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(In costruzione)
Il transistor a giunzione bipolare , detto anche BJT (dalla traduzione inglese) è un dispositivo composto generalmente da due giunzioni .. consecutive.. (contrariamente al diodo che ne ha solitamente una).. in pratica a "panino".
Per maggiori info su semiconduttori, drogaggi e giunzioni vedere qua:
https://energierinnovabili.forumcommunity.net/?t=8838498
Si ottiene un transistor "componendo" tre regioni a drogaggio differito N, P ed N. Tale transistor viene definito NPN.
Si può ottenere un transistor anche invertendo i droganti ed ottenendo quindi un transistor definito PNP.
Le regioni a drogaggio simile "ai lati" non sono fisicamente/geometricamente identiche. La cosa esalta alcune peculiarità a scapito di altre. Tal cosa permette anche di "battezzare" le due regioni come "emittore" (di seguito E) e "collettore" (C). La zona intermedia è invece chiamata "base" (B). Di norma il C presenta un drogaggio più scarso rispetto all'E dove invece è più forte, mentre dimensionalmente è più "grande" il C rispetto all'E. La base è di norma molto piccola, sia come drogaggio che come dimensione.
I transistor sono simboleggiati come segue:
La differenza tra NPN e PNP è evidenziata con il verso della freccia presso l'emittore.
Tale freccia simboleggia il verso della corrente nell'emittore.
Ricordo però che la corrente è simboleggiata, per convenzione, uscente da un punto a potenziale più positivo ed entrante in uno più negativo (mentre in realtà gli elettroni, avendo carica negativa, si muovono dal negativo verso il positivo).
Di conseguenza lo NPN avrà corrente/freccia uscente dall'emittore (mentre in realtà in E entrano elettroni) e viceversa.
Di solito [cut] la giunzione base-emittore (B-E) viene polarizzata direttamente, ovvero come avviene per un diodo e ne presenta simili caratteristiche, ovvero una "Vf" in diretta (ad es. la "Vbe" è dell'ordine di 0.6V per dispositivi al silico). Come tensione inversa tuttavia accetta tensioni massime molto contenute (solitamente la "Veb" max arriva ai 5-6V) , oltre va in "zener".
La giunzione base-collettore viceversa risulta polarizzata (nell'uso "canonico") in inversa (Vcb) ed accetta tensioni ben più alte che dipendono dal modello di transistor e circa coincidenti con la stessa tensione massima di collettore-emittore (Vce). Oltre si va generalmente in "zener" o equivalenti fenomeni..
Per un transistor NPN (E,B,C) si applicherà una tensione con positivo sulla base B (P) e negativo sull'emittore E (N). Passerà allora una corrente (se V> Vbe"on"), entrante in B e uscente in E (vedi "freccia" del simbolo).
Per il funzionamento intrinseco del transistor si avrà tuttavia anche un passaggio di corrente tra collettore C ed emittore E se queste due zone sono sottoposte a loro volta ad una tensione, con polarità positiva in C e negativa in E, con corrente untrante quindi in C (nonostante sia un "N") e sempre uscente in E.
Sempre per il funzionamento intrinseco del transistor la corrente di collettore C sarà controllata dall'entità di quella di base B (che funge da "rubinetto").
Dal momento che esistono transistor PNP questi funzionano esattamente come gli NPN solo che con polarità opposta (B negativa rispetto a E ; C negativo rispetto a E; corrente di B uscente da quest'ultima ed entrante in E, corrente di C uscente da quest'ultimo ed entrante in E.
NOTA: come intuibile dalla designazione stessa (speculare) NPN o PNP, se si polarizza in diretta (per qualche motivo o situazione momentanea del circuito) la giunzione base collettore, questa ovviamente CONDUCE (come fa la base emitter) non essendoci sostanziali differenze.
Dal momento che "l'effetto transistor" si può ottenere ugualmente (cioè questa polarizzazione comporta la conduzione e un certo controllo di una ipotetica corrente inversa in emittore, se a sua volta viene polarizzata anche la Vec), ovvero il transistor si RIBALTA.
Ovviamente per quanto specificato all'inizio (differenze costruttive) il "nuovo" transistor ottenuto
è un dispositivi con caratteristiche molto mediocri (e da molti punti di vista)....
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breve cenno sul funzionamento
Dal momento che la base è molto piccola, applicando una differenza di potenziale al "diodo" B-E in modo da polarizzarlo direttamente e far passare una certa corrente, le cariche elettriche che la formeranno, andranno in realtà a "diffondersi" parzialmente nella zona del collettore. Ciò è quindi principalmente dovuto alla dicioamo grande capacità "donatrice" di elettroni (x un NPN) dell'E, fortemente drogato... alla scarsa capacità "accettatrice" della B, debolmente drogata.... alla sua piccola dimensione/spessore.. e alla polarizzazione inversa della successiva giunzione B-C, ovvero C più positivo di B, che tente ad "attrarre"/"richiamare" gli elettroni (con carica negativa) che transitano in zona..
Per ulteriori dettagli vedere ad esempio:
http://www.math.unipd.it/~lmaraf/file_m/transistor.htm
http://www.itislanciano.it/web/lavori/bande/bjt.htm
Edited by gattmes - 5/9/2007, 12:23. -
gattmes.
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Come (non) si "polarizza" un transistor
Comincio con qualcosa (di cui ho già buttato le premesse prima) che difficilmente si trova nei libri di testo et simila, cioè sulla ..."non" polarizzazione ... o meglio come si comporta il BJT con polarizzazioni strane (quindi a cosa bisogna stare attenti).
(OT ..qualche Ing collega ringrazierà quel fesso che scrive ... perchè insegna "il gioco" ... che a mio avviso dovrebbero ben sapere.. almeno da come si "autodisegnano". Lasciamo perdere... e continuamo nell'interesse di tante buone persone che qui scrivono e "contraccambiano" come possono)
Questo perchè:
A di "letteratura" in maniera canonica se ne trova a vagoni
B di norma si trascura cosa può succedere, specialmente in regime transitorio, con pol. strane e/o momentanee se non si provvede a considerarle e a mantenerle nel "regime permesso"...
Considero un NPN per semplicità "mentale", ovviamente tutto vale anche per un PNP a patto di rovesciare le polarità e il senso delle correnti.
Partiamo dal più ovvio (e molte volte citato):
1) Vcb. - Tensione tra collettore e base (positivo in C e negativo in B).
Spesso non molto diversa dalla tensione massima del TR, di norma definita come Vce (collettore-emittore). Non bisogna superarla, altrimenti la giunzione (C-B) va in zener e potrebbe rompersi.
Dal momento che ,di norma, l'altra giunzione B-E è pilotata direttamente, quindi un 1/2 volt di differenza rispetto all'E, in pratica il "diodo" di base-emitter in qualche modo vincola-protegge rispetto al potenziale in E.
Di conseguenza tenendo Vce sotto al più piccolo tra i dati di catalogo espressi per Vce e Vcb si dovrebbe stare a posto anche con la Vcb..... NI.
Per varie ragioni in certe situazioni la base potrebbe diventare negativa rispetto l'E.
In tal caso il diodo B-E va in inversa e, non conducendo, non vincola più al valore di E (vedere anche punto 2 seguente). Conseguentemente la tensione Vcb può assumere valori maggiori di quella tra C ed E (Vce) e, se si lavora ai limiti di Vce-Vcb, quest'ultimi potrebbero essere superati.
Prestare quindi attenzione e, se la situazione è possibile, prendere le opportune precauzioni aggiungendo qualche protezione (es diodo tra B ed E con catodo su B, o altro..)
1b) Vbc. - tensione tra base collettore .(pos. in B, neg. in C). come già detto qua c'è un diodo, quindi più di quel mezzo volt non si ottiene. Tuttavia occorre prestare particolare attenzione a 2 fatti se per quanche ragione il collettore finisce "sotto" (come tensione) alla base:
A- prestare attenzione che il diodo B-C si "porta" dietro la base se polarizzato direttamente. In tal caso da una parte si ha passaggio di corrente (sempre entrante in base) e quindi occorre prestare attenzione a tutto quello che c'è nella zona pilotaggio, dall'altra.....
B -...... il TR si "ribalta" e quindi l'ex E diventa il nuovo C. Se la polarizzazione Vbc è sufficiente, cioè si ha passaggio di corrente in base, il nuovo TR va in conduzione... e quindi anche l'ex E "viene giù" tirato dal C (...se può farlo.. esempio l'ex E non è secco a gnd ma c'è un carico di emitter... sul quale ovviamente la corrente si inversa rispetto la polarizzazione ortodossa)
2) Veb. Se per qualche motivo la B va "sotto" l'E... e potrebbe farlo visto che il diodo B-E è in tal caso in inversa, prestare attenzione che non lo faccia per oltre 5-6 V (di norma è definita nei cataloghi la Vebmax.. vedi VEB0 o V(BR)EB0 ..). Diversamente va in "zener" e inizia a tirar corrente che se non opportunamente limitata (come entità e come potenza dissipata su E-B) rompe tutto.
D Cosa devo fare in pratica?
R Devi innanzitutto "aggiungere" due componenti virtuali (non fisicamente!!!) allo schema in cui è compreso il TR:
A) un diodo tra base e collettore con catodo su quest'ultimo
B) uno zener tra B ed E con anodo su quest'ultimo.
Se analizzando i comportamente nei vari casi di funzionamento denoti che questi componenti "fittizzi" potrebbero essere "attivati" , puoi verificare cosa succede e , se i parametri stressano il TR/ sono fuori specifica, prendere le opportune (o tentare) precauzioni.
Poi devi prendere il TR ed invertire il C con l'E, sempre virualmente, quindi analizzare cosa succede e verificare se ci sono conduzioni, comportamenti non voluti e prendere le opportune precauzioni.
Edited by gattmes - 5/9/2007, 12:37. -
gattmes.
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Cenni sulla polarizzazione di un transistror
Parliamo di un NPN per semplicità (invertire tensioni-correnti per un PNP)
Abbiamo visto che generalmente si polarizza direttamente la giunzione B-E. Per far ciò si applica una tensione positiva sulla base- negativa sull'emittore.
Tale tensione serve a superare ..quella di soglia.. e a far passare quindi una certa corrente.
La tensione di soglia dipende principalmente (e circa in ordine di importanza)
-dal materiale semiconduttore (es silicio sui 0,5-0,6V, germanio sui 0,2-0,3V a Ta)
-dalla temperatura (T) del componente (es. per il Si cambia di 2-2,5 mV ogni grado Cent.)
-dal processo costruttivo (drogaggi, ecc.)
-da lotto a lotto
-da un pezzo all'altro dello stesso lotto.
Le ultime due possono essere definite come "dispersioni delle caratteristiche". Dal momento che piccole variazioni delle impurità di drogaggio si traducono in notevoli variazioni della conducibilità/caratteristiche/proprietà del materiale semiconduttore , e chiaro che tra un lotto (wafer) ed un'altro si possono avere facilmente delle differenze e non solo... anche nei pezzi prodotti in contemporanea (stesso lotto) si possono rilevare differenze di concentrazione (stiamo parlando di pochi atomi di impurità in + o in meno!).
Quindi si apre uno "scenario" nuovo rispetto alle "valvole" che, essendo pezzi meccanici/grossi avevano caratteristiche molto simili tra un pezzo ed un'altro (e tra una ditta e un'altra).
Questo va considerato in fase di progettazione (ed è causa di molti problemi).
Di norma il pilotaggio non è un generatore di tensione "secco", in quanto quel che interessa è la corrente in base. Il BJT è infatti un ..
dispositivo commandato in corrente
La polarizzazione tra B ed E serve solo a permetterne la conduzione e quindi il passaggio di corrente.
Quindi per esempio si può applicare una tensione Vin tra B-E più alta della soglia e definire la corrente tramite una resistenza Rin in serie alla base; indicativamente di valore Rin = (Vin - Vbeon) / Ib
La Vbe "on" varierà poi lievemente, oltre per quanto già detto precedentemente, anche in funzione della corrente di base.
Detto questo se anche il C si trova polarizzato positivamente rispetto all'E (/B) si avrà anche una corrente di collettore.
Il valore di questa corrente è come già detto legato/controllato dalla corrente di base.
Per buona parte delle zone di funzionamento del TR c'è una buona proporzionalità, definita circa come "guadagno". I termini che definiscono il guadagno possiamo riscontrali come Hfe, Beta....
Ad esempio collegando il collettore, come per la base, ad una tensone Vout tramitei una Rout, possiamo vedere che passerà una Ic prossima a Ic=Beta x Ib. Per soddisfare ciò il TR assumerà anche un opportuno valore di Vce tale da soddisfare Vce = Vout-(Rout x Ic)
Il guadagno non è costante: dipende da vari fattori quali quelli già visti per la Vbe di soglia, ma
principalmente dall'entità delle correnti di collettore e della tensione tra C ed E. Così può capitare che a 1V di Vce il guadagno sia intorno a valori della decina, mentre a 5V o più sia intorno alla 50, così come a 1 mA di base sia più alto di quello a 1A (1000mA). Vengono pertanto definiti, più che dei valori, dei grafici con delle curve che tengono fermo un parametro (es la Ib.. quindi c'è una curva per Ib=x, una per Ib=y, una per Ib=z, ecc.) e fanno vedere come varia in funzione della Vce (o viceversa).
Per il discorso della "dispersione delle caratteristiche" queste curve sono TIPICHE, ovvero talvolta per certi parametri è definita una "fascia", una zona cioè compresa tra una curva minima, una massima e passante per una tipica.
Un esempio può essere quello della figura che segue
Edited by gattmes - 6/9/2007, 11:08Attached Image
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gattmes.
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Cenni sugli impieghi
Il TR come amplificatore.
Il transistor è generalmente (stato) usato come amplificatore. Dato infatti che in collettore si ottiene una corrente "beta" volte quella di base, è possibile sfruttale la cosa per amplificare .
Infatti in un TR con una certa polarizzazione è possibile applicare un segnale da amplificare in base come " agente perturbatore" della polarizzazione "di riposo" ovvero della "corrente di riposo".
Ovviamente è molto chiaro che se il segnale è già una corrente, questa andrà a sommarsi (o sottrarsi se negativa) a quella già presente, comportando una corrispondente variazione in quella di collettore e ... beta volte maggiore.
Così se per esempio nell'intorno di una corrente di collettore di 10mA si ha un beta sui 50, significa che ciò era ottenuto con una corrente di polarizzazione di base Ib di 10/50=0.2mA ovvero 200uA. Introducento/sovraponendo un debole segnale alternato di +/-10uA la corrente di base spazierà da 200-10=190uA a 200+10=210uA. Di conseguenza la corrente di collettore si muverà da 190x50=9500uA =9.5mA a 210x50....=10.5mA, ovvero il segnale di +/-10uA lo ritroviamo riprodotto in collettore come +/- 500uA!
Ovviamente lo stesso si può fare con un segnale in tensione, trasformandolo in una variazione di corrente di base (es con una resistenza), dal momento che, lo ripeto, il transistor "lavora" solo in corrente
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Il TR come interruttore.
Immaginiamo che il segnale in base sia a più "incisivo" rispetto alla polarizzazione, ovvero con più escursione. Immaginiamo pure che la polarizzazione non ci sia. Cosa succede?
Beh quando il segnale scende verso 0 come corrente, oppure scende sotto la Vbe di soglia come tensione, che vuol dire uscire dalla zona di conduzione del "diodo" base-emittore e quindi azzerare la conduzione/corrente di base, allora anche la corrente di collettore cesserà di esserci. Per far ciò il transistor si "apre" .. si "interdice" ciò presenta resistenza altissima tra C ed E. Se C era connesso ad una tensione via Rout (carico.. può essere ad esempio una lampadina), tutta la tensione la ritroviamo ai capi del transistor e nessuna ai capi di Rout (corrente 0- "lampadina" spenta). In questa situazione è come se al posto del transistor ci fosse un "aperto"... o un interruttore aperto.
Quando invece il segnale sale di corrente e con valori positivi, allora il collettore farà passare una corrente "beta" volte più grande. Per far ciò il transistor "abbassa" la sua resistenza, la tensione di collettore scende, mentra sale quella sul carico Rout e la corrente che lo attraversa (la lampadina inizia ad accendersi). Tuttavia se la corrente/il segnale in base sale oltre/ancora, lo stesso farà la corrente di collettore.. e per far ciò il transistor cercherà di abbassare ulteriormente la sua resistenza e di far quindi scendere ulteriormente la tensione Vce ai suo capi.
Il transistor pero non è un generatore, ma piuttosto qualcosa che assomiglia (in questo esempio) ad una resistenza variabile (controllata dalla base). Quano la tensione Vce sarà scesa a valori pressochè nulli non si potrà andare oltre. il transistor è in piena conduzione... si dice anche che è in "saturazione"
In questa situazione è come se al posto del transistor ci fosse circa un "corto"... o un interruttore chiuso.
Ricapitolando se il segnale in base ha escursioni tali da portare il transistor dall'interdizione alla saturazione, esso si comporterà quasi come un interruttore. In questo modo è possibile controllare un carico che assorbe una certa potenza data da Valimentazione x Ic (esempio 100V 1A =100W) con una corrente beta volte inferiore, quindi una potenza molto più piccola.
Dal momento che la Vbeon difficilmente raggiunge il volt è possibile stimare questa potenza IN QUESTO ESEMPIO come 100Beta volte meno .. così se beta è 50 ... 20mW sono sufficienti a farne passare 100W in collettore.
Il trasistor da parte sua quando è interdetto non consumerà, ovvero "dissiperà", niente.
Quando è in saturazione invece dissiperà una piccola potenza che dipende dalla tensione minima a cui riesce a chiudere (diversa da 0) .. per esempio se fosse 1V avremo 1V x 1A =1W (più i 20mW "di base"...).
Ovviamente deve essere garantito che il transistor raggiunga la "saturazione", altrimenti se il collettore non chiude bene la dissipazione sale... si è cioè in "zona attiva".
Edited by gattmes - 6/9/2007, 11:13. -
gattmes.
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Transistor "particolari"
Con riferimento all'uso come interruttore, data un'applicazione bisogna di conseguenza scegliere un transistor con un "guadagno" (in quella configurazione/situazione) adatto, ovvero evitare di avere una corrente di base troppo bassa e/o una corrente di collettore troppo alta rispetto al "beta" (hfe), altrimenti ci si ritrova con il componente sottopilotato/non ben chiuso.. ovvero in zona attiva.
In certi casi non è possibile ottenere ciò con un transistor, neanche con il più "buono"... Allora si ricorre a più ..."stadi" messi insieme ...
Taluni componenti presentano configurazione "integrate" in un unico contenitore.
Sono componenti che esternamente si presentano come un normale transistor .. hanno caratteristiche simili .. e "piedinatura" equivalente C,B ed E, ma internamente sono costituiti da 2 (o più) transistor in cascata .. in una configurazione chiamata Darlington.
Se ad esempio prendiamo una coppia Darlington costituta da 2 BJT con quadagno 50, otteniamo qualcosa che presenta un guadagno dell'ordine di 50x50 = 2500!!
Per esempio basteranno 10mA in base per "attivarne" 25000mA in collettore, ovvero 25A.
Per ulteriori info:
http://it.wikipedia.org/wiki/Transistor_Darlington.
Nel classico D l'E del primo TR "entra" nella base del secondo. Così la corrente che pilota quest'ultimo TR è in realtà quella di E del primo, ovvero la somma della corrente di B (Ib1) e C (Ic1) del primo TR, quest'ultima a sua volta coincidente con quella di base moltiplicata il guadagno.
...Tutti pregi??? Perchè tutti iTR non sono allora D??
No ci sono dei "diffetti".. per esempio la tensione "di sogli" equivalente è data dalla somma di due Vce... e quindi di oltre 1-1,2V. Stesso simile ragionamento (nota a volte più dolente... vedi "dissipazione" quando usato come interruttore) per la Vce... Infatti se il primo transistor
fosse un puro cortocircuito (cosa che non è) la base del secondo sarebbe collegata al suo collettore che quindi non potrebbe scendere sotto la Vbe2on per avere la conduzione.
Quindi la Vceon del D è almeno incrementata di una Vbeon (di solito siamo intorno al volt per correnti medie; un singolo TR può scendere invece anche sotto il 1/2 Volt).
Ovviamente la cosa è ancora più esagerata in D a più stadi.
Esistono tuttavia delle configurazioni particolari di D PNP/NPN che (anche se non contengono la Vce) permettono di ricondurre alla "singola" Vbe.. vedere figura.
Edited by gattmes - 6/9/2007, 12:05Attached Image
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gibbs helmoltz.
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Scusami..ho dubbio sul funzionamento in zona saturazione del transistor:
In base al principio fisico,in saturazione,le due giunzioni pn sono polarizzate direttamente,accade quindi che i portatori maggioritari da una parte e dall'altra avanzano in base,diventando minoritari e riempiendola completamente.
ma quello che non capisco è che la giunzione Base collettore polarizzata direttamente si oppone al passaggio dei minoritari dalla base al collettore...
e siccome saturazione vuol dire passaggio di tanta corrente(elettroni in questo caso) dall'emettitore al collettore...come si spiega questo fatto?
non so se mi sono spiegato...
grazie dell'aiuto.
6a Transistor bipolare (BJT) |