Consideriamo quindi il seguente circuito:
L1 è una lampadina e V1 è un generatore di onda quadra con le caratteristiche che vedremo fra breve.
Il generatore V1 e la resistenza R1 devono essere dimensionati in modo tale che il BJT saturi quando l'onda quadra è a livello alto. Supponiamo per esempio di avere Vcc=12V, L1 con resistenza equivalente di 24 Ohm e ß = 100.
Supponiamo che l'onda quadra di ingresso abbia livelli 0V e 5V. Per fare in modo che il BJT saturi quando Vin = 5V, basta imporre la condizione di saturazione Vce ≈ 0 da cui
VL1 = 12 V e IC = 12/24 = 0,5 A
La corrispondente corrente limite di base sarà
IB = IC/ß = 0,5/100 = 5 mA
Per far saturare sicuramente il BJT è sufficiente imporre una corrente IB con valore superiore al precedente (conviene mantenere un margine di sicurezza e usare una corrente un po' maggiore del valore così calcolato).
Siccome Vin = 5V (quando l'onda quadra è a livello alto), scegliendo per esempio RB = 500Ω abbiamo:
IB = (Vin - 0,6)/RB = 4,4/500 = 8,8 mA
valore più che sufficiente a far saturare il BJT.
In una delle precedenti lezioni abbiamo visto come sia possibile regolare con continuità la luminosità di una lampadina usando un BJT. Questo tipo di regolazione, detto lineare, è piuttosto semplice ma anche molto inefficiente dal punto di vista energetico. Infatti durante la regolazione il BJT lavora praticamente sempre in zona attiva e dunque consuma potenza.
Abbiamo infatti visto che il BJT in zona lineare dissipa una potenza circa uguale a
Pdiss ≈ Vce x Ic
mentre in zona di interdizione e in zona di saturazione la potenza dissipata è praticamente nulla.
Fornendo in ingresso al circuito precedente un'onda quadra con le caratteristiche dette, il BJT lavora:
- in zona di interdizione quando Vin = 0 V (livello basso dell'onda quadra);
- in zona lineare quando Vin = 5 V (livello alto dell'onda).
Supponiamo ora di far variare il duty cycle dell'onda di ingresso. Il duty cycle è la percentuale del livello alto rispetto al periodo totale dell'onda (duty cycle=50% indica un'onda simmetrica, con i livelli alti e basso che durano un tempo uguale):
Quando l'onda di ingresso ha duty cycle = 0%, il BJT è sempre in interdizione e la lampadina rimane ovviamente spenta. All'opposto, con duty cycle = 100% il BJT lavora sempre in saturazione e la lampadina è sempre accesa.
Nelle situazioni intermedie (es. duty cycle = 25%, 50%, 75%), il BJT passa continuamente da interdizione a saturazione, in corrispondenza dei due livelli dell'onda quadra di ingresso. Se la frequenza dell'onda è sufficientemente elevata (bastano un centinaio di Hertz), la lampadina non riesce a spegnersi e a riaccendersi seguendo le fluttuazioni della corrente, ma rimane accesa con un livello di luminosità intermedio che corrisponde all'incirca alla percentuale del duty cycle.
Questo tipo di regolazione si chiama modulazione ad ampiezza di impulsi (o PWM=Pulse Width Modulation). Rispetto alla regolazione lineare dell'intensità di corrente, presenta il vantaggio di una bassissima dissipazione di potenza sul BJT, il quale lavora sempre on-off, cioè in zona di interdizione o di saturazione.
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