Archaeopteryx ha scritto:
> ...
> Il nodo è un altro: mi appare (nel senso che appare alla mia mente
> che ancora non capisce) una specie di sbilancio energetico, ovvero un
> flusso di corrente cui presumo sia associato un lavoro, che controlla
> un altro flusso capace di compiere un lavoro maggiore (correggetemi
> pure "lavoro di un flusso di corrente", so che sto sbagliando
> terminologia) e sempre mi appare che questo effetto necessiti di
> un'energia che da qualche parte manca.
Solo ora ho un po' di tempo per risponderti.
A me il tuo problema mi è subito apparso chiarissimo, ed è ovvio che
non ha niente a che vedere con la fisica del transistor.
Tant'è vero che tu stesso hai fatto anche l'esempio del triodo, dove
vedi lo stsso problema.
> E' chiaro che la soluzione sta sotto i miei occhi ed è contenuta nei
> testi, ma non so vedere i nessi in modo esplicito. In altre parole
> ancora: da dove si prende l'energia per "fermare" (caso limite ideale,
> chiaramente) un flusso di corrente dato che questa energia dovrebbe
> essere uguale a quella associata al flusso di corrente da "fermare"?
Non credo che nei testi ci sia la soluzione, perché il problema è
tutto tuo :-) anche se ora che l'hai enunciato mi è apparso chiaro che
forse non sei l'unico ad averlo avuto.
Ma sono quelle cose che di solito non si confessano, anche perché non
si sa come esplicitarle.
Non ci avevo mai pensato (forse ... che cosa pensassi quando ho letto
per la prima volta qualcosa su triodi ecc. non me lo ricordo; avevo 13
anni, questo me lo ricordo bene).
E debbo dire che forse mi hai portato ad apprezzare di più il genio di
De Forest.
Sto insistendo sul triodo perché la sua fisica è di gran lunga più
semplice di quella del BJT, e il "problema" c'è anche lì: come si fa,
*senza spendere energia*, a controllare un flusso di corrente anche
molto intensa?
Nota bene: ho sottolineato "senza spendere energia" perché questo nel
triodo è vero, nel BJT no, in quanto c'è una corrente di base non
nulla, anche se più piccola di quella di collettore.
Invece nel triodo la corrente di griglia è praticamente nulla, se la
d.d.p. della griglia rispetto al catodo è anche poco negativa.
In pratica avrai una corrente nel circuito di griglia, ma per una
ragione diversa: non puoi lasciare la griglia "flottante", quindi la
devi riportare a un potenziale fisso (di solito a massa) con una
resistenza (alta).
Inoltre se applichi alla griglia un segnale alternato, avrai anche la
corrente dovuta alle capacità grigia-catodo e soprattutto
griglia-anodo (e sorvoliamo sugli efetti di queste capacità, spec. ad
alte frequenze...).
Resta comunque vero che nella comune applicazione del triodo come
amplificatore (circa) lineare la potenza dissipata nel circuito di
griglia è molto minore di quella nel circuito anodico. Anche se quello
che conta è il guadagno di tensione.
Faccio un excursus sulla fisica del triodo, che è in gran parte
elettrostatica, a parte un po' di mecc. statistica in relazione
all'emissione di elettroni dal catodo.
Cominciamo da quest'ultima.
A parte un fatto importante che cito fra poco, l'emissione
"termoionica" è in sostanza un'evaporazione: puoi vederla come
equilibrio della "sostanza" elettroni tra la fase "metallo" e la fase
"vuoto".
Se avessimo un metallo caldo in un ambiente vuoto racchiuso da pareti
refrattarie agli elettroni, vedremmo un equilibrio tra le due fasi, con
la concentrazione degli elettroni nella fase vuoto stabilita da una
legge simile a quella dell'evaporazione di un liquido.
L'equilibrio è dinamico: c'è una certa emissione di elettroni per
unità di tempo, esprimibile come una corrente metallo --> vuoto, e c'è
una controcorrente, dovuta semplicemente al moto casuale degli
elettroni nel vuoto, che porta a un riassorbimento di questi sul
catodo.
In condizioni di equilbrio le due correnti sono uguali.
Se nell'ambiente ci fosse una "pompa" che porta via gli elettroni (in
pratica un altro conduttore, a potenziale positivo suff. alto rispetto
all'emettitore) avresti un equilibrio diverso, con una corrente di
elettroni dal catodo all'anodo, in cui tanti elettroni vengono emessi
dal catodo quanti ne vengono assorbiti dall'anodo.
Questo è il regime di /saturazione/.
Nei modo solito di usare i tubi siamo lontani dal regime di
saturazione: la corrente è limitata in altro modo. Come?
Qui gioca il fatto importante: gli elettroni sono carichi, quindi il
gas che occupa la regione vuota (la "carica spaziale") genera un campo
elettrico che ostacola il moto dal catodo all'anodo.
Più esattamente: in assenza di anodo, e trascurando gli urti fra gli
elettroni, ciascun elettrone emesso con un certa velocità viene
rallentato dal campo della carica spaziale, raggiunge una certa
distanza, poi ricade sul catodo.
L'anodo positivo "aiuta" gli elettroni ad allontanarsi dal catodo, al
punto che una parte raggiungono l'anodo.
Questo è espresso dalla /caratteristica/ del diodo, che mostra I come
funzione crescente di V, più o meno come una potenza 3/2.
Ora tocca all'elettrostatica, per l'azione della griglia nel triodo.
Nei triodi reali, forse da 90 anni, la geometria è cilindrica.
Al centro c'è il catodo *a riscaldamento indiretto*, ossia tenuto
caldo da un "filamento" interno, isolato elettricamente dal catodo.
La "placca" (anodo) è un cilindro metallico coassiale al catodo.
La "griglia" non è affatto una griglia, ma un'*elica* di filo
metallico, sostenuto da due sostegni metallici paralleli all'asse dei
cilindri, e collegati al terminale esterno di griglia.
La funzione della griglia è di modificare l'andamento del potenziale
nello spazio tra catodo e griglia.
Come ho detto sopra, basta un piccolo potenziale di griglia negativo
perché nessun elettrone arrivi a quell'elettrodo.
(Bisogna ricordare che l'en. cinetica di un elettrone emesso da un
catodo a temper. T ha una distrib. esponenziale exp(-e*Ecin/(kT)).
Se T = 1200 K, kT/e = 0.1 volt. Quindi se Vg = -1 volt, solo una
frazione e^(-10) = 4.5*10^(-5) degli elettroni può raggiungere la
griglia.
In realtà molto meno, perché i fili di griglia sono sottili e gran
parte degli elettroni attraversano il vuoto tra due spire.)
Se il pot. di griglia è suff. negativo, in tutti i punti della sup.
cilindrica dove stanno i fili di griglia il pot. è negativo e
impedisce del tutto agli elettroni di arrivare all'anodo.
Questa si chiama /interdizione/ (cut-off).
Per pot. di griglia più vicino a zero (anche se sempre negativo) tra
una spira e l'altra dell'elica ci sono punti a pot. nullo o positivo,
e allora alcuni elettroni riescono a passare, arrivando all'anodo.
In questo consiste il /controllo/ che il pot. di griglia ha sulla
corrente anodica.
Quest'azione di controllo *non richiede nessun lavoro*, se non quello
minimo che ho detto: l'energia dissipata nella res. di griglia e quella
per caricare le capacità interelettrodiche.
Nota che la prima è continua, variabile col pot. di griglia, ma senza
relazione diretta con la corrente anodica.
La seconda non è nepure energia dissipata, perché le capacità si
caricano e si scaricano a seconda di come varia il pot. di griglia.
In condizioni statiche quest'energia resta costante; in condizioni
variabili (segnale alternato) sei nella condizione di un condensatore
connesso a una f.e.m. alternata. Potenza reattiva o "swattata", nel
gergo elettrotecnico.
Ancora una cosa.
Penso tu sappia che nelle condizioni usuali di un'amplificatore, anche
di potenza, il triodo dissipa energia anche in assenza di segnale (a
meno che non sia un amplif. in classe C).
Se V è la tensione anodica, I la corrente, l'alimentatore deve erogare
la potenza V*I.
Questa viene in parte dissipata nel carico anodico, in parte nel tubo
stesso: gli elettroni che superano la griglia vengono accelerati dal
potenziale anodico, e alla fine della corsa cedono la propria en.
cinetica all'anodo, che si scalda.
Hai mai visto una valvola con la placca arroventata? Io sì...
Quando applichi un segnale alla griglia, le cose cambiano.
Anche se in condizioni lineari la corrente media di placca - e quindi
la potenza erogata dall'alimentatore - resta la stessa, la dissipazione
sul carico aumenta, quella interna al tubo diminuisce.
Se il carico è per es. un altoparlante (magari tramite opportuno
trasf. d'uscita) l'energia viene almeno in parte convertita in
qualcosa di utile: il suono emesso da questo.
Per finire, una cosa che forse non dovrei dire.
Sto provando a fare il calcolo (con una geometria semplice) del
potenziale in un triodo.
Con l'obiettivo di produrre qualche grafico corretto.
Magari ci sono già, ma io mi fido di più di quello che so come è fatto
:-)
Se ti sono stato utile, e se vuoi capire anche il BJT, possiamo
provare. Per inciso, sai di certo che JFET e MOSFET hanno una fisica
del tutto diversa, più vicina a quella del triodo.
Se non altro perché non c'è corrente di gate.
--
Elio Fabri
Received on Sat Oct 21 2017 - 15:23:39 CEST