Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 30

Nella precedente Puntata 29 del Corso di Elettronica per ragazzi, abbiamo iniziato un nuovo argomento, il transistor a giunzione bipolare (BJT). Dopo una descrizione introduttiva generale, è stato descritto il funzionamento fisico del transistor di tipo NPN, abbiamo analizzato il flusso delle correnti al suo interno ed abbiamo descritto le costanti β e α del transistor. In questa nuova Puntata del corso, tratteremo le configurazioni di polarizzazione con due tensioni di alimentazione del transistor NPN e PNP, descriveremo l’influenza di alcuni elementi sulla stabilità della corrente di emettitore (e quindi di collettore) come, ad esempio, la corrente di dispersione ICBO. Infine, faremo delle esercitazioni teoriche con circuiti a transistor PNP e NPN.

Introduzione

Nella Puntata precedente, analizzando il funzionamento fisico del transistor NPN abbiamo visto in che modo scorrono le correnti quando le giunzioni base-emettitore e base-collettore sono alimentate, rispettivamente direttamente e inversamente, per far funzionare il transistor in zona attiva. Abbiamo anche evidenziato che in questa analisi la direzione delle correnti è quella reale effettiva, ma abbiamo anche detto che per convenzione nel calcolo dei circuiti il verso è opposto a quello reale fisico effettivo. Pertanto, nello schema dei transistor NPN e PNP operanti in zona attiva, di seguito riportato in Figura 1, il verso delle correnti è quello adottato convenzionale, ovvero la corrente scorre dal potenziale più alto al potenziale più basso.

Figura 1: Schemi teorici dei transistor NPN e PNP

Si noti che il verso della freccia all’interno del simbolo del transistor indica proprio il verso di scorrimento (convenzionale) della corrente di emettitore. Inoltre, dalla convenzione del verso delle correnti ne consegue la polarità dei generatori di tensione che alimentano i transistor; infatti, seguendo il verso della corrente di emettitore IE del transistor NPN, la corrente fluisce dal polo positivo della batteria VBE al negativo, dove VBE sta ad indicare la differenza dei potenziali VB-VE>0, ossia il potenziale VB è più alto del potenziale VE poiché la giunzione base-emettitore deve essere polarizzata direttamente. Lo stesso discorso vale per i generatori di tensione VCB, ovvero VC-VB>0 per polarizzare inversamente la giunzione collettore-base.

Riassumendo, nel transistor NPN, per garantire il funzionamento in zona attiva, la giunzione base-emettitore deve essere polarizzata direttamente imponendo il potenziale di base VB maggiore di quello dell’emettitore VE, per cui deve essere VBE=VB-VE>0; inoltre, il collettore deve essere ad un potenziale maggiore di quello della base per ottenere una polarizzazione inversa della giunzione collettore-base, perciò abbiamo detto che deve essere VCB=VC-VB>0. Per quanto riguarda il transistor PNP operante in zona attiva, la giunzione base-emettitore deve essere polarizzata direttamente imponendo il potenziale di emettitore VE maggiore di quello della base VB, quindi deve essere VEB=VE-VB>0; diversamente dalla giunzione base-emettitore, la giunzione collettore-base per essere polarizzata inversamente occorre che il collettore sia ad un potenziale inferiore rispetto al potenziale della base, il che significa che VBC=VB-VC>0.

Per quanto affermato sopra, è fondamentale ricordare che:

la differenza di potenziale della giunzione base emettitore polarizzata direttamente dei due tipi di transistor, viene denominata VBE per il transistor NPN (potenziale VB>VE), mentre è denominata VEB per il PNP (potenziale VE>VB);

la differenza di potenziale della giunzione collettore-base polarizzata inversamente dei due tipi di transistor, viene denominata VCB per il transistor NPN (potenziale VC>VB) e VBC per il PNP (potenziale VB>VC).

Come vedremo più avanti nello svolgimento delle esercitazioni, nell’analisi di circuiti con transistor sarà molto importante avere le idee ben chiare riguardo il verso di correnti e tensioni. E' comunque da considerare che la configurazione circuitale di polarizzazione dei transistor mostrata in Figura 1 è puramente dimostrativa, in quanto, in pratica, i transistor non saranno alimentati dai generatori di tensione collegati direttamente ai terminali del transistor ma, come sarà spiegato nel prossimo capitolo, il circuito di polarizzazione è un pò diverso per la presenza di qualche resistore.

Polarizzazione del transistor

Per funzionare correttamente in zona attiva, un transistor deve essere polarizzato in modo tale da garantire che la corrente continua che scorre nel transistor sia costante e insensibile (o indipendente) alle variazioni ambientali della temperatura e del parametro di amplificazione di corrente ß (chiamato anche hFE*) che sappiamo sia una costante, ma può essere di valore diverso per transistor dello stesso tipo; ad esempio, in un lotto di transistor NPN BC547, ß (hFE) può variare molto, come possiamo rilevare nell’estratto del datasheet del BC547 riportato in Figura 2.

*hFE è un acronimo che significa “Hybrid parameter Forward current gain and common Emitter configuration”, che tradotto vuol dire “parametro ibrido guadagno di corrente continua in configurazione ad emettitore comune”.
In una prossima puntata chiariremo il significato di “configurazione ad emettitore comune”.

Figura 2: Parametro hFE del transistor BC547

Un transistor può essere polarizzato utilizzando due generatori di tensione, ottenendo una configurazione di polarizzazione più semplice, oppure con una sola sorgente di alimentazione, ovviamente in ogni caso deve essere garantita la condizione di polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore e di polarizzazione inversa della giunzione base-collettore, che consente di far funzionare il transistor in zona attiva.

Polarizzazione con due tensioni di alimentazione

Un circuito in cui un transistor NPN è polarizzato con due tensioni di alimentazione è mostrato in Figura 3. Nello schema sono indicate anche le tensioni ai terminali del transistor.

Figura 3: Transistor NPN polarizzato con due tensioni di alimentazione

Osservando lo schema di Figura 3, calcoliamo la corrente di emettitore IE. Prima di procedere con i calcoli, riportiamo le relazioni di correnti e parametri che abbiamo affrontato nella precedente Puntata 29:

• IE=IC+IB
• IB=IC/β
• IC= α*IE
• β=Guadagno di corrente continua IC/IB (configurazione emettitore comune)
• α=Efficienza di conduzione di corrente continua IC/IE (configurazione emettitore comune)
• α= β/( β+1)

Sostituendo la relazione di IB nell’equazione di IE:

IE=IC+IC/β

Da quest’ultima possiamo riscrivere l’equazione di IE:

IE=IC*( β+1)/β

Ora applichiamo la legge di kirchhoff delle tensioni (LKV) alla maglia VEE-RB-VBE-RE:

VEE-RB*IB-VBE-RE*IE=0

Dato che:

IB=IC/ β, IC= α*IE e α= β/( β+1), la relazione IB può essere così riscritta:

IB= (α*IE)/β, da cui, sostituendo α= β/( β+1), la nuova IB sarà:

IB= [β/( β+1)*IE]/β=IE/(β+1)

Riscriviamo la relazione calcolata con la LKV sostituendo la IB:

VEE-RB*IE/(β+1)-VBE-RE*IE=0

A questo punto, isoliamo e cambiamo di segno i termini contenenti IE:

RB*IE/(β+1)+RE*IE=VEE-VBE

Poi raccogliamo a fattor comune il termine IE:

IE*[RB/(β+1)]+RE=VEE-VBE

Infine, ricaviamo la relazione della corrente di emettitore IE riportata in Figura 4:

Figura 4: Formula della corrente IE

Dalla formula mostrata in Figura 4 possiamo trarre alcuni importanti suggerimenti utili per progettare un circuito di polarizzazione di un transistor, che renda indipendente la corrente IE da variazioni della tensione VBE, dal parametro β e dalla temperatura. Ad esempio, scegliendo un valore di tensione di alimentazione VEE>>VBE si rende irrilevante l’impatto sulla tensione di alimentazione delle fluttuazioni della tensione base-emettitore VBE, inoltre, una resistenza di emettitore RE molto elevata, tale che RE>> RB/(β+1), rende IE indipendente dal parametro β. Di seguito, analizziamo l’impatto di variazioni della temperatura sulla corrente IE.

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