I transistori - introduzione

Prima di iniziare questa serie di lezioni sui transistori dobbiamo osservare che, essendo l’argomento molto vasto, queste non possono contenere tutto quanto è stato prodotto nella letteratura specializzata.

Si deve tener presente che la struttura del corso è indirizzata alla tecnica di progettazione di prototipi di laboratorio i cui parametri sono calcolabili con formule semplici senza dover ricorrere alle complicate teorie generali.

Nell'arco dello svolgimento di tutto il corso la scrittura $a<<b$ ( $a$ molto minore di $b$ ) sarà intesa, per consolidate esperienze di progettazione e sviluppo dei prototipi, come $a=b/100.$

Per eventuali approfondimenti nello studio dei transistori si suggerisce la lettura dei DATABOOKS delle case costruttrici italiane e straniere citati in bibliografia.

Nel corso degli studi sui transistori i valori calcolati delle resistenze e delle capacità, salvo casi speciali, sono arrotondati ai valori più prossimi allo standard delle produzioni di mercato.

Area d’applicazione

I transistori sono utilizzabili come:

• commutatori

• invertitori di segno

• traslatori di livello

• ripetitori

• invertitori di fase

• amplificatori

• alimentatori

• limitatori di corrente

• oscillatori
• ecc…

Breve descrizione del transistore

Il transistore bipolare, che viene integrato in migliaia di esemplari all’interno dei microcircuiti utilizzati nei computer, è sovente impiegato, come singolo elemento, per l’espletamento di fondamentali funzioni, sia nell’ambito della costruzione delle schede per calcolatori, sia per lo sviluppo dei progetti di elettronica analogica e digitale.

Nella presente lezione tratteremo del dimensionamento dei circuiti annessi al transistore senza addentrarci nella filosofia del funzionamento intrinseco che utilizza la teoria dei circuiti equivalenti ed i parametri ibridi.

Affronteremo i calcoli per la determinazione della circuitazione collegata ai transistori con semplici formule approssimate che conducono a buoni riscontri tra variabili calcolate e variabili misurate sperimentalmente; tutto ciò partendo dal presupposto che se gli stessi calcoli venissero svolti in modo canonico porterebbero comunque a risultati approssimati, date le tolleranze sui numerosi parametri ibridi coinvolti nella computazione.

Il transistore è formato da 2 giunzioni a semiconduttore, ciascuna può essere assimilata alla giunzione che forma un diodo; gli elementi delle 2 giunzioni sono accessibili da tre terminali a saldare.

I transistor sono divisi in due classi caratteristiche in dipendenza del tipo di costruzione delle giunzioni a semiconduttore:

• giunzioni NPN che caratterizzano il transistor all’impiego con tensioni continue positive tra collettore ed emettitore e tra base ed emettitore

• giunzioni PNP che caratterizzano il transistor all’impiego con tensioni continue negative tra collettore ed emettitore e tra base ed emettitore.

Il transistore il cui simbolo grafico è sotto riportato per un transistor NPN è caratterizzato da tre connessioni elettriche i cui nomi sono:

figura 1

e = emettitore

b = base

c = collettore

Il transistore il cui simbolo grafico è sotto riportato per un transistor PNP è caratterizzato da tre connessioni elettriche i cui nomi sono:

figura 2

e = emettitore

b = base

c = collettore

I transistori sono fondamentalmente i più semplici amplificatori elettronici di corrente che la tecnologia abbia messo a disposizione dei progettisti.

Amplificatori di corrente che facilmente sono trasformabili in amplificatori di tensione.

La legge di amplificazione di corrente di un transistor è illustrata in figura 3 per un transistore NPN; in figura si osserva come la corrente di collettore $Ic,$ circolante nella giunzione collettore-emettitore, sia circa $hFE$ volte la corrente di base $Ib$ circolante nella giunzione base-emettitore:

$Ic\approx Ib\cdot \ hFE$

dove $hFE$ è il guadagno in corrente continua del transistore.

figura 3

Generalmente il collegamento alla base porta al transistore la corrente necessaria, sia per il comando del circuito, sia per l’eventuale amplificazione della corrente iniettata nella base stessa.

Il collegamento con il collettore consente di prelevare, sia l’eventuale comando proveniente dalla base, sia la corrente di base amplificata.

Il collegamento all’emettitore consente di chiudere, sia l’anello di pilotaggio sulla base, mediante la giunzione base-emettitore, sia l’anello di prelievo della corrente di collettore mediante la giunzione collettore-emettitore.

I transistori possono lavorare in due modi diversi in dipendenza del tipo di applicazioni a cui sono destinati:

• In modo lineare, per amplificatori, accoppiatori, ecc.

• In saturazione , per dispositivi logici o di commutazione.

Si ha il funzionamento lineare quando la corrente di collettore è proporzionale alla corrente di base; si ha il funzionamento in saturazione quando, grazie alla circuitazione esterna al transistor, la corrente di collettore non incrementa più con l’incrementare della corrente di base.

Caratteristiche costruttive

L’utilizzo del transistore per la progettazione necessita la conoscenza di una serie di caratteristiche costruttive quali tra le più significative:

• tensione massima di lavoro applicabile tra collettore e base (simbolo $Vcbo$)

la $Vcbo$ non deve mai essere superata pena la distruzione del transistore-

• tensione massima di lavoro applicabile tra collettore ed emettitore (simbolo $Vceo$)

-la $Vceo$ non deve mai essere superata pena la distruzione del transistore-

• tensione massima di lavoro applicabile tra emettitore e base (simbolo $Vebo$)

-la $Vebo$ non deve mai essere superata pena la distruzione del transistore-

• corrente di lavoro collettore emettitore (simbolo $Ic$)

-la $Ic$ deve essere commisurata onde evitare di eccedere la massima potenza dissipabile del transistore

• corrente di lavoro dell’emettitore (simbolo $Ie$)

• tensione di saturazione tra collettore ed emettitore (simbolo $Vce$ (sat))

- la $Vce$ (sat) è la minima tensione necessaria tra collettore ed emettitore per consentire il passaggio della corrente Ic attraverso il transistore-

• potenza massima dissipabile a temperatura ambiente (simbolo $P$)

- il valore di $P$ non deve mai essere superato pena la distruzione del transistore

• guadagno di corrente in $c.c.$ (rapporto: corrente collettore/corrente di base) (simbolo $hFE$ )

• guadagno di corrente in $c.a.$ (rapporto: corrente collettore/corrente di base) (simbolo $hfe$)

• conduttanza della giunzione collettore-emettitore (simbolo $hoe$)

• tensione base-emettitore (simbolo $Vbe$) Per il funzionamento del transistore in qualsiasi configurazione circuitale la tensione base-emettitore deve essere +$0.7\ V$ per gli NPN e -$0.7\ V$ per gli PNP.

• resistenza di emettitore $Re$

• resistenza di collettore $Rc$

• resistenza di base $Rb$

Le caratteristiche dei transistori presentano una sensibile dispersione dei loro valori a seguito delle problematiche costruttive; i fornitori indicano, per ciascun tipo di transistore, i valori massimi, i valori minimi o i valori tipici di produzione che il progettista elettronico deve opportunamente interpretare e valutare.

Altre caratteristiche importanti, espresse da grafici particolari , saranno prese in esame al momento del loro utilizzo in fase di progettazione.

Nel prosieguo del testo e, quando possibile, nelle fasi di dimensionamento dei diversi componenti necessari ai circuiti a transistori, adotteremo un criterio di arrotondamento sui valori calcolati dei componenti, al fine di consentirne la reperibilità nell’ambito delle serie di normale produzione.

Soltanto in casi particolari si dovranno cercare in serie speciali o assemblare valori di componenti per ottenere le precisioni richieste dal progetto.

Dati dei transistori 2N1613, 2N1711

I due transistori citati sono stati i pilastri per la progettazione elettronica di bassa frequenza negli anni 60.

Il tipo 2N1711 è una selezione del modello 2N1613.

Questi dispositivi sono ancora in commercio; le loro caratteristiche son riportate in figura 5:

File:16131711dtcx.jpg

figura 5

I contenitori dei transistori

I transistori sono costruiti in diverse tipologie di contenitori sulla base delle potenze che possono essere dissipate dall’involucro; una serie di formati con sigle e dimensioni reali sono riportati nelle figure 6 e 7:

figura 6

figura 7