2. Les transistors bipolaires - phtelec
La théorie sur l'électronique - les composants de base - Le transistor. 1.
Définition. 2. ... Détermination du fonctionnement d'un transistor bipolaire. 2.5.1.
part of the document
38785497" 2.4.4. Caractéristiques en sortie PAGEREF _Toc238785497 \h 7
HYPERLINK \l "_Toc238785498" 2.4.5. Influence de la température PAGEREF _Toc238785498 \h 7
HYPERLINK \l "_Toc238785499" 2.5. Détermination du fonctionnement dun transistor bipolaire PAGEREF _Toc238785499 \h 8
HYPERLINK \l "_Toc238785500" 2.5.1. Circuit de base PAGEREF _Toc238785500 \h 8
HYPERLINK \l "_Toc238785501" 2.5.2. Circuit du collecteur PAGEREF _Toc238785501 \h 8
HYPERLINK \l "_Toc238785502" 2.5.3. Puissance consommée PAGEREF _Toc238785502 \h 8
HYPERLINK \l "_Toc238785503" 2.6. Résumer des formules PAGEREF _Toc238785503 \h 9
HYPERLINK \l "_Toc238785504" 2.7. Les modes de câblage dun transistor PAGEREF _Toc238785504 \h 9
HYPERLINK \l "_Toc238785505" 3. Les transistors unipolaires PAGEREF _Toc238785505 \h 14
HYPERLINK \l "_Toc238785506" 3.1. Le transistor à effet de champ PAGEREF _Toc238785506 \h 14
HYPERLINK \l "_Toc238785507" 3.1.1. Constitution PAGEREF _Toc238785507 \h 14
HYPERLINK \l "_Toc238785508" 3.1.2. Principe de fonctionnement PAGEREF _Toc238785508 \h 15
HYPERLINK \l "_Toc238785509" 4. Comparaison des deux types de transistors PAGEREF _Toc238785509 \h 16
HYPERLINK \l "_Toc238785510" 5. Page technique PAGEREF _Toc238785510 \h 17
HYPERLINK \l "_Toc238785511" 5.1. Transistors bipolaires PAGEREF _Toc238785511 \h 17
HYPERLINK \l "_Toc238785512" 5.2. Transistors à effet de champ PAGEREF _Toc238785512 \h 17
HYPERLINK \l "_Toc238785513" 6. Montage dutilisation PAGEREF _Toc238785513 \h 18
Définition
Les transistors appartiennent à deux grandes familles ayant chacune leurs avantages et leur inconvénients.
Il sagit de la famille des transistors de type bipolaire, qui sont les plus anciens et encore les plus répandus, et la famille des transistors de type unipolaire ou à effet de champ.
Les transistors bipolaires
Constitution
Le transistor est un élément électronique constitué à partir dun cristal de silicium de façon à créer trois zones de conductibilité. On peut trouver des transistors ayant deux zones P et une zone N (PNP) ou des transistors ayant deux zones N et une zone P(NPN).
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Je peux donc déduire en regard au illustration ci-dessus que le transistor est constitué de deux jonctions PN ayant des sens passants opposés. La zone centrale appelée « base », est comprise entre les deux jonctions. La zone « base » est mince et moins dopée que les deux autres. Les deux autres porteront le nom de « collecteur » et « démetteur ». La zone émetteur sera la plus dopée en regard à la zone collecteur.
Noter que nous avons des conductibilités asymétriques, ce qui interdit linterchangeabilité des électrodes.
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement va nous permettre de découvrir ce que lon appelle la commutation ou encore le passage de létat bloqué à létat passant.
Afin de permettre la conduction dun transistor, plusieurs conditions devront être vérifiées. On appelle fonctionnement normal dun transistor bipolaire celui pour lequel
La jonction EB (émetteur base) est polarisée en sens direct.
La jonction CB (collecteur base) est polarisé en sens inverse.
Nous analyserons le fonctionnement pour un transistor NPN polarisé comme lillustre le schéma suivant.
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Noter que lon a représenté sur le dessin ci-dessus deux diodes qui pourraient symboliser le transistor celles-ci ayant un fonctionnement connu.
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Lorsque la base est mise sous tension, la jonction EB est polarisée en direct et la barrière de potentiel est abaissée (voir la diode en sens passant). La traversée de cette jonction par les porteurs majoritaires (les électrons) est favorisée. Les électrons majoritaires de E (émetteur) diffusent à travers la jonction EB polarisée en sens direct. La borne négative de la source de tension peut, dès ce moment, injecter des électrons dans lémetteur. Ceux-ci peuvent facilement traverser la barrière de potentiel de la jonction EB et arriver dans la zone de base. Je peux donc dire que bon nombre délectrons traverseront la jonction EB et se retrouveront dans la zone P (base) ou ils devraient se combiner avec les trous de cette zone. En réalité il nen est rien, grâce à lénergie et à la vitesse acquise par les électrons, jumelé à la faible épaisseur de cette zone P la plupart des électrons vont se retrouver au droit de la jonction BC. Dans leur trajet en zone B, nous pouvons encore dire que quelques électrons vont se recombiner avec les trous majoritaires de cette zone et donner ainsi le courant de base. Je peux donc conclure quune partie minime des électrons de lémetteur seront attirés par la polarisation positive de la base du transistor.
La jonction CB est polarisée en inverse et est donc le siège dun champ ED intense dirigé de C vers B. Les électrons qui vont donc venir à proximité de la zone de transition BC vont donc être repoussés dans la zone B. Partant sur le principe que durant leur traversé dans les zones E et B, certains électrons parviennent à emmagasiner suffisamment dénergie que pour franchir cette barrière électrostatique, ils vont alors se retrouver dans la zone de transition, et modifier de par leur capture par lun ou lautre ion positif la valeur de la différence de potentiel de cette jonction avant de se retrouver dans la zone C. Comme le champ électrostatique est lié à cette différence de potentiel, je peux déduire que le champ aussi va diminuer. Si ce dernier diminue, je peux supposer quun électron ayant un petit peu moins dénergie va à ce moment parvenir lui aussi à pénétrer dans la zone de transition et à son tour affaiblir cette dernière. On peut donc raisonnablement dire que de proche en proche, nous allons avoir ce que lon appelle un effet davalanche qui aura pour effet deffondrer la barrière de potentiel de la jonction BC et de rendre celle-ci passante. Les électrons en arrivant dans la zone C seront captés par la borne positive de la source de tension.
Dès ce moment, le courant va circuler librement dans le semi conducteur du collecteur vers lémetteur On peut donc considérer que ce sont les électrons provenant de UB qui lors de leur passage dans lémetteur, entraînent les électrons libres de ce dernier et les amènent jusquau collecteur. Lémetteur fait alors appel à la borne négative de UC pour compenser ces électrons qui constituent, en réalité, le courant de collecteur.
Illustrons le déplacement des électrons et du courant.
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Je peux écrire que IE=IB + IC.
Leffet transistor
Du fonctionnement ci-dessus je peux tirer que le courant sera plus faible au niveau de la base quau niveau du collecteur. Nous appelons ce phénomène « leffet transistor ». Nous savons que la recombinaison des électrons dans la base est limage du courant de base et que ce dernier est fonction des caractéristiques propres du transistor. Je peux donc dire que ce courant est constant dans une situation donnée. Dès lors je peux dire que le rapport IB/IE est aussi une constante et également de rapport IB/IC.
Nous appellerons le rapport inverse IC/IB le gain en courant ou lamplification statique. EMBED Equation.3 .
Cette relation nous dit quen injectant un courant IB très faible dans la base, on peut « commander » un courant de collecteur IC beaucoup plus intense.
Les caractéristiques statiques
Soit les grandeurs caractéristiques suivantes :
Le courant de base IB
Le courant de collecteur IC
La tension base-émetteur VBE
La tension collecteur-émetteur VCE
EMBED AutoCAD.Drawing.14
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Caractéristique de transfert en courant
Il sagit de la courbe IC= f (IB). Cette courbe est bien entendu une droite puisque nous avons démontré la proportionnalité entre IB et IC. Pour trouver ces courbe, nous maintiendrons la tension VCE constante. Pour chaque valeur de VCE nous aurons une droite. Langle formé par ces droites en regard à laxe des abscisses donnera la valeur de h21 qui représente le gain en courant.
Caractéristique de transfert en tension
Il sagit de la courbe VBE= f (VCE). Ces courbes ont bien entendu des allures proches des courbes de caractéristique de sortie. Pour trouver ces courbes, nous maintiendrons le courant IB constant. Pour chaque valeur de IB nous aurons une courbe. Langle formé par ces droites en regard à laxe des abscisses donnera la valeur de h12 qui représente lamplification en tension.
Caractéristiques en entrée
La tension VCE est essentiellement supportée en inverse par la jonction CB et aura peu dinfluence sur les caractéristiques dentrée.
La tension VBE est appliquée sur la jonction EB ; or le courant IB est sensiblement proportionnel au courant IE qui traverse cette jonction. EMBED Equation.3 .
Je peux donc déduire que la caractéristique VBE = f (IB) est donc, à la constante EMBED Equation.3 près, la même que celle de la jonction EB, cest à dire VBE = f (IE). Elle a lallure suivante et est souvent voisine de 0,7V.
Langle formé par ces courbe en regard à laxe des abscisses donnera la valeur de h11 qui représente limpédance dentrée.
Caractéristiques en sortie
A chaque courant IB correspond une caractéristique VCE = f (IC).
En pratique de par le fait que le gain nest pas rigoureusement constant dun composant à lautre nous avons les courbe suivantes en lieu et place de droites horizontales.
Langle formé par ces courbes en regard à laxe des abscisses donnera la valeur de h22 qui représente ladmittance de sortie.
Influence de la température
Si la température ambiante TA varie, il en est de même pour la température Tj du cristal. Cette élévation de température se répercutant au droit des jonctions, nous pouvons constater une déformation des caractéristiques. Lorsque TA augmente suffisamment, les caractéristiques subissent une translation vers le haut.
Les traits en pointillés montrent les courbes à une température TA = 35°C alors que les traits pleins donnent les courbes pour TA = 25°C.
EMBED Excel.Chart.8 \s
Ces courbes nous montrent que le courant de collecteur a pour expression complète EMBED Equation.3 montrant le courant inverse de la jonction CB, du essentiellement aux trous de la zone de collecteur. Les porteurs minoritaires se multiplient lorsque Tj augmente si bien que le courant Is (courant de saturation du au minoritaire) croît vite avec la température.
A température ambiante normale 25°C, EMBED Equation.3 est négligeable devant IC.
Détermination du fonctionnement dun transistor bipolaire
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Circuit de base
La loi dohm appliquée entre B et E donne EMBED Equation.3
Circuit du collecteur
La loi dohm appliquée entre C et E donne EMBED Equation.3 ou encore EMBED Equation.3 .
Puissance consommée
La puissance électrique totale P absorbée par le composant est la somme de deux termes :
EMBED Equation.3
Cette puissance se transforme en chaleur : comme la tension VCE est essentiellement supportée en inverse par la jonction CB, cette situation constitue le point chaud du transistor (on lappelle Tj sa température). La chaleur qui apparaît dans le composant augmente Tj et cette valeur se fixe à une valeur telle que EMBED Equation.3 avec RTH (°C/W ou °K/W) étant la résistance thermique de lensemble transistor + refroidisseur ( EMBED Equation.3 ). Noter que TJ ne pourra pas dépasser la température donnée par le fabriquant (+/- 200°C). Si tel devait être le cas, un refroidisseur devra être calculé et placé sur le composant.
Ex : soit un transistor BD139 pouvant dissiper 12,5W et dont RJ-B = 1,5 °C/W, sachant que la tamb = 20°C et que lon ne veut pas dépasser 75°C pour la tj, calculer le refroidisseur à placer. (résistance thermique de la semelle en silicone : 0,5 °C/W)
EMBED Equation.3
Une autre solution pour stabiliser un transistor au niveau thermique est de placer une résistance en série avec lémetteur. Le but de cette résistance étant de maintenir la valeur de IE constante, quelles que soient les variations de température.
En effet, si nous avons élévation de température au niveau de la jonction BE, nous allons avoir une diminution de la résistance interne du transistor car lapport de chaleur est un apport dénergie qui facilite le déplacement des porteurs majoritaires. Cette diminution de la résistance interne entraîne une augmentation du courant de collecteur et donc une augmentation de IB et de IE. Or si IE augmente, la chute de tension dans RE va augmenter de même en ce qui concerne la chute de tension aux bornes de RB qui augmente aussi. Comme VCC et VBB ont une valeur fixe, cela signifie que VBE et VCE doivent diminuer. Comme les courbes nous montrent que si VBE diminue IB doit diminuer nous montrons ainsi que IC va aussi diminuer. Notre résistance va donc bien stabiliser le transistor puisque si nécessaire il va limiter le courant de collecteur.
Résumer des formules
EMBED Equation.3
VBE = 0,7V pour un transistor au silicium.
VCE est très faible (quelques volts)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Puissance dissipée par le transistor est EMBED Equation.3
Les modes de câblage dun transistor
Si VBB et VCC sont différents
1° commande dun relais
Soit un automate permettant un courant de sortie sur lune de ces bornes de 15mA sous 5VDC. Cette sortie doit commander un relais sous 5VDC consommant 400mW.
EMBED AutoCAD.Drawing.14
EMBED Equation.3 nous choisirons une résistance de 300ohms
EMBED Equation.3
puissance dissipée par la résistance : EMBED Equation.3
Nous retiendrons une résistance de 300ohms / 0,25W
EMBED Equation.3
Nous retiendrons un transistor de type NPN de référence BC 547.
Si VBB est inexistant, VCC est la seule source
2° Soit un transistor monté en émetteur commun et possédant les caractéristiques suivantes : B=200, IC=1mA, RC= 4,7Kohms, VCC=12VDC, VCE=6V
Calculer :
RE
RB1 si cette dernière est disposée entre VCC et la base.
RB2 si cette dernière est disposée entre le collecteur et la base.
R1 et R2 qui constituent un pont diviseur de tension tel que I1=5*IB.
R3 si cette dernière est placée entre la base et le collecteur et, si on garde R2 ainsi que les valeurs de IB et I2 du point précédent.
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
nous retiendrons une résistance de 1,3Kohms
EMBED Equation.3
EMBED AutoCAD.Drawing.14
EMBED Equation.3
EMBED AutoCAD.Drawing.14
EMBED Equation.3
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Si I1 = 5*IB, cela veut dire que si la base dévie un courant égale à IB, le solde va traverser la résistance R2 donc I2 = 4*IB.
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED AutoCAD.Drawing.14
EMBED Equation.3
3° Soit les gains des transistors T1 et T2 sont respectivement B1=200 et B2=100 ; de plus on sait que ce sont des transistor au silicium et que le point de fonctionnement du montage a été choisi de manière telle que UE2M = 6V alors que la tension dalimentation du montage est UAM=12VDC.
Calculer les courants de collecteur IC1 et IC2 ainsi que la valeur de R1.
EMBED AutoCAD.Drawing.14
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Les transistors unipolaires
Il existe deux types de transistors unipolaires
les transistors à effet de champ (T.E.C.) à jonctions
les transistors M.O.S. (Métal Oxyde Semi-conducteur)
Nous limiterons notre étude au premier type.
Le transistor à effet de champ
Constitution
Un tel composant repose sur un support (un substrat) de silicium dopé (par exemple de type P) dont lépaisseur est de quelques dixième de millimètre. Sur ce support ont été diffusées une couche N relativement peu dopée et puis dans cette couche N une zone de type P ayant la forme dun parallélépipède et que lon appelle grille.
La zone N est en contact avec deux électrodes métalliques situées de part et dautre de la grille, lune appelée drain et lautre source. La région de semi-conducteur située entre le substrat et la grille est extrêmement mince et est appelé le canal.
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Son symbole est le suivant :
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Principe de fonctionnement
EMBED AutoCAD.Drawing.14
Lallure de la caractéristique VDS en fonction de ID est la suivante :
EMBED Excel.Chart.8 \s
1° La grille G est reliée à la source S : VGS = 0.
Lorsque VDS > 0 (en dautre terme, lorsque VD est plus positif que VS), les électrons majoritaires du substrat N se déplacent de S vers D, cest à dire vers des potentiels croissants : il en résulte dans le lit draine un courant ID positif. Tant que VDS reste faible le canal représenté sur le dessin par un étranglement entre S et D offre une résistance constante (elle ne dépend que de la longueur, de la section et du dopage du canal) ; ID est alors proportionnel à VDS ; cest le régime résistif.
Lorsque VDS augmente positivement, le potentiel en chaque point du canal devient de plus en plus positif . Les jonctions grille-canal et substrat-canal, polarisée en inverse, supportent une tension de plus en plus grande ; les zones de transition, sous laction dun champ électrostatique croissant, sélargissent.
Comme une telle zone, dépourvue de porteurs mobiles, nest pas conductrice les électrons qui constituent le courant ID ne peuvent passer de S en D quà travers une section utile de plus en plus réduite : la résistance du canal croît avec VDS.
Au-delà dune certaine valeur de VDS laugmentation de cette tension est compensée par laccroissement de la résistance du canal et ID naugmente presque plus, cest le régime de pincement.
2° G est à un potentiel négatif par rapport à S : VGS
