Come scegliere un transistor

La scelta del transistor giusto è importante per motivi sia di prestazioni che di costo. Ma ci sono decine di migliaia, forse centinaia di migliaia, di diversi tipi di transistor discreti. Quale scegliere e perché? Inoltre, se un dato transistor richiesto in un progetto di elettronica è obsoleto e introvabile, quali altri dispositivi facilmente ottenibili funzioneranno in quella stessa applicazione? Per molte applicazioni non è necessario scegliere un particolare transistor: dovremmo solo usare il primo ragionevolmente adatto che viene a portata di mano. Ecco come evitare di perdere tempo con dettagli non necessari.

Un transistor non è altro che un dispositivo semiconduttore a tre terminali utilizzato come amplificatore o interruttore nei circuiti elettronici. Di questi tre terminali, la tensione o la corrente di ingresso viene applicata a una coppia di terminali del transistor e la tensione / corrente di uscita controllata può essere ottenuta tramite un’altra coppia di terminali. Non discuteremo in dettaglio la fisica dei transistor, che puoi trovare su Wikipedia, ma andiamo a spiegare un po’ meglio come funzionano.

Un transistor è un dispositivo di amplificazione a tre terminali a stato solido (puoi acquistare degli utili kit di transistor assortiti qui). C’è un terminale comune ai segnali di ingresso e uscita e un segnale su uno dei terminali rimanenti controlla la corrente nell’altro. La figura qui sotto illustra molto bene la funzione di base svolta da un transistor. Occorre sapere che esistono due tipi fondamentali di transistor: transistor a giunzione bipolare e transistor ad effetto di campo, i quali sono noti rispettivamente come BJT e FET.

Funzione base di un transistor. 

I principali tipi di transistor sul mercato

La domanda più fondamentale di tutte quando si sceglie un transistor, tuttavia, non è se sia un BJT o un FET, ma la sua polarità: in uso il suo terminale di uscita è positivo o negativo rispetto al suo terminale comune? Se la risposta è positiva abbiamo bisogno di un BJT NPN o di un FET a canale N, altrimenti abbiamo bisogno di un canale PNP o P. Questo è di fondamentale importanza, ma così ovvio che sono necessarie poche ulteriori discussioni sull’argomento.

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Sebbene i FET siano stati sviluppati e brevettati quasi vent’anni prima dei BJT, i primi transistor pratici erano bipolari. Un transistor NPN, in pratica, è costituito da una base (B in breve) sottile di semiconduttore di tipo P inserita tra due regioni di tipo N, l’emettitore (E) e il collettore (C). Se una corrente fluisce dalla base all’emettitore e sul collettore è presente una polarizzazione positiva, una corrente maggiore – proporzionale alla corrente di base – fluisce nel collettore.

Differenza fra transistor NPN e PNP. 

Dalla figura qui sopra vediamo che un BJT è un amplificatore di corrente: la corrente di uscita è β volte la corrente di ingresso e β può variare leggermente con la corrente di base in modo che l’amplificatore non sia abbastanza lineare (il β o hfe è il guadagno di corrente del transistor). L’impedenza di ingresso non è né bassa né lineare, quindi possiamo anche vedere un BJT come un amplificatore Iout / Vin (transconduttanza) con un diodo al silicio come dispositivo di ingresso.

È chiaro che maggiore è il valore di β e migliore è l’amplificatore di corrente. Per la maggior parte delle applicazioni un valore minimo di amplificazione di 80-100 è adeguato, ma non sono rari valori superiori a poche centinaia. In realtà, sono possibili transistor “Super-beta” con β fino a diverse migliaia, ma hanno una regione di base molto stretta e basse tensioni di rottura e sono così fragili da essere usati raramente tranne che all’interno di circuiti integrati analogici.

Per quanto riguarda invece i transistor FET, esistono due tipi di FET: FET di giunzione (JFET) e FET di ossido di metallo e silicio (MOSFET), ed entrambi sono disponibili in entrambe le polarità (canale N per alimentazione positiva, canale P per negativo). I FET hanno una resistenza di ingresso molto elevata (ma la loro capacità di ingresso può essere abbastanza grande – decine o addirittura centinaia di pF) e sono quindi dispositivi di transconduttanza (Iout / Vin).

Oggi il MOSFET è il dispositivo più comune. La versione a canale N è costituita da una striscia di silicio di tipo P con due diffusioni di tipo N. Sopra la striscia tra le diffusioni c’è uno strato molto sottile di biossido di silicio (o qualche altro isolante) ricoperto da una pellicola conduttrice (solitamente alluminio o silicio policristallino). Un potenziale positivo su questa porta conduttrice fa sì che il materiale di tipo P appena sotto l’isolante diventi di tipo N, unendo le diffusioni di drain e source e consentendo il flusso di corrente.

Vari tipi di transistor e relativi simboli. 

La quantità di corrente varia con la tensione applicata, quindi il dispositivo funziona sia come amplificatore che come interruttore. Normalmente i MOSFET sono di questo tipo: spenti quando non polarizzati e accesi da una tensione di polarizzazione. Tali dispositivi sono noti come dispositivi in modalità di miglioramento. È possibile, tuttavia, creare FET che sono accesi quando non polarizzati e spenti da una tensione negativa (positiva per il canale P). Tutti i JFET (transistor ad effetto di campo a giunzione) sono di questo tipo, ma ci sono anche alcuni MOSFET in modalità di esaurimento.

I principali parametri di un transistor

Sono disponibili migliaia di diversi tipi di transistor e ogni transistor ha parametri diversi. I transistor sono più complicati delle resistenze e dei condensatori perché puoi scegliere una resistenza o un condensatore in base alla resistenza o al valore di capacità richiesto, ma quando scegli un transistor devi valutare molti parametri del transistor. Quindi è un compito impegnativo scegliere il transistor giusto per un circuito. Di seguito sono riportati alcuni dei parametri importanti da tenere a mente nella scelta.

  1. Digitare il numero

Il numero di tipo di un transistor è un numero univoco assegnato a ogni transistor. Usando tale numero, possiamo cercare le sue specifiche e caratteristiche. Esistono tre sistemi di numerazione principali, ovvero JIS, Pro Electron e JEDEC. JIS è utilizzato dallo standard industriale giapponese, Pro Electron è uno standard europeo e JEDEC è uno standard americano. Se stai costruendo un circuito da Internet, il transistor può essere scelto usando il numero di tipo di transistor utilizzato nel circuito originale.

Diversi tipi di contenitori per transistor.

  1. Guadagno di corrente (β)

In qualsiasi circuito, il guadagno di corrente di un transistor è un parametro importante. Il guadagno di corrente viene solitamente indicato come β o hfe. Esso è il rapporto tra la corrente di base e la corrente del collettore e una misura della capacità di amplificazione del transistor. Se desideri utilizzare il transistor come amplificatore, scegli un transistor con un guadagno di corrente maggiore.

  1. Tensione collettore-emettitore (VCEO)

La VCEO è la tensione massima che la giunzione collettore-emettitore di un transistor può sopportare. Per la maggior parte dei transistor, la VCEO è solitamente di 30 V o più misurati con il circuito aperto di base. L’applicazione di una tensione superiore a VCEO può danneggiare il transistor. Quindi, prima di utilizzare il transistor, controllare il VCEO massimo dalla scheda tecnica.

  1. Tensione base-emettitore (VEBO)

La VEBO è la tensione massima che può essere applicata alla giunzione emettitore-base. Un voltaggio più alto del VEBO può danneggiare o distruggere il transistor. La VEBO è relativamente più piccola della tensione collettore-emettitore (VCEO). La VEBO massima è di solito 6 V o più per la maggior parte dei transistor ed è misurata con il circuito aperto del collettore.

  1. Tensione base-collettore (VCBO)

La VCBO è la tensione massima che può essere applicata alla giunzione collettore-base e viene misurata con il circuito aperto dell’emettitore. La VCBO è solitamente di 50 V o più. La VCBO è relativamente più alta della tensione collettore-emettitore (VCEO) perché la tensione dal collettore alla base è spesso superiore alla tensione dal collettore all’emettitore.

  1. Corrente del collettore (IC)

La corrente del collettore è la corrente massima che può fluire attraverso il collettore. È generalmente definita in milliampere, ma per i transistor ad alta potenza è definita in ampere. La corrente del collettore non deve superare il suo valore massimo, altrimenti può danneggiare il transistor. È possibile utilizzare una resistenza per limitare la corrente del collettore.

  1. Dissipazione di potenza totale (Ptot)

È la potenza totale dissipata dal transistor. La dissipazione di potenza varia da un transistor all’altro. Per i piccoli transistor, la potenza nominale è dell’ordine di poche centinaia di milliwatt, ma per i transistor ad alta potenza è definita in watt. La dissipazione di potenza attraverso il dispositivo può essere calcolata moltiplicando la corrente del collettore per la tensione attraverso il dispositivo stesso.

Scelta pratica del transistor

Per la maggior parte delle applicazioni di transistor di uso generale, abbiamo bisogno di dispositivi non conduttivi con polarizzazione zero sull’ingresso di controllo (base o gate). Tali dispositivi sono BJT o MOSFET in modalità di miglioramento. I FET in modalità di esaurimento, sebbene siano componenti preziosi in un certo numero di applicazioni, sono molto meno comuni dei BJT e dei dispositivi in modalità di miglioramento per cui una sezione separata per loro non è realmente necessaria.

Differenza fra transistor normali e MOSFET.

Quindi abbiamo bisogno di un transistor. Sappiamo se la sua uscita è positiva o negativa, quindi se abbiamo bisogno di un dispositivo a canale NPN / N o a canale PNP / P. Ma abbiamo bisogno di un BJT o di un MOSFET? In molti casi non importa. I MOSFET sono forse il dieci o venti percento più costosi dei BJT, ma non hanno bisogno di resistenze di base che costano e occupano un’area costosa della scheda. Sono leggermente più vulnerabili ai danni elettrostatici (ESD) durante la manipolazione.

Inoltre, i MOSFET non assorbono la corrente di base e dei circuiti di carico in CC.  Un tempo la tensione di soglia del gate (il valore di Vgs a cui un MOSFET inizia a condurre) era di diversi volt, quindi non potevano essere utilizzati con tensioni di alimentazione molto basse, ma oggi le tensioni di soglia di molti dispositivi sono paragonabili agli 0,7 V di tensione di accensione di base di un BJT al silicio. Quindi, dove vogliamo un amplificatore o un interruttore logico probabilmente ciò non ci interessa.

Ma come scegliere un transistor adatto per un nostro progetto? Sarebbe bello avere un database di ogni transistor nel mondo allegato a un foglio di calcolo in modo che dopo aver inserito i valori limite di ogni parametro importante vediamo un elenco di ognuno che soddisfa le nostre esigenze. Sfortunatamente un elenco del genere è impossibile da compilare: è enorme e cambierebbe di giorno in giorno con l’introduzione di nuovi transistor e quelli vecchi diventerebbero obsoleti.

Un database di transistor.

Tuttavia, società di distribuzione come Avnet, Arrow, Digi-Key, Mouser, Premier Farnell e RS Components hanno motori di ricerca parametrici  sui loro siti web che ci consentono di fare più o meno la stessa cosa con il vantaggio che, sebbene non mostrino tutti dispositivo nel mondo, quelli che mostrano probabilmente saranno prontamente disponibili. Il vantaggio dei motori di ricerca dei distributori è che ci permettono di confrontare dispositivi di molti produttori su un unico sito.

A questo punto possiamo considerare i vari singoli parametri:

  • Polarità: Canale NPN / N o canale PNP / P?
  • Tipo: BJT o FET?
  • Tensione di esercizio: Selezionare il valore minimo di sicurezza di BVceo o BVds
  • Corrente massima: -Selezionare un valore ≥33% superiore alla corrente massima prevista di collettore / drain.
  • Package: Quale package e pinout richiedete?
  • Potenza: Qual è la massima dissipazione?
  • Corrente di dispersione: Ice0 o Ids0
  • Guadagno di corrente: β o hfe – Poche applicazioni richiedono β≥ 100
  • Transconduttanza: gfs – Raramente deve essere specificata.
  • Tensione di soglia del gate: – Vgs (th) – Deve essere compatibile con i livelli di qualsiasi logica utilizzata per pilotare un MOSFET come interruttore e non deve essere troppo grande se viene utilizzato un MOSFET con una bassa tensione di alimentazione.
  • Tensione di saturazione: Vce (sat) – Importante solo quando un BJT viene utilizzato come interruttore (logica o alimentazione).