Continuiamo il nostro studio del BJT usato come interruttore elettronico, ma esaminiamo stavolta il caso in cui si voglia comandare l'utilizzatore (in questo esempio un diodo LED) con un generatore non in grado di fornire una corrente sufficiente.
Consideriamo a titolo di esempio il progetto di un circuito per accendere e spegnere un LED per mezzo dell'uscita di una porta logica NOT TTL. La porta NOT fornisce un livello di tensione alto in uscita (circa 5V) quando in ingresso viene fornito un livello basso (0 V). In tale situazione possiamo in linea di principio pilotare l'accensione e lo spegnimento di un LED col seguente circuito:
Il circuito dovrebbe funzionare in questo modo:
- quando l'interruttore è aperto (come in figura), la tensione in ingresso al NOT è alta (collegamento a +5V attraverso la resistenza Rpu detta resistenza di pull-up: valori tipicamente usati da 1kOhm a 10kOhm) e dunque l'uscita è bassa: il LED è spento;
- quando l'interruttore è chiuso, la tensione in ingresso al NOT è bassa (collegamento a massa) e dunque l'uscita è alta: il LED è acceso.
La resistenza R è la solita resistenza di protezione del LED che, supponendo a titolo di esempio di usare un LED da 2 V e 20 mA, può essere così dimensionata:
Tuttavia il circuito precedente non funziona e il LED non si accende quando l'interruttore di ingresso è chiuso. La ragione sta nella corrente erogata dalla porta NOT in uscita. Infatti, secondo le specifiche fornite dai fogli tecnici, le porte logiche TTL standard sono in grado di fornire in uscita una corrente massima pari a:
IOH = 0,4 mA (corrente di uscita a livello alto)
Tale corrente non è sufficiente ad illuminare il LED, che, come si è detto, richiede una corrente di 20 mA. Questo è il motivo per cui, nonostante in teoria la porta logica fornisca una tensione sufficiente, essa non è in grado da sola di pilotare il LED.
Occorre a questo punto una breve nota esplicativa: il valore di corrente di uscita riportato sopra (0,4 mA) si riferisce alla famiglia logica TTL standard (ormai scarsamente usata) e rappresenta una condizione limite (caso peggiore). Inoltre tale corrente di uscita è la massima corrente con cui vengono ancora conservati valori logici validi in uscita: in realtà le porte logiche riescono a fornire correnti anche maggiori, quando i valori logici in uscita non sono più validi.
E' perciò possibile (e probabile) che nella pratica di laboratorio una porta NOT (magari di una famiglia TTL più recente) sia effettivamente in grado di pilotare l'accensione di un LED, nonostante le precedenti specifiche non lo garantiscano. L'esempio resta tuttavia interessante per capire meglio il funzionamento del BJT come interruttore.
Il circuito corretto per pilotare l'accensione del LED è mostrato in figura:
Bisogna progettare il circuito in modo che il BJT vada in saturazione quando l'uscita della porta logica è a livello alto.
Supponendo in saturazione Vce circa uguale a 0 V, il valore di R (resistenza di protezione del LED) può essere scelto esattamente come nel calcolo precedente:
A questo punto possiamo calcolarci il valore della corrente di base Ib necessaria per mandare in saturazione il BJT con Ic = 20 mA. Supponendo come al solito ß=100 abbiamo:
Ib > Ic/ß = 0,2 mA
Dato che l'uscita del NOT a livello alto è 5 V, la resistenza di base Rb è data da:
In realtà conviene usare un valore un po' più piccolo di Rb (per esempio 18 kOhm) in modo da garantire una corrente sufficiente per la saturazione del BJT.
Osserviamo infine che l'uso del BJT ci permette, volendo, di usare due generatori diversi, con valori differenti di tensione, per alimentare la porta logica (+5V, alimentazione standard del BJT) e per alimentare il BJT (tensione Vcc che può essere scelta anche di valore diverso da +5V).
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