Transistor BJT

CARATTERISTICHE DEL BJT

Si dicono caratteristiche del BJT le curve tensione corrente dei vari terminali del BJT.

Si dice caratteristica di ingresso la curva che esprime l'andamento della corrente di base I_B in funzione della tensione di base V_BE, come la seguente, che si riferisce al transistor NPN BCW82.

Caratteristica di ingresso di un BJT

Vediamo come la caratteristica di ingresso corrisponde a quella di un diodo, infatti tra base ed emettitore il transistor si comporta come un diodo; vediamo, infatti che la corrente di base è nulla, quando la V_BE è minore della tensione di soglia, che nel nostro caso coincide all'incirca con 0,6 V, superata la tensione di soglia la corrente di base aumenta rapidamente.

Si dicono caratteristiche di uscita quelle che esprimono la corrente di collettore I_C in funzione della tensione V_CE, mantenendo costante la I_B; come le seguenti, che si riferiscono sempre al BCW82

Caratteristiche di uscita di un BJT

Notiamo che vi sono diverse caratteristiche di uscita, ognuna ottenuta per un valore prefissato della corrente di base I_B; infatti la prima caratteristica, partendo dal basso è stata ottenuta per una I_B = 5 m A; cioè mantenendo costante la I_B all'aumentare della V_CE, inizialmente la I_C è zero; poi aumenta linearmente e rapidamente fino al ginocchio; superato il ginocchio, la I_C resta praticamente costante, anche se aumenta la V_CE.

Le caratteristiche sono importanti per la determinazione del punto di lavoro; si dice punto di lavoro un punto di cui sono note tensione e corrente a riposo, cioè in assenza di segnale; esempio se prendo il punto P, come nel seguente diagramma:

possiamo notare che essendo situato sulla caratteristica per I_B = 15 m A la corrente di base sarà I_B = 15 m A; la tensione V_CE sarà 1,0 V; la corrente di collettore sarà circa I_C = 4,6 mA.

RETTA DI CARICO

Si dice retta di carico la retta che ha come equazione l'equazione della maglia di uscita, cioè

V_CC = R_C I_C + V_CE + R_E I_E

Per rappresentarla sulle caratteristiche di uscita, occorre prendere due punti.

Retta di carico

Supponiamo che V_CC = 2,0 V; quando I_B = 0 e I_C = 0 dalla equazione della retta di carico si ottiene che V_CE = V_CC; quindi un punto sarà quello sull'asse orizzontale, avente coordinate ( 2,0 ; 0).

Supponendo invece che la V_CE sia nulla, dalla equazione della retta di carico otteniamo V_CC = R_C I_C + R_E I_E; e trascurando I_B rispetto a I_C , otteniamo il secondo punto I_CMAX = V_CC/ (R_C + R_E); quindi il secondo punto ha coordinate (0; V_CC/ (R_C + R_E)); unendo i due punti otteniamo la retta di carico.

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PROGETTO DI UN CIRCUITO DI POLARIZZAZIONE

In sede di progetto del circuito di polarizzazione si usano i seguenti criteri pratici. Per la V_CE si fissa un valore all'incirca uguale a V_CC/2;

per la caduta di tensione ai capi di R_E, cioè V_E, si fissa un valore uguale a V_CC/10; per la corrente del partitore I_P si fissa una corrente uguale a I_C/10. Con l'aiuto delle caratteristiche e delle equazioni della maglia di uscita e della maglia di ingresso si calcolano i valori di tutti i resistori.

Esempio

Dato il BJT BCW82, in base alle caratteristiche di uscita fissiamo una V_CC = 2,0 V; fissiamo una V_CE = V_CC/2 = 2/2 = 1 V; fissiamo V_E = V_CC/10 = 2/10 = 0,2 V ;

Retta di carico

Dalle caratteristiche di uscita scegliamo una caratteristica che sia centrale, per esempio quella di I_B =15 m A; dalla lettura della caratteristica leggiamo I_C = 4,6 mA; quindi

I_E = I_C + I_B = 4,6 mA +15 m A = 4,615 mA

Quindi R_E = V_E/I_E = 0,2/0,004615 = 43 W

Dall'equazione della retta di carico ci calcoliamo R_C;

R_C = (V_CC - V_CE - V_E)/I_C = (2 - 1 - 0,2) /0,0046 = 0,8/0,0046 = 173 W

Controlliamo I_CMAX = V_CC/ (R_C + R_E) = 2/( 173 + 43) = 9,25 mA; mentre sul diagramma delle caratteristiche di uscita leggiamo 9 mA; i due valori, a parte gli errori grafici, sono attendibili.

Per calcolare il partitore, dalla caratteristica di ingresso ci ricaviamo una V_BE= 0,8 V; quindi: R₂ I₂ = V_BE + V_E = 0,8 + 0,2 = 1 V

Essendo I₂ = I_P = I_C/10 = 4,6 /10 mA = 0,46 mA, otteniamo:

R₂ = 1/0,00046 = 2174 W

Per R₁ essendo

R₁ I₁ = V_CC - R₂ I₂ = 2 - 1 = 1 V

Ed essendo

I₁ = I_P + I_B = 0,46 ma + 15 m A = 0,475 mA

Otteniamo: R₁ = 1/ 0,000475 = 2105 W

Naturalmente si sceglieranno i valori commerciali vicini a quelli teorici.

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IL TRANSISTOR COME INTERRUTTORE

Il transistor, opportunamente polarizzato, può essere utilizzato come un interruttore che può essere aperto o chiuso, regolando la corrente di base. Consideriamo il seguente circuito:

Spostando l'interruttore verso l'alto la base conduce; verso il basso la base non conduce

Quando l'interruttore si trova verso il basso, la tensione V_BE = 0; la corrente di base I_B = 0; la I_C = 0; il transistor è interdetto, non conduce e si comporta come un circuito aperto. La tensione di uscita sul collettore assume il massimo valore V_u = V_CC.

Quando, invece, spostiamo verso l'alto l'interruttore, la base del transistor è polarizzata direttamente, il transistor va in saturazione, la I_C assume il massimo valore, il transistor si comporta da circuito chiuso. La tensione di uscita assume il valore V_u = 0.

Se consideriamo le caratteristiche di uscita del BJT:

Le tre zone del BJT

Possiamo considerare tre zone:

Zona di saturazione: è la zona in cui il transistor conduce, I_C raggiunge il massimo valore, V_CEassume valori molto bassi.

Zona attiva: è la zona centrale delle caratteristiche, in tale zona viene utilizzato come amplificatore, avendo un comportamento abbastanza lineare.