Il Transistor BJT… spiegato facile (prima parte)

Livello di difficoltà    

In questa lezione del corso “Elettronica partendo da zero” parleremo dei transistor. Come sempre l’articolo si rivolge a chi da poco si è affacciato a questo “straordinario mondo” e – a costo di diventare noioso e ripetitivo – ribadisco ancora una volta che questo corso è per neofiti e – il presente articolo – non ha alcuna pretesa di essere considerato “accademico”.

In una delle precedenti lezioni, parlando dei diodi, abbiamo introdotto l’argomento dei “semiconduttori”: componenti a metà strada tra gli isolanti e i conduttori, ma con particolari caratteristiche, tra tutte: quella di permettere o bloccare il passaggio di corrente elettrica. In questa lezione invece introduciamo il primo – se non il più importante – dei componenti “attivi“.

Il transistor BJT viene principalmente utilizzato per due scopi:

• Commutazione (switch on-off)
• Amplificazione di segnali

Vediamo com’è rappresentato graficamente un transistor BJT (Bipolar Junction Transistor – Transistor a giunzione bipolare):

Come si può notare, a differenza dei diodi, i transistor hanno 3 piedini (o pin) e possono essere di due tipi: a giunzione NPN oppure a giunzione PNP. I piedini sono contrassegnati dalle lettere B, C e E, rispettivamente: Base, Collettore ed Emettitore. Il piedino contrassegnato con la lettera B (Base) viene generalmente utilizzato per controllare il componente (ma come vedremo più avanti in questo corso svolge anche i ruolo di piedino di ingresso per i segnali da amplificare), mentre tra Collettore ed Emettitore (o viceversa) viene fatta scorrere la corrente quando il componente è attivato.

La principale differenza tra i due tipi di transistor è che nel tipo NPN la corrente viene fatta scorrere tra Collettore ed Emettitore, mentre nel tipo PNP tra Emettitore e Collettore.

Come funziona il Transistor BJT?

Tralasciando gli aspetti di fisica alla base del suo funzionamento, possiamo definire il transistor come un dispositivo a tre stati:

• In Interdizione
• Attivato
• In saturazione

Un normale interruttore ha solo due stati e può essere On e Off, acceso e spento, il transistor invece, oltre ai due stati On e Off (saturazione e interdizione), quando lavora nella cosiddetta “regione attiva” può regolare anche il flusso di corrente che dovrà scorrere tra Collettore ed Emettitore (NPN) o viceversa (PNP) (che può avere intensità compresa tra pochi milliampere fino a diversi Ampere a seconda del tipo di transistor e delle sue caratteristiche tecniche). Per farlo sarà necessario far scorrere una piccola corrente attraverso la Base, così che al variare della corrente di Base (Ib) varia in modo più o meno proporzionale quella che attraversa Collettore ed Emettitore (Ice).

Allo scopo di rendere facile il funzionamento del transistor, possiamo paragonare quest’ultimo ad un semplice rubinetto, dove l’ingresso del flusso d’acqua equivale al Collettore, l’uscita corrisponde all’Emettitore e la manopola che serve per regolare il flusso d’acqua equivale alla Base: manopola chiusa equivale allo stato “Interdizione” del transistor, l’azionamento della manopola del rubinetto per regolare il flusso d’acqua, equivale al funzionamento del transistor nella “regione attiva“; infine, la manopola completamente aperta equivale allo stato di “Saturazione“.

Il rapporto tra Ice e Ib (Ice/Ib) si definisce “Guadagno” e si indica con i seguenti termini:

• HFe
• β (Beta )

Dove Hfe ~ β (HFe è uguale a circa Beta).

Attivazione del transistor

Dopo aver descritto a grandi linee come funziona il transistor BJT è il momento di introdurre alcuni aspetti che ci permetteranno di farlo funzionare correttamente e secondo le nostre aspettative.

Abbiamo appena compreso che facendo scorrere una piccola corrente attraverso la base, il transistor si attiva, passando dallo stato “Interdizione” (quindi spento) allo stato “Attivo” (acceso), ma affinché ciò accada, dato che il transistor è un semiconduttore, è necessario applicare una differenza di potenziale tra la Base e l’Emettitore, la cui “soglia” – in valore assoluto – è di circa 0,6 volt: nel tipo NPN la tensione di attivazione dovrà essere positiva (ad esempio +0,6 volt o superiore) mentre nel tipo PNP dovrà essere necessariamente negativa (quindi -0,6 volt o inferiore). Solo a questo punto la corrente applicata alla Base del transistor sarà libera di fluire.

NOTA: La differenza di potenziale (o tensione) applicata tra B ed E dipende dal materiale utilizzato nella costruzione del transistor. Come già descritto nell’articolo sui diodi, i semiconduttori composti prevalentemente da silicio, hanno una tensione di soglia di circa 0,6~0,7 volt, mentre quelli composti da germanio hanno una tensione di soglia di 0,3 volt circa.

Vediamo un esempio con due semplici schemi:

Nel primo schema (a sinistra), sia la Base che l’emettitore del transistor sono collegati direttamente a massa (al potenziale 0 Volt) quindi il componente non è attivo: tra Collettore ed Emettitore non vi potrà essere alcun passaggio di corrente (il transistor è interdetto). Nel secondo circuito (quello a destra) il partitore composto dalle due resistenze: 100K e 10K fanno in modo che la Base del transistor si trovi a +0,9V rispetto all’emettitore che è collegato a massa (la tensione sulla base corrisponde a un decimo della tensione di alimentazione 9V. Tale rapporto è dovuto ai valori delle due resistenze del partitore applicato sulla base: 10 = 100.000 / 10.000; Vbe = 9 / 10 = 0,9V), così facendo il transistor verrà attivato e sarà sufficiente applicare una piccola corrente in ingresso per far scorrere a sua volta una corrente di maggiore intensità tra Collettore ed Emettitore. Quest’ultima non potrà superare il valore di 9mA (Secondo la legge di Ohm Ice = 9 / 1.000 = 0,009 Ampere dove 9 è la tensione di alimentazione in Volt e 1.000 è il valore in Ohm della resistenza applicata sul collettore). Quando la corrente Ice raggiungerà il valore massimo (Ice MAX in questo caso, appunto 9mA) il transistor passerà dalla zona attiva alla zona di saturazione.

Applicazione pratica

Grazie alle nozioni acquisite fino a questo momento, possiamo realizzare un semplice circuito che permette di accendere un diodo LED rosso e regolare l’intensità luminosa con l’uso di un potenziometro e di un transistor.

Analizzando il circuito sopra, vediamo che la tensione di alimentazione è fissata a 5 Volt, ma il diodo LED non può funzionare direttamente su tale valore di tensione, poiché la tensione massima applicabile ai suoi capi non deve superare 1,8 Volt (vedi lezione dal titolo “Allunghiamo la vita ai nostri LED“) per cui è necessario collegare in serie ad esso una resistenza per limitare l’intensità di corrente che lo attraversa e creare una caduta di tensione tale, da permettere al LED di funzionare correttamente. Facendo poche semplici operazioni e volendo impostare una tensione di 1,7 Volt ai capi del diodo LED e una corrente di 10mA, (la massima corrente per un LED rosso è di circa 18mA), calcoliamo la caduta di tensione che equivale a 5 - 1,7 = 3,3 Volt e il valore della resistenza da applicare in serie al LED per ottenere la caduta di tensione necessaria, utilizzando la formula della Legge di Ohm R = V / I = 3,3 / 0,01 = 330 Ohm. Per regolare l’intensità luminosa del diodo LED aggiungiamo in serie al circuito un transistor di tipo NPN al silicio, come ad esempio un C945 (o uno dei tanti equivalenti), attraverso il collettore e l’emettitore, quest’ultimo a massa.

NOTA: il transistor inizia a condurre, e quindi ad entrare nella cosiddetta “regione attiva”, quando alla base viene applicata una tensione (Vbe) di circa 0,6 volt, ma le prime cariche elettriche iniziano a muoversi già a 0,5 volt circa, per poi andare in saturazione con valori più alti, in genere superiori a 0,7 volt.

Per regolare efficacemente la tensione applicata alla base, utilizzeremo un potenziometro che, come abbiamo visto nella lezione dedicata alle resistenze, si comporta come un partitore di tensione.

Ho utilizzato un potenziometro di 100K ma il suo valore non è critico, è possibile utilizzare anche un potenziometro con un diverso valore, l’importante è che sia compreso tra 50K e 250K. Grazie ad esso, collegato come descritto nello schema elettrico, facendo scorrere il cursore da sinistra a destra, saremo in grado di creare nel punto centrale del potenziometro (che collegheremo direttamente alla base del transistor) tutti i valori di tensioni compresi tra 0 e 5 Volt, passando naturalmente anche tra i valori necessari a far funzionare il transistor nella “regione attiva”. Ruotando il potenziometro da sinistra a destra, infatti, noteremo che il diodo LED dalla condizione di “spento” (interdizione) inizia ad illuminarsi gradualmente (regione attiva), fino a raggiungere la sua massima luminosità (saturazione). Di seguito tre immagini che mostrano i livelli di illuminazione del diodo Led con tre diverse posizioni del potenziometro.

Riportiamo anche il “pinout” del transistor C945 utilizzato in questo esempio, ma il consiglio per un buon maker è quello di consultare sempre il datasheet dei componenti: per farlo è sufficiente utilizzare il motore di ricerca Google, digitando la sigla del componente e il termine “datasheet”, come ad esempio: “C945 datasheet”.

Conclusioni

Cosa abbiamo imparato in questa lezione? Facciamo un brevissimo riassunto sui transistor (1a parte):

• Sono componenti “attivi” realizzati con materiale semiconduttore (silicio, germanio, ecc…).
• Dispongono di 3 piedini, due dei quali utilizzati per far scorrere la corrente (Collettore ed Emettitore) e un terzo piedino dedicato al controllo di quest’ultima (Base)
• A differenza di normali interruttori, i transistor hanno 3 stati:
  • In Interdizione (spento: Ice = 0)
  • Attivato (accesso e predisposto al controllo attraverso la Base: Ice > 0; Ice < Ice MAX )
  • In Saturazione (completamente acceso: Ice = Ice MAX)
• Per attivare un normale transistor (ad esempio: un NPN al silicio) è necessario applicare una tensione positiva di circa 0,6 volt, tra i piedini Base ed Emettitore (Vbe).
• Il rapporto tra Ibe e Ice si definisce Guadagno.

Nella seconda parte di questa lezione approfondiremo gli aspetti che riguardano l’amplificazione dei segnali… quindi non mancate.