Dopo aver analizzato alcuni componenti passivi, tra i più importanti, volgiamo la nostra attenzione verso quelli che sono denominati componenti attivi. Si parla di componenti attivi quando questi richiedono, per funzionare, una alimentazione e possono essere in grado di erogare energia. I componenti passivi, invece, non richiedono nessuna sorgente di alimentazione per funzionare ma non sono in grado di erogare energia.

Il campo della componentistica attiva è davvero molto vasto ed in questo ambito non ci proponiamo di certo di esplorarlo tutto. Prenderemo in esame alcuni componenti che maggiormente ci interessano e tratteremo il loro comportamento solo a grandi linee.

Il transitor

Tutti noi abbiamo qualche volta sentito parlare di "transistor". Questo componente costituisce la base di tutti i moderni dispositivi integrati; si pensi, ad esempio, alle CPU, ai chip video, alle memorie ma anche ai più semplici circuiti integrati disponibili in commercio. In realtà il transistor esiste in commercio anche come singolo componente ed è proprio in questa forma che cercheremo di usarlo e di capirne il funzionamento.

Il simbolo del transitor è visibile nella seguente figura:

I terminali evidenziati con le lettere B C E sono o tre punti di contatto che fuoriescono dall'involucro di tutti i transistor. Questi tre terminali vengono identificati dai nomi:

• Base (B)
• Collettore (C)
• Emettitore (E)

Oltre a questi dati occorre precisare che esistono due differenti tipi di transistor a seconda della loro polarità. In questo caso si distinguono transistor NPN e transistor PNP. Esiste anche una differenza di simboli tra i due tipi di transistor:

Possiamo dire a grandi linee che il funzionamento dei due tipi di transistor risulta invertito: mentre per un transistor NPN il collettore va collegato al polo positivo e l'emettitore al polo negativo del circuito, per uno PNP questi si invertono.

Dal punto di vista dell'aspetto del componente reale, il transistor si può presentare sotto diverse spoglie anche in modo dipendente dalla potenza che esso può erogare. I vari packages dove un transistor può essere contenuto sono classificati con delle sigle che qui non approfondiremo. Vi forniamo, invece, una foto dove potete vedere un certo numero di transistor:

Le caratteristiche principali dei transistor, molto utili per l'utilizzo che se ne deve fare sono visibili di seguito:

Caratteristiche limite di funzionamento del transitor

• Vce: rappresenta la massima tensione applicabile fra Collettore ed Emettitore;
• Vbe: rappresenta la massima tensione applicabile fra Base ed Emettitore;
• Ic: rappresenta la massima corrente che può attraversare il Collettore;
• Ib: rappresenta la massima corrente che può attraversare la Base;

Nella figura qui sopra possiamo vedere come sono sistemate le variabili dette in precedenza e quale sia il verso delle correnti. In figura sono visualizzate anche altre due tensioni, la Vbb e la Vcc.

Le correnti di emettitore e collettore sono legate dalla seguente relazione:

Ic = α * Ie

dove il parametro α dipende dal drogaggio e dallo spessore della base (si tratta di considerazioni a livello microscopico): il valore di α può anche superare 0.99 rendendo la corrente di emettitore molto vicina, in valore, a quella di collettore.

Frequenza di taglio
Ogni dispositivo elettronico ed a maggior ragione un transitor, può lavorare secondo le sue caratteristiche, solo entro un certo range di frequenze. Al di fuori di questo range il comportamento del dispositivo non è quello desiderato. La frequenza di taglio rappresenta proprio la massima frequenza, oltre la quale il transistor non presenta più una capacità di amplificazione del segnale. Tale caratteristica è molto importante soprattutto se dobbiamo realizzare amplificatori audio per frequenze elevate oppure un generatore di funzioni.

Guadagno
Il guadagno, indicato in dB (deciBel) è la capacità di amplificazione del transistor. Esso è legato alla frequenza del segnale: di solito rimane costante fino ad un certo valore oltre il quale diminuisce rapidamente. Questo valore limite è quello che viene definito frequenza di taglio, come precedentemente indicato.

Se indichiamo con dI_b una variazione della corrente di base del transistor e con dI_c la corrispondente variazione della corrente di collettore, il guadagno è dato da:

g = 20 log (dI_c / dI_b)

Esiste anche un guadagno statico di corrente del transitor. Questo parametro, h_FE, è legato al parametro α visto in precedenza e vale 99 proprio quando α vale 0.99. L'h_FE rappresenta il legame fra corrente di collettore e corrente di base:

Ic = h_FE * Ib

Considerazioni valide per i transitor
I transistor NPN e PNP hanno alcuni comportamenti fondamentali sempre validi:

• Ic è circa uguale a Ie;
• Nei transitor NPN il verso delle correnti di collettore e base è entrante mentre nei transistor PNP è uscente;
• Nel caso di funzionamento in zona lineare, sia nei transistor NPN che PNP, la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente mentre quella fra collettore-base è polarizzata inversamente.
• Applicando un segnale di ingresso alla base e prelevando un segnale amplificato sul collettore si hanno due circuiti, come è possibile vedere dalla figura seguente; un primo circuito, di ingresso, collega la base all’emettitore ed un secondo, di uscita, collega il collettore e l'emettitore.

Utilizzo
I transitor possono essere utilizzati in due modi diversi. Come amplificatori oppure come interruttori. Nel primo caso si parla, in generale, di elettronica analogica mentre nel secondo si parla di elettronica digitale. Poter utilizzare il transitor in una o un'altra modalità dipende dalla sua zona di funzionamento; per impostare tale zona di funzionamento è necessario "polarizzare", attraverso opportune correnti, il transistor stesso in una oppure in un'altra zona. Nella figura seguente possiamo vedere la caratteristica di uscita di un transistor NPN dalla quale possono essere individuate tre zone di funzionamento:

• S = Zona di Saturazione. Questa zona di funzionamento è utilizzata soprattutto nelle applicazioni digitali. Le giunzioni B-E e B-C sono entrambe polarizzate direttamente e questo corrisponde all'ON digitale (1).
• A = Zona Attiva. Questa è la zona che viene sfruttata quando il transistor lavora come amplificatore. In questa regione la giunzione B-E è polarizzato direttamente mentre quella B-C è polarizzata inversamente.
• I = Zona di Interdizione. Questa zona di non funzionamento corrispondente all'OFF digitale (0). Le giunzioni B-E e B-C sono entrambe polarizzati inversamente col risultato che Ib ed Ic sono nulle.

In questi casi, accade spesso che il transistor venga utilizzato connesso a "emettitore comune", come visibile nella seguente figura:

Quando la tensione Vbe è negativa o nulla, essendo positiva la Vcc, non si ha passaggio di corrente, dunque il transitor si trova nella zona di interdizione. Un transistor lavora come amplificatore quando la Vbe diventa maggiore di zero e quindi la giunzione base emettitore è polarizzata direttamente. In questa zona si vengono a creare legami approssimativamente lineari tra Ic ed Ib e le altre grandezze. Al crescere di Vbe la corrente di base continua a crescere senza limiti; quello che invece arriva al limite massimo è la corrente di collettore non può mai superare la corrente Vcc / R_L. Al crescere di Vbe la tensione Vce, tra collettore e massa, scende fino a diventare minore della tensione Vbe. In tali condizioni si ha Vcb minore di zero e anche la giunzione base collettore diventa polarizzata direttamente entrando così nella zona di saturazione.

L'impiego del transistor come amplificatore comporta il suo utilizzo in zona lineare. Possiamo vedere cosa accade nella esemplificazione nella figura seguente dove è visibile una caratteristica di ingresso-uscita tipica di un transistor (abbiamo visualizzato solo la zona lineare):

L’impiego del transistor come interruttore comporta il suo funzionamento sempre nella zona di saturazione oppure in quella di interdizione; durante la commutazione da uno stato all'altro dell'interruttore (da ON a OFF oppure da OFF a ON) la zona lineare può essere percorsa più o meno velocemente.

Un esperimento
Proviamo a realizzare il nostro primo circuito utilizzando un transistor. Procuriamoci, anzitutto, un transistor NPN come ad esempio un BC107 oppure un BC108. In questi transistor, una tacca sul corpo indica il pin di collettore, di fronte ad esso il pin di emettitore ed al centro la base:

Ci occorrono, poi, due resistenze da 1/2 watt, del valore di 220 Ohm e di 1,5 KOhm, un diodo led (quelli emettitori di luce) ed una batteria da 9V. Il diodo led ha un suo verso che se non viene rispettato esso non si accende; il led necessita di circa 1,5V per potersi accendere alla massima luminosità. Per individuare il verso giusto del led, occorre osservarlo in trasparenza: al suo interno, i due elettrodi hanno una forma diversa. L'elettrodo più piccolo è il catodo (K) e va collegato al polo positivo mentre quello più grande va collegato al negativo ed è denominato anodo (A).

Cominciamo a saldare assieme i pochi componenti utilizzando il saldatore ed un po' di stagno oppure possiamo usare quelle basette di test piene di numerosi buchi connessi tra loro. Iniziamo ad individuare i pin del transistor e colleghiamo l'emettitore al polo negativo della batteria. Colleghiamo, al collettore, la resistenza da 220 Ohm. L'altro capo di tale resistenza va collegato all'anodo del diodo led. Il catodo del diodo led lo colleghiamo al positivo della batteria. Prima di terminare il circuito, come visibile nella figura, abbiamo già connesso il diodo led e la giunzione CE alla pila, ma come vedete il led rimane spento...

In effetti non abbiamo fornito ancora alcuna tensione alla base del transistor. A questo punto saldiamo la resistenza da 1,5 KOhm alla base del transistor e l'altro capo della resistenza colleghiamolo al polo positivo. Il led dovrebbe accendersi!

Il fatto di aver connesso la resistenza di base alla tensione positiva porta lo scorrimento di una debole corrente nel circuito di base. Tale corrente "innesca" una corrente maggiore nel circuito di collettore che farà accendere il led. Praticamente con una corrente di pochi milliampere che entra nella base, possiamo comandare una corrente di alcune centinaia di milliampere nel circuito di collettore: in questo caso stiamo sfruttando il transistor come un amplificatore di corrente.