In questa presentazione, si vuole utilizzare il transistor in una delle due configurazioni fondamentali, ovvero quella di funzionamento come interruttore (l’altra è quella di funzionamento come amplificatore). L’utilità di questa configurazione è quella che consente di comandare un generico utilizzatore (nel nostro caso un diodo led) attraverso una tensione fornita da un dispositivo (circuito integrato o altro), lasciando il compito al transistor di supportare l’assorbimento richiesto dal carico (diodo led) senza che quest’ultimo gravi sull’uscita del dispositivo di comando (circuito integrato o simile).
Ovviamente il transistor dovrà avere caratteristiche idonee a supportare il carico che comanderà, cioè soddisfare la corrente di assorbimento richiesta dall’utilizzatore, altresì dovrà essere correttamente dimensionato il circuito di polarizzazione del transistor (resistenze di base e di collettore) in funzione del carico e dell’ampiezza del segnale di comando di base.
Teoria spicciola …
Il transistor utilizzato in questo tipo di applicazione in genere è di tipo NPN, ed il generico carico è inserito in serie alla giunzione collettore-emettitore lato collettore. Il funzionamento è molto semplice, quando nella base non è applicata alcuna tensione (Vb) la corrente è nulla (Ib=0) anche nella giunzione collettore-emettitore, dove è collegato l’utilizzatore (U) e la sua tensione di alimentazione (Vcc) non scorrerà nessuna corrente (Ic=0) , quindi la giunzione collettore-emettitore equivale ad un interruttore aperto.
Quando invece viene applicata una tensione di polarizzazione alla base (Vb) si avrà una corrente nella base con un valore sufficiente (Ib>Ic/ßF) si avrà una conseguente corrente collettore-emettitore (Ic) funzione della tensione di alimentazione del carico che interesserà lo stesso carico, pertanto la giunzione collettore-emettitore equivale ad un interruttore chiuso.
Pertanto, perché ci sia la conduzione nella giunzione collettore-emettitore dovrà essere soddisfatta la condizione : iB>iC /ßF. Lo stato di conduzione del transistor o BJT è nota con il nome di “saturazione”.
Dopo questa spicciola premessa teorica (c’è molto di più da conoscere, ma lascio l’argomento ai Prof. ed ai libri di testo.. J ) si passa alla pratica, dimensionando il circuito di polarizzazione necessario al nostro bjt per comandare un diodo led con una tensione di comando Vb pari a 5 V.
L’idea è quella di utilizzare un diodo led, di colore rosso e 5 mm di diametro con una tensione di polarizzazione diretta di 2 V ed un’intensità di corrente diretta di 20 mA per pilotarlo sarà idoneo un BC 337 avendo verificato sul proprio datasheet BC337 le caratteristiche necessarie : VCE : 50 V più che sufficienti, ed IC : 800 mA di gran lunga coprono i 20 mA richiesi dal diodo led.
BC 337 transistor planare epitassiale di tipo NPN, complementare al BC327 e BC328 che sono PNP. E’ fornito in un contenitore tipo TO-92 di plastica SOT 54 del peso di circa 0,18 g. Alcune caratteristiche fondamentali per la sua corretta polarizzazione e l’indicazione dei relativi terminali di base (B), collettore (C) ed emettitore (E):
- VBESAT : 1,2 V
- VCESAT : 0,7 V
- hFEmin : 100
- hFEmax: 630
Per quanto riguarda il diodo led (DL) si utilizza un classico diodo led da 5 mm di colore rosso le cui caratteristiche considerate sono di 5V per la tensione di polarizzazione diretta (Vled, VF nei datashet) e di 20 mA per la corrente di polarizzazione diretta (Iled, IF nei datashett), mentre per le polarità si considera la tacca di riferimento come meglio indicato in:
A questo punto, con le info necessarie disponibili posso procedere a dimensionare i resistori di polarizzazione del bjt.
Dimensionamento resistori di polarizzazione..
Determino dapprima il valore della tensione VRC ai capi del resistore di collettore Rc attraverso l’espressione ..
VRC=VCC – VCESAT – VLED = 5 – 0,7 – 2 = 2,3 V
Nota la tensione ai capi di Rc e l’intensità di corrente stabilita per il diodo led con iLED = 20 mA che poi corrisponde alla corrente di collettore Ic posso determinare il valore del resistore attraverso la ben nota legge di Ohm..
RC = VRC / iLED = 2,3 / 0,02 = 115 Ω
A questo punto si trova la corrente di base IB con la relazione
iB>iC /ßF
al fine si ottenere una certa saturazione e considerando le tolleranze dei resistori si aumenta la ib di un 20% pertanto
iB>1,2 ( iC /ßF )
iB = 1,2 ( 0,02 /60 ) = 0,36 mA
Ora essendo la tensione VRB ai capi del resistore RB pari a VB – VBESAT (VBESAT si rileva dal datasheet) occorre determinare il valore in ohm della resistenza di base RB, pertanto sempre applicando la legge di Ohm trovo ..
RB = VRB / iB = VB – VBESAT / iB = 5 – 1,2/ 0,36 x 10-3 = 10.555Ω
Nella pratica andrò ad utilizzare un valore prossimo commerciale, ovvero il valore di 10,5 kΩ, e lo schema diventerà
E la verifica di funzionamento realizzata su breadboard diventa :
Polarizzando la base del BJT con la tensione Vb si ottiene l’accensione del diodo led ..
La conclusione di questa presentazione, è nell’idea di presentare un’applicazione del transistor come interruttore quando a fornire il comando per un generico utilizzatore o carico di potenza sia una delle tante applicazioni di dispositivi elettronici che poco si prestano a supportare gli assorbimenti considerevoli di carichi quali ad esempio bobine di elettromagneti o elettrovalvole, piuttosto che attuatori o simili. In tal caso si prendono in considerazione dei BJT con caratteristiche adeguate agli assorbimenti, ovvero quei dispositivi semiconduttori che fanno parte dell’elettronica di potenza.
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