Transistor BJT: laboratorio virtuale

Il momento che nessun libro riesce a mostrare

La retta di carico è un grafico su carta: le coordinate, la retta inclinata, il punto Q. Per uno studente di terza ITIS rimane spesso un esercizio algebrico: si calcola VB, si trova IC, si piazza Q e poi si gira pagina. Il problema è che la relazione tra polarizzazione e comportamento dinamico non emerge da un punto su un piano cartesiano.

Con questo simulatore il punto Q si muove. Modifichi R1 o R2 con lo slider e vedi Q scorrere lungo la retta di carico in tempo reale, mentre i KPI IC e VCE si aggiornano e il badge di regione cambia tra ACTIVE, SATURATION e CUTOFF. Poi passi all'oscilloscopio: con Q centrato la forma d'onda è pulita; spingi il segnale d'ingresso e la vedi clipparsi prima su un lato poi sull'altro, a seconda di dove Q si trova sulla retta.

Questo è il momento che nessun libro riesce a mostrare staticamente. E si vede in 30 secondi alla LIM, senza installare nulla.

Perché usarlo in aula

• Tre regioni in un gesto. La tab SWITCH guida il transistore da Cutoff ad Active a Saturation spostando un solo slider (Vin sulla base). Il LED del circuito si accende progressivamente, il badge cambia. Il comportamento dell'interruttore elettronico diventa un'osservazione diretta, non una lista di condizioni sul libro.
• Retta di carico interattiva. Nella tab AMPLIFIER, i preset Near Cutoff / Centered Q / Near Sat posizionano Q in tre punti diversi della retta. Lo studente vede come la scelta del partitore di base determina il margine di escursione del segnale di uscita prima del clipping.
• Bypass CE come confronto immediato. Il toggle Emitter Bypass mostra in un click la differenza tra Av = −RC/re (alto, dipende dalla temperatura) e Av = −RC/(re+RE) (più basso, stabile). La degenerazione di emettitore diventa una scelta consapevole, non una formula da memorizzare.
• Clipping visibile sullo scope. Alzare Vin oltre il massimo non distorto mostra la distorsione d'ampiezza sull'oscilloscopio. Gli studenti capiscono perché il punto Q deve stare al centro della zona attiva.
• Nessuna installazione. Funziona nel browser, ottimizzato per LIM 1280×720. Niente account, niente plugin.

A chi è rivolto

ITIS Elettronica ed Elettrotecnica (3° anno): il pubblico primario. Il transistore BJT è il cuore del programma di Elettronica del secondo biennio. Il simulatore accompagna le due sottounità didattiche standard: prima il transistore come interruttore (SWITCH), poi come amplificatore con polarizzazione, retta di carico e analisi di piccolo segnale (AMPLIFIER). Il KPI Gain aggiornato in tempo reale collega la formula Av = −RC/re al comportamento reale dell'amplificatore senza sostituire il calcolo su carta.

IP MAT 3° anno (TEEA): il simulatore serve per i circuiti di pilotaggio. Il badge Region permette di riconoscere in un colpo d'occhio se un transistore conduce correttamente il carico o è bloccato in interdizione. Utile per scenari di diagnosi: identificare il guasto in un driver LED o relè senza prerequisiti teorici profondi.

Liceo Scientifico (5° anno, approfondimento): il transistore BJT non è nel programma ministeriale standard, ma si collega allo studio della giunzione p-n. La tab SWITCH mostra la non-linearità del dispositivo in modo diretto.

Promemoria veloce delle formule

SWITCH — transistore come interruttore:

$$I_B=\frac{V_{in}-V_{BE}}{R_B}(V_{BE}\approx 0,7\text{V per Si})$$

$$I_{C,sat}=\frac{V_{CC}-V_{CE,sat}}{R_C}(V_{CE,sat}\approx 0,2\text{V})$$

Condizione di saturazione: $\beta \cdot I_B\ge I_{C,sat}$

AMPLIFIER — polarizzazione con partitore di base:

$$V_B=V_{CC}\cdot \frac{R_2}{R_1+R_2}{V}_E\approx V_B-0,7\text{V}$$

$$I_C\approx \frac{V_E}{R_E}{V}_{CE}=V_{CC}-I_C(R_C+R_E)$$

Guadagno di piccolo segnale (stadio CE):

$$A_v=-\frac{R_C}{r_e}\text{(bypass CE attivo)}{A}_v=-\frac{R_C}{r_e+R_E}\text{(bypass CE disattivo)}$$

$$r_e=\frac{V_T}{I_C}\approx \frac{26\text{mV}}{I_C}$$

Per spiegazioni didattiche complete, esempi reali, UDA pronte e domande guida per la classe vedi la guida didattica completa per il docente.

Domande frequenti

Cosa significa "inversione di fase 180°" e come la vedo nel simulatore? In un amplificatore a emettitore comune, quando la tensione di ingresso sale, la tensione di collettore scende, perché IC aumenta e la caduta su RC cresce. Nell'oscilloscopio della tab AMPLIFIER il segnale di uscita appare rovesciato rispetto a quello di ingresso: quando l'ingresso è al picco positivo, l'uscita è al picco negativo. È una conseguenza diretta della formula Av = −RC/re: il segno meno indica l'inversione.

Cos'è il clipping e quando si vede? Il clipping è la distorsione che si produce quando il segnale di uscita tenta di uscire dalla zona attiva: se il transistore raggiunge la saturazione, VCE non scende sotto circa 0,2 V e la forma d'onda si taglia sulla parte bassa; se raggiunge l'interdizione, IC tende a zero e la forma d'onda si taglia sulla parte alta. Nel simulatore si vede alzando lo slider Vin nella tab AMPLIFIER fino al valore massimo non distorto. Con Q centrato il segnale clippa simmetricamente su entrambi i lati; con Q vicino alla saturazione clippa prima su quello.

Qual è la differenza tra Bypass ON e Bypass OFF? Il resistore RE all'emettitore serve a stabilizzare il punto Q al variare della temperatura e della dispersione di β. In regime AC però introduce una reazione negativa che abbassa il guadagno. Il condensatore CE (emitter bypass) cortocircuita RE per il segnale alternato: con Bypass ON il guadagno è alto (Av = −RC/re) ma dipende da IC e può derivare con la temperatura. Con Bypass OFF RE rimane nel percorso AC, il guadagno scende (Av = −RC/(re+RE)) ma il punto Q è stabile. Il toggle nel simulatore mostra il KPI Gain cambiare istantaneamente.

A quale anno si usa in classe? Principalmente nel 3° anno ITIS Elettronica ed Elettrotecnica, durante le unità didattiche sui dispositivi attivi. Può essere usato anche nel 3° anno IP MAT per il modulo sui circuiti di pilotaggio. Al Liceo Scientifico è un approfondimento opzionale del 5° anno.

È gratuito? Serve registrarsi? Sì, è gratuito al 100% e senza registrazione. Funziona nel browser di qualsiasi dispositivo scolastico.

Funziona sulla LIM? Sì. L'interfaccia è ottimizzata per 1280×720 (risoluzione LIM standard): font grandi, slider grandi, KPI leggibili dall'ultimo banco a 6 metri.