Transistor Tutorial 2/2

Transistor Tutorial

Transistor Tutorial Seconda Parte

La simulazione può essere applicata anche a configurazioni in cui il transistor funziona a tutto-o-niente, cioè o in stato di interdizione (aperto) o in saturazione (chiuso), anzi in questi casi è ancora più semplice studiarne il comportamento, determinando prima i valori nelle condizioni stabili e raccordandoli poi con le equazioni dinamiche (esponenziali, funzioni delle costanti di tempo).

1.Il circuito monostabile

Un primo caso che può essere preso in considerazione è quello del circuito monostabile, in cui la momentanea chiusura di un pulsante (P) provoca la chiusura del transistor d’uscita (TR2) per un tempo prefissabile. E questo il tipico caso del temporizzatore utilizzato negli automatismi industriali.


Fig.4 Simulazione di un circuito monostabile (temporizzatore).

All’atto dell’alimentazione, il condensatore si carica praticamente al valore di alimentazione attraverso la resistenza di collettore di TR2, forzando in conduzione TR1.

Con TR1 chiuso, la base di TR2 è mantenuta sotto la soglia di conduzione, quindi TR2 è aperto.

Se a questo punto si chiude P, la tensione del condensatore diventa una polarizzazione negativa sulla base di TR1 (vedi grafico di Vb1, azzurro), che si interdice, cioè si apre.

A questo punto la resistenza di collettore di TR1 diventa la resistenza di base di TR2, che passa in conduzione, e vi rimane (anche quando si rilascia P), finché il condensatore non si è scaricato.

I grafici riportano l’andamento dei valori di tensione calcolati dal programma di simulazione rispettivamente sulle basi (Vb1, azzurro e Vb2, magenta) e sul collettore d’uscita (Vc2, rosso).

Interessanti esercitazioni potrebbero essere la determinazione pratica dei valori da assegnare alle resistenze di collettore (rispettivamente Rc1 che diventa resistenza di base Rb2 quando TR2 conduce, ed Rc2 che determina il segnale d’uscita) o la ricerca della relazione fra valore del condensatore e tempi di mantenimento (regolabili poi fra un massimo ed un minimo con il cursore).

2.Il circuito astabile

Di grande importanza è anche il circuito che commuta automaticamente di stato in tempi prefissabili, il classico oscillatore.

L’accoppiamento incrociato, mediante condensatori, fra le rispettive resistenze di collettore e di base, provoca un comportamento simile a quanto visto precedentemente: quando un condensatore si è scaricato, si verificano le condizioni per la conduzione del transistor che era interdetto e questo provoca a sua volta l’interdizione dell’altro transistor che era in conduzione.

Questo scambio si ripete all’infinito, generando forme d’onda quadre, con tempi di impulso e pausa regolabili mediante i potenziometri posti nei rispettivi circuiti di base (variabili da 5 a 50 kOhm)


Fig.2 Simulazione di un circuito astabile (oscillatore)

La simulazione, effettuata col solito modello, consente di verificare questo comportamento permettendo di variare a piacere sia la frequenza, sia il rapporto impulso/pausa della forma d’onda in uscita (Vc2).

Anche in questo caso naturalmente, la simulazione può permettere la progettazione circuitale, cioè la determinazione dei valori più opportuni delle resistenze e dei condensatori da utilizzare (indicati in figura appunto senza i rispettivi valori.).

3.Il circuito bistabile

Altri fondamentali circuiti delle tecniche digitali sono i circuiti che possono assumere (e mantenere stabilmente) uno o l’altro dei 2 possibili stati, comunemente noti come flip-flop.

Tra le diverse possibili versioni, viene qui considerata quella in cui il cambiamento di stato viene provocato dal fronte d’onda di un impulso.

Poiché, come è evidente, il circuito riassume la situazione di partenza ogni 2 impulsi, questo è la base di qualsiasi dispositivo di conteggio.

E anche comunemente definito come T-flip-flop o divisore di frequenza.

Il circuito tipico, riportato in fig.3, è pilotato da un pulsante P (che può essere sostituito da un transistor, come ad esempio lo stadio finale dell’oscillatore precedente), che viene chiuso momentaneamente: ad ogni chiusura corrisponde il cambiamento di stato dell’uscita (rappresentato dalla tensione di collettore di TR2, cioè Vc2).

All’applicazione dell’alimentazione, una piccola dissimmetria circuitale porta uno dei 2 transistor in conduzione (supponiamo TR2) , mentre l’altro (TR1) è interdetto.

Questo provoca la carica del condensatore nel circuito di base di TR2, mentre quello del circuito di base di TR1 rimane scarico.

Poiché con pulsante P aperto i 2 condensatori a lui collegati si caricano, la sua chiusura provoca un’interdizione forzata di entrambi i transistor. Per il fatto pero che solo uno dei condensatori delle basi è scarico, l’effetto di apertura dei transistor provoca la carica di questo, con conseguente forzatura in conduzione del transistor relativo.

In pratica, ad ogni chiusura impulsiva di P si ha uno scambio di stato fra i 2 transistor (non viene simulato l’effetto della carica dei condensatori).


Fig.3 Simulazione di un circuito bistabile (T-flip-flop).

Conclusioni

Con questa breve panoramica di circuiti fondamentali, si è voluta dimostrare la possibilità di applicazione del modello matematico del transistor alla simulazione circuitale mediante calcolatore.

Dovrebbe comunque essere ovvio che la possibilità di simulazione con calcolatore va ben oltre il caso particolare dei transistor (oggi tecnologicamente sempre più superati da configurazioni integrate). Anzi, proprio l’attuale complicazione dei componenti spinge ad indagini non più basate sulla pura intuizione e su procedimenti sperimentali classici.

L’utilizzo del calcolatore in questo campo richiede tuttavia un approccio ai problemi che attualmente non è sufficientemente diffuso nelle scuole italiane.

La digitalizzazione delle soluzioni richiede di saper convertire un progetto in una procedura logico-matematica qual è un programma per calcolatore ( e questo è tutt’altra cosa che saper utilizzare Word o PowerPoint o navigare in Internet).

Mi auguro che la modellizzazione del transistor qui presentata serva almeno ai Docenti come stimolo per un approfondimento in questo campo.

Le versioni esecutive dei programmi descritti ed il dettaglio degli algoritmi utilizzati, sono comunque gratuitamente a disposizione dei Docenti su semplice richiesta via e-mail a:

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Leggi anche: Transistor Tutorial 1/2

Repost: 4 Gen 2009

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