ELEMANIA
BJT - Le tre zone di funzionamento
Premessa

Studiamo ora un altro circuito con transistor BJT allo scopo di approfondire meglio la conoscenza della zona di interdizione e della zona attiva (già affrontate nei paragrafi precedenti) e di introdurre l'ultima zona di funzionamento del BJT: la zona di saturazione.

Circuito BJT e lampadina: zona di interdizione

Consideriamo adesso il circuito mostrato in figura:


I componenti sono i seguenti:

Analizziamo il circuito. Essendo il generatore E spento, la tensione Vbe è zero e dunque anche la corrente di base Ib è nulla.

Di conseguenza anche la corrente Ic è zero (essendo Ic = ß Ib) e pure Ie vale zero (infatti Ie = Ic + Ib).

Siccome non passa corrente nel collettore, non c'è corrente nella lampadina, che rimane spenta. La lampadina si comporta in prima approssimazione come un semplice resistore. Pertanto anche la tensione sulla lampadina è zero (non essendoci corrente) e tutta la tensione del generatore da 12 V si trova fra il collettore e l'emettitore del BJT (vedi la lettura del voltmetro).

Come già visto, in questa condizione si dice che il BJT è in zona di interdizione ovvero, più semplicemente, che in stato off o spento.

Circuito BJT e lampadina: zona attiva

Aumentiamo ora la tensione E portandola per esempio a 4 V. In questo modo la giunzione base ed emettitore risulta polarizzata direttamente e si comporta praticamente come un diodo. Pertanto la corrente di base Ib può essere calcolata con

Conoscendo Ib possiamo calcolare Ic dalla formula

Ic = ß Ib

Ipotizzando per ß nel nostro BJT un valore 100 (valore tipico per i BJT più comuni), abbiamo:

Ic = 100 x 2,27m = 227 mA

La corrente di emettitore è semplicemente la somma delle due correnti trovate prima e dunque:

Ie = Ib + Ic = 229,27 mA

Per quanto riguarda la lampadina, la tensione ai suoi capi può essere ricavata in base alla corrente che l'attraversa (227 mA) e alla sua resistenza equivalente (24 Ohm). Abbiamo dunque:

Vlamp = 24 x 227m = 5,45 V

Come si vede la tensione è circa la metà della tensione nominale di funzionamento della lampadina (12 V) e dunque la lampadina si illuminerà ma solo parzialmente.

Infine possiamo ricavarci la tensione Vce fra collettore ed emettitore nel BJT in base alla legge di Kirchhoff alle tensioni:

Vce = Vcc - Vlamp = 12 - 5,45 = 6,55 V

Il BJT lavora in zona attiva e la situazione è quella mostrata in figura:

Circuito BJT e lampadina: zona di saturazione

Supponiamo ora di aumentare ulteriormente la tensione della batteria E. La corrente in base Ib aumenterà di conseguenza, in base alla formula:

Conseguentemente aumenta anche la corrente di collettore Ic (che, come sappiamo, è legata a Ib). Ora domandiamoci: la corrente di collettore può aumentare all'infinito nel nostro circuito?

La risposta è no, poiché all'aumentare di Ic aumenta anche la tensione sulla lampadina e, conseguentemente, si riduce la tensione Vce fra collettore ed emettitore. Ma tale tensione non può scendere sotto 0 V, dunque la corrente Ic massima si avrà quando la tensione Vce si annulla. In questo caso avremo:

Quando Vce si annulla (in realtà quando scende sotto circa 0,4 V), ogni ulteriore aumento della corrente di base non fa più aumentare la corrente di collettore. Il BJT entra nella cosiddetta zona di saturazione.

In zona di saturazione la corrente di collettore è massima e la tensione Vce fra collettore ed emettitore è minima. Consideriamo infatti la situazione mostrata in figura:

La corrente di base è data da:

Se ora proviamo a calcolare la corrente di collettore in base alla solita formula

Ic = ß Ib = 100 x 6,27mA = 627 mA

notiamo che questo valore di corrente è impossibile perché produrrebbe sulla lampadina una caduta di tensione pari a:

Vlamp = 24 x 627m = 15 V

Tale valore di tensione è impossibile perché risulterebbe maggiore della tensione di alimentazione Vcc (che vale 12 V) e, se si verificasse, implicherebbe una tensione Vce di valore negativo (-3V). Che cosa è successo dunque?

E' successo che il BJT è entrato in zona di saturazione. Quando il BJT è in zona di saturazione, la sua corrente di collettore è massima e indipendente dalla corrente di base. In tali condizioni anche aumentando la corrente di base, la corrente di collettore non aumenta più. In zona di saturazione la tensione Vce raggiunge il suo valore minimo (idealmente zero, in realtà circa 0,3-0,4 V).

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