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polarizzazione BJT

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] polarizzazione BJT

Messaggioda Foto Utentepiero70 » 20 ago 2008, 19:07

Salve,
che utilità c'è nel polarizzare la base di un transistor? intendo che utilità svolgono la VBE e la VEB?
Grazie a chiunque può aiutarmi.
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[2] Re: polarizzazione BJT

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 20 ago 2008, 21:39

Ciao tenbears,
una domanda così lascia supporre che tu sia completamente digiuno di questi argomenti e probabilmente una risposta data qui, per forza di cose, non sarà sufficiente a chiarirti le idee. Comunque proviamo.
Il transistor non è un elemento lineare. Questo significa che, a differenza di altri componenti come ad esempio le resistenze, la relazione tra la tensione applicata ad esempio tra base ed emettitore e la corrente che questa tensione fa scorrere all'interno della giunzione non è di semplice proporzionalità, come avverrebbe appunto per una resistenza, ma è più complicata: se la tensione è bassa la giunzione si comporta come se avesse una resistenza infinita, cioè non scorre alcuna corrente, se la tensione supera un certo valore (0.5-0.6V) allora inizia a scorrere una debole corrente come se il valore della resistenza fosse passato da infinito a finito ma molto alto, se la tensione sale ancora (0.6-0.7V) la corrente aumenta di molto come se il valore della resistenza si riducesse e diventasse molto basso.
Come vedi una giunzione, a differenza di un resistore, presenta un valore di resistenza che non è fisso ma che varia a seconda della tensione applicata.
Senza allungare troppo il brodo posso dirti che, se un transistor deve amplificare un segnale (che è una tensione alternata (per fissare le idee puoi pensare ad esempio al segnale proveniente da un microfono o da una chitarra elettrica) distorcendolo il meno possibile, è necessario anzitutto che il segnale sia sufficientemente piccolo in modo da far spostare la tensione tra base ed emettitore il meno possibile proprio per minimizzare gli effetti distorcenti dovuti alla non linearità e poi è indispensabile che il segnale (immaginalo con una forma sinusoidale) non abbia un valor medio nullo, altrimenti, per quanto detto prima, non farebbe scorrere nessuna corrente nella giunzione e il transistor rimarrebbe interdetto (spento) ma bensì che lavori attorno ad un ben preciso valore di tensione continua (polarizzazione) affinchè la resistenza della giunzione raggiunga un valore intermedio, né troppo grande né troppo piccolo. Detto in altre parole è necessario sovrapporre alla tensione alternata del segnale da amplificare una tensione continua detta polarizzazione che serve a portare il transistor a lavorare in una zona della sua curva caratteristica dove gli effetti nocivi della non linearità siano ridotti al minimo.
Per cercare di essere più chiaro possibile ovviamente ho dovuto evitare di toccare alcuni aspetti della questione e molte cose che ho detto le ho sicuramente semplificate troppo, quindi non pensare che l’argomento sia tutto qui.
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[3] Re: polarizzazione BJT

Messaggioda Foto Utentepiero70 » 23 ago 2008, 17:17

Sono a conoscenza della funzionalità di un BJT (a livello scolastico), della corrente di drift ecc.
Quello di cui non ero certo non era la zona lineare di lavoro dove il transistor aumenta la sua amplificazione in funzione della corrente di base. Come dici giustamente tu aumentando la corrente di base aumenta l'amplificazione.
La mia incertezza non era neppure la classificazione degli amplificatori in base alla classe A - AB - D in relazione alla loro distorsione (fedeltà di segnale) ecc. come hai ben spiegato tu.

La mia domanda era rivolta alla tensione massima di 5V che si applica alla base.
Vedo molte volte che in ingresso alla base del BJT viene posta una resistenza che regola la corrente ma non un partitore di tensione che regoli la tensione della base (in configurazione di interruttore). A volte queste tensioni sono anche dell'ordine di 12V.

E' questo che mi chiedo, il perché non si polarizza il transistor anche se utilizzato in zona di saturazione.

Grazie per la tua disponibilità.
Saluti, tenbears.
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[4] Re: polarizzazione BJT

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 24 ago 2008, 17:53

Sinceramente non riesco a capire la tua domanda, credo dovresti spiegarti meglio magari allegando uno schema su cui poter discutere. In particolare non capisco a cosa ti riferisci quando dici che la tensione massima che si può applicare in base è di 5V, se con l'espressione "tensione che si applica in base" intendi tensione tra base ed emettitore allora non è affatto così: il massimo è circa 0.7V... ma forse intendi qualcos’altro.
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[5] Re: polarizzazione BJT

Messaggioda Foto Utentepiero70 » 24 ago 2008, 21:05

Ciao,
grazie della tua attenzione. So che la tensione fra base ed emettitore è di circa 0,7 essendo una giuzione NP come il diodo. Intendo dire la VB dello schema allegato.
Molte volte il partitore di tensione applicato alla base non è presente, con tensioni superiori anche ai 12V per quale motivo? dai datasheet questa tensione non dovrebbe superare i 5V ma forse non ho molto chiara questa caratteristica.
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[6] Re: polarizzazione BJT

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 25 ago 2008, 11:13

Ora è un po’ più chiaro.
Un transistor solitamente non si polarizza come lo hai disegnato tu: come saprai le caratteristiche del componente, e in particolare il guadagno, variano notevolmente con la temperatura e sono molto diverse addirittura tra esemplari diversi dello stesso tipo. Per questi motivi, quando si vuole realizzare un amplificatore per piccoli segnali, è necessario introdurre una controreazione per la continua proprio per stabilizzare le polarizzazioni e renderle il più possibile indipendenti dalla temperatura e dalle caratteristiche del componente. questa controreazione fa in modo che eventuali variazioni del punto di lavoro del circuito di uscita possano agire sulla polarizzazione del circuito di ingresso col verso giusto in modo da ridurre l'effetto.
Un tipico circuito è quello della figura dove la resistenza di emettitore svolge l'importante ruolo di far dipendere la polarizzazione della giunzione BE dalle variazioni della corrente di collettore per stabilizzare il punto di lavoro.
polarizzazioni.jpg
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Il partitore di base impone alla base una tensione fissa , invece la tensione di emettitore varia in funzione delle variazioni della corrente di collettore. Il risultato è che la VBE dipende dalla IC e in questo modo il circuito trova un equilibrio nel punto voluto dal progetto e tale equilibrio risulta essere molto immune dalle variazioni di temperatura nonostante queste facciano variare molto il guadagno del componente.
Ti faccio notare che in questo circuito la tensione di base può essere anche molto alta ma, per la presenza della resistenza sull'emettitore la VBE continua ad essere dell'ordine dei 0.6-0.7V
Quando invece il transistor è utilizzato in commutazione, ovviamente non ha più importanza la stabilizzazione attorno ad un preciso punto e quindi non serve il meccanismo di retroazione per le polarizzazioni e quindi non serve il partitore che impone alla base una precisa tensione: è sufficiente una sola resistenza: si tratta solo di iniettare in base la corrente necessaria per portare il transistor in saturazione e quindi, conoscendo l'ampiezza del segnale di comando e conoscendo la corrente da iniettare in base, si calcola la resistenza semplicemente applicando la legge di Ohm
Commutazione.jpg
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Ti faccio notare, e qui mi pare che tu faccia un po' di confusione, che la tensione di base non è quella a sinistra della resistenza bensì quella a destra e in questo caso, essendo l'emettitore collegato a meno senza resistenza, non può salire che fino a circa+0.7V. La tensione a sinistra della resistenza è quella del segnale di pilotaggio e può essere ampia quanto si vuole senza nessun limite (ovviamente dall'ampiezza di questa tensione dipende il valore da imporre alla resistenza di base).
Credo di capire che i 5V massimi a cui ti riferisci siano invece la VEBmax e cioè la massima tensione inversa applicabile alla giunzione emettitore base senza danneggiare il componente. Di questa tensione inversa si deve tener conto in quei circuiti dove il segnale di pilotaggio scende sotto lo zero.
Ti faccio notare ancora che, per convenzione, si scrive VBE per indicare una polarizzazione diretta (nel caso del NPN base positiva rispetto all'emettitore) e VEB per indicare una polarizzazione inversa (nel NPN base negativa rispetto all'emettitore.
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[7] Re: polarizzazione BJT

Messaggioda Foto Utentepiero70 » 25 ago 2008, 15:12

Salve,
volevo ringraziarla per le nozioni che mi ha dato fino ad ora. Le sue nozioni mi hanno dato l'imput e mi sono documentato meglio per sopperire alle lacune e alle false convinzioni che avevo in merito al BJT.
Le chiedo cortesemente di valutare le mie considerazioni per sopperire lacune o imprecisioni.
Grazie, tenbears.

AMPLIFICATORE

Dunque la polarizzazione del BJT dove compare la Re in // al condensatore by-pass + il partitore si utilizza per il corretto funzionamento del BJT come amplificatore.
Per il buon funzionamento del BJT in zona attiva ci sono fattori importanti come la stabilità da tenere compresa tra 5 e 20 la cui formula è S = 1+(Rb/Re) dalla quale ci si ricava Rb = (R1*R2)/(R1+R2). Rb è quindi vincolata sia dalla corrente che deve scorrere nella base sia dal rapporto del partitore.
Considerando la maglia dello schema da Lei proposto, costituita da R2, VBE ed Re (tralasciando il condensatore di by-pass); l'equazione è la seguente: (R2*I2) = VBE + (Re*Ie) da tale ultima equazione si vede come la tensione VBE è influenzata dalla tensione presente sui capi del resistore Re, cioè (Re*Ie); infatti VBE = (R2*I2) - (Re*Ie).
In pratica: se aumenta Ib di conseguenza aumenta Ic; essendo Ie = Ib+Ic aumenterebbe (Re*Ie) quindi dalla formula VBE = (R2*I2) – (Re*Ie) si ottiene che VBE diminuisce ossia che Ib diminuisce ristabilendo la giusta corrente.
Queste considerazioni vanno fatte per fissare il giusto punto di lavoro (statico) del BJT sulla retta di carico, in modo che all'ingresso del segnale (ad esempio sinusoidale) esso non vada in distorsione (punto di lavoro dinamico).

Si avranno amplificatori di classe A - AB - B - C - D in base al punto di lavoro statico del BJT e dalla sua amplificazione, ecco quindi l'importanza della polarizzazione.

INTERRUTTORE

Quando il BJT viene usato come interruttore le suddette considerazioni decadono in quanto il punto di lavoro passa dall'interdizione (assenza di corrente nella base o perlomeno molto piccola) alla saturazione (corrente di saturazione della base). La Ibsat è un parametro del BJT ed insieme all'hfe (guadagno) permetteranno il passaggio attraverso il collettore di tutta la corrente che il BJT può supportare detta Icsat. Da puntualizzare che sull'emettitore troveremo Ie = Ib+Ic.
La formula per ottenere la saturazione è la seguente: Ib = Ic/hfe
Supponiamo che si vuole alimentare con 12V un carico di 150 Ohm, ci sarà un corrente che scorrerà nel carico di circa 80mA.
Questa corrente (essendo il carico posto tra l'alimentazione ed il collettore) sarà la nostra Ic.
Dalle caratteristiche del BJT sappiamo che il suo hfe vale 200, la Ib necessaria affinchè si abbia una Ic = 80ma varrà:
Ib = Ic/hfe = 0,08/200 = 400uA
In pratica con una corrente di base del valore di 400uA permetterò lo scorrere di tutta la corrente possibile nel carico ossia di Ic = 80mA.
Il parametro hfe non è un parametro molto sicuro in quanto subisce delle fluttuazioni di valore in funzione della temperatura, umidità, usura, composizione chimica ecc. Per essere certi che il BJT lavori in saturazione si applica il fattore di sicurezza ossia si utilizza 1/3 di hfe quindi Ib varrà:
Ib = Ic/(hfe/3) = 0,08/67 = 1,2mA

In pratica la Ib funziona come la maniglia di un rubinetto completamente aperto dove la corrente di Ic è rappresentata dallo scorrere dell'acqua. Il fattore di sicurezza ci dà la certezza che scorre la portata massima e che se anche aprissimo di più la maniglia, non cambierebbe la portata.
Allegati
PUNTO DI LAVORO STATICO E DINAMICO.jpg
P = punto di lavoro statico P1-P2 = estremi punto di lavoro dinamico
PUNTO DI LAVORO STATICO E DINAMICO.jpg (89.7 KiB) Osservato 14429 volte
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[8] Re: polarizzazione BJT

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 25 ago 2008, 16:47

Ok, mi sembra tutto corretto.
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[9] Re: polarizzazione BJT

Messaggioda Foto Utentepiero70 » 25 ago 2008, 17:29

Bene spero sia utile anche per altri del forum. Grazie del suo aiuto.
Saluti, tenbears.
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