Le transistor bipolaire
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Le transistor bipolaire ING2 MADIGOU Fabrice 1 Historique 1907 de la triode → Découverte (composant amplificateur) par l’américain Lee de Forest 1947-48 → 1er transistor PNP (Germanium) Développé dans les laboratoires Bell par Bardeen, Brattain et Shockley (prix Nobel de physique en 1956) 1960 → Transistor en technologie sur silicium (jonction planar) 1971 → 1er microprocesseur (Intel 4004 : µP 4bits, 2300 transistors) 2 Définition • Transistor : (Transfer resistor) résistance de transfert. Composant électronique utilisé pour remplir la fonction d’amplificateur (de courant ou de tension) ou la fonction de commutateur électronique. 3 Constitution & principe de fonctionnement NPN IB, IC, IE > 0 VBE > 0 VCE > 0 PNP IB, IC, IE > 0 VBE < 0 VCE < 0 4 Constitution & principe de fonctionnement Il est constitué par la succession de trois couches de semi-conducteur (généralement du silicium) de type NP-N (ou PNP). Des connexions métalliques sont fixées sur la partie centrale appelée Base et sur les deux extrémités appelées Collecteur et Emetteur. Un faible courant « courant de base : Ib » peut commander un courant plus important « courant de collecteur : Ic». 5 Caractéristiques du transistor Les caractéristiques de transfert sont définies à partir du montage suivant : Ic Ib E2 Rc : résistance de collecteur Rb : résistance de base Vce E1 Ie On effectue ce que l’on appelle une polarisation du transistor. Celle-ci permet de définir les caractéristiques : • d’entrée ib=f(Vbe) paramétrée en Vce • de sortie ic=f(Vce) paramétrée en ib. 6 Caractéristiques du transistor Certaines de ces caractéristiques se retrouvent dans les documents constructeur. Exemple BC546: 7 Caractéristiques du transistor Caractéristique de sortie On peut à partir des mesures, effectuer un relevé complet et tracer ces caractéristiques sur un même graphe : Caractéristique d’entrée 8 Caractéristiques du transistor Le transistor a deux modes de fonctionnement : • Linéaire : on a la relation de proportionnalité du courant Ic en fonction de Ib : Ic = β.Ib • Non linéaire : où lorsque l’on augmente le courant Ib le courant Ic n’évolue plus. On dit que le transistor est saturé. Lorsque le courant Ib devient nul le courant Ic l’est aussi. On dit alors que le transistor est bloqué. 9 La polarisation du transistor On effectue une polarisation en entrée : • on fixe le point de fonctionnement sur la caractéristique Ib=f(Vbe) et une polarisation en sortie : • on fixe un point de fonctionnement sur la caractéristique Ic=f(Vce) 10 La polarisation du transistor polarisation en entrée: On définie l’équation de la droite d’attaque : E1 − Vbe Ib = Rb polarisation en sortie: On définie l’équation de la droite de charge : E 2 − Vce Ic = Rc Ic Ib E2 Vce E1 Ie E1=3v E2=15v Rb=1,5kΩ Rc=30Ω 11 Caractéristiques du transistor Caractéristique de sortie E1=3v E2=15v Rb=1,5kΩ Rc=30Ω E 2 − Vce Ic = Rc E1 − Vbe Ib = Rb E2/Rc droite de charge E1/Rb E2 Caractéristique d’entrée droite d’attaque 12 Caractéristiques électriques du transistor les composants sont limités en : • tension • courant • puissance. Cette dernière permet de tracer l’hyperbole de dissipation max Icmax Pmax 13 Vcemax Caractéristiques électriques du transistor Exemple :BC546 14 Caractéristiques électriques du transistor Exemple :BC546 15 Les trois structures de base: Le montage émetteur commun Ic Ic Ib Ib Vce<0 Vce>0 Vbe<0 Vbe>0 Le montage collecteur commun Ie Ie Ib Ib Vec>0 Vec<0 Vbc>0 Vbc<0 16 Les trois structures de base: Le montage base commune Ie Veb<0 Ic Ie Vcb>0 Veb>0 Ic Vcb<0 17 Le transistor bipolaire en régime dynamique : paramètres hybrides de quadripôle I1 V1 v1 h11 h12 i1 = i 2 h 21 h 22 v 2 v1 = h11i1 + h12 v 2 i 2 = h 21i1 + h 22 v 2 I2 Q V2 modèle dynamique du transistor Ib Ic Ic Vbe transistor Vce Ib Vce Vbe v be = h11i b + h12 v ce i c = h 21i b + h 22 v ce 18 Le transistor bipolaire en régime dynamique : paramètres dynamiques du transistor Résistance de sortie 1 1 ∆Vce = = r = s h 22 h OE ∆ic ib =cste Amplification en courant ∆ic = β =h21=hfe ∆ ib Vce =cste Résistance d’entrée ∆Vbe = re =h11=hie ∆ib Vce =cste ∆ ic ∆ ib ∆ V ce ∆Vbe Rapport de réaction ∆Vbe = K =h12 ∆Vce ib =cste 19 Le transistor bipolaire en régime dynamique : schéma dynamique du transistor Ic Ib Schéma simplifié: h12=0 Ib Vbe h11 h21Ib 1/h22 Vce Vbe Ic h11 h21Ib Vce 1/h22 h12Vce Schéma très simplifié: h12=h22=0 v be = h11i b + h12 v ce Ic Ib i c = h 21i b + h 22 v ce Vbe h11 Vce h21Ib 20 Montage en émetteur commun : montage théorique: E1 et E2 sont des sources de tension continues Rc Ic E2 Ib Rb eg est une source de tension alternative eg=emsinω ωt avec em<<E1 Vce eg Vbe E1 21 Montage en émetteur commun : point de fonctionnement E2/Rc ic t E1/Rb E2 Vce t t t ib 22 Montage en émetteur commun : montage réel : E : source de tension continue eg : source de tension alternative eg=emsinω ωt Cℓ : condensateurs de liaison Rb Rc Cls E Cle Vce eg Ru Vbe 23 Montage en émetteur commun : modèle dynamique du montage : Rb Rc Cls E Cle Vce eg Ru Vbe Rb Rc Ib eg Vbe h11 Ic h21Ib 1/h22 Ru Vce les sources de « tension continue » = des court-circuits les sources de « courant continu » = des circuits ouverts E =0 eg=emsinω ωt Cℓ : court-circuit à la pulsation ω 24 Montage en émetteur commun : modèle dynamique du montage : Ib eg Ve Rb h11 Ic h21Ib 1/h22 Ve Rb h11 Rc Vs Is Ib eg Ru h21Ib Req Ru Vs 25 Montage en émetteur commun : modèle dynamique du montage : Is Ib eg Ve Rb h11 h21Ib Req Ru Vs Calculer: • • • • • L’amplification en tension L’amplification en courant L’amplification en puissance L’impédance d’entrée L’impédance de sortie Vs/Ve Is/Ie Ps/Pe Ze=Ve/Ie Zs=-Vs/Is 26 Montage en émetteur commun : montage avec une polarisation stable : Rb1 Rc Cls E Cle Vce eg Vbe Rb2 Ru Re Cde 27 Montage en collecteur commun : montage avec une polarisation stable : Cdc Rb1 Rc E Cle Vce eg Vbe Rb2 Cls Re Ru 28 Montage en collecteur commun : modèle dynamique du montage : Cdc Rb1 Rc E Cle Vce eg Vbe Rb2 Cls Re Ru R1 Ib eg h11 les sources de « tension continue » = des court-circuits les sources de « courant continu » = des circuits ouverts E =0 eg=emsinω ωt Cℓ : court-circuit à la pulsation ω Ic h21Ib 1/h22 Ve R2 Vs Ru Re 29 Montage en collecteur commun : modèle dynamique du montage : Ib eg Ve R1 R2 Ib h11 h21Ib Is 1/h22 h11 Re Ru Vs Amplification en tension : Is Amplification en courant : eg Ve Rbeq h21Ib Req Vs Ru Amplification en puissance : Impédance d’entrée : Impédance de sortie : 30 Montage en collecteur commun : modèle dynamique du montage : Ib eg Ve h11 Is Req h21Ib Rbeq Ru Vs = Amplification en tension : Av = Amplification en courant : Ai = Vs = Ve ( h 21 + 1). Re q.Ru Re q + Ru ( h 21 + 1). Re q.Ru h11 + Re q + Ru 1 Is (h 21 + 1) Re q . = (Re q + Ru ) h (h + 1)Ru Ie ( 11 + 21 + 1) Re q Amplification en puissance : Ap = Ve Ie Impédance d’entrée : Ze = Impédance de sortie : Vs Zs = − Is Ps Vs.Is = = Av.Ai Pe Ve.Ie Ye = (Re q + Ru ) R eq + R u 1 1 + = R beq (h 21 + 1)R eq .R u Ze Ys = 1 (h + 1) 1 + 21 = h11 Zs R eq 31 Montage en collecteur commun : Pour un transistor 2N2222 : = Avec un point de polarisation Ic=1mA On a: h11= 2kΩ Ω h12= 8.10-3 négligeable Sur le montage collecteur commun on a : une faible amplification mais une impédance de sortie faible ce qui permet d’utiliser ce montage avec une charge Ru faible. h21= 50 h22= 5.10-6 => 1/ h22=2.105Ω 32 Application du transistor dans la stabilisation de tension : principe : Vprim Vsec transformateur Ve Redresseur + filtre Vs Régulateur à transistor Is=100mA Ip ic Vprim) Vsec ) Ve(t) Vs(t) Rp C Dz charge Vz iz 220v/18v 33 Application du transistor dans la stabilisation de tension : structure du régulateur de tension : Vce étude en régime statique : Is=100mA Ip Ve Vs Rp Dz Vz iz charge Ve est constante =20,6v Diode zener Vz=5,6v Transistor h21=100 h11= 2kΩ Vbe=0,6V Calculer: Vs en fonction de Vz et Vbe la valeur de Rp La puissance dissipée dans le transistor 34 Application du transistor dans la stabilisation de tension : structure du régulateur de tension : Vce Is=100mA étude en régime dynamique : Déterminer le modèle équivalent pour en déduire l’ondulation de la tension de sortie ∆Vs en fonction de ∆Ve Ip Ve Vs Rp Dz charge Vz iz h21Ib Is h11 Rp Ve Ib Vs Ru Iz eg Rz 35 Montage en base commune : montage avec une polarisation stable : Rb1 Rc Cls E Ru Vce Vbe Cle Cdb Rb2 Re eg 36 Montage en base commune : modèle dynamique du montage : h21Ib Is Ib eg Ve Rc Re h11 Vs Ru = Amplification en tension : Impédance d’entrée : Impédance de sortie : Av = Ve Ze = Ie Zs = − Vs = Ve h 21Rc h11 1 ( h 21 + 1) 1 + Ye = = Re h11 Ze Vs = Rc Is 37 Le transistor en commutation : • Le transistor a deux modes de fonctionnement : • Linéaire : on a la relation de proportionnalité du courant Ic en fonction de Ib : Ic = β.Ib • Non linéaire : où lorsque l’on augmente le courant Ib le courant Ic n’évolue plus. On dit que le transistor est saturé. Lorsque le courant Ib devient nul le courant Ic l’est aussi. On dit alors que le transistor est bloqué. 38 Le transistor en commutation : OFF : IC ≈ 0A VCE ≈VCC ON : IC=ICM ≈VCC/RL 39 Le transistor en commutation : Régime dynamique de commutation td : temps de retard tr : temps de montée ts : temps de désaturation tf : temps de descente ton ≈ td+tr : temps de fermeture toff ≈ ts+tf : temps d’ouverture 40 Le transistor en commutation : Puissance consommée: Pertes par conduction : Régime bloqué : IC=0 P=0 Régime saturé : P=VCESAT.ICSAT Pertes par commutation : Commutation « ON-OFF » pas instantanée Pcom : prop. fréquence prop. tON+tOFF => transistor rapide Vce i p Énergie dissipée en conduction Énergie dissipée en commutation 41 Le transistor en commutation : le transistor de puissance Suivant sa puissance, il se présente sous différents boitiers 42 Le transistor de puissance en commutation Caractéristiques technologiques : • Vceo : tension de claquage, base ouverte • VceR : tension de claquage, base reliée à l’émetteur par une résistance. • Vcex : tension de claquage, jonction base-émetteur polarisée en inverse. Ic Vce Vceo VceR Vcex 43 Le transistor de puissance en commutation Caractéristiques technologiques : Puissance dissipée en fonction de la température Évolution de l’amplification en courant en fonction du courant collecteur 44 Le transistor de puissance en commutation Problème de la commutation suivant la charge : Vcc 2 Hypothèses : L1 10uH Vd=0,7v en conduction On néglige les temps de commutation du transistor (ton/toff) 1mH D1 1 ID IL R1 10 Déterminer: Ic R2 Ve 1k Q1 Vce Q2N3904 0 1. la loi d’évolution de iL, ic, iD et Vce en fonction du temps lors des phases de commutation 2. l’évolution du point de fonctionnement dans le plan Ic/Vce du transistor lors de la commutation 45 Le transistor de puissance en commutation Association de transistors : Mise en parallèle : Permet de commander des montages à fort courants Résistances d’émetteur pour équilibrer les courants Q2 Q3 R3 Mise en série: Permet d’avoir une tenue en tension plus importante Technique très rare car on a des problèmes de synchronisation au blocage Q4 R4 D2 R5 R6 C1 1n Q5 D3 R7 R8 C2 1n 46
