Transistor: cosa sono e come funzionano
I transistor sono i dispositivi che hanno reso possibile l’elettronica moderna. Possono amplificare segnali, funzionare come interruttori elettronici e controllare correnti molto più grandi di quelle fornite direttamente da un circuito di comando. In questa guida introduciamo le due grandi famiglie più comuni — BJT e MOSFET — e vediamo come vengono utilizzate in amplificazione e commutazione.
Che cos’è un transistor?
Un transistor è un dispositivo a semiconduttore usato per controllare corrente o tensione. Con pochi transistor possiamo realizzare interruttori, amplificatori e oscillatori; con miliardi di transistor integrati sullo stesso chip costruiamo microprocessori, memorie e microcontrollori.
Commutazione
Può funzionare come un interruttore elettronico ON/OFF.
Amplificazione
Un piccolo segnale può controllarne uno più grande.
Controllo
Permette a logica e microcontrollori di pilotare carichi esterni.
Le due famiglie principali: BJT e MOSFET
BJT
- terminals: base, collettore, emettitore;
- è pilotato principalmente tramite corrente di base;
- famiglie NPN e PNP;
- molto usato in amplificazione e piccoli switch.
MOSFET
- terminali: gate, drain, source;
- è pilotato principalmente dalla tensione gate-source;
- famiglie N-channel e P-channel;
- fondamentale nell’elettronica di potenza e digitale.
Introduzione al transistor BJT
BJT significa Bipolar Junction Transistor. È formato da tre regioni semiconduttrici che realizzano due giunzioni PN e tre terminali: base (B), collettore (C) ed emettitore (E).
NPN e PNP: qual è la differenza?
Nei transistor NPN la corrente convenzionale principale scorre normalmente dal collettore verso l’emettitore quando il dispositivo viene correttamente pilotato. Nei PNP polarità e direzioni sono sostanzialmente invertite.
| Tipo | Accensione tipica | Uso frequente |
|---|---|---|
| NPN | Base più positiva dell’emettitore | Switch low-side, amplificatori. |
| PNP | Base più negativa dell’emettitore | Switch high-side semplici. |
Le regioni operative del BJT
| Regione | Comportamento | Uso tipico |
|---|---|---|
| Interdizione / cut-off | Corrente di collettore molto piccola. | Interruttore OFF. |
| Attiva | La corrente di collettore è controllata dalla base. | Amplificazione. |
| Saturazione | Il transistor è fortemente pilotato e VCE diventa bassa. | Interruttore ON. |
Guadagno di corrente del BJT
Nella regione attiva si usa spesso la relazione approssimata:
Il valore β non è preciso né costante: varia da esemplare a esemplare, con la corrente e con la temperatura. Per un BJT usato come switch non conviene progettare assumendo che il guadagno tipico del datasheet sia garantito.
Introduzione al MOSFET
Il MOSFET è un transistor a effetto di campo. Nei MOSFET a enhancement, una tensione applicata tra gate e source modifica la conduttività del canale tra drain e source.
N-channel
Molto usato come interruttore low-side. In genere offre ottime prestazioni e bassa RDS(on).
P-channel
Comodo nei semplici switch high-side, anche se a parità di tecnologia può avere resistenza maggiore.
VGS e il mito della “tensione di soglia”
Nel MOSFET il parametro VGS(th) indica la tensione alla quale il dispositivo inizia appena a condurre una piccola corrente di test. Non è la tensione alla quale il MOSFET è già completamente acceso.
Transistor come interruttore elettronico
Uno degli impieghi più comuni è permettere a un segnale logico di controllare un carico. Il transistor viene portato alternativamente nella condizione OFF e nella condizione ON.
Resistenza di base nel BJT
La giunzione base-emettitore si comporta in parte come una giunzione diodo. La resistenza di base serve a limitare la corrente.
RB ≈ (5 − 0,7) / 0,002 = 2,15 kΩ.
Un valore commerciale di 2,2 kΩ è vicino al risultato.
Transistor come amplificatore
In un amplificatore il transistor non viene usato soltanto ON/OFF: viene polarizzato in una regione in cui piccole variazioni del segnale d’ingresso producono variazioni più grandi della corrente o della tensione d’uscita.
BJT
La configurazione a emettitore comune è una delle più importanti.
MOSFET
La configurazione common-source è l’analogo concettuale più noto.
Polarizzazione
Serve fissare un punto di lavoro prima di applicare il segnale AC.
Switch low-side e high-side
| Configurazione | Posizione transistor | Dispositivi comuni |
|---|---|---|
| Low-side | Tra carico e GND | NPN, N-MOSFET. |
| High-side | Tra alimentazione e carico | PNP, P-MOSFET o driver high-side. |
Pilotare LED, relè e motori
Il transistor permette di comandare correnti superiori a quelle desiderabili sul GPIO.
Serve normalmente un diodo flyback in parallelo alla bobina.
MOSFET e ponti H permettono PWM e inversione del senso di rotazione.
Riscaldatori e lampade possono essere controllati con dispositivi adeguatamente dimensionati.
Transistor con Arduino ed ESP32
Un microcontrollore può comandare il transistor con un’uscita digitale o PWM, ma il GPIO non deve essere considerato una sorgente di potenza.
| Microcontrollore | Approccio tipico |
|---|---|
| Arduino 5 V | BJT con resistenza di base o MOSFET adatto al pilotaggio a 5 V. |
| ESP32 3,3 V | Preferibile MOSFET con RDS(on) realmente specificata a bassa VGS. |
Dissipazione di potenza e temperatura
BJT usato come switch
MOSFET in conduzione
Parametri fondamentali nel datasheet
| BJT | MOSFET |
|---|---|
| VCEO: tensione collettore-emettitore | VDS max: tensione drain-source |
| IC max: corrente di collettore | ID max: corrente drain |
| hFE / β: guadagno di corrente | RDS(on): resistenza in conduzione |
| VCE(sat): caduta in saturazione | VGS(th): soglia iniziale, non full-ON |
| VBE | Qg: carica totale del gate |
| PD, Tj, resistenze termiche | PD, Tj, SOA, resistenze termiche |
Come controllare un BJT con il multimetro
Con la funzione test diodo si possono verificare le due giunzioni PN di un BJT. Per un NPN, mettendo il puntale positivo sulla base, dovremmo rilevare una caduta simile a quella di un diodo verso emettitore e verso collettore; invertendo i puntali normalmente la lettura dovrebbe risultare aperta.
Per un MOSFET il test è diverso e richiede attenzione perché il gate è sensibile alle cariche elettrostatiche.
Errori comuni con i transistor
- confondere la piedinatura: package uguali possono avere pinout differenti;
- collegare un BJT alla GPIO senza resistenza di base;
- dimensionare un BJT come switch usando soltanto l’hFE tipico;
- considerare VGS(th) come tensione di piena accensione del MOSFET;
- pilotare un MOSFET non logic-level direttamente a 3,3 V;
- dimenticare la protezione flyback sui carichi induttivi;
- ignorare dissipazione e temperatura;
- superare corrente o tensione del GPIO;
- supporre che un transistor ON sia un corto ideale;
- non verificare il datasheet del componente effettivamente acquistato.