vb>Ve ed Vb>Vc, il transistor si presenta come un cortocircuito tra il collettore e l'emettitore. Quando la tensione sulla base è inferiore di 0,7V il transistor è in interdizione e nessuna corrente fluisce perchè è come se fosse un circuito aperto tra C ed E.

Si osservi che il carico può avere in comune con altri carichi, comandati da altri interruttori, il terminale +5V

PNP per controllare un carico, ad es. un motore DC

Si osservi che il carico è sempre sul collettore, come nel caso NPN, altrimenti la saturazione non è possibile. Il carico può avere in comune con altri carichi il terminale GND.

Ponte-H

Un ponte-H è in grado di azionare i motori DC in senso orario e antiorario. È un circuito molto popolare ed è la forza trainante di innumerevoli robot che sono in grado di muoversi sia in avanti che indietro.

Fondamentalmente un ponte-H è una combinazione di quattro transistor con due ingressi e due uscite.

Il livello logico alto interdice il bjt PNP e satura il bjt NPN.

Se entrambi gli ingressi sono alla stessa tensione (stesso livello logico) le uscite al motore saranno alla stessa tensione e il motore non sarà in grado di girare. Ma se i due ingressi sono opposti il motore girerà in un senso o nell'altro.

A causa della componente induttiva del motore sono necessari i diodi di ricircolazione della corrente per proteggere i BJT e tanti altri dispositivi di contorno. In pratica conviene utilizzare ponti integrati se disponibili rispetto ai valori di tensione, corrente e potenza richiesti.

Condizioni per il funzionamento ON/OFF nel caso NPN

per la condizione OFF:

Vbb=0V pone in OFF JE (IB=0A), mentre VCC pone in OFF JC (IC=0A). Tutte le correnti sono nulle.

Per la condizione ON:

VCE< VCEsat (0,2V per comuni BJT) che ci assicura: un relativo buon cc, una potenza dissipata sul BJT quasi nulla (VCE*IC), la max tensione su Rc relativamente a VCC. Si assume VBE=VBEsat (0.8V per i comuni BJT).
IC<hFEmin*IB. hFE ha valori variabili tra un minimo di 10 e valori oltre 400

FUNZIONAMENTO DA PORTA NOT

Per il circuito precedente è semplice verificare questa funzionalità logica con ingresso Vi ed uscita VCE.

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