Soggetti:
- Generale
- Funzionamento del transistor
- Il transistor come interruttore
- Il transistor come amplificatore
- Caratteristica del transistor
- Esempio di circuito con una caratteristica
- Transistor Darlington
nel complesso:
I transistor hanno 2 diverse applicazioni, vengono utilizzati come:
- Amplificatore (pensa a un amplificatore audio)
- Interruttore (un transistor può commutare grandi potenze molto rapidamente e viene utilizzato, tra l'altro, nei dispositivi di controllo dell'auto).
I transistor sono controllati con la corrente. Nei microprocessori, ad esempio, si vuole mantenere la corrente il più bassa possibile a causa dello sviluppo di calore. In questo caso viene spesso utilizzato il MOSFET.
Esistono 2 tipi di transistor, vale a dire il transistor NPN e il transistor PNP. Questi sono descritti di seguito.
Transistor NPN:
La B sta per “Base”, la C per “Collettore” e la E per “Emettitore”.
Con il transistor NPN, la freccia punta lontano dal transistor. Questo transistor viene spesso utilizzato quando è un "circuito di terra", in cui l'emettitore è collegato a terra.
Transistor PNP:
Con il transistor PNP la freccia punta verso il transistor. Un utile mnemonico per PNP è “Arrow to Plate”.
Funzionamento del transistor:
Nella tecnologia automobilistica, il transistor viene spesso utilizzato come interruttore, quindi ne parleremo più approfonditamente. Prendiamo come esempio un transistor NPN.
L'immagine mostra la base a sinistra, sopra il collettore e sotto l'Emettitore. Quando una corrente di base inizia a fluire (freccia blu), segue il suo percorso verso l'emettitore. Ciò fa anche sì che una corrente dal collettore fluisca verso l'emettitore. Non appena la corrente di base scompare, si interrompe anche la corrente dal collettore all'emettitore.
Se passa metà della corrente di base, scorrerà anche metà della corrente (rispetto a I max.). È quindi chiaramente visibile che la corrente commutata attraverso il transistor (da C a E) dipende completamente dall'altezza di B.
Un transistor presenta sempre perdite di tensione dovute alla transizione PN. Tra la base e l'emettitore è 0,7 Volt e tra il collettore e l'emettitore 0,3 Volt.
Il transistor come interruttore:
Nell'esempio seguente una lampada da 12 volt/5 watt viene controllata con un transistor. La tensione di UB1 (sorgente di tensione 1) è la tensione della batteria di 12 volt. La lampada è collegata a terra. La base del transistor è controllata con UB2; “la sorgente di tensione 2” di 6 volt.
La tensione di perdita tra collettore ed emettitore (UCE) è di 0,3 volt e tra base ed emettitore (UBE) è di 0,7 volt. Lo vedremo riflesso nel calcolo seguente. Il fattore di amplificazione è impostato su 200. Questo può sempre variare. Il fattore di guadagno è il rapporto tra la corrente di base e la corrente Collettore-Emettitore.
Un circuito deve sempre essere costruito con una certa resistenza (RB nello schema sopra). Se questo resistore non fosse presente, il transistor si guasterebbe immediatamente. Il valore che dovrà avere la resistenza RB dipende da tutti i fattori; vale a dire le tensioni sia su UB1 che su UB2 e la corrente richiesta per i componenti (resistori o lampade), ecc. Ora calcoleremo la resistenza di carico RB.
Per calcolare la resistenza al carico RB è necessario prima calcolare la resistenza attraverso la lampada.
Ora che è nota la resistenza RL, è possibile calcolare la corrente di collettore (IC).
UCEsat sta per “saturazione”, o in altre parole; saturazione. Non appena il transistor è in conduzione, tra i punti C ed E (collettore-emettitore) si verifica una caduta di tensione di 0,3 volt.
Il passo successivo è determinare la corrente di base (IB):
A ciascun circuito a transistor si applica un margine di sicurezza (IBK) di 1,5 x IB. Quindi il valore di IB deve essere moltiplicato nuovamente per 1,5. Il motivo di ciò verrà spiegato più avanti.
La corrente di base è solo il 12% della corrente Collettore-Emettitore. Ora è chiaramente visibile che un transistor può essere trasformato in una grande corrente principale da una piccola corrente dei bassi.
Ora che tutte le correnti nel diagramma sono note, è possibile calcolare la resistenza RB.
UBE è la tensione tra la base e l'emettitore. A causa del materiale conduttivo del transistor, tra i punti B ed E si verifica sempre una caduta di tensione di 0,7 Volt.
Non esistono resistori standard che siano esattamente 1,74k (Kilo-Ohm). Pertanto è necessario scegliere un resistore standard con un valore diverso. La scelta deve essere effettuata tra le resistenze disponibili della serie E12.
La resistenza richiesta di 1,74k è compresa tra 1,5k e 1,8k. In tal caso, dovrebbe essere scelto il valore di resistenza più basso; per 1,5k. Questo per garantire che l'invecchiamento e l'usura dei componenti non influenzino le correnti nel circuito.
Il transistor come amplificatore:
Il transistor può essere utilizzato come amplificatore. La corrente di base può essere modificata ruotando un potenziometro. Variando la corrente di base, cambia la tensione di guadagno e quindi la tensione ai capi del collettore-emettitore.
Caratteristica del transistor:
Una caratteristica può essere fatta di un transistor NPN, vedere l'immagine qui sotto:
1° quadrante (in alto a destra) = UCE – IC
La linea ha una pendenza verso l'alto fino a 0,3 volt. Quest'area è UCEsat (saturazione del transistor). Successivamente la linea corre quasi orizzontalmente.
2° quadrante (in alto a sinistra) = IB – IC
Qui è indicato il collegamento tra UB e IC. IC = HFE x IB, con questa caratteristica HFE= 10, quindi IC è 10 volte più grande di IB. Il fattore di sicurezza IB = 1,5 x IBK non è stato ancora preso in considerazione.
3° quadrante (in basso a sinistra) = UBE – IB
La caduta di tensione tra la base e l'emettitore di un transistor è la tensione di soglia di un diodo. La tensione di soglia è 0,7 Volt. Da questa tensione il transistor inizia a condurre e la corrente di base IB inizia a fluire. Ciò può essere ricondotto anche alla caratteristica.
Esempio di circuito con una caratteristica:
Ora è il momento di un (semplice) esempio di circuito con una caratteristica del transistor associata. IB = 1,5 x IBK è incluso qui, risultando in una linea orizzontale sull'asse di IB. Nel circuito seguente, UB1 è la tensione della batteria e UBE (tensione base-emettitore) proviene da un interruttore o segnale in un dispositivo di controllo. Per calcolare la corrente sull'UBE occorre prima calcolare la corrente IC (corrente di collettore);
Ora sappiamo che sulla base del transistor deve circolare una corrente di 15 mA affinché il transistor (con i citati UB1 e RB) conduca completamente, compreso il fattore di sicurezza. La caratteristica può quindi essere completata:
In questa caratteristica si vede che la IB (corrente sulla base) aumenta fino a 10mA. Questa parte, da 0 a 10 mA, si calcola con la formula: IB = IC: HFE. La linea corre quindi completamente in orizzontale da 10 a 15 mA. Questa parte è il fattore di guadagno di 1,5 (dal calcolo di IB = 1,5 x IBK). Con una corrente di base di 15 mA scorre una corrente di collettore (IC) di 1000 mA.
I transistor sono controllati con la corrente. Nei microprocessori, ad esempio, si vuole mantenere la corrente il più bassa possibile a causa dello sviluppo di calore. Questo spesso include il MOSFET applicato.
Transistor Darlington:
Un dispositivo di controllo invia una corrente di base al transistor. Un transistor può essere reso conduttivo da un dispositivo di controllo con una corrente compresa tra 0,1 e 0,5 mA. Quando vogliamo controllare un attuatore che richiede una corrente elevata, la ECU non può fornire la corrente richiesta al transistor. La corrente primaria di una bobina di accensione è di circa 8 ampere. La corrente di controllo dovrà essere amplificata per rendere conduttivo il transistor. Ciò causa un problema: il microprocessore non può fornire la corrente desiderata al transistor.
Mediante un transistor Darlington è possibile utilizzare una piccola corrente di comando proveniente dalla ECU per commutare una grande corrente sull'attuatore.
Il transistor Darlington è costituito da due transistor collegati insieme in un unico alloggiamento.
La corrente collettore-emettitore di T1 fornisce la corrente di base di T2. Ciò si traduce in un fattore di guadagno elevato, poiché i fattori di guadagno di entrambi i transistor possono essere moltiplicati insieme.
Una corrente di base molto piccola pari a T1 (solo un decimo di milliampere) è spesso sufficiente per rendere conduttivo T2.
Il fattore di guadagno corrente (Hfed) del transistor Darlington è spesso compreso tra 1000 e 10.000. La formula per calcolare il fattore di guadagno di un transistor Darlington è:
Hfed = Hfe1 * Hfe2
- Vantaggio: grazie al grande fattore di amplificazione della corrente (Hfed), una piccola corrente di controllo può essere sufficiente per rendere conduttivo il transistor Darlington;
- Svantaggio: la tensione base-emettitore del circuito Darlington è doppia rispetto a quella di un singolo transistor. La caduta di tensione del transistor Darlington è quindi notevolmente maggiore di quella di un singolo transistor.
Nella sezione “Segnali in uscita” della pagina Circuiti di interfaccia vengono forniti esempi e applicazioni del transistor Darlington.
Pagina correlata:
