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. Ic Rc Vrc Vcc/Rc Icmax Ic C Rb Vcc Q Ib Vce B Vbb Ibsat S E Vcesat Fig. I-13 : Transistor en commutation B Vcc Vce 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 ↓, droite de charge de B vers S. le point de fonctionnement Q se déplace sur la 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 IB, ce qui revient à bloquer la jonction base émetteur, pour ce, il suffit d'annuler la tension VBE 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 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 V -V ICMAX = CC CESAT RC Même si IB augmente au delà de IBSAT , 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 IB tq: IB > IBSAT = ICMAX β Pour le 2N2222 VCEsat = 0.3V = 1V pour Ic=150mA, Ib=15mA 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 ICMAX = VCC - VCESAT =12−0.2 ≈12mA RC 1000 • β = 100 ⇒ IBSAT = 12mA/100 = 120 µA Î R B = VBB −VBESAT = 9V-0.7V =69KΩ IBSAT 120μA 11 Electronique de commutation par A. Oumnad 12 • β = 300 ⇒ IBSAT = 12mA/300 = 40 µA Î R B = VBB −VBESAT = 9V-0.7V =207KΩ IBSAT 40μA 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 : IB > IBSAT = ICMAX β Quand le transistor est fortement saturé ; IB > IBSAT, on définit le facteur de saturation comme : μ = IB IBsat 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 IC 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. • td : temps de retard (delay)≈faible • tr : temps de montée (rise) • ton : temps de déblocage = td+tr • ts : temps de stockage (storage) • tf : temps de chute (fall) • toff : temps de blocage. Vbe VBESAT t VBEOFF IB I B1 t I B2 Le facteur prépondérant dans le temps de I commutation d'un transistor est le temps de stockage tS. Quand le transistor est saturé, et surtout s'il est fortement t saturé, un grand nombre de porteurs de td tr t on tf ts charge est accumulé dans la base du t off transistor. Au moment où VBE devient nulle Fig. I-15 : Temps de commutation d'un transistor 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 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 : Vcc Soit le montage de la fig. 2.10, donner une relation entre Rb et Rc pour que le transistor soit saturé. Rc Rb La condition de saturation est I B > I BSAT = ICmax β I CMAX = V CC - V CESAT RC V -V V I B = CC BESAT ≈ CC RB RB Ic C V CC ≈ RC d'où Ib B RB < β MIN . RC E Fig. I-16 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 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. Vcc Rc Rb Ic Vca C Ib Ve B C E Ve E t to t1 Fig. I-17 : commande dynamique 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 Vi Ve=E, VB=0.7V . L'état transitoire n'a pas changé E l'état du transistor car IB augmentant, n'a fait que renforcer la t saturation. t0 t1 VB A l'instant t1, Ve repasse à 0, la Vcc capacité transmet le front de tension 0.7+E sur la base qui voit sa tension passer à 0.7V-E < 0, le transistor se bloque, La 0.7 t capa se trouve en présence du circuit t2 t3 si dessous, 0.7-E Vcc Vc Rb C Vcc I B elle se charge vers la tension Vcc selon l'équation suivante : (origine des temps en t1) t 0.2 Fig. I-18 : Commande dynamique d'un transistor −t VB(t) = VCC - (VCC + E − 0.7)e τ 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 : −T −T V −0.7 VCC -(VCC + E −0.7)e RBC =0.7 Î e RBC = CC VCC + E −0.7 V + E − 0.7 ⎞ T = RBC Ln⎛⎜ CC ⎟ ⎝ VCC − 0.7 ⎠ Si VCC=E et si 0.7V est négligeable devant VCC :
