Funzioni sviluppate con transistori

Da Wikiversità, l'apprendimento libero.
Jump to navigation Jump to search
lezione
Funzioni sviluppate con transistori
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: I transistori
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%.

Nel campo della progettazione analogica assumono un ruolo importante una serie di semplici circuiti a transistore indicati rispettivamente come:

Funzione d'inversione del segno logico

Funzione di ripetizione di un segnale su bassa impedenza

Funzione d'inversione di fase di un segnale di bassa frequenza


Il circuito invertitore di segno[modifica]

Un circuito invertitore di segno è un dispositivo a transistore in grado di trasformare, ad esempio, un comando logico (da livello a livello ) in un comando logico ( da livello a livello ) [1].

Questo dispositivo è caratterizzato dalla struttura circuitale di figura 1 nella quale sul collettore è inserito il carico costituito da :


figura 1


Il comportamento del circuito è il seguente:

  • quando il livello all’ingresso (punti 1 e 2) è Tr non conduce ed il livello in uscita (punti 3 e 4) è
  • quando il livello all’ingresso (punti 1 e 2) è Tr conduce ed il livello in uscita (punti 3 e 4) è .
  • il livello detto zero ai punti 3 e 4 non è tale dato che dipende dalla come andremo a calcolare.

Sulla base dello schema elettrico e delle tensioni in gioco procediamo al dimensionamento dei componenti:

Il transistore

Il transistore Tr può essere scelto del tipo BFY56A che ha le seguenti caratteristiche:

Osservazione: è nettamente superiore alla tensione di che alimenta il circuito

  • tipici per

Osservazione: Essendo tipico a si potrà contare su di un livello “zero” d’uscita molto basso

  • potenza dissipabile a temperatura ambiente di °c.

Osservazione: Essendo superiore al prodotto il transistore lavora in condizioni termiche ottimali.

  • guadagno di corrente minimo

Osservazione: Essendo per sarà valore almeno da raddoppiare, per sicurezza, per portare il transistore in saturazione ()

  • tensione di funzionamento della base del transistore

Osservazione: del valore della si deve tenere conto in sede di dimensionamento di .

I componenti circuitali

Il resistore , che limita la corrente di base, deve essere dimensionato come segue:

Al generatore Gc, che fornisce una tensione di , è richiesta una corrente di  ; pertanto sarà

( arrotondato a )

Il resistore , che in assenza del comando tiene la base a livello di tensione zero, deve essere dimensionato come segue:

Essendo , accettando una riduzione di di circa il potrà essere

(arrotondato a )

Il resistore , che limita la corrente di collettore a , deve essere dimensionato come segue:

(arrotondato a )

Da un rapido calcolo sulla dissipazione delle resistenze del circuito risulta sempre:

Misure di laboratorio

Una serie di misure può essere fatta sul circuito di figura 1 con livello di applicato all’ingresso; i dati indicativi di tensione, misurabili con un voltmetro in c.c. a , sono riportati in figura 2.

figura 2

I valori delle tensioni riportati nella figura sono quelli ottenuti a calcolo; i rilievi strumentali evidenzieranno valori sensibilmente diversi a causa, sia delle approssimazioni fatte in sede di dimensionamento dei componenti, sia delle tolleranze sui parametri di Tr che sono indicate dal costruttore o come tipiche, massime, o minime. Si può pertanto scrivere: valori misurati (valori calcolati)

Il circuito ripetitore[modifica]

Il circuito ripetitore a transistore è un dispositivo analogico in grado di trasferire su bassa impedenza un segnale generato su alta impedenza.

Lo schema del circuito è riportato in figura 3 e successivamente commentato.


figura 3


Questo circuito, a differenza di tutti i circuiti illustrati in precedenza, non ha il transistore Tr in saturazione ma in regime di linearità a seguito del dimensionamento dei componenti:

  • il partitore resistivo , polarizza la base di Tr ad un livello di tensione continua che subordina la corrente di collettore di Tr
  • il resistore , limita la corrente di emettitore di Tr

Questa configurazione porta ad alcune particolarità utili al nostro scopo: il resistore conferisce una resistenza d’ingresso di Tr dell’ordine di dove è il guadagno di Tr in corrente alternata

  • la corrente in conferisce una resistenza all’emettitore pari a :

(dove il valore è un coefficiente d’approssimazione e la corrente di emettitore espressa in )

  • se è molto maggiore di la resistenza d’uscita è data da:


L’ingresso del circuito è corredato dal condensatore allo scopo di evitare che il generatore dei segnali, da applicare ai punti (1 e 2), possa alterare il livello della tensione continua dovuto al partitore

L’uscita del circuito è corredata dal condensatore allo scopo, sia di evitare che un eventuale corto circuito ai punti (3 e 4) possa distruggere Tr, sia di ottenere all’uscita un segnale a valor medio zero.

Il funzionamento del circuito è il seguente: ad ogni incremento della tensione del segnale applicato alla base si ha un corrispondente incremento di e di conseguenza di che provoca a sua volta un incremento di tensione ai capi di  ; il segnale d’ingresso viene “ripetuto” all’uscita su bassa impedenza.

Dimensionamento del ripetitore[modifica]

Sulla base dello schema elettrico e delle tensioni in gioco procediamo al dimensionamento dei componenti nell’ipotesi che il segnale d’ingresso abbia una frequenza dell’ordine di , la corrente nel transistore sia di e che [2]:

Il transistore

Il transistore Tr può essere scelto del tipo BFR17 che ha le seguenti caratteristiche:

Osservazione: è nettamente superiore alla tensione di che alimenta il circuito



  • potenza dissipabile a temperatura ambiente di °c

Osservazione: In condizioni statiche essendo superiore al prodotto il transistore lavora in condizioni ottimali.


  • guadagno di corrente tipico per alla frequenza di

Osservazione: Con questo valore di la resistenza d’ingresso di Tr sarà pari a


  • tensione di funzionamento della base del transistore

Osservazione: del valore della si deve tenere conto in sede di dimensionamento di

I componenti circuitali

Il partitore , che determina il punto di lavoro di Tr in zona lineare, deve essere dimensionato come segue:

Per avere la massima dinamica del segnale in uscita è necessario che la tensione continua su sia circa la metà della tensione di alimentazione:

pertanto sulla base di Tr si dovrà avere una tensione pari a:

ottenibile con un partitore resistivo che soddisfi la relazione

posto si ha

(arrotondata in )

Il resistore , che limita la corrente di emettitore a riposo ad , deve essere dimensionato come segue:

( arrotondata a )

Una valutazione complessiva della resistenza d’ingresso del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di è dato dal parallelo dei valori di

circa

Una valutazione della resistenza d’uscita del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di è dato dal rapporto

Una valutazione dei valori di deve essere fatta come segue:

per evitare che le reattanze di , rispettivamente , provochino tagli in ampiezza dei segnali, sia all’ingresso che all’uscita, è ragionevole assumere questi valori dell’ordine di delle resistenze alle quali sono collegati quindi:

da cui


da cui

Una valutazione della tensione massima del segnale applicabile deve essere fatta come segue: Essendo l’emettitore di Tr polarizzato a l’escursione del segnale attorno a questo valore non deve portare mai il transistore in saturazione; pertanto, essendo

l’escursione della tensione di emettitore verso il livello più elevato dovrà essere di

escursione = arrotondato per prudenza a

Di altrettanto potrà scendere la tensione d’emettitore in corrispondenza dei valori minimi; cioè da

tensione minima d’emettitore =

Complessivamente un’escursione totale di pari ad una tensione di circa

Da un rapido calcolo sulla dissipazione delle resistenze del circuito risulta sempre:


Le misure di laboratorio

Una serie di misure può essere fatta sul circuito di figura 3 con una tensione sinusoidale di ampiezza applicata all’ingresso; i dati indicativi dei livelli dei segnali sono misurabili con un oscilloscopio disposto in c.c. così come riportato in figura 4:

figura 4

I valori delle tensioni riportati nella figura sono quelli ottenuti a calcolo; i rilievi strumentali evidenzieranno valori sensibilmente diversi a causa, sia delle approssimazioni fatte in sede di dimensionamento dei componenti, sia delle tolleranze sui parametri di Tr che sono indicate dal costruttore o come tipiche, massime, o minime. Si può pertanto scrivere:

valori misurati (valori calcolati)


Il circuito invertitore di fase[modifica]

Il circuito invertitore di fase è un dispositivo analogico in grado di invertire di 180° un segnale applicato al suo ingresso.

Lo schema del circuito è riportato in figura 5 e successivamente commentato.

figura 5


Questo circuito è simile a quello illustrato per il ripetitore salvo la presenza del resistore sul collettore di Tr; le funzioni svolte dalle resistenze sono:

  • partitore resistivo che polarizza la base di Tr ad un livello di tensione continua che

subordina la corrente di collettore di Tr

  • resistore limita la corrente di emettitore di Tr
  • resistore trasforma la corrente di collettore nella tensione d’uscita

i resistori devono avere lo stesso valore se si vuole che la tensione d’uscita (punti 3 e 4) abbia la stessa ampiezza della tensione applicata all’ingresso (punti 1 e 2)

L’ingresso del circuito è corredato dal condensatore allo scopo di evitare che il generatore dei segnali, da applicare ai punti (1 e 2), possa alterare il livello della tensione continua dovuto al partitore

L’uscita del circuito è corredata dal condensatore allo scopo di prelevare il segnale invertito a valor medio zero.

Il funzionamento del circuito[modifica]

Il funzionamento del circuito è il seguente: ad ogni incremento della tensione del segnale applicato alla base si ha un corrispondente incremento di e di conseguenza di che provoca a sua volta un decremento di tensione tra e massa; viceversa, quando il segnale applicato alla base decrementa, si ha un corrispondente decremento di e di conseguenza di che provoca un incremento di tensione tra e massa, cosi che il segnale d’ingresso viene reso sfasato di ° all’uscita.

Dimensionamento del circuito[modifica]

Sulla base dello schema elettrico e delle tensioni in gioco, procediamo al dimensionamento dei componenti nell’ipotesi che il segnale d’ingresso abbia una frequenza dell’ordine di ed una ampiezza non superiore a :

Il transistore

Il transistore Tr può essere del tipo BFR17, già impiegato in precedenza, ed ha le seguenti caratteristiche:


  • potenza dissipabile a temperatura ambiente di °c


  • guadagno di corrente tipico per alla frequenza di


  • conduttanza d’uscita su collettore



  • tensione di funzionamento della base del transistore


I componenti circuitali

Il partitore , che determina il punto di lavoro di Tr in zona lineare, deve essere dimensionato come segue:

Per avere la massima dinamica del segnale in uscita, senza distorsioni, è necessario che la tensione continua su sia circa [3] della tensione di alimentazione

pertanto sulla base di Tr si dovrà avere una tensione pari a

tensione sulla base =

ottenibile con un partitore resistivo che soddisfi la relazione

posto si ha

(arrotondata in )

Il resistore che limita la corrente di emettitore a riposo ad deve essere dimensionato come segue:

Il resistore deve essere uguale ad :


Una valutazione complessiva della resistenza d’ingresso del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di è dato dal parallelo dei valori di

.

Una valutazione della resistenza d’uscita del circuito deve essere fatta come segue:

Il valore di è dato dal parallelo della resistenza di collettore e della resistenza di carico ; il valore di , per transistore con emettitore a massa, è dato da:

dove è la conduttanza d’uscita su collettore per emettitore a massa, quindi:

essendo , si avrebbe:

Poichè però l’emettitore di Tr non è a massa, ma polarizzato con , il valore di è di gran lunga superiore a per cui si può considerare il valore di pari al valore della sola resistenza di carico  ;.

Una valutazione dei valori di deve essere fatta ponendo come segue:

per evitare che le reattanze di , rispettivamente provochino tagli in ampiezza dei segnali, sia all’ingresso che all’uscita, è ragionevole assumere questi valori dell’ordine di delle resistenze alle quali sono collegati quindi:

da cui

da cui


Una valutazione della tensione massima del segnale applicabile deve essere fatta come segue:

Essendo la tensione di riposo ai capi di pari a , la dinamica di escursione del segnale attorno a questo valore non può che essere altrettanto, dell’ordine di

variazione massima del segnale =

arrotondata prudenzialmente in [4]

Il guadagno di tensione del circuito, essendo espresso dal rapporto è sensibilmente inferiore ad uno.

Da un rapido calcolo sulla dissipazione delle resistenze del circuito risulta sempre:

Le misure di laboratorio

Una serie di misure può essere fatta sul circuito di figura 5 con una tensione sinusoidale di ampiezza applicata all’ingresso; i dati indicativi dei livelli dei segnali sono misurabili con un oscilloscopio disposto in c.c. così come riportato in figura 6:

figura 6

I valori delle tensioni riportati nella figura sono quelli ottenuti a calcolo; i rilievi strumentali evidenzieranno valori sensibilmente diversi a causa, sia delle approssimazioni fatte in sede di dimensionamento dei componenti, sia delle tolleranze sui parametri di Tr che sono indicate dal costruttore o come tipiche, massime, o minime.

Si può pertanto scrivere:

valori misurati (valori calcolati)

Note[modifica]

  1. Una trasformazione di questo tipo può essere richiesta per il comando di un commutatore analogico di segnali
  2. Il valore della corrente e della sono stabiliti, di volta in volta, in base alle potenze richieste all'uscita del ripetitore
  3. Dato che il valore di picco della tensione d'ingresso non potrà essere superiore a questo rapporto garantisce che in regime dinamico il transistore non sfiori la saturazione (si veda figura 6).
  4. . Il valore calcolato garantisce che al circuito possa essere applicata, senza distorsione, un tensione di