Si dicono caratteristiche del BJT le curve tensione corrente dei vari terminali del BJT.
Si dice caratteristica di ingresso la curva che esprime l'andamento della corrente di base IB in funzione della tensione di base VBE, come la seguente, che si riferisce al transistor NPN BCW82.
Vediamo come la caratteristica di ingresso corrisponde a quella di un diodo, infatti tra base ed emettitore il transistor si comporta come un diodo; vediamo, infatti che la corrente di base è nulla, quando la VBE è minore della tensione di soglia, che nel nostro caso coincide all'incirca con 0,6 V, superata la tensione di soglia la corrente di base aumenta rapidamente.
Si dicono caratteristiche di uscita quelle che esprimono la corrente di collettore IC in funzione della tensione VCE, mantenendo costante la IB; come le seguenti, che si riferiscono sempre al BCW82
Notiamo che vi sono diverse caratteristiche di uscita, ognuna ottenuta per un valore prefissato della corrente di base IB; infatti la prima caratteristica, partendo dal basso è stata ottenuta per una IB = 5 m A; cioè mantenendo costante la IB all'aumentare della VCE, inizialmente la IC è zero; poi aumenta linearmente e rapidamente fino al ginocchio; superato il ginocchio, la IC resta praticamente costante, anche se aumenta la VCE.
Le caratteristiche sono importanti per la determinazione del punto di lavoro; si dice punto di lavoro un punto di cui sono note tensione e corrente a riposo, cioè in assenza di segnale; esempio se prendo il punto P, come nel seguente diagramma:
possiamo notare che essendo situato sulla caratteristica per IB = 15 m A la corrente di base sarà IB = 15 m A; la tensione VCE sarà 1,0 V; la corrente di collettore sarà circa IC = 4,6 mA.
Si dice retta di carico la retta che ha come equazione l'equazione della maglia di uscita, cioè VCC = RC IC + VCE + RE IE . Per rappresentarla sulle caratteristiche di uscita, occorre prendere due punti. Supponiamo che VCC = 2,0 V; quando IB = 0 e IC = 0 dalla equazione della retta di carico si ottiene che VCE = VCC; quindi un punto sarà quello sull'asse orizzontale, avente coordinate ( 2,0 ; 0).
Supponendo invece che la VCE sia nulla dalla equazione della retta di carico otteniamo VCC = RC IC + RE IE; e trascurando IB rispetto a IC otteniamo il secondo punto ICMAX = VCC/ (RC + RE);
quindi il secondo punto ha coordinate (0; VCC/ (RC + RE)); unendo i due punti otteniamo la retta di carico.
PROGETTO DI UN CIRCUITO DI POLARIZZAZIONE
In sede di progetto del circuito di polarizzazione si usano i seguenti criteri pratici. Per la VCE si fissa un valore all'incirca uguale a VCC/2;
per la caduta di tensione ai capi di RE, cioè VE, si fissa un valore uguale a VCC/10; per la corrente del partitore IP si fissa una corrente uguale a IC/10. Con l'aiuto delle caratteristiche e delle equazioni della maglia di uscita e della maglia di ingresso si calcolano i valori di tutti i resistori.
Esempio
Dato il BJT BCW82, in base alle caratteristiche di uscita fissiamo una VCC = 2,0 V; fissiamo una VCE = VCC/2 = 2/2 = 1 V; fissiamo VE = VCC/10 = 2/10 = 0,2 V ;
Dalle caratteristiche di uscita scegliamo una caratteristica che sia centrale, per esempio quella di IB =15 m A; dalla lettura della caratteristica leggiamo IC = 4,6 mA; quindi
IE = IC + IB = 4,6 mA +15 m A = 4,615 mA
Quindi RE = VE/IE = 0,2/0,004615 = 43 W
Dall'equazione della retta di carico ci calcoliamo RC;
RC = (VCC - VCE - VE)/IC = (2 - 1 - 0,2) /0,0046 = 0,8/0,0046 = 173 W
Controlliamo ICMAX = VCC/ (RC + RE) = 2/( 173 + 43) = 9,25 mA; mentre sul diagramma delle caratteristiche di uscita leggiamo 9 mA; i due valori, a parte gli errori grafici, sono attendibili.
Per calcolare il partitore, dalla caratteristica di ingresso ci ricaviamo una VBE = 0,8 V; quindi: R2 I2 = VBE + VE = 0,8 + 0,2 = 1 V
Essendo I2 = IP = IC/10 = 4,6 /10 mA = 0,46 mA, otteniamo:
R2 = 1/0,00046 = 2174 W
Per R1 essendo
R1 I1 = VCC - R2 I2 = 2 - 1 = 1 V
Ed essendo
I1 = IP + IB = 0,46 ma + 15 m A = 0,475 mA
Otteniamo: R1 = 1/ 0,000475 = 2105 W
Naturalmente si sceglieranno i valori commerciali vicini a quelli teorici.
IL TRANSISTOR COME INTERRUTTORE
Il transistor, opportunamente polarizzato, può essere utilizzato come un interruttore che può essere aperto o chiuso, regolando la corrente di base. Consideriamo il seguente circuito:
Quando l'interruttore si trova verso il basso, la tensione VBE = 0; la corrente di base IB = 0; la IC = 0; il transistor è interdetto, non conduce e si comporta come un circuito aperto. La tensione di uscita sul collettore assume il massimo valore Vu = VCC.
Quando, invece, spostiamo verso l'alto l'interruttore, la base del transistor è polarizzata direttamente, il transistor va in saturazione, la IC assume il massimo valore, il transistor si comporta da circuito chiuso. La tensione di uscita assume il valore Vu = 0.
Se consideriamo le caratteristiche di uscita del BJT:
Possiamo considerare tre zone: