Cos'è un transistor?

Un altro importante componente elettronico utilizzato negli ascensori è dettagliato.

Come i diodi, i transistor sono i principali attori nel campo dell'elettronica, in particolare nei controller di movimento degli ascensori e negli azionamenti a frequenza variabile (VFD) che hanno un'ampia interfaccia operatore. Anche come i diodi, il meccanismo a semiconduttore a transistor è molto semplice in quanto prevede l'attrazione e la repulsione dei portatori di carica da parte delle tensioni di polarizzazione applicate ai terminali del dispositivo. Gli elettroni e le lacune migrano verso o lontano dalle giunzioni dei semiconduttori, regolando così flussi di corrente più elevati tra i vari terminali e la terra.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ Come funzionano i transistor attirando e respingendo i portatori di carica
♦ L'effetto del drogaggio sul silicio cristallino
♦ Perché viene utilizzato il processo di doping
♦ Come sono collegati base, collettore ed emettitore nei circuiti elettronici
♦ Come gestire i transistor

La differenza fondamentale tra diodi e transistor è che nel diodo ci sono due strati (silicio di tipo N e P, con una singola giunzione tra di loro) dove avviene l'azione del semiconduttore. Questo articolo presuppone che il lettore abbia già compreso l'articolo dell'autore "What Is a Diode?" (ELEVATOR WORLD, agosto 2014) o comprenda come funzionano questi dispositivi a livello subatomico e nei circuiti elettrici. Rispetto ai diodi, i transistor sono un po' più complessi, perché hanno tre strati di semiconduttore con due giunzioni. I materiali (silicio di tipo N e P) sono creati essenzialmente come per i diodi, tramite un processo noto come drogaggio. Il silicio cristallino non è elettricamente conduttivo. (Sono stati utilizzati altri materiali semiconduttori, ma oggi la scelta ricade solitamente sul silicio.) Ma quando viene esposto a tracce di alcuni altri elementi, il silicio cristallino diventa un semiconduttore. Ciò non significa che abbia una resistenza fissa che si colloca da qualche parte tra quella di un isolante come il vetro e quella di un conduttore come il rame. Al contrario, significa che in alcune condizioni il silicio cristallino conduce e in altre non conduce.

Ciò che sta alla base di tutto ciò è che il silicio, con un numero atomico di 14, è costituito da un nucleo con quattro elettroni che orbitano nel suo guscio di valenza (esterno). (Il numero di elettroni nel guscio di valenza di qualsiasi elemento tiene conto delle sue proprietà fisiche e dei modi in cui interagisce con altri atomi vicini.) Gli atomi sono in grado di condividere gli elettroni di valenza con gli atomi adiacenti. Poiché ha quattro elettroni nel suo guscio di valenza, il silicio puro ama assumere la forma di un reticolo cristallino, ogni atomo condivide gli elettroni e, quindi, è strettamente legato a quattro atomi di silicio adiacenti. Il silicio cristallino è molto stabile e, elettricamente, è un isolante.

Quando il silicio cristallino viene drogato con fosforo o arsenico (non preoccupatevi, la quantità è infinitesimale), ognuno dei quali ha cinque elettroni nel suo guscio esterno, la situazione cambia bruscamente. C'è quindi un elettrone libero per ogni atomo di silicio drogato. Gli elettroni liberi in eccesso viaggiano negli spazi tra gli atomi di silicio e sono noti come "portatori di carica". Il silicio cristallino, drogato con fosforo o arsenico e quindi dotato di elettroni liberi, è silicio di tipo N. Non è più un isolante ma è in grado di condurre una corrente elettrica, grazie alla presenza di portatori di carica.

Anche quando i terminali del transistor non sono etichettati, è possibile identificarli e accertare il tipo di transistor guardando la punta della freccia.

In un processo di immagine speculare che inverte le polarità, il silicio cristallino può essere drogato esponendolo (in modo che vengano assorbite piccole quantità) al boro o al gallio, entrambi i quali hanno tre elettroni nel guscio esterno. Questo processo crea una carenza di elettroni nello spazio tra gli atomi di silicio. Questi punti vuoti sono chiamati "buchi" e possono essere pensati come particelle cariche positivamente con massa trascurabile, come i protoni che hanno polarità positiva ma sono molto più massicci. Che questi buchi esistano effettivamente come particelle o che assomiglino più da vicino a entità concettuali, possiamo lasciarlo ai metafisici. Il fatto è che sono efficaci come portatori di carica e necessari per il funzionamento dei semiconduttori.

Il silicio cristallino drogato con boro o gallio diventa silicio di tipo P. Abbiamo visto nel precedente articolo sui diodi che i silicio di tipo N e P legati insieme formano una giunzione. Con i cavi collegati alle estremità, costituiscono un dispositivo utile che conduce o non conduce, a seconda della polarizzazione.

I transistor sfruttano anche le proprietà semiconduttive esibite dal silicio cristallino di tipo N e P. Oggi i transistor bipolari sono stati ampiamente soppiantati, prima dai transistor ad effetto di campo (FET) e, infine, dall'onnipresente FET a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET), che ha impedenze di ingresso molto più elevate. Tuttavia, ci sono molti transistor bipolari in giro nelle apparecchiature più vecchie, così come nelle applicazioni contemporanee. In questo articolo, ci atterremo ai transistor bipolari, poiché sono più basilari e forniscono una buona base per comprendere le varietà più esotiche.

Come accennato in precedenza, i transistor sono costituiti da tre strati di semiconduttori, una base, un emettitore e un collettore. Questi termini non devono essere presi troppo sul serio, perché la "base" non è una base, l'"emettitore" non emette nulla e il "collezionista" non raccoglie nulla. Tuttavia, questa è la terminologia, ed è piuttosto grafica.

Ogni strato ha un cavo collegato in modo che il transistor possa essere collegato ad altri componenti, come resistori, condensatori e bobine, per formare un circuito. I tre semiconduttori sono legati, sempre con la base al centro e l'emettitore e il collettore su entrambi i lati. Ma non concludere che il vantaggio centrale va alla base, perché non è sempre così. Poiché ci sono tre strati, ci sono due giunzioni. La base ha due giunzioni e l'emettitore e il collettore hanno ciascuno un'unica giunzione che condividono con la base. L'emettitore e il collettore non hanno giunzione comune e non sono collegati elettricamente, se non attraverso la base e, in alcune configurazioni, attraverso circuiti esterni.

Ciascuno di questi semiconduttori può essere silicio di tipo P o N. L'emettitore e il collettore sono sempre dello stesso tipo e la base è dell'altro tipo. Di conseguenza, i transistor possono essere PNP o NPN. La versione PNP ha una base in silicio di tipo N con emettitore e collettore composti da silicio di tipo P. “NPN” indica una base di tipo P e un collettore ed emettitore di tipo N. Le due giunzioni, come la giunzione singola di un diodo, possono essere polarizzate in avanti o inversa e quindi condurranno o non condurranno. Nella maggior parte dei circuiti, i transistor NPN e PNP possono essere scambiati, ma tutte le polarità (comprese quelle fornite dall'alimentatore) verranno invertite.

Uno schema a transistor è costituito da un cerchio con un semiconduttore interno mostrato, compresi i cavi che consentono le connessioni del circuito. La base ricorda una piastra piatta come il catodo di un diodo. Collettore ed emettitore sono linee che si collegano alla base ad angolo. Per convenzione, la base è mostrata a sinistra, il collettore in alto e l'emettitore in basso, ma questo può variare se richiesto dallo schema generale.

La base, il collettore e l'emettitore possono essere etichettati sullo schema, ma non sempre. Puoi sempre distinguere emettitore e collettore, perché la linea dell'angolo con la punta della freccia è sempre l'emettitore. Inoltre, se la freccia punta verso l'interno verso la base, il transistor è PNP, e se punta verso l'esterno, il transistor è NPN. Riassumendo, anche quando i terminali del transistor non sono etichettati, è possibile identificarli e accertare il tipo di transistor guardando la punta della freccia.

I transistor hanno tre cavi. Con un cavo come comune, è possibile avere due circuiti a due fili, ed è così che sono configurati i transistor. L'emettitore è solitamente la connessione comune. In questa modalità, l'emettitore di base è l'ingresso e l'emettitore del collettore è l'uscita. Piccole modifiche all'input si traducono in modifiche identiche all'output ma a un livello di potenza molto più elevato. Questa uscita potenziata riceve la sua energia elettrica dall'alimentatore, quindi non si tratta di ottenere energia libera. Tuttavia, il rapporto ingresso/uscita rende i dispositivi estremamente utili in molti tipi di apparecchiature elettroniche.

Come amplificatore, il transistor può amplificare un segnale in ingresso applicato ai terminali di ingresso, in modo che una versione amplificata appaia ai terminali di uscita. Il rapporto tra la corrente dell'emettitore di base e la corrente dell'emettitore del collettore è noto come "guadagno". L'uscita di uno stadio a transistor può essere accoppiata all'ingresso di uno stadio successivo per ottenere una maggiore amplificazione. È possibile collegare in cascata un certo numero di stadi, in modo che il segnale molto debole captato dall'antenna possa essere amplificato a sufficienza per pilotare altoparlanti di grandi dimensioni, video o altri dispositivi. I transistor a basso guadagno hanno un guadagno di circa 30. Un transistor ad alto guadagno può raggiungere 800 o più.

All'aumentare dell'input, anche l'output aumenta in modo lineare. Oltre un certo punto, però, il transistor (insieme al suo alimentatore) non è in grado di ulteriore amplificazione e si dice che sia “saturo”. (Questo è simile a quando un induttore, come l'avvolgimento di un trasformatore, si satura e nessun ulteriore aumento della corrente elettrica aumenterà il flusso magnetico.) La saturazione non è buona in un amplificatore. La forma d'onda in uscita mancherà dei suoi livelli di picco, con una linea piatta nel punto di saturazione. Questa condizione è nota come "clipping" e si manifesta come uno sgradevole ronzio in un'uscita audio.

Oltre all'amplificazione, i transistor possono essere progettati e configurati per altri scopi. Un uso importante è come oscillatore, che può generare un'onda sinusoidale o altra forma d'onda di qualsiasi frequenza desiderata. Ciò si applicherebbe a una vasta gamma di applicazioni:

• Le apparecchiature elettroniche che incorporano un segnale acustico come un telefono, un videogioco o un sistema di allarme antincendio avranno questo segnale generato all'interno di un circuito oscillatore.
• Un generatore di segnale produce una gamma di frequenze e forme d'onda che i tecnici iniettano nell'apparecchiatura difettosa allo scopo di tracciare e visualizzare il segnale (con un oscilloscopio) in ogni fase fino a quando non viene individuato il guasto.
• I segnali di clock che regolano i computer e gli orologi al quarzo sono generati da oscillatori.
• Praticamente tutti i ricevitori radio e TV sono supereterodine. Rilasciano il segnale a radiofrequenza (RF) come captato dall'antenna a una frequenza intermedia (IF) più gestibile e frequenze più basse per le fasi successive di amplificazione. Il modo in cui lo fanno è mescolando il segnale a frequenza più alta con un segnale generato dall'oscillatore in modo da sintetizzare un segnale di battito somma e differenza. Il segnale a bassa frequenza desiderato viene selezionato utilizzando un semplice circuito risonante bobina-condensatore. Nei primi anni della trasmissione radio, l'onda sinusoidale veniva generata presso la stazione di trasmissione e inviata insieme al segnale di programmazione, ma oggi il tono viene generato localmente all'interno del ricevitore. In un ricevitore vecchio stile, il condensatore variabile (sintonizzato su frequenze diverse) era costituito da due dispositivi collegati su un albero comune. In questo modo, man mano che venivano acquisite stazioni diverse, ci sarebbe stata una diversa frequenza dell'oscillatore per ciascuna in modo che un singolo IF potesse essere sintetizzato per l'intera banda di trasmissione.
• Un VFD utilizzato per fornire il controllo della velocità per un motore CA (come quello di un azionamento per ascensori) lo fa fornendo frequenze appropriate nella potenza che alimenta il motore. Queste frequenze sono fornite dalla sezione inverter del VFD.

È possibile avere una buona idea delle condizioni del transistor su base go/no-go utilizzando solo l'ohmmetro.

I principali tipi di oscillatori elettronici sono l'oscillatore lineare e non lineare (rilassamento). Un oscillatore lineare produce un'onda sinusoidale pura. Consiste in un transistor configurato come amplificatore con un anello di retroazione, il che significa che l'uscita è collegata all'ingresso. All'accensione iniziale, qualsiasi piccola quantità di rumore generata dal movimento atomico nel circuito o all'interno del semiconduttore viene amplificata e ricondotta attraverso l'ingresso in modo che l'amplificazione e il filtraggio continui producano il tono desiderato.

I transistor sono volutamente azionati in modalità saturata nei circuiti digitali, al contrario dei circuiti analogici discussi in precedenza. Sono utilizzati in modalità digitale (switch) in applicazioni ad alta potenza, come la commutazione di alimentatori, e in modalità a bassa potenza, come porte logiche. In entrambi i modelli, il transistor è configurato come un interruttore. È simile a un interruttore della luce (non un interruttore dimmer) in quanto può essere acceso o spento, ma non in mezzo. Quando è in modalità cutoff, l'uscita è disattivata, e ciò corrisponde al numero digitale zero e allo stato logico “FALSE”. Quando è in modalità saturata, l'uscita è attiva, e questo corrisponde al numero digitale uno e allo stato logico “TRUE”.

Un alimentatore lineare, come abbiamo visto nell'articolo sui diodi, converte l'alimentazione di rete CA in un'alimentazione CC a bassa tensione utilizzata nelle apparecchiature elettroniche per polarizzare i componenti attivi. Svolge questo compito mettendo in serie un singolo diodo di potenza con una linea in ingresso (raddrizzatore a semionda) oppure impiegando quattro diodi di potenza in configurazione a diamante (raddrizzatore a ponte a onda intera). Entrambe le disposizioni sono semplici e abbastanza affidabili, considerando il fatto che l'alimentatore è il luogo in cui scorre l'intera potenza del sistema. Lo svantaggio è che una notevole quantità di energia viene sprecata quando viene dissipata sotto forma di calore. Questo perché, per gran parte del ciclo AC, il dispositivo non viene né spento (aperto) né acceso (conduce tutta la corrente); è da qualche parte nel mezzo. Ancora una volta, la ruota della legge di Ohm è rilevante. La potenza o la perdita di calore è proporzionale a I2 XR, corrente al quadrato per resistenza. Quando il raddrizzatore è completamente acceso, R = 0 e quando è completamente spento, I = 0. In entrambi i casi, la potenza sprecata, dissipata come calore, è 0.

L'alimentatore switching soddisfa questa condizione, poiché converte l'ingresso sinusoidale in un'onda quadra con tempi di salita e discesa molto rapidi, con conseguente minima perdita di calore. Per questo motivo, i componenti e l'intero dispositivo possono essere ridimensionati, riducendo i costi e i requisiti di spazio. Ci sono alcuni compromessi, tuttavia. Innanzitutto, gli alimentatori a commutazione sono più complicati e più difficili da diagnosticare e riparare. Inoltre, le transizioni ad alta velocità possono generare armoniche dannose e interferenze RF nelle apparecchiature vicine. Inoltre, se ci sono molte di queste unità in una struttura, possono contribuire a un fattore di potenza scarso. Ognuno di questi svantaggi può essere mitigato dall'installazione di schermatura, posizionamento giudizioso e isolamento da altri conduttori e connessione a condensatori di correzione del fattore di potenza.

Nonostante questi svantaggi, c'è stato un importante passaggio dagli alimentatori lineari e verso gli alimentatori a commutazione, ed è probabile che questo continui. In un alimentatore switching la regolazione della tensione si ottiene variando i relativi tempi di accensione e spegnimento. L'azione di commutazione on/off è svolta da uno o più transistori di potenza azionati alternativamente al di sotto del cutoff e al di sopra dei livelli di saturazione.

Un convertitore boost è costituito da un induttore e un diodo in serie tra l'alimentazione e il carico. Il transistor di commutazione è posto in parallelo con l'alimentazione e il carico, dopo l'induttore ma prima del diodo. Quando è spento, è invisibile e quando è acceso, esclude il diodo e il carico, ma non l'induttore. L'induttore reagisce alle variazioni di corrente nel circuito inducendo una controtensione, che viene aggiunta alla tensione di alimentazione in condizioni di interruttore aperto. In alternativa, è possibile utilizzare un condensatore in configurazione serie, creando una tensione di uscita superiore alla tensione di ingresso CC. In entrambi i casi, l'interruttore è un transistor di potenza di valore appropriato.

Le modalità di guasto coinvolgono induttori, condensatori, diodi, transistor, trasformatori o cablaggi aperti o in cortocircuito (incluse le terminazioni). Come sempre, questa apparecchiatura può contenere tensioni immagazzinate pericolose che possono persistere a lungo dopo che la fonte di alimentazione è stata scollegata e bloccata. Non testare o riparare questa apparecchiatura a meno che non si conoscano i pericoli e non si possa scollegarla in sicurezza da tutte le fonti di alimentazione e scaricare la tensione immagazzinata. Un resistore di spurgo eseguirà automaticamente questa operazione, ma non si dovrebbe presumere nulla, perché il dispositivo potrebbe non essere collegato correttamente o potrebbe essere aperto.

Un transistor può essere testato utilizzando il multimetro in modalità ohm, il multimetro in modalità test diodo o transistor, un tester per transistor in-circuit, un tester per transistor di servizio o un tester per transistor standard da laboratorio. Tutti questi impongono una tensione di polarizzazione secondo necessità. Il tester del tipo di servizio misura il guadagno beta (in avanti). Misura anche la corrente di dispersione del collettore di base senza tensione sulla base. Alcuni strumenti identificano i cavi di base, emettitore e collettore. L'analizzatore di transistor standard da laboratorio applica bias e segnale e legge l'uscita.

Un ohmmetro può essere utilizzato per controllare un transistor, perché l'alimentazione del misuratore (destinata a fornire la corrente per misurare la resistenza) è adatta per polarizzare un semiconduttore. Per eseguire il test è necessario conoscere la polarità delle sonde dell'ohmmetro. La maggior parte dei produttori polarizza le sonde in modo che il nero, quando collegato alla presa contrassegnata come comune, sia negativo. Ma questo non è universale, quindi la procedura migliore è controllare la polarità con un buon diodo noto che ha il catodo contrassegnato con una singola banda. Quindi, le sonde possono essere etichettate in modo permanente.

Un transistor può essere pensato come due diodi con i due anodi (che rappresentano NPN) o i due catodi (che rappresentano PNP) collegati. Questo collegamento consente tre punti di prova. La Figura 3 serve come dispositivo di apprendimento per mostrare come collegare un ohmmetro a un transistor a scopo di test, ma non funzionerà mai come un transistor funzionante.

Tornando al transistor da testare, se non si dispone di uno schema dell'intera apparecchiatura, né di un numero di parti o di una scheda tecnica del produttore, spesso non è possibile conoscere l'identità dei tre conduttori e il tipo di transistor. Tuttavia, utilizzando il multimetro in modalità ohm, è possibile polarizzare e misurare la continuità di ciascuna coppia di cavi, raccogliendo così informazioni preziose.

Ogni coppia di cavi può essere polarizzata in avanti o inversa, quindi ci sono sei possibili misurazioni che possono essere prese. Queste misurazioni forniscono le uniche informazioni disponibili dalle letture dell'ohmmetro. Facendo riferimento al modello a diodo, noterai che un buon diodo leggerà aperto su due dei cavi, indipendentemente dal modo in cui è collegato l'ohmmetro. Quindi, questi due cavi sono collettore ed emettitore, ma non sappiamo quale sia quale. Sappiamo, tuttavia, che il vantaggio rimanente è la base.

Se tutte e tre le coppie misurate in entrambe le direzioni leggono ohm bassi, il transistor è in corto. Se tutte e tre le coppie misurate in entrambe le direzioni leggono ohm elevati, il transistor è aperto. Scartalo immediatamente, prima che venga mischiato nel tuo inventario.

Se il transistor supera entrambi questi test, sono necessarie ulteriori indagini. Per rivedere, è stata identificata la coppia collettore-emettitore e il cavo rimanente è collegato alla base. Collegare le sonde in entrambi i modi a ciascuno degli altri cavi. Quando è polarizzata in avanti, la base condurrà a uno dei due cavi. I due collegamenti richiedono una polarizzazione diversa per condurre. Da queste letture, è possibile identificare i cavi non di base se si conosce il tipo di transistor, oppure è possibile accertare il tipo di transistor se si conosce l'identità di almeno uno dei cavi.               

Vediamo che senza alcuna informazione sul transistor, non è possibile determinare tutto, ma con informazioni parziali, il tipo di transistor o l'identità del collettore-emettitore, possiamo riempire le restanti incognite. In ogni caso è possibile avere una buona idea dello stato del transistor su base go/no-go utilizzando solo l'ohmmetro.

Due attributi importanti di qualsiasi transistor bipolare sono α e β. Con la base a massa del segnale, α è la corrente del collettore divisa per la corrente dell'emettitore, che è il guadagno dinamico del transistor. è la corrente del collettore divisa per la corrente di base quando l'emettitore è a massa del segnale. Questi due attributi si applicano a un transistor cablato in due configurazioni. Questa relazione è espressa nelle seguenti formule:

α = /(1 + β)

β = α/(1 - β)

È sempre possibile trovare α e β nelle schede tecniche del produttore e queste quantità sono rilevanti per il lavoro di progettazione e per determinare una sostituzione adeguata quando non è possibile ottenere il transistor originale.

In un circuito, i transistor difettosi (come altri componenti discreti) possono essere sostituiti, ma è necessaria un'attenzione particolare in modo che non vengano danneggiati dal calore del saldatore. Fissare un dissipatore di calore tra il componente da saldare e la fonte di calore. Vanno bene le pinze ad ago a becco liscio, tenute chiuse per mezzo di un elastico.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pagina 115 di questo numero.
Quanti strati semiconduttori ci sono nel transistor semplice?
♦ Cosa fa cambiare la resistenza del silicio cristallino?
♦ Quale ruolo giocano gli elettroni liberi nel processo dei semiconduttori?
♦ Quali sono i due tipi di portatori di carica?
♦ Cosa sono la base, l'emettitore e il collettore?