applicazioni dei transistor

di Vincenzo Sorce

Oggi difficilmente capita, se si apre un apparecchio elettronico, di trovare singoli transistor. Quasi sempre ci si imbatte in circuiti integrati e qualche componente, anch’esso integrato, ed eventualmente dei componenti di potenza come triac, relè ed altri ancora. Però è bene ricordare che migliaia, e talvolta milioni, di transistor, integrati nei chip, assicurano la manipolazione di segnali analogici e digitali.

Nell’articolo precedente abbiamo analizzato la struttura fisica del transistor e il suo funzionamento statico. Vedremo nel prossimo articolo, quando ci occuperemo del suo funzionamento come componete logico, l’utilità di tale studio. Anche nel funzionamento dinamico, però, è fondamentale il suo comportamento statico.

Figura 1: Punto di riposo
Figura 1: Punto di riposo

Ma cosa vuol dire funzionamento statico? Abbiamo già visto che il punto di partenza per stabilire l’area di funzionamento del nostro componente viene da noi stabilito segnando un punto nelle caratteristiche di uscita fornite dal costruttore. Il punto da noi stabilito prende il nome di punto di riposo. Infatti, in assenza di sollecitazioni, oltre le batterie che determinano la polarizzazione statica, il transistor è in uno stato statico. Come scegliamo il nostro punto di riposo se vogliamo realizzare uno stadio amplificatore di tensione di un segnale sinusoidale? Analizziamo la figura 1 e il punto da noi stabilito. Che escursione di tensione a sinistra, rispetto al punto, si può ottenere rimanendo nella zona lineare della curva? Sicuramente di 2,5 Volt.

Figura 2: Circuito equivalente dinamico del transistor
Figura 2: Circuito equivalente dinamico del transistor

Tale valore si può ottenere anche a destra.Si conclude facilmente che, se in uscita del transistore vogliamo un segnale sinusoidale che abbia un valore di picco massimo e minimo di 5 Volt, che chiameremo Vo (Voutput), quello scelto è un punto di funzionamento idoneo. Questo è un primo punto di partenza. Il secondo è conoscere il valore della tensione del segnale d’ingresso che chiameremo Vi (Vinput) e di conseguenza il valore dell’amplificazione di tensione:

Av=Vo/Vi

Come si comporta il transistor quando ai suoi capi d’ingresso è applicata una tensione sinusoidale? E’ stato effettuato lo studio del transistore considerandolo come un quadripolo.

Figura 3: Dal circuito statico a quello dinamico
Figura 3: Dal circuito statico a quello dinamico

Applicando al suo ingresso e all’uscita una serie di segnali e, in base alle risposte fornite, si è ricavato un circuito equivalente. Nel circuito d’ingresso Base-Emettitore si ha il parametro hie che corrisponde all’impedenza di ingresso del componente che è collegata in serie con un generatore di tensione hreVo.

Figura 4
Figura 4

I parametri h di un quadripolo si ottengono se si fissano, come variabili, la tensione di ingresso e la corrente di uscita dello stesso. Nel nostro caso: 

Vb=h11Ib+h12Vce -> hieIb + hreVo
(circuito d’ingresso)

Ic=h21Ib+h22Vce-> hfeIb + hoeVo
(circuito d’uscita)

 Esaminiamo quanto sopra esposto:

  • Nella prima equazione hie deve essere una resistenza, ed è infatti la resistenza d’ingresso del transistor, mentre hre deve essere un numero moltiplicato per la tensione di uscita; è un coefficiente di reiezione, cioè l’influenza che ha la tensione di uscita sul circuito d’ingresso.
  • Nella seconda equazione hfe deve essere un numero ed è un numero importantissimo perché sul circuito di uscita genera una corrente hfe volte Ib che è la corrente d’ingresso, e rappresenta il guadagno di corrente del transistor, mentre hoe deve essere una conduttanza e rappresenta la conduttanza di uscita.
Figura 5: Inversione di fase ingresso-uscita
Figura 5: Inversione di fase ingresso-uscita

Dalle considerazioni fin qui fatte il circuito equivalente del transistor nel funzionamento dinamico diviene quello raffigurato in figura 3. Prima di analizzare il circuito equivalente è opportuno fare alcune considerazioni. Sul primo circuito di figura 3 abbiamo la resistenza Re con in parallelo un condensatore elettrolitico. Lo scopo di quest’ultimo è quello di creare un’impedenza così piccola, rispetto alla frequenza di lavoro, da rendere trascurabile il valore del parallelo dei due componenti, perciò nel funzionamento dinamico l’emettitore del transistor può essere considerato al potenziale di massa.

Nel circuito equivalente non compare la tensione di alimentazione Vb. In effetti, la tensione di uscita ai capi di Rc è composta da una componente statica e una componente dinamica. Vedremo più in là come bloccare la componente statica.

Calcolo dei guadagni di corrente, di tensione e di potenza

Dopo queste premesse passiamo ad analizzare il circuito equivalente dinamico. Abbiamo già prima visto come scegliere il punto di riposo e abbiamo trattato nell’articolo precedente come calcolarci la Requ. Per poter calcolare il guadagno di tensione, di corrente e di potenza di quello che possiamo senz’altro chiamare stadio amplificatore ci occorrerebbe conoscere i valori dei parametri hie, hre, hfe e hoe. I data sheet forniti dai costruttori permettono di individuare facilmente il valore di hfe mentre gli altri parametri, qualora occorra, bisogna calcolarli, stabilito il punto di funzionamento statico, utilizzando le caratteristiche grafiche. Occorre allora puntualizzare che normalmente, per i circuiti che lavorano a bassa frequenza (fino a qualche MHz) la resistenza di ingresso hie viene considerata trascurabile, la conduttanza di uscita hoe prossima allo zero ed il fattore di reiezione hre trascurabile. Con queste ipotesi il nostro circuito diviene quello di figura 4. Calcoliamo l’amplificazione di tensione:

Ib=Vi/R
=Av=Vo/Vi
=hfe*Ib*Rc/Vi
=hfe*Vi/Requ*Vi
=hfe*RC/Requ

Abbiamo visto che -Ic=hfexIb (il segno meno sta a indicare che ha un verso opposto a quello convenzionale d’ingresso) e che quindi: 

Ai=hfe=-Ic/Ib

 Il guadagno di potenza sarà: 

Ap=-Vo*Ic/Vi*Ib=Av*Ai

Si noti che sia il guadagno di corrente, sia il guadagno di tensione e il guadagno di potenza sono dei numeri. Ci siamo soffermati ad analizzare il funzionamento dinamico del transistor a emettitore comune con una tensione sinusoidale all’ingresso. Ovviamente c’è un motivo ben preciso: infatti qualsiasi segnale può essere scomposto in una serie infinita di componenti sinusoidali (dette armoniche di Fourier) a frequenza crescente. Per il principio della sovrapposizione degli effetti si può considerare, in uscita, un segnale somma delle armoniche sinusoidali. In genere ci si ferma alle prime armoniche poiché quest’ultime vanno diminuendo di ampiezza man mano che ci si sposta verso le frequenze più elevate. Una ultima importante considerazione: in questo tipo di connessione a emettitore del transistore, che è di gran lunga la più adottata, si ha l’inversione del segnale d’ingresso (figura 5).

Accoppiamento in cascata dei transistor

Poniamo di aver un segnale sinusoidale alla frequenza di 10kHz del valore di 120mV e vogliamo amplificarlo portandolo al valore di 12V. In tal caso avremmo bisogno di uno stadio amplificatore che abbia Av=10.000.

Figura 6: Stadi amplificatori in cascata
Figura 6: Stadi amplificatori in cascata

In tal caso l’utilizzo di un solo transistor non può essere sufficiente per ottenere un tale valore di amplificazione. In questi casi si utilizzano più stadi singoli collegati in cascata (figura 6). Innanzi tutto bisogna rilevare che i tre condensatori in neretto sono chiamati condensatori di blocco della corrente continua. Nello stesso tempo, però, non devono bloccare il segnale sinusoidale da amplificare. Ricordando che l’impedenza di un condensatore di capacità C è: 

Xc=1/2pfC

dove f è la frequenza del segnale in questione. Bisognerà scegliere il valore di C affinché si abbia una reattanza trascurabile rispetto alle resistenze del circuito. A differenza delle resistenze in parallelo alle RE codeste non possono essere di tipo elettrolitico dato che quest’ultime hanno una corrente di dispersione che non crea problemi se collegate a massa. Analizzando il circuito di figura 6 riscontriamo che la Vi2=100xVo1.

Ne consegue che:

Vo2=100*100*Vo1=10.000*Vo1

I disturbi negli amplificatori

E’ opportuno ricordare che i materiali interessati dalla corrente sono costituiti da atomi. Questi, come è noto, hanno un nucleo e degli elettroni. A seconda delle variazioni di temperatura ambiente essi rispondono con oscillazioni delle cariche elettriche, che in quanto tali, generano un segnale elettrico definito rumore interno.

Un altro tipo di rumore è quello esterno. Per esempio, quasi sempre si è in presenza non di batterie ma di circuiti di alimentazione dalla rete elettrica. Si può ovviare a tale inconveniente con degli appositi filtri. E’ ovvio che, insieme al segnale che vogliamo amplificare, amplifichiamo anche il rumore che, poiché interviene a qualsiasi frequenza, viene chiamato rumore bianco. Poi abbiamo i disturbi dovuti alla vicinanza di apparecchiature che emettono onde elettromagnetiche. In tal caso occorre schermare i circuiti con involucri metallici collegati al polo comune dell’amplificatore. Il più insidioso dei disturbi è quello dovuto alla reiezione dei segnali di uscita verso l’ingresso. In tal caso è utile togliere i condensatori in parallelo alle resistenze di emettitore RE, provocando una controreazione. Infatti, all’aumentare del segnale di uscita, Re riporta all’ingresso dello stadio amplificatore un aumento di tensione opposta a quella da amplificare, stabilizzando lo stadio amplificatore. Ciò, però, porterà a una riduzione dell’amplificazione.

La classe degli amplificatori

Tornando alle caratteristiche grafiche del transistor di cui alla Figura 1, abbiamo stabilito il punto di riposo in modo tale da avere una caratteristica lineare a destra e a sinistra dello stesso per fare in modo che il nostro segnale sinusoidale rimanga inalterato nella sua forma. Se il segnale che applichiamo all’ingresso dell’amplificatore è del tipo sinusoidale, diremo che questo è di classe A (vedi figura n. 7). Se il segnale che applichiamo all’ingresso dell’amplificatore è del tipo semisinusoidale, diremo che questo è di classe B (vedi figura n.8). Se il segnale che applichiamo all’ingresso dell’amplificatore è minore di una semisinusoide, diremo che questo è di classe C (vedi figura n.9). Come se ciò non bastasse ci sono ulteriori classi, come, per esempio la classe AB. Perché l’esistenza di queste classi? Ovviamente ci sono delle precise ragioni che andiamo ad analizzare.

Classe A

Questo tipo di classe si utilizza quando trattiamo preamplificatori e amplificatori. Infatti, in questi casi, la cosa più importante è quella di portare all’ingresso dello stadio amplificatore finale, che ovviamente è di potenza, un segnale più fedele possibile.Come abbiamo già visto dobbiamo avere cura di scegliere i vari punti di riposo dei transistor in modo tale che il segnale interessi le zone lineari degli stessi.

Figura 7: Segnale per amplificatore in classe A
Figura 7: Segnale per amplificatore in classe A

Classe B

Quest’altro tipo di classe si utilizza nei circuiti amplificatori finali di potenza. Infatti, per avere una potenza elevata in uscita, idonea, per esempio, a trasdurre il segnale all’esterno con uno o più altoparlanti occorre avere, oltre ad una elevata corrente d’uscita, anche una elevata tensione d’uscita:

P=V*I

Allora si utilizzano due transistori: il primo, amplifica la semionda positiva, il secondo, in opposizione di fase, amplifica la semionda negativa.

Figura 8: Segnale per amplificatore in classe B
Figura 8: Segnale per amplificatore in classe B

Classe C

E’ utilizzata nelle trasmissioni nell’etere di segnali per aver un elevato rapporto di trasmissione. Grazie alle armoniche di Fourier e a circuiti ausiliari si riesce ad ottenere l’intero segnale.

Figura 9: Segnale per amplificatore in classe C
Figura 9: Segnale per amplificatore in classe C

Integrati analogici

Grazie agli sviluppi tecnologici riguardanti i circuiti integrati, oggi esiste una vasta gamma di amplificatori analogici integrati di svariata potenza e di diverse classi.I principi adottati sono gli stessi che noi abbiamo analizzato.Ad esempio riportiamo lo schema dell’integrato TDA2003di Figura 10. Come si può notare perché l’amplificatore funzioni si ha la necessità di collegarlo a resistenze e condensatori esterni.

Figura 10: Amplificatore integrato TDA2003
Figura 10: Amplificatore integrato TDA2003

Ciò è dovuto al fatto che non tutti i componenti elettronici possono essere integrati, in special modo quelli che hanno dei valori elevati.Vi è da sottolineare, però, che proprio per il fatto che questo tipo di circuito integrato, per le sue dimensioni microscopiche, genera un rumore sensibile, non viene impiegato per i circuiti ad alta fedeltà (High Fidelity). Quindi non c’è da meravigliarsi se, aprendo gli involucri di certi amplificatori, ritroviamo i singoli transistori così come ve li abbiamo fin qui descritti. Come se non bastasse sono tornate a nuova vita le care vecchie valvole termoioniche. Si, è proprio così! Gli intenditori della grande musica hanno scoperto che il segnale amplificato con le valvole, ovviamente di nuova produzione, rendono il segnale più “caldo”, più autentico, più vivo. Per finire l’articolo, non possiamo non parlare degli amplificatori di segnale digitali. Nella trasmissione digitale dei dati occorre trasformare i segnali analogici in digitale (AD).Nella ricezione vengono nuovamente trasformati da digitali in analogici (DA) ed inviati ai circuiti di riproduzione. Nel prossimo articolo ci occuperemo del funzionamento digitale del transistor. A presto.

Redazione Fare Elettronica