[TUTORIAL] Controllare carichi di potenza con Arduino – 1 – Cos’è il Transistor o BJT

INTRODUZIONE

Anche se non avete l’hobby dell’elettronica, non avete fatto elettronica all’istituto tecnico o non vi siete documentati a riguardo, sicuramente avrete sentito parlare di Transistor.

Per chi non è del settore, probabilmente dietro a questo nome c’è un alone di mistero.

Iscriviti al nostro canale YouTube per saperne di più! 🙂
In questo articolo proverò a fare chiarezza su cos’è e su come si utilizza. I suoi utilizzi sono molteplici in elettronica ma noi ci concentreremo su uno dei suoi impieghi: poter controllare carichi che attraverso Arduino non sarebbe possibile.

Spiegare il funzionamento del transistor (Bipolar Junction Transistor) non è certo una cosa semplice in un singolo articolo. Ma se si conosce la legge di Ohm è possibile comprendere bene alcuni casi particolari di funzionamento che possono essere generalizzati al funzionamento generale del dispositivo.

CONCETTO DI SATURAZIONE

Supponiamo di avere un carico, assimilabile ad una resistenza R. La corrente I che questo carico assorbirà se sottoposto ad una tensione V sarà data da:

I= V/R

A parità di tensione V, la corrente del carico dipende solo ed esclusivamente dal valore di R.

Introduciamo adesso nel circuito un transistor. Il Transistor di tipo N ha la proprietà di far scorrere all’interno del COLLETTORE, verso l’EMETTITORE, una corrente proporzionale alla corrente che scorre all’interno della BASE. La proporzionalità tra corrente di COLLETTORE e corrente di BASE è data dalla relazione:

Ic = Ib*HFE

dove HFE è un parametro proprio del BJT che dipende dalle sue caratteristiche fisiche.

Tralasciamo per adesso, anche se banale, come imporre la corrente Ib che implica la nostra Ic.

Possiamo a questo punto dire che , se connettiamo un carico di resistenza R tra la tensione di alimentazione V e il collettore del Transistor, abbiamo la possibilità di regolare la corrente I al suo interno.

A questo punto possiamo fare diverse considerazioni. La corrente che fluisce nel carico non potrà eccedere il valore dato dalla legge di Ohm, e su questo non ci piove! Se infatti assumimo di fornire al Transistor una corrente di base tale che:

Ic= I = HFE*Ib  maggiore del rapporto V/R

Ci accorgiamo che la corrente del carico si fermerà (idealmente) a quella che avevamo nel caso del carico connesso senza il Transistor.  In questo caso avremo anche che TUTTA la tensione V sarà ai capi del carico R, conseguentemente la tensione ai capi del transistor sarà nulla o molto bassa.

Questa condizione si dice SATURAZIONE, ovvero la condizione in cui una variazione di corrente di base Ib non provoca né una variazione di tensione sul carico R né una variazione di tensione ai capi del Transistor.

Siamo in SATURAZIONE quando vale la relazione:

Ic<HFE*Ib

In questa condizione, essendo la tensione ai capi del Transistor nulla o molto bassa e, essendo la Potenza disspiata per effetto Joule da qualsiasi dispositivo data da P=V*I, possiamo dire che il transistor non sta dissipando (o ne sta dissipando pochissima) Potenza in calore. In questa condizione possiamo affermare che il Transistor sta lavorando come un interruttore.

CONCETTO DI ZONA ATTIVA

Supponiamo invece adesso di di fornire una corrente di base Ib al Transitor Tale che:

Ic =  HFE*Ib < V/R

Questo vorrà dire che la corrente che scorre nel carico sarà minore a quella che avremo avuto collegando il carico direttamente al generatore V.

Applicando quindi la formula inversa della legge di Ohm, ovvero Vcarico=R*Ic, abbiamo che essendo Ic<I, la tensione ai capi del carico connesso sul collettore del Transistor sarà inferire alla Tensione di alimentazione V. Per la Legge di Kirchoff alla maglia, la somma delle tensioni all’interno della maglia deve essere uguale alla somma delle cadute di tensione. Quindi cadendo solo una parte di Tensione di alimentazione  sul carico, l’altra parte dovrà necessariamente cadere ai capi del Transistor.

Possiamo dire quindi che vale la seguente relazione:

V = Vcarico + Vce

Vcarico però dipende dalla corrente di collettore Ic (Vcarico = R*Ic), che a sua volta dipende dalla corrente di base (Ic=HFE*Ib). Sostituendo quindi Ic nella prima relazione otteniamo:

Vcarico = R*HFE*Ib

BELLO NO??? 🙂 Esiste un legame lineare tra la corrente di carico e la corrente di base!!

La cosa bella è che in questo stato, chiamato ZONA ATTIVA, il Transistor  funziona da amplificatore e la tensione sul carico può essere controllata attraverso la Ib. Il valore di amplificazione è regolabile scegliendo un opportuno valore di R e il guadagno totale può essere anche molto elevato se si sceglie un Transistor con l’opportuno HFE.

A questo punto, per chiudere il cerchio, vediamo come “dosare” la corrente di base Ib. In realtà la teoria è molto semplice dal momento che  si basa sulla risoluzione di un circuito alla maglia.

C’è solo da dire che il tranasistor visto attraverso la base è assimilabile ad un diodo polarizzato direttamente. Ai suoi capi troviamo quindi una caduta di circa Vbe = 0,7V.

Quindi la corrente che scorrerà all’interno della base del Transistor sarà semplicemente data da

Ib= (E-0,7)/Rb

ZONA DI INTERDIZIONE

Si vede chiaramente dall’espressione della corrente di base che, se E assume un valore inferiore a 0,7V la corrente di base risulta negativa. Questo non può in realtà accadere perchè tra BASE ed EMETTITORE del Transistor abbiamo un Diodo. La corrente di BASE, e quindi la corrente di COLLETTORE, sarà nulla.

Diciamo quindi che per valori di Tensione inferiori a 0,7V il Transistor è in ZONA DI INTERDIZIONE

A brevissimo il prossimo articolo nel quale parleremo di MOSFET! 🙂

 

Precedente [TUTORIAL] Misurare la distanza con Arduino - HR-SR04 Sensore Ultrasuoni Successivo [TUTORIAL] Controllare carichi di potenza con Arduino - 2 - Cos'è il MOSFET