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Il Transistor è un dispositivo elettronico a semiconduttore che consente il controllo della corrente unidirezionale per mezzo di una corrente.

In questo articolo si illustra il funzionamento semplificato del transistor NPN in commutazione (nota 1).
NPN

Il transistor possiede tre terminali, due sono utilizzati nel circuito di potenza (Collettore e Emettitore) e due sono utilizzati nel circuito della corrente IB di controllo (Base e Emettitore) (nota2).

La corrente di collettore IC dipende dalla corrente di base IB.

Il transistor in commutazione viene inserito in un circuito elettrico come un interruttore.

 

Il transistor si comporta come un interruttore a queste condizionii:

- se la corrente di base IB è nulla il transistor si trova in interdizione e non viene attraversato da corrente fra collettore ed emettitore comportandosi come un interruttore aperto,

- se la corrente di base è "abbastanza" elevata in rapporto alla corrente di collettore, il transistor si trova in saturazione e si comporta come un interruttore chiuso permettendo la circolazione della corrente sul carico.

Per sapere se la corrente di base è "abbastanza elevata" occorre conoscere i parametri di funzionamento che si desumono dai data sheet.

In mancanza di dati specifici riguardanti il transistor, per assicurare il funzionamento in saturazione ci si avvale di un formula empirica:

il rapporto IC/IB deve valere 10.

Se, per esempo, si vuole pilotare in commutazione una corrente di collettore di 4A, la corrente di base deve essere almeno di 0,4A.

 

In una situazione intermedia la corrente di collettore è quasi proporzionale all'intensità della corrente di base secondo un rapporto IC/IB che si chiama beta del transistor o hFE. Questo modo di funzionare viene utilizzato negli amplificatori audio.

 

Il funzionamento in commutazione del transistor viene impiegato per l'elevata efficienza energetica in applicazioni di controllo della potenza di apparecchiature elettriche (motori, lampade, forni …).

Molte applicazioni di robotica e movimentazione di piccoli veicoli che utilizzano apparati elettronici si avvalgono di questa modalità per controllare motori e lampade (nota 3) da collegare alle uscite dei microcontrollori.

 

Il circuito elettrico di utilizzo è quello della figura a destra:NPN2

 

Si riconoscono due circuiti che funzionano separatamente (nota 4)

- il circuito di alimentazione del carico L che funziona alla tensione Vcc; il carico L può essere alimentato con una tensione comunque elevata in relazione alle proprietà del transistor (anche centinaia di volt) che deve essere rigorosamente unidirezionale, cioè continua anche se non costante;

- il circuito di base che funziona con tensioni continue piuttosto basse; il circuito di pilotaggio GB (driver) della base deve erogare una corrente inferiore a quella del carico da pilotare.

Nel suo complesso il circuito con transistor in commutazione si comporta da amplificarore di potenza.

 

Esempio

Con Arduino si possono disporre correnti di 50mA a ciascuno dei suoi pin digitali che funzionano a 5V; con questi valori si può arrivare a controllare una potenza di

PB = V*I = 0,05*5 = 0,25W.

Se la corrente di Arduino viene inviata alla base di un transistor la corrente che si può controllare può essere di 0,5A e se la tensione di alimentazione disponibile per il carico è di 100V, la potenza controllata è

PL = V*I = 0.5*100 = 50W

Il guadagno di potenza è 50/0,25 = 200.

 

Un transistor in commutazione viene sollecitato da fenomeni elettrici esattamente come accade per gli interruttori.

Vedi anche i collegamenti ad altri articoli di questo sito:

link1 "circuito con interruttore" per comprenderne i parametri di funzionamento.

link1 "apertura di un circuito ohmico induttivo" per sapere cosa accade su di un interruttore quando pilota circuiti con motorini e bobine con particolare riferimento alle sovratensioni.   

In aggiunta occorre considerare il transistor si scalda e che la sua temperatura non deve superare i valori specificati dal costruttore.

 

Per approfondimenti consiglio l'articolo di "tips & tricks"

 

Note 

nota 1: i transistor PNP sono utilizzati in situazioni i particolari molto meno diffuse.

nota 2: il collegamento si chiama "ad emetitore comune" sono possibili altri tipi di collegamento che qui non sono considerati..

nota 3: in realtà, tutta l'elettronica dei computer si avvale delle proprietà del transistor in commutazione.

nota 4: i due circuiti non sono però separati galvanicamente.

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