Il transistor in ON/OFF

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Un transistor è un dispositivo elettronico a tre terminali: Base, Collettore ed Emettitore. Sinonimi di transistor sono BJT oppure transistor bipolare a giunzione.

Il simbolo di un transistor NPN

Il BJT di potenza è usato nelle applicazioni ad alti valori di tensione e/o corrente. Rispetto agli altri dispositivi di potenza a semiconduttore i suoi principali punti di forza sono:

un rapporto costo / prestazioni migliore
(in casi particolari) la possibilità di gestire tensioni maggiori
(in casi particolati) minori perdite in conduzione

In realtà questo componente può ritenersi superato, anche se ancora ampiamente utilizzato.

Il transistor ha schematicamente due modalità di funzionamento: come amplificatore lineare e come interruttore ma qui verrà esaminato solo quest'ultima (sinonimi: funzionamento ON/OFF, in commutazione, switching...).

Esistono due tipologie principali di transistor: NPN e PNP ma qui verrà descritta solo la prima, decisamente più utilizzata in applicazioni ON/OFF.

Il funzionamento

Il funzionamento (come interruttore) è il seguente:

Se la corrente entrante nella Base (IB) è nulla, anche la corrente entrante nel Collettore IC e quella uscente dall'Emettitore IE sono nulle. Se consideriamo i due terminali C ed E si tratta quindi di un comportamento simile ad un interruttore aperto.
Se la corrente entrante nella Base è "sufficiente", possiamo avere una corrente IC entrante dal Collettore ed uscente dell'Emettitore. La tensione tra C ed E (VCE) è molto bassa, spesso approssimata a 0 V. Se consideriamo i due terminali C ed E si tratta quindi di un comportamento simile ad un interruttore chiuso.

Osservazioni

A differenza di un normale interruttore, la corrente può scorrere tra Collettore ed Emettitore ma non viceversa (si noti il verso della freccia sull'emettitore)
La corrente di Base può essere solo entrante (si noti la freccia sull'Emettitore)
La tensione VCE è praticamente costante e indipendente dalla corrente del Collettore. A seconda del tipo di transistor varia tra 0,5 V a pochi volt, spesso trascurabile
La corrente di Base è molto più piccola di quella di Collettore, in genere 10-100-1000 volte minore, a seconda del tipo di transistor. Per questo si dice che un transistor amplifica la corrente di Base. O anche che: IE ≈ IC >> IB
La tensione VBE è praticamente costante e indipendente dalla corrente di Base e spesso vale 0,7 V (a volte quindi trascurabile)
Se il transistor si comporta come un interruttore chiuso si dice che è in saturazione
Se il transistor si comporta come un interruttore aperto si dice che è in interdizione
La massima corrente di Collettore, a secondo del tipo di transistor, può variare da 0,1 a 25 A e più
La massima tensione di funzionamento (tensione di rottura), a secondo del tipo di transistor, varia da 10 a 1500 V e più
Un modello di transistor è identificato da una sigla alfanumerica. Per esempio BC108, 2N3055, TIP41
La sigla usata per le vecchie porte logiche TTL significa Transistor Transistor Logic perché internamente sono costituite da transistor

Applicazione

Accensione di una lampadina (100W, 100V, quindi 1 A) comandata da una porta logica. Si ricordi che una porta logica fornisce in uscita al massimo 10-20 mA.

Accendere una lampadina con un transistor

Se l'uscita della porta logica è alta (tensione VH, per esempio 5 V) allora nella resistenza e quindi nella Base abbiamo una corrente; dall'equazione di Kirchhoff:

VH – RB·IB – 0,7 = 0 → IB = (VH - 0,7) / RB

Se questa corrente è "sufficiente" (per esempio, in questo caso, > 10 mA), il transistor si comporta come un interruttore chiuso e nella lampadina passa corrente (è quindi accesa).

Se l'uscita della porta logica è bassa (tensione VL, per esempio 0 V) allora nella resistenza e quindi nella Base non abbiamo alcuna corrente; dall'equazione di Kirchhoff:

VL – RB·IB – 0,7 = 0 (attenzione IB sempre ≥ 0 )

Quindi il transistor si comporta come un interruttore aperto e nella lampadina non passa corrente (è quindi spenta).

Attenzione: questo circuito è solo di principio. Nella realtà è spesso più complesso per garantire sicurezza alle persone e alle apparecchiature (per esempio: non è saggio collegare direttamente una batteria da 100 V ad un PC)

Esaminiamo ora un componente reale moderno, rendendo meno semplicistica la trattazione: Un transistor reale: ST1510FX