Transcript I Transistor - Elettronica Audio

I Transistor
I transistor vengono impiegati in ambito elettronico, principalmente, come amplificatori di segnali
elettrici o come interruttori elettronici comandati da segnali elettrici ed hanno sostituito
praticamente quasi del tutto i tubi termoionici (valvole).
Il termine transistor deriva da TRANSconductance varISTOR.
Il primo transistor fu realizzato con punte di contatto e aveva le dimensioni di circa un centimetro.
Fu costruito negli Stati Uniti nel 1947 da Walter Brattain, che insieme a William Shockley e
John Bardeen ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1956, con la motivazione:
"per le ricerche sui semiconduttori e per la scoperta dell'effetto transistor".
Il primo tipo di transistor sperimentato e poi prodotto fu il transistor bipolare o BJT, in cui sia
elettroni che lacune contribuiscono al passaggio della corrente.
In seguito furono creati altri tipi di transistor, in cui il passaggio di corrente avveniva grazie ad un
solo tipo di portatori di carica (o elettroni o lacune), detti FET, acronimo di Field Effect Transistor.
Sia i FET che i BJT, nel tempo, hanno dato origine a molti tipi diversi di transistor, usati per gli
scopi più svariati.
I transistor generalmente hanno tre piedini (pin) denominati:
BASE COLETTORE e EMETTITORE ed hanno due tipi di polarizzazione NPN e PNP.
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Naturalmente dalla sigla del transistor non è possibile dedurre se si tratta di un NPN o PNP mentre
guardando uno schema elettrico è facile sapere di che tipo si tratta infatti:
gli NPN vengono disegnati con la freccia dell'Emettitore rivolta verso l'esterno
mentre i PNP con la freccia dell'Emettitore rivolta verso l'interno.
POLARIZZAZIONE DEI TRANSISTOR
Nei transistor NPN il positivo di alimentazione va applicato sul collettore e il negativo
all'emettitore e a massa.
Nei transistor PNP il positivo di alimentazione va applicato all'emettitore e a massa e il negativo al
collettore.
Zona attiva diretta: quando la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente e la giunzione
base-collettore inversamente.
Saturazione: quando entrambe le giunzioni sono polarizzate direttamente.
Interdizione: quando entrambe le giunzioni sono polarizzate inversamente (e quindi il transistor
non conduce).
LE TRE CLASSICHE CONFIGURAZIONI
In genere, si è soliti per amplificare un segnale, applicarlo sulla Base e prelevarlo dal Collettore.
Questa però non è l'unica configurazione possibile, di seguito vi elencherò le più usate:
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Common Emitter (Emettitore comune)
In questa configurazione il segnale da amplificare si applica sulla BASE e il segnale amplificato si
preleva dal COLLETTORE .
Così configurato una piccola variazione di corrente sulla BASE determina un'ampia variazione di
corrente di COLLETTORE.
Il segnale amplificato che si preleva sul COLLETTORE risulta sfasato di 180 gradi rispetto a
quello applicato sulla BASE in pratica la semionda positiva si trasforma in negativa e quella
negativa in positiva.
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Common Collector (Collettore comune)
In questa configurazione il segnale da amplificare si applica sulla BASE e si preleva
dall'EMETTITORE.
Poiché questa configurazione non amplifica viene usata come stadio separatore per convertire un
segnale ad alta impedenza in un segnale a bassa impedenza.
Il segnale che si preleva sull'EMETTITORE non risulta sfasato e la semionda positiva applicata
sulla BASE rimane positiva sull'uscita dell'emettitore, e la semionda negativa applicata sulla BASE
rimane negativa sull'emettitore.
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Common Base (Base comune)
In questa configurazione il segnale da amplificare si applica sull'EMETTITORE e si preleva sul
COLLETTORE.
In questa configurazione una piccola variazione di corrente sull'EMETTITORE determina una
media variazione di corrente sul COLLETTORE.
Il segnale che si preleva dal COLLETTORE non risulta sfasato, cioè la semionda positiva e la
semionda negativa che entrano sull'EMETTITORE si prelevano in uscita dal COLLETTORE
nuovamente positiva e negativa.
RESISTENZE DI POLARIZZAZIONE E DI GUADAGNO
Come già detto in precedenza il transistor è un dispositivo che amplifica in corrente,quindi una
piccala variazione di corrente sulla base darà come risultato una elevata variazione di corrente sul
collettore (configurazione common emitter).
Ovviamente per svolgere al meglio le sue funzioni il transistor ha bisogno di essere integrato da altri
componenti che determineranno il grado di polarizzazione, il guadagno, e la qualità del risultato
finale.
Tra questi componenti i più usati sono le resistenze, nel progettare stadi a transistor bisogna temere
in considerazione alcuni parametri molto importanti quali;
Tensione,Corrente,Resistenza, Impedenza.
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Quelle che ho elencato sopra sono le caratteristiche generali dei transistor, ora passo a descrivere
con esempi pratici i vari stadi di funzionamento del transistor.
Lo sò questa è la parte più noiosa vi riempirete la testa di formule,formule.... ma queste sono
essenziali per poter capire e saper progettare, o magari solo visionare uno stadio a transistor per
riconoscere con che grado di qualità è stato progettato.
Prima di tutto elencherò la simbologia e il suo significato per poter capire ed applicare le varie
formule.
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Vcc = tensione di alimentazione in volt.
Vc = tensione sul Collettore in volt.
Vce = tensione tra Collettore e Emettitore in volt.
Vb = tensione sulla Base in volt.
Ve = tensione sull'Emettitore in volt.
Vbe = tensione tra Base ed Emettitore in volt.
VR4 = volt presenti ai capi di R4 collegata tra Emettitore e massa.
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R1 = resistenza di Base in Kiloohm.
R2 = resistenza di Base-massa in Kiloohm.
R3 = resistenza di Collettore-positivo in Kiloohm.
R4 = resistenza di Emettitore-massa in Kiloohm.
• Zi = impedenza d'ingresso in Kiloohm.
• Zc = impedenza di carico in Kiloohm.
• Hfe = rapporto tra corrente di Collettore e corrente di Base.
• Gain = indica quante volte viene amplificato il segnale applicato alla Base.
Siccome questo sito si occupa prevalentemente di elettronica audio il primo esempio che vi
propongo è un preamplificatore a due transistor in configurazione Emettitore comune.
La prima cosa che vi starete chiedendo, perché due transistor?
Prima di fare l'esempio vi parlerò del fattore Guadagno.
Supponiamo che abbiate a disposizione un transistor con un elevato guadagno con Hfe 500.
Utilizzarlo per amplificare un segnale di 20 volte sarebbe sprecato!
Meglio il massimo guadagno consentito.
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Niente di più sbagliato, infatti negli stadi preamplificatori audio conviene sempre tenere il guadagno
molto basso per i seguenti motivi:
• si riduce il rumore
• si ottiene una larghezza di banda più elevata
• si aumenta la stabilità termica del transistor
• si possono utilizzare delle resistenza standard ben diverse da quelle calcolate con le
formule.
La larghezza di banda se vorrete progettare degli stadi preamplificatori HI-FI conviene far
guadagnare al transistor meno di 20 volte perché come è noto più aumenta il guadagno più si riduce
la banda passante.
Se facciamo amplificare il transistor tra le 20 e 30 volte avremo una risposta in frequenza da 25 herz
a 50.000 herz se saliamo a 100 volte o più non riusciremo a superare i 10.000 herz in pratica non
avremo più le note Acute.
Quindi più si scende con il guadagno più lo spettro delle frequenze sarà ampio.
La stabilità termica applicando sull'Emettitore una resistenza si ridurrà il guadagno perché sul
Collettore scorrerà meno corrente e di conseguenza il transistor scalderà di meno.
Nel calcolare i valori della resistenza di Collettore e di Base spesso vi capiterà di ottenere dei
valori che non troverete mai in commercio, per cui sarete costretti ad inserire dei valori standard più
prossimi, ciò determinerà una variazione della corrente sia di Collettore che di Base.
Però (però!) se vi sarete tenuti bassi con il guadagno anche utilizzando resistenze non
perfettamente identiche a quelle richieste,non modificherete mai le caratteristiche del
preamplificatore.
Perciò se avete la necessità di dover preamplificare un segnale 50 o 100 volte ecco che si rende
necessario ricorrere a due transistor realizzando due stadi preamplificatori anziché uno.
Per cui al primo farete guadagnare 10 e al secondo 5 così otterrete un totale di:10 x 5 = 50.
La tensione di riposo del Collettore cercate di fissarla sempre a metà valore rispetto alla tensione di
alimentazione Vcc.
Non cercate di ottenere segnali amplificati la cui tensione volt picco-picco raggiunga i valori dei
volt di alimentazione altirimenti avrete un segnale distorto.
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Se il segnale non supera il 70% del valore della tensione Vcc il vostro preamplificatore non
distorcerà mai.
Semprechè la tensione di riposo del collettore risulti fissata a metà tensione di alimentazione
diversamente dovrete limitare ancor di più la massima ampiezza dei volt picco-picco.
Solo quando sul collettore risulta presente metà tensione di alimentazione avremo dimezzato il
flusso degli elettroni e solo in questa condizione riusciremo ad amplificare i segnli applicati sulla
base senza nessuna distorsione.
Per ottenere sul collettore una tensione che si avvicini il più possibile alla metà di quella di
alimentazione dobbiamo applicare sui terminali Collettore – Base – Emettitore delle resistenze di
valore appropriato.
Ricordatevi che questa tensione va sempre misurata tra i terminali Collettore – Emettitore
(vedi figura) e non tra Collettore e massa.
Non soffermatevi con troppa pignoleria su questo valore di metà tensione perché non riuscirete
mai ad ottenerlo, se rileverete una differenza di qualche volt in più o in meno non preoccupatevi.
In fase di progettazione si tiene sempre conto di queste differenze che possono verificarsi per colpa
delle tolleranze delle resistenze ed anche dello stesso transistor.
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SCHEMA ELETTRICO DEL PREAMPLIFICATORE
Nel progettare questo stadio ho utilizzato due comunissimi transistor NPN siglati BC 547, in
configurazione Emettitore Comune questo tipo di transistor ha le seguenti caratteristiche:
Vcb = 50 V max - tensione massima applicabile tra collettore e base.
Vce = 45 V max - massima tensione per alimentare il transistor,lettura tra C e E.
Veb = 6 V max - massima tensione inversa applicabile tra emettitore e base.
Ic = 100 mA max - massima corrente che può scorrere sul collettore per brevi istanti.
P tot = 500 mW max - massima potenza dissipabile a 25 gradi.
Hfe = 110 - 800 rapporto di corrente collettore-base. Per i calcoli si utilizza sempre il valore più
piccolo.
Ft = 100 Mhz - massima frequenza di taglio che il transistor riesce ad amplificare.
Alcuni di questi dati servono per poter calcolare il valore delle resistenze di polarizzazione.
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Prima di passare alle formule vi riassumo le caratteristiche tecniche di questo Preamplificatore:
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Alimentazione 12 Volt
Corrente assorbita 2 milliamper
Guadagno totale 49 volte (7x7)
Max segnale ingresso 150 millivolt picco/picco
Max segnale in uscita 8 volt picco/picco
Carico d'uscita 47.000 ohm
Risposta in frequenza 15 Hz a 200.000 Hz
Bene ora passiamo alle formule:
Per calcolare il valore delle quattro resistenze R1 R2 R3 R4 di questo stadio preamplificatore
dobbiamo necessariamente conoscere questi tre parametri:
Il valore della tensione di alimentazione (12 Volt)
Il valore Hfe del transistor che intendiamo usare (110)
Il valore del guadagno che intendiamo dare al pre ( 7 volte)
Calcolare R3:
R3 = carico d'uscita : 5 > 47000 : 5 = 9.400 ohm (valore standard 10.000 ohm).
Il numero 5 si ottiene dalla seguente regola: il valore ohmico della R3 deve sempre risultare
inferiore al valore del carico d'uscita di 5 -6-7-8- volte. (Io ho scelto 5).
Calcolare R4:
R4 = R3 : guadagno > 9400 : 7 = 1.342 ohm (valore standard 1.500 ohm).
Calcolare R2:
R2 = (Hfe x R4) : guadagno > 110 x 1.342 : 7 = 21.088 ohm ( valore standard 22.000 ohm).
Calcolare R1:
R1 = [ ( Vcc x R2 ) : (Vbe + Vr4) ] - R2
Per poter eseguire questa formula occorre conoscere Vbe e Vr4.
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Il Vbe è un valore standard che in tutti i tipi di transistor va da 0,6 a 0,7 volt ma è bene usare per i
calcoli il valore intermedio cioè 0,65 volt.
Calcolare Vr4:
Vr4 = (Ic x R4) : 1.000
Per poter eseguire questa formula occorre conoscere Ic.
Il valore 1.000 alla fine della formula indica che i volt devono essere divisi per mille per ricavare i
millivolt.
Calcolare Ic:
Ic = [ ( Vcc : 2 ) : ( R3 + R4 ) ] x 1.000 > [ ( 12 : 2 ) : ( 10.000 + 1.500 )] x 1.000 = 0,521 mA
il valore 1.000 alla fine della formula indica che la somma va moltiplicata per mille per ricavare i
milliamper.
Quindi ora conoscendo Ic possiamo eseguire i calcoli per Vr4.
Vr4 = 0,521 x 1.500 : 1000 = 0,781 mV.
Infine conoscendo il valore di Vr4 possiamo calcolare la R1.
R1 = (12 x 21.088) :( 0,65 + 0,781) - 21.088 = 20.911 ohm (valore standard 22.000 ohm).
I tre condensatori elettrolitici posti sulla base e sul collettore in uscita dei transistor vengono usati in
tutti gli stadi preamplificatori in quanto lasciano passare il solo segnale alternato verso la base o per
prelevarlo sul collettore così da applicarlo allo stadio successivo,senza modificare il valore della
tensione continua perché come saprete i condensatori non lasciano passare la tensione continua.
Per una maggiore comprensione di questi componenti leggete la terza lezione dedicata proprio ai
condensatori.
Senza questi condensatori se applicassimo in ingresso (sulla base) un segnale
(per esempio un Tuner o un Microfono) la loro resistenza ohmica in parallelo alla
R2 modificherebbe il valore della tensione di Base.
Spero di essere stato il più chiaro possibile nel descrivere i Transistor.
Nella sezione Schematics del sito troverete diversi progetti interessanti realizzati con i Transistor.
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