Naturalmente usare un BJT come se fosse un semplice diodo non è molto utile. Le cose diventano più interessanti se, oltre ad applicare una tensione > 0,6 V fra base ed emettitore, aggiungiamo anche una tensione di polarizzazione fra collettore ed emettitore, come in figura:
Osserviamo che il circuito di base è lo stesso studiato nel paragrafo precedente e serve per fornire al transistor una tensione di polarizzazione diretta sulla giunzione base-emettitore. Il generatore Vcc serve per polarizzare invece l'altra giunzione del BJT.
Si dice che il BJT è polarizzato in zona attiva (o in zona lineare o forward active region) quando si verificano due condizioni:
- la giunzione fra base ed emettitore è polarizzata direttamente con una tensione di circa 0,6-0,7 V;
- la tensione fra collettore ed emettitore è maggiore di circa 0,3 V.
Nel nostro caso il valore 5 V di Vcc va più che bene, dal momento che basta che si abbia Vce > 0,3 V circa.
ATTENZIONE: come vedremo meglio nel prossimo paragrafo, se la tensione fra collettore ed emettitore scende al di sotto di circa 0,3-0,4 V, il BJT non lavora più in zona attiva, ma passa in zona di saturazione.
Osserviamo nella figura precedente i valori delle tre correnti di base, collettore ed emettitore (misurate dai tre amperometri). In zona attiva abbiamo in generale che:
- la corrente in base Ib è molto minore delle altre due
correnti;
- la corrente di collettore Ic è direttamente proporzionale
alla corrente di base secondo la formula:
Ic = ß Ib
dove ß è un parametro fondamentale del BJT detto guadagno di corrente in continua (DC current gain o semplicemente "beta" - spesso indicato anche come hfe sui manuali tecnici);
- la corrente di emettore Ie è uguale alla somma delle altre
due correnti (in base alla legge di Kirchhoff alle correnti):
Ie = Ib + Ic
Nel circuito in figura, possiamo determinare il valore di ß dalla formula inversa
ß = Ic/Ib = 20.7mA/0.21mA = 98.6
Osserviamo che ß è un numero puro (senza unità di misura), essendo il rapporto di due correnti. Il suo valore cambia da un BJT all'altro, ma tipicamente può variare da 50 a 200. Come suggerisce il nome per esteso (guadagno di corrente), ß fornisce una misura di quanto la corrente di collettore è più grande della corrente di base.
Il BJT in zona attiva si comporta in sostanza come un amplificatore di corrente. Se la corrente di base aumenta, anche la corrente di collettore aumenta proporzionalmente.
Facendo una semplice analogia idraulica, il BJT si comporta come un "tubo di corrente" (il percorso fra collettore ed emettitore) con una valvola di regolazione, controllata dalla corrente di base:
L'analogia è solo approssimativa, in quanto nel BJT le correnti di collettore e di emettitore non sono uguali, essendo:
Ie = Ib + Ic
Tuttavia dal momento che Ib è molto più piccola delle altre correnti (in zona attiva), possiamo in generale trascurarla e scrivere dunque:
Ie ~ Ic
Il parametro ß (o hfe come viene spesso indicato) è estremamente variabile. Si osservi la seguente tabella di valori tratta dal foglio tecnico di un BJT 2N222" della Fairchild:
Si osservi che per hfe viene specificato un valore minimo e un valore massimo. Il valore massimo viene indicato solo per la condizione di test: Ic = 150 mA e Vce = 10 V. Nelle altre situazioni non viene fornito.
La variabilità dei valori è veramente ampia: i valori minimi vanno da 35 a 100 (a seconda delle diverse condizioni di uso): come si può notare il ß dipende (e spesso in misura notevole) dai valori di tensione e soprattutto di corrente nel BJT. Dunque non è affatto costante! In pratica se cambia il valore di Ic (e dunque, ovviamente, anche quello di Ib) il valore di ß può cambiare anche di un fattore tre (si osservi che in linea di massima il valore di ß cresce al crescere della corrente Ic).
Inoltre il ß varia anche (e in misura notevole) fra BJT diversi dello stesso modello: potrebbe per esempio accadere che due BJT identici, stessa marca e stesso modello, nelle medesime condizioni di uso, presentino valori di ß diversi anche di un ordine di grandezza (es. 30 e 300).
Infine il valore di ß è influenzato anche dalla temperatura di funzionamento del BJT.
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