Chap2 Trans Com

Electronique de commutation par A. Oumnad 10
I.5 Transistor bipolaire en commutation
Dans un transistor utilisé comme commutateur, la section émetteur collecteur
est utilisée comme contact et la section base émetteur représente le circuit de
commande. Le circuit de commutation et le circuit de commande ne sont pas
galvaniquement séparés. Le transistor en conduction correspond au commutateur
fermé, le transistor bloqué au commutateur ouvert.
Vce
Vcc
Ib
Vbb
Rb
Vrc
Ic
Rc
C
B
EVce
Ic
Vcc
B
SIbsat
Vcc/Rc
Icmax
Q
Vcesat
Fig. I-13 : Transistor en commutation Fig. I-14 points de fonctionnement d'un transistor en
commutation
On distingue trois cas de fonctionnement :
A) Fonctionnement linéaire
Le point de fonctionnement Q se trouve entre le point B et le point S, il évolue
selon les équations suivantes :
(1) Ic = β Ib , loi qui caractérise le transistor
(2) E = RC IC + VCE ,
Loi d'ohm dans la maille de sortie = droite de charge
Si IB ↑, (1) ⇒ IC ↑, (2) ⇒ VCE ↓, le point de fonctionnement Q se déplace sur la
droite de charge de B vers S.
B) Blocage
C'est quant le point de fonctionnement Q se trouve au point B: IC = 0 , IB = 0 ,
VCE = VCC .
Pour bloquer le transistor, il faut annuler I
B
, ce qui revient à bloquer la
jonction base émetteur, pour ce, il suffit d'annuler la tension V
BE
ou la
rendre négative pour renforcer le blocage.
Au blocage presque toute la tension VCC se retrouve au borne du transistor,
une très faible chute de tension se produit dans RC à cause du courant résiduel

Electronique de commutation par A. Oumnad 11
du collecteur ICER qui dépend du transistor utilisé et des tension VBE et VCE. On
ne fait pas une grande erreur en supposant qu'il est de l'ordre du µA .
Pour le 2N2222 ICERmax = 10 nA avec VBE = -3V et VCE=60V
C) Saturation
Le point de fonctionnement Q est au point S.
IB = IBSAT
IC = ICMAX = β IBSAT
VBE = VBESAT ≈ 0.7 V
VCE = VCESAT ≈ 0.2V
C
CESATCC
CMAX R
V - V
= I
Même si IB augmente au delà de I
BSAT , IC reste égal à ICMAX , VBE reste
sensiblement égale à VBESAT et VCE sensiblement égale à VCESAT .
Pour saturer un transistor il faut lui appliquer un courant I
B
tq:
β
CMAX
BSATB I
= I I >
Pour le 2N2222 VCEsat = 0.3V pour Ic=150mA, Ib=15mA
= 1V pour Ic=0.5A, Ib=50mA (pendant 300 µs)
Le plus souvent on ne dispose pas du β du transistor, on connaît seulement la
fourchette
[βMIN ,βMAX] disponible sur le catalogue du constructeur.
Exemple :
On dispose d'un transistor 2N1711 dont β ∈ [100, 300]
Vcc = 12V
VBB = 9V
Rc = 1KΩ
mA12
10002.012 R
V - V
= I C
CESATCC
CMAX ≈
−
=
• β = 100 ⇒ IBSAT = 12mA/100 = 120 µA Î Ω==
−
=69K
A120
-0.7V9V
IVV
RBSAT
BESATBB
B
μ

Electronique de commutation par A. Oumnad 12
• β = 300 ⇒ IBSAT = 12mA/300 = 40 µA Î Ω==
−
=K207
A40
-0.7V9V
IVV
RBSAT
BESATBB
B
μ
Pour être sur qu'on aura saturation quelque soit le 2N1711 dont on dispose, il
faut que IB soit > 120 µA soit RB < 69 KΩ.
La condition de saturation devient alors :
β
CMAX
BSATB I
= I I >
Quand le transistor est fortement saturé ; IB > IBSAT, on définit le facteur de
saturation comme :
Bsat
B
II
=
μ
Quand le transistor est saturé, la quasi totalité de la tension VCC se trouve au
borne de la résistance de charge du collecteur. De ce fait, même si le courant IC
est important, il y a une faible dissipation de puissance au niveau du transistor
car VCESAT reste très faible (0.2V à 0.3 V , peut atteindre 1V pour certains
transistor si I
C
est trop important)
I.5.1 Temps de commutation
La figure 2.9 montre le profil des courants
lors de la saturation et du blocage du
transistor.
• t
d : temps de retard
(delay) ≈faible
• t
r : temps de montée (
rise)
• ton : temps de déblocage = td+tr
• ts : temps de stockage (storage)
• tf : temps de chute (fall)
• toff : temps de blocage.
Le facteur prépondérant dans le temps de
commutation d'un transistor est le temps
de stockage tS. Quand le transistor est
saturé, et surtout s'il est fortement
saturé, un grand nombre de porteurs de
charge est accumulé dans la base du
transistor. Au moment où VBE devient nulle
ou négative, ces porteurs stockés vont
donner naissance à un courant IB important
dans le sens opposé, et ceci pendant tout le temps nécessaire pour évacuer
r
t
t
t
t
t
Vbe
V
BESAT
VBEOFF
IB
IB1
IB2
I
td
on tstf
tof
f
Fig. I-15 : Temps de commutation d'un transistor

Electronique de commutation par A. Oumnad 13
toutes les charges se trouvant dans la base, cette durée est dite temps de
stockage. IL n'y a pas de changement perceptible du courant Ic pendant cette
période.
Pour réduire tS, il faut choisir un courant de IB juste nécessaire pour la
saturation. Il ne faut pas qu'il soit beaucoup plus grand que IBSAT afin que
le nombre de porteurs stockés dans la base ne soit pas trop important.
Pour le 2N2222 : td=10 ns, tr=25ns, ts=225ns
Exercice :
Ib
Rb
Ic
Rc
C
BE
Vcc
Fig. I-16
Soit le montage de la fig. 2.10, donner une relation entre Rb et
Rc pour que le transistor soit saturé.
La condition de saturation est
β
Cmax
BSATB I
= I I >
I = V -V
RV R
CMAX CC CESAT
C
CC
C
≈
B
CC
B
BESATCC
BR V
R
V - V
= I ≈ d'où CMINB R . < R
β
I.5.2 Commande dynamique d'un transistor de commutation
Au repos, c.à.d. t < to, le transistor est saturé, RB
et Rc ont été choisies t.q. RB < βMIN Rc
Ib
Rb Ic
Rc
C
BE
Vcc
C
Ve
Vca
Ve
t
E
to t1
Fig. I-17 : commande dynamique
VB = VBESAT ≈ 0.7V , Vc=VCESAT≈0.2V
La tension au borne du condensateur C est :
Vca = VB - Ve = 0.7V - 0V = 0.7V
A l'instant to- on a Ve=0V, Vco=0.7V, VB=0.7V
A l'instant to+ on a Ve=E, Vco=0.7⇒ VB=E+0.7
A l'instant to+, Vco est encore égale à
0.7V car un condensateur ne peut pas se
charger instantanément.

Electronique de commutation par A. Oumnad 14
A partir de to+ on se trouve avec une tension bien supérieure à 0.7V au borne
de la jonction Vbe ce qui provoque une augmentation très importante du
courant IB qui provoque une charge très rapide de la capacité C et on se
retrouve très vite à l'état statique
Ve=E, VB=0.7V .
L'état transitoire n'a pas changé
l'état du transistor car IB
augmentant, n'a fait que renforcer la
saturation.
A l'instant t1, Ve repasse à 0, la
capacité transmet le front de tension
sur la base qui voit sa tension passer à
0.7V-E < 0, le transistor se bloque, La
capa se trouve en présence du circuit
si dessous,
tt t
E
tt t
VB
Vi
Vcc
t
Vc
Vcc
0.7
0.7-E
23
01
0.7+E
0.2
Fig. I-18 : Commande dynamique d'un transistor
B
Rb
Vcc
I
C
elle se charge vers la tension Vcc
selon l'équation suivante : (origine des
temps en t1)
τ
t
CCCCB 0.7)e E (V - V (t)V −
−+=
A l'instant t2, VB commence à devenir supérieure à zéro, la jonction VBE
commence à conduire ⇒ IB augmente ⇒ Ic augmente ⇒ VCE commence à diminuer
(doucement) . A l'instant t3, VBE atteint 0.7V, le transistor se sature, VCE
"tombe" à 0.2V et VBE se stabilise à 0.7V, tout le courant acheminé par RB passe
dans la base du transistor, la capacité s'arrête de ce charger, et on se retrouve
à l'état initial.
Si on ne tient pas compte du fléchissement de la courbe de charge dans
l'intervalle [t2,t3], la durée T de l'impulsion recueillie sur le collecteur peut être
calculée en posant VB(T)=0.7 soit :
7.00.7)eE(V-V CR T
CCCC B=−+
−
Î 0.7EV 0.7V
eCC
CC
CR T
B−+
−
=
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛−
−+
=0.7 V 0.7 E V
Ln CR T CC
CC
B
Si VCC=E et si 0.7V est négligeable devant VCC :