Nel precedente articolo abbiamo trattato della giunzione pn e dei diodi che si possono creare tramite questa giunzione. Oggi analizzeremo la combinazione di due di queste giunzioni per scoprire il funzionamento dei transitor BJT (a giunzione bipolare).
Nello scorso articolo abbiamo chiuso dicendo che i BJT sono formati da due giunzioni pn, che possono essere combinate a formare due tipi di transistor bjt: i pnp e i npn. Seguiremo per primo l’esempio dei transistor NPN, che sono quindi costituiti da una regione di tipo p in mezzo a due regioni di tipo n. La polarizzazione del dispositivo così ottenuto, agli estremi, sarà quindi sempre sia diretta che inversa, non permettendo il passaggio di corrente. Se anche la corrente di elettroni fluisse attraverso la giunzione polarizzata direttamente, troverebbe poi una giunzione polarizzata inversamente, che gli impedirebbe di proseguire il suo percorso.
E quindi a cosa servono i BJT? La risposta a questa domanda è nella regione intermedia del transistor. Questa regione, che nel caso dell’npn è di tipo p, prende il nome di base, mentre le due regioni n agli estremi prendono il nome, rispettivamente, di collettore e emettitore. Continuiamo a seguire l’esempio del transistor NPN per spiegare cosa avviene. Immaginiamo, oltre alla tensione tra collettore ed emettitore, di applicare una tensione, più piccola, tra base ed emettitore. Gli elettroni che arrivano dal collettore, dopo essersi introdotti nella base, provocheranno la rottura nella barriera della base, colmando le lacune e permettendo quindi il flusso di corrente tra emettitore e collettore. Per fare questo è necessario che la tensione Vce(tra collettore ed emettitore) sia maggiore della tensione Vbe(tra base ed emettitore). Entrambe le tensioni sono soggette a dei precisi massimi e minimi, che variano da modello a modello, dichiarati dal costruttore.
A questo punto avremo una piccola corrente tra la base e l’emettitore (chiamata Ib), e una grande corrente tra collettore ed emettitore (chiamata Ic). La somma della corrente Ib entrante nella base e della corrente Ic entrante nel collettore, è chiamata Ie, cioè la corrente uscente dall’emettitore. Il rapporto tra la corrente Ic e la corrente Ib è chiamato guadagno in corrente continua, indicato come hFE .
L’altro parametro importante nei transistor è il Vbe(sat), la differenza di potenziale di saturazione, ovvero la tensione che deve essere presente tra base ed emettitore per consentire al transistor di condurre tra collettore ed emettitore. Entrambe sono caratteristiche di ogni modello di transistor e sono indicate nel datasheet, ovvero il documento, redatto dal produttore, che fornisce le specifiche tecniche del componente elettronico. Per approcciarsi alla progettazione elettronica è importante prendere confidenza con i datasheet, che oltre a contenere le informazioni tecniche di massima, possono anche contenere informazioni utili come esempi di circuiti e applicazioni del componente.
Per i transistor pnp il discorso è molto simile, ad eccezione del fatto che lavorano con tensioni negative. Vediamo l’applicazione dei BJT nel controllo dei tubi nixie.
Sarà necessario utilizzare transistor BJT che supportano le alte tensioni delle nixie senza rompersi: useremo il MPSA42 che è npn e il complementare MPSA92 che è pnp. Hanno entrambi una tensione massima tra collettore ed emettitore di 300v, che ci consentono di gestire le nixie senza problemi. Come abbiamo già visto nell’articolo sulle nixie, queste sono dotate di un anodo, a cui dovremo applicare i +180v e un catodo, che andrà collegato agli 0v.
Per ottimizzare la vita delle nixie dobbiamo limitare la corrente che scorre nel tubo, tramite una resistenza. Dal datasheet di Tubehobby.com sappiamo che la corrente ottimale per il multiplexing è compresa tra 7 e 13mA. Tramite la legge di Ohm possiamo calcolare la resistenza necessaria a limitare la corrente, che limiteremo a 8mA.
Il valore commerciale più vicino è 4700Ω±5%, che è accettabile.
Conosciamo quindi la corrente che circola tra emettitore e collettore del transistor: Ic=8,5mA. Il datasheet del transistor MPSA92 riporta come hFE minimo 25. Ci atteniamo al minimo per essere sicuri che il transistor vada in saturazione. Calcoliamo quindi la Ib necessaria a far scorrere 8,5mA dal collettore:
Per sicurezza arrotondiamo per eccesso la Ib, che sarà quindi di circa 1mA. La tensione tra base ed emettitore necessaria a saturare il MPSA92 è di -0.9V. Se l’emettitore è a una tensione di 180V, significa che per mandare il transistor in conduzione sulla base dovrà esserci una tensione di al massimo 179.1V, ma comunque non meno di 175V (il datasheet riporta Vbe max -5V). Per avere il transistor in interdizione dovremo avere invece una tensione maggiore di 179.1V. Per questo mettiamo tra la base e i 180V una resistenza di pull-up e un transistor NPN con il collettore collegato a massa. Quando il trasistor NPN (MPSA42) sarà in interdizione avremo 180V sulla base, quando invece sarà in conduzione si creerà un partitore di tensione, che porterà la base ad una tensione adeguata. Fissiamo R2 a 10kΩ per semplicità e calcoliamo R3 con la formula
Possiamo approssimarla a 180kΩ, il valore standard più vicino. L’ultima resistenza che dobbiamo dimensionare è R4. Forniamo 1mA alla base del transistor per essere sicuri che vada in saturazione:
Approssimiamo per difetto a 47kΩ, il valore commerciale più vicino. Ora che il driver degli anodi è completo, passiamo al driver per i catodi, che è molto più semplice: ci basterà usare un transistor NPN come il MPSA42 e una resistenza per limitare la corrente che scorre sulla base. L’emettitore del MPSA42 sarà infatti collegato a massa, quindi saranno necessari solo pochi volt (il datasheet riporta 0.9V) di differenza di potenziale dalla massa per mandare il transistor in conduzione.
La corrente che scorre nella nostra nixie è di 8.5mA, e l’hFE min del MPSA42 è 25. Calcoliamo quindi la corrente necessaria al transistor per saturare:
Ancora una volta per essere sicuri di mandare in saturazione, aumentiamo il valore della corrente Ib a 1mA. Il segnale viene fornito a 5V, la resistenza R5 sarà quindi
Approssimiamo anche questa volta a 47kΩ.
Abbiamo quindi concluso la sezione che riguarda i bjt ed i driver per pilotare le valvole, che è probabilmente la parte più elettronica dell’intero progetto. I prossimi articoli riguarderanno la parte informatica dell’orologio, oltre ad un piccolo approfondimento a sorpresa.
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