Il commutatore a transistor

Il transistore NPN è composto da due zone formate da conduttori del tipo N, e da una zona intermedia del tipo P. Le due zone esterne si chiamano emettitore e collettore, quella centrale si chiama base. In un transistore di questo tipo la tensione di lavoro viene applicata connettendo il polo negativo all'emettitore e quello positivo al collettore. Nei transistori del tipo PNP,sempre meno usati, le polarità sono invertite.

Quando alla base di un transistore, a cui la tensione di lavoro è stata applicata come descritto, non si applica anche una tensione alla base, il transistore non può essere attraversato da alcuna corrente apprezzabile, cioè non conduce,e si dice quindi che è interdetto. Se invece si applica alla base di un transistore NPN una tensione, anche piccola, con potenziale positivo rispetto all'emettitore, passa corrente fra emettitore e collettore: si dice allora che il transistore è in conduzione, cioè è inserito.

Fig 1 - Schema di un transistore NPN

La corrente che attraversa la zona dell'emettitore in un transistore, la cosidetta corrente di emettitore l_E, si suddivide, nella zona della base in una corrente di base I_B, ed in una di collettore l_c.

Inoltre la corrente di base è sempre molto più piccola della corrente di collettore; oggi si arriva a proporzioni di 1 a 100 ed anche di 1 a 1000.

Fig 2 - Correnti in un transistore NPN

Il transistore ha solo tre elettrodi: l'emettitore, la base ed il collettore. Poiché in un circuito d’amplificazione sono necessari due elettrodi per l'ingresso e due elettrodi per l'uscita, è evidente che un elettrodo del transistore dovrà essere usato in comune sia per l'ingresso che per l'uscita.

A seconda di quale elettrodo viene usato per questo scopo, dobbiamo distinguere tra collegamento ad emettitore comune (fig. 3a), collegamento a base comune (fig 3b) e collegamento a collettore comune (fig. 3c).

Per l'impiego del transistore come interruttore-commutatore, si usa quasi esclusivamente il collegamento ad emettitore comune.

Fig 3 a)Collegamento ad emettitore comune b) Collegamento a base comune c) Collegamento a collettore comune

In ognuno dei due collegamenti in cui la base non è usata come elettrodo comune, il transistore può essere pilotato (comandato) attraverso la base, e cioè con una piccolissima corrente di base. Il rapporto fra corrente di collettore I_c e la corrente di base I_B, vien chiamato amplificazione di corrente h_FE.

La figura 4 rappresenta un transistore in un circuito con collegamento ad emettitore comune. La rappresentazione del transistore si differenzia da quella della figura 2, in quanto anziché indicare le zone N e la zona P come in figura 2, si è usato il simbolo internazionale del transistore e si è aggiunta la resistenza di carico R_L.

Fig 4 - Transistore collegato con emettitore comune.

In questo modo, perché la corrente di base I_B di pilotaggio passi attraverso il transistore, è necessario disporre di una tensione V_BE, relativamente piccola, tra emettitore e base. Essa è di circa 0,5 V e di conseguenza molto più piccola della tensione di batteria (V_Batt) disponibile, che generalmente è dell'ordine tra 10 e 100 V. Nel circuito ad emettitore comune si può pilotare una forte corrente I_C di uscita con una forte tensione di batteria V_BE, a mezzo di una piccola corrente di base I_B ed una piccola tensione d'entrata V_BE. Per tale ragione nei circuiti di commutazione si usa quasi esclusivamente il collegamento con emettitore comune.

Nel funzionamento del transistore come interruttore, sono importanti i suoi comportamenti nelle differenti fasi: transistore interdetto (interruttore aperto), transistore in conduzione (interruttore chiuso), e le fasi di passaggio tra l'una e l'altra condizione.

Consideriamo dapprima il caso di un transistore interdetto (fig. 5).

Mentre in un interruttore meccanico aperto non può passare alcuna corrente, in un transistore interdetto la corrente non è veramente nulla. Ciò è da ascriversi alle regolarità insite nella conformazione del cristallino del transistore.

Per il caso più semplice, qui indicato, di un transistore interdetto in cui la base non è neppure collegata (cioè è “aperta“), la corrente che passa (l_CE0) è la più alta tra quelle che passerebbero qualora la base fosse in qualche modo collegata. Questa corrente vien denominata: corrente residua tra collettore (C) ed emettitore (E) con base aperta (cioè 0).

Fig 5 - Interruttore aperto (Corrente residua I_CE0)

In pratica raramente si presenta il caso citato nella visto precedentemente, di un transistore interdetto con base aperta. Molto più spesso si trova una resistenza R, di opportuno valore, inserita all'ingresso, cioè fra base ed emettitore. Allora la corrente residua I_CER (R anziché 0, indica che la base non è aperta ma è collegata all'emettitore tramite una resistenza R) è già notevolmente minore. Ciò avviene perché una parte della corrente residua del collettore viene deviata ed asportata dalla resistenza R, migliorando cosi la funzione di interruttore del transistore. Più piccolo è il valore di R e maggiore è la corrente che viene deviata e che non passa per il transistore.

Fig. 6 - Corrente residua I_CER

Dalla figura 6 si desume che la corrente residua avrebbe il valore più basso quando il valore di R fosse il più piccolo possibile, cioè 0; il che equivarrebbe ad un corto circuito tra base ed emettitore. In questa ipotesi la corrente residua viene indicata con I_ECS, (dove S sta per “short-circuit" dall'inglese corto circuito).

Il valore I_CES indica il valore limite inferiore che può raggiungere la lesa, che come già detto dipende dal valore della resistenza R.

Fig 7 - Corrente residua I_CES

Se non solo si asporta dalla base quella corrente residua del collettore che la attraversa, ma si cerca di impedire che essa si formi, la corrente residua totale può ancora essere ridotta, migliorando ancora il funzionamento di un transistore interdetto in paragone ad un interruttore aperto, nel quale non esiste una corrente residua.

A questo scopo è necessario applicare fra base ed emettitore una tensione tra 0,5 ed 1 V, ma con polarità inversa rispetto a quella di pilotaggio del transistore. Nel caso di un transistore NPN il polo negativo sarà quindi collegato alla base (vedi figura 1). La corrente residua che risulta con tale collegamento si chiama I_CEV, dove “V” indica che una tensione è stata applicata alla base.

Fig 8 - Corrente residua I_CEV

Nelle figure precedenti si sono esaminate le correnti residue di un transistore interdetto. La figura 9 rappresenta in sintesi quanto avete appreso.

Si osserva che il valore delle correnti residue del collettore dipende da come si usa il transistore, e dal valore della tensione tra collettore ed emettitore (V_CE ∼ Tensione di lavoro). Per un determinato valore di tensione la corrente residua, di colpo cresce "enormemente e porta alla distruzione del transistore. Questo valore di tensione si chiama: “tensione di rottura".

Fig. 9 - Le correnti residue di un transistore

Se alla base di un transistore viene applicata una tensione sufficientemente elevata, in esso si stabilisce un passaggio di corrente, cioè esso viene “lNSERlTO"; in altre parole vien posto in stato di conduzione.

Quindi attraverso il transistore e la sua resistenza di carico esterna R_L. passerà una corrente l_c - della corrente di collettore -, il cui valore verrà stabilito dalla tensione di batteria (V_batt) e dal valore della resistenza R_L.

Fig 10 - Interruttore chiuso.

Esempio: Che valore ha la corrente di collettore l_c, se la tensione di batteria V_batt = 20 V e la resistenza esterna è R_L = 1KOhm; (Trascurando la resistenza interna del transistore?)

Nell'esempio si ammise che la resistenza interna del transistore fosse nulla, cioè uguale a zero. In realtà ciò non è il caso. Esiste una piccola resistenza interna nel transistore in stato di conduzione, che provoca al passaggio della corrente l_CE0 di collettore (con base aperta, vedi figura 11), una caduta di tensione .V_CEsat tensione di saturazione collettore-emettitore. 

Fig. 11 - Distribuzione delle tensioni in un transistore in conduzione

I valori usuali della tensione di saturazione di un transistore sono fra 0,2 ed 1 Volt. Queste piccole cadute di tensione non nuocciono nei casi pratici di uso. Quando fossero veramente dannose - ad es. nella commutazione di forti carichi - esse possono essere ridotte aumentando opportunamente la corrente di base.

La figura 12 mostra le curve caratteristiche della corrente di base In in funzione della tensione collettore-emettitore V_CE e della corrente di collettore I_C. È anche indicata la retta corrispondente ad una determinata resistenza di carico R_L. Si vede che già con una corrente di pilotaggio della base di 1 mA, si raggiunge la massima corrente di collettore IC = 100, possibile con quella data R_L. Se si aumenta il valore di I_B, ad esempio sino a 2 mA (cioè raddoppiandolo), la tensione di saturazione V_CEsat scende da 0,4 a 0,2 dimezzandosi. Quindi la potenza necessaria per pilotare il transistore è praticamente proporzionale al valore della corrente di pilotaggio della base.

Fig. 12 - Tensione di saturazione di un transistore

Come avete appreso, il transistore non è un‘interruttore ideale; infatti esso nello stato di interdizione — cioè disinserito - lascia ancora passare una corrente residua, mentre nello stato di conduzione - cioè inserito - si stabilisce in esso una tensione di saturazione. Quest'ultima sussiste anche quando la corrente di collettore (l_C) è massima, per cui si ha nel transistore una perdita, detta dissipazione complessiva di potenza: P_tot. Il valore di questa perdita è uguale al prodotto della tensione di saturazione per la corrente di collettore:

Fig 13 - Potenza dispersa

La potenza dissipata riscalda il transistore. Il calore che vi si genera deve essere ceduto all'aria circostante affinché la giunzione non si riscaldi oltre i limiti indicati dal costruttore. La conduzione di calore può essere paragonata a quella della corrente elettrica: anch'essa può essere limitata ad una resistenza la cosidetta resistenza termica R_th.

La differenza di temperatura Δ ϑ fra quella interna del transistore temperatura della giunzione. dove si genera il calore - e quella dell'aria esterna, può essere paragonata alla tensione elettrica, per cui si può utilizzare la legge di Ohm.

Fig 14 - La legge di Ohm “termica"

La resistenza termica fra giunzione ed aria esterna(R_thj-a) è formata dalla resistenza termica fra giunzione e contenitore (R_thj-c) e quella fra contenitore e I’aria (R_thc-a). Il valore delle due resistenze termiche R_thj-a e R_thj-c sono indicate fra i dati del costruttore del transistore. Se la resistenza termica R_thj-a indicata è troppo alta in funzione della dissipazione di potenza P_tot ammissibile per un certo uso del transistore, si dovrà prevedere un raffreddamento supplementare, ad es. montando il transistore su di un radiatore di calore. Con ciò viene diminuita la resistenza termica fra aria e contenitore, che verrà ora determinata dalla resistenza termica fra radiatore ed aria. Questo valore sarà tanto più piccolo quanto più grande sarà la superficie del radiatore.

Fig. 15 - Le diverse resistenze termiche

L'inserzione e la disinserzione di un transistor: - cioè il passaggio dallo stato di interdizione a quello di conduzione e viceversa - non avvengono istantaneamente. Durante il passaggio di stato variano stabilmente i valori di corrente e di tensione nel transistore. Infatti nell'attimo dell'inserzione la corrente passa da un piccolo valore ad uno grande, e la tensione da uno grande ad uno piccolo. Così pure nell'ultimo della disinserzione avviene l‘inverso. l valori estremi di corrente e di tensione determinano i limiti entro cui deve essere contenuto il campo di commutazione, o campo attivo.

Fig. 16 - inserzione e disinserzione

Consideriamo dapprima il tempo di inserzione. Il transistore riceve una corrente ed una tensione dette di pilotaggio. Il punto di lavoro di esso si sposta lungo la sua Curva caratteristica (tracciata in funzione del tempo e della corrente di collettore), dal valore corrispondente alla piccola corrente residua con tensione di lavoro, al valore corrispondente alla corrente di collettore con tensione di saturazione. (Cioè dal punto A al punto B nella figura I6). Questa variazione del punto di lavoro non è istantanea. ma impiega un certo intervallo di tempo. Per definire meglio questo tempo di inserzione, lo si misura fra due istanti in cui la corrente l_C passa dal l0% al 90% dei suoi valori estremi. Il simbolo per il tempo d’inserzione, detto anche tempo di salita, è t_r: (“r" dall'inglese rise = salita). Teoricamente il tempo d‘inserzione è un pò maggiore del tempo di salita a causa del cosidetto tempo di ritardo, che però è talmente piccolo che in pratica viene trascurato.

Fig 17 - Inserzione

Il tempo di inserzione di un transistore può essere ridotto rinforzando il segnale di pilotaggio. Occorre per questo che la corrente di pilotaggio sia maggiore di quella effettivamente necessaria per consentire il passaggio della corrente di collettore, limitata dalla resistenza di carico.

Il rapporto fra la corrente di base usata effettivamente (l_BI) e quella necessaria al pilotaggio (l^'_BI), è chiamato fattore di sovrapilotaggio.

Fig. 18 - Curva del tempo di inserzione in funzione del fattore ü di sovrapilotaggio.

Come si può rilevare dal diagramma, oltre un certo limite l'aumento del rapporto u non porta ad alcuna ulteriore riduzione del tempo di inserzione.

Come più tardi studieremo il sovrapilotaggio di un transistore disturba durante la disinserzione. Si cerca perciò di usare una maggior corrente di base solo durante E l'inserzione. Una disposizione circuitale adatta a questo scopo è indicata dalla figura 19. Nell'applicare la tensione di pilotaggio viene istantaneamente fornita al circuito della base, la corrente, relativamente forte, di carica del condensatore. Poi la corrente di base del transistore, ormai inserito, viene limitata dalla resistenza R_B che lascerà passare solo la corrente di base necessaria a permettere il fluire della corrente I_C del transistore in conduzione.

Fig. 19 - Sovrapilotaggio di un transistore solo durante I'inserzione

Il tempo di disinserzione è formato dal tempo di immagazzinamento e dal tempo di caduta sommati assieme. Durante il primo la corrente di collettore fluisce ancora col suo valore pieno. Il tempo di caduta, similmente a quello di salita, viene misurato dal momento in cui la corrente di collettore scende dal 90% al 10% dei suoi valori estremi.

Il simbolo per il tempo di immagazzinamento è t_s (in inglese “s” da storage = immagazzinamento), e quello per il tempo di caduta è t_f(in inglese “f” da fall = caduta).

Fig. 20 - Disinserzione

Il tempo di immagazzinamento è tanto più grande quanto maggiore è il fattore di sovrapilotaggio ü( poiché la base del transistore si trova innondata da una esuberanza di portatori di cariche, che debbono essere rimosse prima che la corrente di collettore inizi a diminuire. Questa rimozione avviene tramite una corrente diretta in senso inverso di quella inviata per il pilotaggio, e vien detta corrente di svuotamento.

Il tempo di immagazzinamento, diviene perciò tanto più breve, quanto maggiore è questa corrente di svuotamento. Il rapporto fra corrente di svuotamento I^'_BI (vedi figura 18) è detto fattore di svuotamento a.

Fig. 21 -Tempo di immagazzinamento in funzione del fattore ü di sovrapilotaggio e del fattore a di svuotamento. A parità di ü il tempo t_s decresce con l'aumentare di a.

Una notevole corrente di svuotamento non solo accorcia il tempo di immagazzinamento, ma anche il tempo di caduta.

Ciò è senz'altro comprensibile, poiché il rapido diminuire dei portatori di cariche nella base, perdura anche durante il tempo di caduta. Quindi l'iniziale sovrapilotaggio del transistore non ha più alcuna influenza, poiché la sovrabbondanza di portatori di cariche provocate da esso nella base venne già asportata durante il tempo di immagazzinamento.

Fig. 22 - Andamento del tempo di caduta in funzione del fattore di svuotamento a

Si potrebbe ad esempio ottenere un alto fattore di svuotamento, se si applicasse alla base di un transistore NPN una tensione negativa rispetto al potenziale dell'emettitore. Ciò però comporterebbe un sensibile aumento di costo del circuito di commutazione, e perciò si preferiscono generalmente altre soluzioni. Una di queste, spesso adottata, è indicata dalla figura 23. Nel circuito del collettore viene inserito un diodo al silicio collegato nel senso della conduzione, ai capi del quale venga a crearsi una tensione da 0,5 a 0,7 V.

In queste condizioni, se si interdice il transistore ad es. ponendo in corto circuito l'entrata, il potenziale alla base verrebbe a trovarsi più negativo rispetto all'emettitore proprio di quel suddetto valore di tensione creato dal diodo. Anche il famoso condensatore, necessario per avere un sovrapilotaggio all'inserzione (figura 19), aumenta il fattore di svuotamento: infatti esso è carico con le polarità indicate in figura e perciò fornisce una ulteriore tensione negativa alla base, quando il transistore viene disinnescato.

Fig. 23 - Aumento del fattore di svuotamento

Come abbiamo visto, durante i tempi di commutazione i valori di corrente e di tensione nel transistore variano continuamente (vedi figura 16). Il prodotto dei valori istantanei di corrente di tensione nei vari istanti viene denominato: Dissipazione di potenza nella commutazione. Di essa si deve tener conto nel dimensionamento e nella scelta degli appositi interruttori elettronici di potenza.

Fig. 24 - Perdite alla commutazione

A causa dei brevi tempi di commutazione dei transistori, anche le perdite relative hanno durata breve. Pertanto la temperatura della giunzione. a causa dell'inerzia termica, non riesce a seguire i valori delle perdite che mutano rapidamente. (fig. 25, linea verde). Si stabilisce invece una temperatura che è circa funzione del valore medio delle perdite di potenza nel tempo (linea punteggiata). Come si vede dalla fig. 25 questo valore medio dipende sia dal valore massimo della perdita totale P_tot, e sia dal tempo di durata dell'impulso t in rapporto all'intervallo di tempo t tra un impulso e l'altro:

In caso di commutazione di carichi non troppo forti. con l'aiuto di questo valore medio della perdita di potenza in commutazione, si può valutare l'aumento di temperatura del transistore (vedi figura I4).

Fig. 25 - Perdite alla commutazione. Valore medio.

Nella commutazione di carichi molto forti, non si possono più usare le semplificazioni sin qui seguite. Nei fogli dei dati caratteristici dei grossi transistori da commutazione si trovano delle curve dalle quali si può ricavare la cosidetta Resistenza termica dinamica R_thG, valevole per carichi ad impulso, in funzione della durata dell'impulso t, e del fattore υ (vedi figura 25). Il diagramma si legge seguendo la verticale corrispondente al tempo t sino a che essa incontra la curva corrispondente al fattore υ. Poi sulla scala delle ordinate si legge il valore R_thG. Con questa resistenza termica dinamica si può calcolare la perdita di potenza ammissibile, come spiegato alla figura 14, con la differenza che in questo caso si ottiene non la perdita statica, bensì la perdita dinamica ammessa per comandi ad impulso.

Fig. 26 - Diagramma per determinare la perdita di potenza nelle commutazioni ad impulso.

Sinora abbiamo solo considerato la commutazione di carichi ohmici. Spesso però si devono inserire o disinserire delle induttanze o delle capacità. Allora la commutazione non avviene più lungo una linea retta, come indicato nella figura 16 per un carico ohmico.

Nell'inserzione di un’induttanza ad esempio, sia il valore della corrente che quello della tensione restano sempre al di sotto dei valori corrispondenti per carichi ohmici, per cui questo caso non e critico.

Fig. 27- Inserzione di un carico induttivo.

Nel disinserire un carico induttivo, la corrente tende dapprima a mantenere la stessa intensità. In questo caso si può avere una tensione di interdizione, applicata all'alta resistenza di interdizione del transistore, maggiore della tensione di lavoro. Si avrebbe perciò per un breve intervallo di tempo una notevole perdita di potenza al transistore.

Fig. 28 - Disinserzione di un carico induttivo.

Specialmente in caso di carico capacitivo, se si usa un sovrapilotaggio, la corrente aumenterà al di sopra. del valore massimo eventualmente consentito dalla resistenza prevista in parallelo.

A causa della bassa resistenza interna di un condensatore scarico, la corrente durante il tempo di carica verrà solo limitata dalla corrente di base e dall'amplificazione di corrente del transistore.

Fig. 29 - Inserzione di un carico capacitivo

Nel disinserire un carico capacitivo, il punto di lavoro del transistore segue una curva che è simile a quella che abbiamo indicata per l'inserzione di un carico induttivo, e pertanto anche questo caso non è critico.

Le curve di commutazione pratiche, caso per caso, si possono stabilire con l'uso di un oscilloscopio.

Fig. 30 - Disinserzione di un carico capacitivo.