Circuiti di comando a transistore

Per una maggiore comprensione dei diversi circuiti a transistori sviluppati nello svolgimento del corso è utile, preliminarmente, lo studio dei sistemi semplici di comando dove si possono osservare le condizioni limite di questi dispositivi, in questo modo si acquisisce la tecnica necessaria per la progettazione di circuiti più complessi.

Semplice circuito di comando manuale

Una delle più semplici applicazioni del transistore in saturazione si configura con la realizzazione di un circuito di comando, si veda figura 1, in grado di accendere una lampada ad incandescenza a comando di una piccola corrente fornibile da un dispositivo esterno.

Dati della lampada:

• alimentazione in corrente continua
• tensione di lavoro = $+28V$
• corrente di lavoro = $0.1A$
• resistenza a caldo = $280\mathrm{\Omega }$

Dati del generatore di comando:

• generatore di corrente continua
• tensione del generatore $+5V$
• resistenza del generatore $<<100\mathrm{\Omega }$

Dai dati della lampada e del generatore di comando si evince:

La funzione di commutatore deve essere affidata ad un transistor NPN in grado di lavorare in saturazione con tensioni positive.

Il transistore deve avere una tensione di lavoro $Vceo>>28V$

Il transistore deve poter sostenere una corrente di lavoro > $0.1A$

Il transistore deve avere una tensione di saturazione $<2V$ (pari al $7\mathrm{\%}$ di $28V$ ) per $Ic=100mA$

Il transistore deve poter comandare l’accensione della lampada con una corrente di base $Ib$ dell'ordine di alcuni $mA$

Nel circuito di comando, costruito secondo lo schema elettrico di figura, si osservano i componenti circuitali e si definiscono le loro funzioni:

• Tr transistore commutatore
• L lampada utilizzatore
• $R1$ resistenza per comando base di Tr
• $R2$ resistenza per chiusura base in assenza di comando
• $Gc$ generatore di comando
• $k$ commutatore facente parte del generatore di comando

figura 1

Funzionamento del circuito

Il funzionamento del circuito è elementare: quando k è aperto, la base di Tr non riceve corrente dall’esterno e di conseguenza anche la corrente di collettore è interdetta e la lampada L risulta spenta; quando k viene chiuso, la corrente del generatore Gc, attraverso $R1$, scorre nella giunzione base-emettitore e provoca il passaggio di corrente nella lampada L, attraverso la giunzione collettore-emettitore, con l’accensione di L.

In questo tipo di funzionamento la corrente di collettore è limitata dalla resistenza a caldo di L, data per $280\mathrm{\Omega }$, e dalla tensione di saturazione di Tr; infatti, data alla base la corrente necessaria per far scorrere la corrente di collettore necessaria all’accensione di L, si forma tra collettore ed emettitore una tensione minima di funzionamento di Tr ( tensione di saturazione), raggiunta la quale, ulteriori incrementi della corrente di base non portano ad incrementi significativi della corrente di collettore.

Sulla base dello schema elettrico procediamo al dimensionamento dei componenti:

Il transistore Tr può essere scelto del tipo 2N1711 (si veda datasheet in figura 3) che ha le seguenti caratteristiche:

• $Vceo=50V$

Osservazione: $Vceo$ è, come voluto, superiore alla tensione di $28V$richiesta dalla lampada L

• $Vce$(sat) = $1.5V$max per $Icmax=150mA$

Osservazione: Essendo $Vce$(sat) al massimo uguale a $1.5V$ sottrae alla lampada soltanto il $5\mathrm{\%}$della tensione di alimentazione

• $P=0.8W$ potenza dissipabile a temperatura ambiente di $25$°c

Osservazione: Essendo $P$ superiore al prodotto $Vce(sat)\cdot Ic=1.5\cdot 0.1=0.15W$ il transistore lavora in condizioni termiche ottimali.

• $hFE=100$ guadagno di corrente minimo

Osservazione: Essendo $hFE=Ic/Ib$ per $Ic=100mA$ sarà $Ib=100mA/100=1mA$ valore almeno da raddoppiare, per sicurezza, per portare il transistore in saturazione ($Ib=2mA$)

• $Vbe=0.7V$ tensione di funzionamento della base del transistore

Osservazione: del valore della $Vbe$ si deve tenere conto in sede di dimensionamento di $R1$

Il resistore $R1$, che limita la corrente di base, deve essere dimensionato come segue:

• Al generatore Gc, che fornisce una tensione di $5V$, è richiesta una corrente di $2mA$ pertanto sarà

$R1=(5-Vbe)/2mA=2150\mathrm{\Omega }$ ( arrotondato a $2200\mathrm{\Omega }$) Il valore assegnato ad $R1$ rappresenta un carico trascurabile per la resistenza di Gc =$100\mathrm{\Omega }.$

• Il resistore $R2$, che in assenza del comando tiene la base a livello di tensione zero, deve essere dimensionato come segue:

Essendo $Ib=2mA$ , accettando una riduzione di $Ib$ di circa il $2\mathrm{\%},$ potrà essere $R2=Vbe/(Ib\cdot 2/100)=17500\mathrm{\Omega }$ ( arrotondato a $18000\mathrm{\Omega }$)

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

$P<0.25W$

Misure di laboratorio

Una serie di misure può essere fatta sul circuito di figura 1 con k chiuso; i dati indicativi di tensione, misurabili con un voltmetro in c.c. a $100k\mathrm{\Omega }/volt$, sono riportati in figura 2:

figura 2

• I valori riportati in figura 2 sono dichiarati “indicativi” dato che la dispersione dei parametri del transistore, $hFE,Vbe,Vce(sat)$, non consente il calcolo esatto delle tensioni in gioco; ciò non incide però sul funzionamento del sistema in quanto il valore di $R1$ è stato calcolato per il doppio della corrente necessaria alla base e per il minimo valore di $hFE$ dato dal costruttore.

Quanto detto non deve sconcertare dato che i valori rilevati in via sperimentale, anche se diversi da quelli di figura 1 nell’ordine del +/- $10\mathrm{\%}$, sono comunque rappresentativi del corretto funzionamento del circuito.

L’ incertezza tra i dati calcolati e dati misurati in via sperimentale si manifesta prevalentemente per circuiti in cui i transistori non sono dotati di anelli di controreazione ; con l’applicazione di quest’ultimi è possibile, come avremo modo di vedere, ottenere rilievi sperimentali più coerenti con i dati progettuali.

Datasheet 2N1711

In figura 3 sono riportate le caratteristiche elettriche del transistore 2N1711 fornite dal costruttore:

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Circuito di comando di potenza ad impulsi

Una delle applicazioni per comandi veloci di potenza si configura con la realizzazione di un circuito in grado di trasferire un impulso di tensione ad un carico resistivo a comando di una impulso di tensione fornibile da un dispositivo esterno.

Dati del carico esterno:

• alimentazione in corrente continua
• tensione di lavoro = $+80V$
• corrente di lavoro = $2A$
• resistenza di carico = $40\mathrm{\Omega }$
• potenza richiesta = $160W$
• risposta all’impulso esterno inferiore a $2ms.$

Dati del generatore di comando Gi :

• generatore di impulsi

• tensione del generatore $+10V$

• resistenza del generatore $<10\mathrm{\Omega }$

• durata impulso: in base alle necessità

Dai dati del carico e del generatore di comando si evince:

La funzione di comando deve essere affidata ad un transistor NPN di potenza in grado di lavorare in saturazione con tensioni positive.

• Il transistore deve avere una tensione di lavoro $Vceo>80V$ ed una risposta $ton<2ms$

• Il transistore deve poter sostenere una corrente di lavoro $>2A$

• Il transistore deve avere una tensione di saturazione $<2V$ (pari al $2\mathrm{\%}di80V)perIc=2A$

• Il transistore deve poter comandare il trasferimento dell’impulso sul carico con una corrente di base $Ib$ inferiore a $10V/10\mathrm{\Omega }=1A$

Il circuito commutatore è costruito secondo lo schema elettrico di figura 4.

Dalla figura si osservano i componenti circuitali e si definiscono le loro funzioni:

• Tr transistore di comando
• $RL$ resistenza di carico
• $R1$ resistenza per comando base di Tr
• $R2$ resistenza per chiusura base in assenza di comando

figura 4

Funzionamento del circuito

Quando l’impulso è assente, la base di Tr non riceve corrente dall’esterno e di conseguenza anche la corrente di collettore è interdetta e la resistenza di carico $RL$ non riceve potenza; quando l’impulso è presente, attraverso $R1,$ scorre corrente nella giunzione base-emettitore e provoca il passaggio di corrente nel carico $RL$ attraverso la giunzione collettore-emettitore.

In questo tipo di funzionamento la corrente di collettore è limitata dalla resistenza di carico $RL$ e dalla tensione di saturazione di Tr; infatti, dato alla base l’impulso di corrente necessario per far scorrere la corrente di collettore, si forma tra collettore ed emettitore una tensione minima di funzionamento di Tr, detta tensione di saturazione, raggiunta la quale ulteriori incrementi della corrente di base non portano ad incrementi significativi della corrente di collettore.

L’impulso su $RL$ si genera dopo pochi microsecondi dall’applicazione del comando sulla base.

Sulla base dello schema elettrico procediamo al dimensionamento dei componenti:

Il transistore Tr, di potenza, può essere scelto del tipo BDY90 che ha le seguenti caratteristiche (si veda figura 5):

• $Vceo=100V$

Osservazione: $Vceo$ è, come voluto, superiore alla tensione di $80V$ richiesta dal carico $RL$

• $Vce(sat)=0.5VmaxperIc=5AeIb=0.5A$

Osservazione: Essendo $Vce(sat)$ al massimo uguale a $0.5V$ sottrae al carico meno dell’ $1\mathrm{\%}$ della tensione di alimentazione

• $P=3W$ potenza dissipabile in continuità a temperatura ambiente di $25$ ° c

Osservazione: Essendo $P$ superiore al prodotto $Vce(sat)\cdot Ic=0.5\cdot 2=1W$ il transistore può lavorare in condizioni termiche ottimali, senza necessità di superfici radianti ausiliarie, per qualsiasi durata dell’impulso.

• $hFE=30$ guadagno di corrente minimo

Osservazione: Essendo $hFE=Ic/IbperIc=2A$ sarà $Ib=2A/30=66mA$, valore almeno da raddoppiare, per sicurezza, per portare il transistore in saturazione ($Ib=130mA$ )

• $ton=0.35ms.$ Max

Osservazione : il valore di $ton$ e nettamente inferiore al valore richiesto del tempo di risposta richiesto pari a $2ms.$

• $Vbe=0.7V$ tensione di funzionamento della base del transistore

Osservazione: del valore della $Vbe$ si deve tenere conto in sede di dimensionamento di $R1$

Il resistore $R1$, che limita la corrente di base, deve essere dimensionato come segue:

Al generatore, che fornisce un impulso di tensione di $10V$, è richiesta una corrente di $130mA$ pertanto sarà

$R1=(10-Vbe)/130mA=71.5\mathrm{\Omega }$ ( arrotondato a $68\mathrm{\Omega }$)

Il valore assegnato ad $R1$ rappresenta un carico trascurabile per la resistenza di $Gi=10\mathrm{\Omega }.$

Il resistore $R2,$ che in assenza del comando tiene la base a livello di tensione zero, deve essere dimensionato come segue:

Essendo $Ib=130mA$ accettando una riduzione di $Ib$ di circa il $2\mathrm{\%},$ potrà essere

$R2=Vbe/(Ib\cdot 2/100)=270\mathrm{\Omega }$

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

Potenza impulsiva dissipata su $RL:$

$PRL=80V\cdot 2A=160W$

Potenza impulsiva dissipata su $R1:$

$PR1=10V\cdot 0.13A=1.3W$

Potenza impulsiva dissipata su $R2:$

$PR2=(0.7V{)}^2/270\mathrm{\Omega }<1/4W$

Datasheet BDY90

figura 5

Circuito di comando ad azione manuale con carico induttivo

La progettazione di un circuito di comando con carico induttivo, ad esempio la bobina d’eccitazione di un relè, è del tutto simile a quella esaminata all'inizio della lezione.

Consideriamo il circuito di figura 6 ed immaginiamo al posto della lampada L di figura 1 il relè RL con le stesse caratteristiche elettriche:

figura 6

Dati del relè:

• alimentazione in corrente continua

• tensione di eccitazione = $+28V$

• corrente di eccitazione = $0.1A$

resistenza della bobina = $280\mathrm{\Omega }$

e lo stesso generatore Gc

Dati del generatore di comando:

• generatore di corrente continua

• tensione del generatore $+5V$

• resistenza del generatore $<100\mathrm{\Omega }$

Visto che i dati dell’utilizzatore e del generatore sono identici a quelli riportati nel primo caso esaminato anche la scelta del transistore e il dimensionamento di $R1$ ed $R2$ sono gli stessi; quindi:

• transistore tipo 2N1711
• $R1=2200\mathrm{\Omega }$
• $R2=18000\mathrm{\Omega }$

A questo punto è necessario fare attenzione alle caratteristiche del transistore perché sul collettore di questo nuovo circuito è presente un elemento induttivo, il relè RL, che all’atto della diseccitazione provoca una extratensione negativa tra collettore ed emettitore che non può essere sostenuta dal transistore; quest’ultimo deve essere protetto mediante un diodo veloce posto a polarità rovesciata tra collettore ed emettitore, il diodo si porta in conduzione in presenza di extratensioni negative superiori a 0.7 V ed impedisce che queste distruggano il transistore.

Il diodo $D$ visibile nel circuito di figura 6, del tipo 1N4001, è adatto allo scopo.