Le transistor NPN. - Sn-Bretagne

Le transistor NPN.
Auteur : Antoine CASTANO. Lycée RASCOL. ALBI.
C
Symbole :
B : Base
E : Emetteur
C : Collecteur
B
E
Relations entre les différents courants, tensions lors d’un fonctionnement linéaire.
Ic = .Ib  : Amplification en courant du transistor.
Ie = Ic + Ib
ou encore Ie = ( +1).Ib
La tension Vbe est équivalente à la tension d’une diode directe Vbe = 0,6V à 0,7V.
Vce = Vcb + Vbe
Rc
C
Rb
Vbb
B
Vcc
E
Equation de la droite d’attaque :
L’équation de la droite d’attaque se calcule avec la maille d’entrée.
Vbb = Rb.Ib + Vbe Points particulier : Ib = 0  Vbe = Vbb.
Vbe = 0  Ib = Vbb / Rb.
Remarque : Etant donné que Vbe peut être considéré constant, on dit que le transistor est commandé
en courant (par le courant Ib).
Equation de la droite de charge :
L’équation de la droite de charge se calcule avec la maille de sortie.
Vcc = Rc. Ic + Vce
Points particulier : Ic = 0  Vce = Vcc.
Vce = 0  Ic = Vcc / Rc.
Polarisation d’un transistor :
Le point d’intersection entre la droite d’attaque et la caractéristique d’entrée (Vbe, Ib) fixe le
point de repos d’entrée Vbe0 , Ib0 .
La caractéristique de transfert (Ib, Ic) fixe le point Ic0 .
La pente de cette caractéristique est fixée par le  (amplification en courant du transistor) du
transistor.
Le point d’intersection entre la droite de charge et la caractéristique de sortie associé au
courant Ib0 , et donc par Ic0 , impose le point de repos en sortie Vce0 , Ic0 .
Le point de repos est caractérisé par Vbe0 , Ib0 en entrée,
Ic0 , Vce0 en sortie.
Un transistor a un fonctionnement linéaire si Ic / Ib = ,
et si le point de repos (Ic0 , Vce0) est sur la partie
linéaire de la caractéristique de sortie.
Fonctionnement du transistor en commutation.
Transistor bloqué :
Ib = 0  Ic = 0 et Vce = Vcc.
Le point de repos est obligatoirement sur la droite de charge.
Transistor saturé :
Le point (Ibsat, Vbesat) est imposé par le point d’intersection entre la droite d’attaque et la
caractéristique d’entrée du transistor.
Sachant que l’on peut considérer que Vbe est constant, le point de « repos » en entrée est
imposé par le courant Ibsat.
Lorsque le point de « repos » en entrée Ibsat, Vbesat est transféré par la caractéristique de
transfert vers la caractéristique de sortie, et qu’il ne peut obtenir de point d’intersection entre la
droite de charge et la partie linéaire d’une des caractéristiques de sortie, on dit que le transistor est
saturé.
En effet le point de « repos » en sortie doit obligatoirement appartenir à l’intersection d’une
caractéristique de sortie et de la droite de charge.
On dit que le point Icsat, Vcesat est imposé par la droite de charge et les caractéristiques
du transistor.
De ce fait, il n’y a plus de dépendance entre le courant d’entrée Ib et le courant de sortie
Ic.
Avec le point Icsat, Ibsat, on peut voir que la caractéristique de transfert n’est plus respecté.
Ic / Ib  .
De plus, on peut voir que Icsat / Ibsat  .
Comment vérifier si un montage à transistor fonctionne en commutation.
1 étape : On fixe une hypothèse Vce = Vcesat.
Cette hypothèse correspond à la conséquence d’un transistor saturé.
2 étapes : On calcule Ib et Ic.
3 étapes : On calcule le rapport Ic / Ib.
4 étapes : On recherche dans la documentation du transistor le  minimum.
Si le rapport Ic / Ib est strictement inférieur au  minimum du transistor ( c’est la cause),
alors on peut dire que le transistor est saturé.
La conséquence (Vce = Vcesat) est alors vérifiée.
Applications
Vcc
Rc
Rb
C
B
E
0V
Exercice 1/
Vcc = 5V, Rb = 11k, Rc = 51.
1/ Donner l’équation de la droite d’attaque.
2/ Calculer les points d’intersection avec les axes.
3/ Tracer la droite d’attaque sur la caractéristique d’entrée du transistor.
4/ Déterminer le point de repos en entrée à partir de la caractéristique d’entrée.
5/ Déterminer Ico à partir de la caractéristique de transfert.
6/ Calculer l’amplification en courant du transistor à partir de la caractéristique de transfert.
7/ Donner l’équation de la droite de charge.
8/ Calculer les points d’intersection avec les axes.
9/ Tracer la droite de charge sur la caractéristique de sortie du transistor.
10/ Déterminer le point de repos en sortie à partir de la caractéristique de sortie.
11/ En déduire le mode de fonctionnement du transistor.
Exercice 2/
Vcc = 5V, Rb = 6,8k, Rc = 51.
Répondre à nouveau aux questions 2, 3, 4, 5, 10, 11.
12/ Calculer Ic0 / Ib0 .
Exercice 3/
Vcc = 5V, Rb = 11k, Rc = 120.
Répondre à nouveau aux questions 4, 5, 8, 9, 10, 11.
12/ Calculer Ic0 / Ib0 .
A partir d’une structure ou tous les composants sont connus.
 1/ Expliquer la démarche à employer pour démontrer qu’un transistor bipolaire fonctionne en
commutation.
A partir du choix d’une structure ou l’on s’est fixé un transistor particulier.
 2/ Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb sachant que :
- le courant Ic est imposé par un élément extérieur ( relais, DEL, buzzer...),
- le courant Ib n’est pas limité.
 3/ Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb, Rc sachant que :
- le courant Ic n’est pas imposé par un élément extérieur,
- le courant Ibmax est limité par un élément extérieur ( courant de sortie d’une porte...).
 4/ Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb, Rc sachant que :
- le courant Ic, Ib n’est pas imposé par un élément extérieur.
A partir du choix d’une structure ou l’on n’a pas choisi un transistor
particulier.
 5/ Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb et le transistor sachant
que :
- le courant Icsat est imposé par un élément extérieur ( relais, DEL, buzzer...),
- le courant Ibmax est limité par un élément extérieur ( courant de sortie d’une porte...).
 6/ Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb et le transistor sachant
que :
- le courant Icsat est imposé par un élément extérieur ( relais, DEL, buzzer...),
- le courant Ib n’est pas imposé par un élément extérieur.
 7/ Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb et le transistor sachant
que :
- le courant Ic, Ib n’est pas imposé par un élément extérieur.
A partir d’une structure ou tous les composants sont connus.
 Expliquer la démarche à employer pour démontrer qu’un transistor bipolaire fonctionne
en commutation.
1 étape : On fixe une hypothèse Vce = Vcesat.
Cette hypothèse correspond à la conséquence d’un transistor saturé.
2 étapes : On calcule Ib et Ic.
3 étapes : On calcule le rapport Ic / Ib.
4 étapes : On recherche dans la documentation du transistor le  minimum.
Si le rapport Ic / Ib est strictement inférieur au  minimum du transistor ( c’est la cause),
alors on peut dire que le transistor est saturé.
La conséquence (Vce = Vcesat) est alors vérifiée.
A partir du choix d’une structure ou l’on s’est fixé un transistor particulier.
 Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb sachant que :
- le courant Ic est imposé par un élément extérieur ( relais, DEL, buzzer...),
- le courant Ib n’est pas limité.
1 étape : On recherche dans la documentation le  minimum du transistor.
2 étapes : On se fixe un coefficient de sursaturation supérieur ou égal à 2.
3 étapes : On calcule Ibsat = Ic
mini /coefficient
4 étapes : On calcule Rb en fonction de la tension minimale de la commande et du Ib calculé.
On choisit la valeur normalisée inférieure à la valeur calculée.
 Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb, Rc sachant que :
- le courant Ic n’est pas imposé par un élément extérieur,
- le courant Ibmax est limité par un élément extérieur ( courant de sortie d’une porte...).
1 étape : On se fixe un Ibsat = Ibmax /2.
2 étapes : On calcule Rb en fonction de la tension minimale de la commande et du Ib calculé.
On choisit la valeur normalisée inférieure à la valeur calculée.
3 étapes : On recherche dans la documentation le  minimum du transistor.
4 étapes : On se fixe un coefficient de sursaturation supérieur ou égal à 2.
5 étapes : On calcule Icsat = Ibsat  (mini /coefficient).
6 étapes : On détermine Rc en fonction de Icsat et de l’alimentation.
On prendra la valeur normalisée supérieure à la valeur calculée.
A partir du choix d’une structure ou l’on s’est fixé un transistor particulier.
 Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb, Rc sachant que :
- le courant Ic, Ib n’est pas imposé par un élément extérieur.
1 étape : On se fixe un Ic pas trop élevé, de l’ordre de 5 à 10mA
2 étapes : On détermine Rc en fonction de Icsat et de l’alimentation.
On prendra la valeur normalisée supérieure à la valeur calculée.
3 étapes : On recherche dans la documentation le  minimum du transistor.
4 étapes : On se fixe un coefficient de sursaturation supérieur ou égal à 2.
5 étapes : On calcule Ibsat = Ic
mini /coefficient
6 étapes : On calcule Rb en fonction de la tension minimale de la commande et du Ib calculé.
On choisit la valeur normalisée inférieure à la valeur calculée.
A partir du choix d’une structure ou l’on n’a pas choisi un transistor
particulier.
 Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb et le transistor
sachant que :
- le courant Icsat est imposé par un élément extérieur ( relais, DEL, buzzer...),
- le courant Ibmax est limité par un élément extérieur ( courant de sortie d’une porte...).
1 étape : On se fixe un Ibsat = Ibmax /2.
2 étapes : On calcule Rb en fonction de la tension minimale de la commande et du Ib calculé.
On choisit la valeur normalisée inférieure à la valeur calculée.
3 étapes : On calcule Icsat / Ibsat .
4 étapes : On se fixe un coefficient de sursaturation supérieur ou égal à 2.
5 étapes : On détermine le  minimum = Icsat  coefficient
Ibsat
6 étapes : On choisit le transistor en fonction de Icsat , mini , Vce.
A partir du choix d’une structure ou l’on n’a pas choisi un transistor
particulier.
 Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb et le transistor
sachant que :
- le courant Icsat est imposé par un élément extérieur ( relais, DEL, buzzer...),
- le courant Ib n’est pas imposé par un élément extérieur.
1 étape : On se fixe un Ib de l’ordre de 0,5 à 1mA.
2 étapes : On calcule Rb en fonction de la tension minimale de la commande et du Ib calculé.
On choisit la valeur normalisée inférieure à la valeur calculée.
3 étapes : On calcule Icsat / Ibsat .
4 étapes : On se fixe un coefficient de sursaturation supérieur ou égal à 2.
5 étapes : On détermine le  minimum = Icsat  coefficient
Ibsat
6 étapes : On choisit le transistor en fonction de Icsat , mini , Vce.
 Expliquer la démarche à employer pour dimensionner la résistance Rb et le transistor
sachant que :
- le courant Ic, Ib n’est pas imposé par un élément extérieur.
1 étape : On se fixe un Ic pas trop élevé, de l’ordre de 5 à 10mA
2 étapes : On détermine Rc en fonction de Icsat et de l’alimentation.
On prendra la valeur normalisée supérieure à la valeur calculée.
3 étapes : On se fixe un Ib de l’ordre de 0,5 à 1mA.
4 étapes : On calcule Rb en fonction de la tension minimale de la commande et du Ib calculé.
On choisit la valeur normalisée inférieure à la valeur calculée.
5 étapes : On calcule Icsat / Ibsat .
6 étapes : On se fixe un coefficient de sursaturation supérieur ou égal à 2.
7 étapes : On détermine le  minimum = Icsat  coefficient
Ibsat
8 étapes : On choisit le transistor en fonction de Icsat , mini , Vce.