Il Transistor BJT… spiegato facile (Parte 2)

Livello di difficoltà    

Questo articolo è la seconda parte dell’argomento “Il Transistor BJT…. spiegato facile“. Se stai cercando la prima parte, fai click sul link di seguito: https://www.elettronicamaker.it/2022/10/19/il-transistor-bjt-spiegato-facile-parte-1/

Polarizzazione del transistor

Con il termine “polarizzazione” si intende la configurazione utilizzata per fissare il “punto di lavoro” del transistor. Generalmente essa si esegue applicando componenti passivi (in genere resistenze e condensatori, in alcuni casi anche induttori) tra i pin del transistor da polarizzare, la rete di alimentazione ed eventuali stadi che precedono o seguono.

Essa dipende prevalentemente dalle caratteristiche del transistor stesso e dai compiti che dovrà svolgere. Generalmente “compiti” e “caratteristiche” vanno di pari passo, nel senso che la scelta del transistor dipende da quali compiti esso dovrà svolgere. Come già accennato, infatti, esistono transistor con caratteristiche molto diverse tra loro e variano per:

• correnti e tensioni in grado di gestire,
• frequenze di lavoro,
• guadagno,
• tempi di intervento,
• tensione di soglia,
• ecc…

tutte caratteristiche ben definite all’interno dei Data Sheet di ogni componente.

NOTA: E’ fondamentale affidarsi sempre al Data Sheet di un componente prima di utilizzarlo. I parametri di un transistor sono fondamentali per la progettazione di un circuito e conoscere le sue caratteristiche tecniche aiuta anche a selezionare i componenti da utilizzare per la sua rete di polarizzazione.

Premesso che polarizzare un transistor – per i neofiti – non è un compito facile, poiché è necessario affidarsi a una serie di formule matematiche e all’interpretazione di grafici di non immediata comprensione, esistono tuttavia metodi empirici che permettono di ottenere ottimi risultati senza particolari sforzi.

Prima di addentrarci nella scelta dei componenti passivi da utilizzare e dal valore da applicare ad essi, partiamo con la descrizione delle tre configurazioni di un transistor e vi anticipo subito che, in questo articolo, analizzeremo la configurazione ad “emettitore comune”:

• Emettitore Comune
  • E’ comunemente la più utilizzata
  • Consente di amplificare segnali
  • Il segnale in uscita si preleva dal Collettore ed è sfasato di 180° rispetto a quello di entrata

• Collettore Comune
  • Non amplifica (ha un guadagno pari ad 1)
  • E’ utilizzata prevalentemente come Buffer, ovvero, si usa per collegare due dispositivi tra loro, evitando che l’uno influenzi l’altro.
  • Spesso viene utilizzato in combinazione di un transistor configurato a Emettitore Comune.
  • Converte un segnale da “Alta Impedenza” a “Bassa Impedenza”
  • Il segnale di uscita si preleva dall’Emettitore e non ha sfasatura rispetto a quello di entrata

• Base Comune
  • Raramente utilizzato, talvolta per amplificare segnali in alte/altissime frequenze
  • Amplifica con guadagno di poco superiore alle unità
  • Il segnale di uscita si preleva dal Collettore e non ha sfasatura rispetto a quello di entrata.

Di seguito gli “schemi semplificati” delle tre configurazioni possibili del transistor:

NOTA: In questa lezione, allo scopo di spiegare in modo semplice ed efficace l’uso pratico del transistor, esamineremo il transistor del tipo NPN configurato ad Emettitore Comune.

Arrivati a questo punto, dovremmo aver compreso che il transistor – per funzionare secondo le nostre aspettative – deve essere inserito in una rete di componenti accuratamente scelti per permettere a quest’ultimo di lavorare efficacemente.

La rete di polarizzazione a partitore di tensione

Per spiegare come polarizzare un transistor in configurazione a Emettitore Comune, utilizzeremo lo schema classico più diffuso ed efficace: la polarizzazione a partitore di tensione con resistenza di emettitore.

Prima di vedere come calcolare i componenti, capiamo brevemente a cosa servono:

• R1 e R2 (Partitore di base): Fissano la tensione continua sulla Base (VB) a un valore stabile e indipendente dalle oscillazioni del guadagno (beta o hFE) del singolo transistor.
• RC (Resistenza di Collettore): Converte le variazioni di corrente di collettore in variazioni di tensione, permettendoci di prelevare il segnale amplificato.
• RE (Resistenza di Emettitore): Garantisce la stabilità termica. Se il transistor si scalda, la sua corrente tende ad aumentare; RE crea una retroazione negativa che riporta la corrente al valore corretto, evitando che il componente si danneggi (fenomeno noto come fuga termica).
• Cin e Cout (Condensatori di disaccoppiamento): Bloccano la tensione continua di polarizzazione lasciando passare solo il segnale in corrente alternata (AC) in ingresso e in uscita. In questo modo, lo stadio successivo non altera la polarizzazione del transistor e viceversa.
• Ce (Condensatore di bypass di emettitore): Aumenta di molto il guadagno del segnale alternato, poiché “cortocircuita” la resistenza RE alle frequenze audio/segnale, mantenendo però la stabilità in corrente continua.

Il metodo pratico: la “Regola del Pollice”

Andare a calcolare ogni singolo parametro con formule rigorose richiede tempo e la conoscenza precisa del “beta” del transistor (parametro che peraltro varia molto anche tra componenti della stessa sigla). In laboratorio e nel mondo maker si utilizza spesso una regola empirica (o Rule of Thumb) che permette di dimensionare il circuito in pochi minuti con risultati eccellenti.

Ipotizziamo di voler progettare un piccolo amplificatore con una tensione di alimentazione Vcc = 12V e di utilizzare un classico transistor NPN per piccoli segnali (come il BC547 o il 2N2222).

Passo 1: Scegliere la corrente di riposo (Ic)

Per stadi di amplificazione di piccoli segnali (come preamplificatori audio), una corrente di collettore a riposo compresa tra 1mA e 2mA è la scelta ideale.

Fissiamo: 1mA.

Passo 2: Fissare la tensione di emettitore (Ve)

Per garantire una buona stabilità senza sacrificare troppa dinamica al segnale, la tensione sul pin di Emettitore (Ve) viene impostata standard a circa il 10% della tensione di alimentazione (Vcc):

Ve = 0.1 x 12V = 1.2V

Calcoliamo ora la resistenza di emettitore RE con la Legge di Ohm (R = V / I). Essendo la corrente di emettitore Ie circa uguale ad Ic:

RE = Ve / Ic = 1.2V / 0.001A = 1200 Ohm (ovvero 1.2 kOhm)

Passo 3: Fissare la tensione di collettore (Vc) e calcolare Rc

Per fare in modo che il segnale in uscita possa oscillare liberamente verso l’alto e verso il basso senza venire “tagliato” (distorsione o clipping), il punto di lavoro del collettore viene posizionato circa a metà tra la tensione di emettitore Ve e Vcc.

Tensiona ai capi della resistenza RC:

Vrc = (Vcc - Ve) / 2 = (12V - 1.2V) / 2 = 5.4V

Calcoliamo la resistenza di collettore RC:

RC = Vrc / Ic = 5.4V / 0.001A = 5400 Ohm (valore commerciale standard più vicino: 5.6 kOhm).

Passo 4: Dimensionare il partitore di base (R1 e R2)

Sapendo che tra la Base e l’Emettitore di un transistor al silicio in conduzione c’è una caduta costante di circa 0.7V

(Vbe = 0.7V): Vb = Ve + Vbe = 1.2V + 0.7V = 1.9V

Per fare in modo che il partitore sia “rigido” (ovvero che la corrente assorbita dalla base del transistor non alteri la tensione del partitore), facciamo scorrere nel partitore una corrente pari a circa 10 volte la corrente di base Ib. Assumendo per il nostro BC547 un guadagno medio

hFE = 200

Ib = Ic / hFE

= 1 mA / 200

= 0.005 mA (5 uA)

Ipartitore = 10 x Ib = 0.05 mA (50 uA)

Ora possiamo calcolare facilmente i due valori:

R2 = Vb / Ipartitore = 1.9V / 0.00005A = 38000 Ohm (valore commerciale standard: 39 kOhm)

R1 = (Vcc - Vb) / Ipartitore = (12V - 1.9V) / 0.00005A = 202000 Ohm (valore commerciale standard: 220 kOhm).

Passo 5: I condensatori (CIN, COUT, CE)

Per applicazioni audio generiche (frequenze da 20 Hz a 20 kHz):

• Cin e Cout: valori tra 1 uF e 10 uF (elettrolitici o poliestere) sono perfetti.
• Ce: un valore di 47 uF o 100 uF elettrolitico garantisce un’ottima risposta alle basse frequenze.

Progetto Pratico: Il tuo primo preamplificatore audio

Ora che abbiamo visto la teoria e la regola empirica, vediamo uno schema pronto per la breadboard da montare ed essere testato subito in laboratorio!

Elenco componenti necessari:

• Transistor NPN: BC547 (oppure BC548, 2N2222)
• Resistenza R1: 220 kOhm
• Resistenza R2: 39 kOhm
• Resistenza RC: 5.6 kOhm
• Resistenza RE: 1.2 kOhm
• Condensatori CIN e COUT: 10 uF (16V o superiore)
• Condensatore CE: 47 uF (16V o superiore)
• Alimentazione: 12V DC (va bene anche una pila da 9V riadattando leggermente le misurazioni)

Realizzazione del circuito

Usa una breadboard e disponi tutti i componenti come mostrato nello schema elettrico “Schema finale” (foto in alto). Sfrutta le linee di alimentazione ai lati superiore e inferiore per Vcc (linea rossa) e GND (linea nera).

Di seguito un esempio di come disporre i componenti utilizzando il software di simulazione di circuiti elettrici “Tinkercad”.

Il circuito è alimentato a 12V (a sinistra), dopo circa 1 secondo di simulazione la tensione si stabilizza e noterai (come previsto) che assorbe 1mA circa. Il segnale viene iniettato tramite un generatore di funzioni (a destra) con un’ampiezza di 100mV sulla base del transistor, passando prima attraverso il condensatore di disaccoppiamento (Cin) per poi uscire dal collettore del transistor che – attraverso il condensatore di disaccoppiamento (Cout) – entra nell’oscilloscopio (in alto). Si noti che l’ampiezza del segnale è stata amplificata con un notevole guadagno: le divisioni verticali dell’oscilloscopio, infatti, sono impostate a 4 volt. In una situazione “reale”, probabilmente il guadagno sarà inferiore, poichè la simulazione utilizza parametri “ideali”, mentre nella pratica un transistor ha un “beta o hFE” molto variabile, anche a parità di componente.

Come collaudare il circuito:

1. Misura delle tensioni in continua (senza segnale in ingresso): Collegando un multimetro con il puntale nero a massa (GND):
   • Sull’Emettitore dovrai leggere circa 1.1V – 1.3V.
   • Sulla Base dovrai leggere circa 1.8V – 2.0V.
   • Sul Collettore dovrai leggere circa 6V – 7V. Se i valori corrispondono, significa che la polarizzazione è corretta!
2. Prova dinamica con segnale: Puoi inviare in ingresso un debole segnale audio (ad esempio l’uscita cuffie dello smartphone a basso volume) e collegare l’uscita a un piccolo amplificatore o casse da PC. Noterai subito l’incremento di volume e la limpidezza del segnale amplificato.

Conclusioni

Polarizzare un transistor BJT può sembrare un’impresa ostica all’inizio a causa di tutte le variabili in gioco. Tuttavia, grazie alle regole pratiche e alla comprensione del ruolo di ciascun componente nella rete, abbiamo visto come progettare un circuito funzionante richieda solo la semplice Legge di Ohm.

Buon lavoro sul banco da laboratorio e… alla prossima puntata su ElettronicaMaker.it!