Le transistor bipolaire Constitution- Symbole _______________________________________________________ 2 1. Caractéristiques – Fonctionnement_________________________________________ 2 1.1. Caractéristiques d’entrée IB=f(VBE) ___________________________________________ 2 1.2. Caractéristiques de Transfert IC=f(IB) _________________________________________ 3 Caractéristiques de sortie IC=f(VCE) _______________________________________________ 4 1.4. Résumé – réseau de caractéristiques __________________________________________ 5 2. Utilisation et mode de fonctionnement ______________________________________ 6 2.1. Fonctionnement statique : ___________________________________________________ 6 2.2. Fonctionnement Dynamique: ________________________________________________ 7 2.3. Modélisation du transistor bipolaire : ________________________________________ 10 2.3.1. 2.3.2. En régime de commutation : ____________________________________________________ 10 En régime linéaire : ___________________________________________________________ 11 2.4. Caractéristiques constructeur - critères de choix _______________________________ 13 2.4.1. Limites d’emploi _____________________________________________________________ 2.4.2. Caractéristiques électriques : ____________________________________________________ 2.4.2.1. Caractéristiques statiques __________________________________________________ 2.4.2.2. Caractéristiques dynamiques ________________________________________________ 2.4.3. Cahier des charges d’un transistor________________________________________________ 13 14 14 14 15 Page 1 sur 15 Constitution- Symbole Un transistor bipolaire est constitués de 2 jonctions PN et existe sous 2 polarités : NPN PNP COLLECTEUR COLLECTEUR N P P BASE N BASE N P EMETTEUR EMETTEUR COLLECTEUR BASE COLLECTEUR BASE EMETTEUR EMETTEUR La géométrie du système (base mince) aboutit à l’effet transistor qui se traduit par un fort courant collecteur commandé par un faible courant de base (voir les car caractéristiques de fonctionnement). 1. Caractéristiques – Fonctionnement 1.1. Caractéristiques d’entrée IB=f(VBE) C’est la caractéristique qui relie les deux grandeur d’entrée : - Courant de base IB - Tension base émetteur et VBE En observant la structure, on s’aperçoit qu’il s’agit d’une jonction PN. On retrouvera donc une caractéristique de transfert identique à celle d’une diode. Le schéma de principe du tracé de la caractéristique IB=f(VBE) est le suivant. On fait varier la tension VBE puis on relève le courant de base correspondant. Cette caractéristique est IC généralement donnée pour IB différentes valeur de la tension VCE, VCE ce qui justifie la deuxième source de tension dans le montage. VBE Page 2 sur 15 On retrouve, comme prévue, l’allure de la caractéristique courant - tension d’une diode. N’existe un courant dans la base que pour VBE>0. IB(µA) VBE(V) 1.2. Caractéristiques de Transfert IC=f(IB) IC(mA) IC IB VCE VBE Schéma de principe de relevé de la Caractéristiques de Transfert IC=f(IB) IB(µ A Cette carétéristique représente la fonction principale du transistor : l’amplification en courant. En effet, on remarque que la caractéristique de transfert est une droite, ce qui traduit une relation linéaire entre le courant de base et de collecteur. On note le coefficient de proportionnalité β, ce qui donne : IC = β IB Page 3 sur 15 1.3. Caractéristiques de sortie IC=f(VCE) IC IB VCE VBEo Schéma de principe de relevé de la Caractéristiques de Transfert IC=f(VCE) Sur cette caractéristique, on peut remarquer que le courant collecteur croit très rapidement pour se stabiliser autour de la valeur βIBn. Dans le schéma ci contre, on doit tout d’abord fixé un courant de base pour qu’il y ait existence d’un courant de collecteur. C’est le rôle de la source de tension VBEo. Dans un deuxième temps, on fait varier VCE avec une source de tension réglable, puis pour chaque valeur de VCE on relève le courant IC correspondant. On retranscrit les mesure sur un graphe ce qui donne : IC(mA) IB1> IBo IBo VCE(V) Page 4 sur 15 1.4. Résumé – réseau de caractéristiques On retrouve dans beaucoup de d’ouvrage une représentation synthétique de ces différentes courbes, communément appelé « réseau de caractéristique du transistor bipolaire ». IC(mA) IB3> IB2 IB2> IB1 À VCE= constante IB1> IB0 IB0>0 IB=0 IB(µA) VCE(V) À VCE= constante VBE(V) Page 5 sur 15 2. Utilisation et mode de fonctionnement 2.1. Fonctionnement statique : On parle de fonctionnement statique quand toutes les grandeurs (courants et tensions) sont des grandeurs continues, c’est-à-dire qui ne varient pas dans le temps. On les notera en MAJUSCULE. Caractéristique d’entrée Le point de fonctionnement est imposé par le circuit d’attaque. IB(µA) Circuit d’attaque RB IBo VP Point de fonctionnement VP RB VBEo IBo On peut le déterminer graphiquement en traçant la droite d’attaque, d’équation: IB = − 1 V VBE + P RB RB Généralement, VP est connue et il faut choisir RB pour fixer IB0. VBEo IB0 étant fixé, on peut en déduire la valeur de IC0 par : IC0 = β IB0, Ou graphiquement par l’exploitation de la caractéristique de transfert du transistor. Or cela est vrai si on autorise le passage d’un courant collecteur, c’est à dire si il existe un circuit de charge. VBE(V) Caractéristique de transfert IC(mA) IC0 IC0 RC RB IBo VCC IB0 IB(µA) Page 6 sur 15 La valeur de VCE0 est fixée par VCC et RC, et peut être déterminée graphiquement en traçant la droite de charge d’équation: Caractéristique de sortie IC(mA) V 1 I C = − VCE + CC RC RC VCC RC IBo La droite de charge passe forcément par IC0. IC0 En pratique, VCC est généralement connue, on choisit alors RC pour fixer IC0 et VCE0. VCE0 VCC VCE(V) En résumé : On retiendra que : • VP et RB fixe le courant IB0. • VCC et RC fixe la tension VCE0. C’est ce qu’on appelle POLARISER le transistor. 2.2. Fonctionnement Dynamique: On parle de fonctionnement dynamique quand toutes les grandeurs (courants et tensions) sont des grandeurs variables dans le temps. On les notera en MINUSCULE. Généralement l’étude se fait en régime sinusoïdal, autour du point de polarisation, c’est-à-dire pour : ve(t) =VP+v(t), avec : v(t)=V.sin(2π πft) RB B v(t) ve(t) VP vBE Lorsque v(t) varie de –V à +V, ve(t) varie de VP-V à VP+V. La droite d’attaque se déplace alors dans le plan (IB,VBE) et le point de fonctionnement se déplace entre les points A et B au rythme (à la fréquence) de v(t). Le signal variable v(t) conduit à une variation de VBE et IB entre les point A et B (voir figure page suivante). Circuit d’attaque Page 7 sur 15 IB(µA) IB(µA) B IBo A VBEo t VBE(V) VBE(V) t L’exploitation de la caractéristique de transfert permet de la même façon de déterminer les variations du courant IC autour de IC0. IC(mA) IC(µA) ICM IC0 ICm t IB0 IB(µA) t Page 8 sur 15 D’après le schéma, lorsque IC varie, la tension aux bornes de la résistance de polarisation RC varie également et par conséquent la tension VCE aussi. Graphiquement, la variation de iB autour de IB0 se traduit par le balayage de toutes les caractéristiques de sortie (translation) correspondant aux iB différentes valeurs de parcourues. On retrouve alors les mêmes variations de IC entre ICM et ICm qu’avec la caractéristique de transfert. On retrouve également la variation de la tension VCE entre: VCEm = VCC-RCICM VCEM = VCC-RCICm IC RC VCC RB v(t) ve(t) VP IC(mA) VCC RC ICM IBo IC0 ICm L’ensemble des raisonnements précédents peut être résumé dans le réseaux de caractéristiques du transistor, en partant d’une variation de VBE et en passant d’une caractéristique à l’autre. VCEm IC(mA) VCE0 VCEM VCC VCE(V) IC(mA) IB3> IB2 IB2> IB1 À VCE= constante IB1> IB0 IB0>0 IB=0 IB(µA) VCE(V) À VCE= constante VBE(V) Dans ce cas le fonctionnement est linéaire. Page 9 sur 15 Mais que se passe t’il si on augmente l’amplitude de la variation de VBE ? IC(mA) IC(mA) IB3> IB2 IB2> IB1 IB1> IB0 IB0>0 IB=0 VCE(V) IB(µA) VBE(V) Si on trace les signaux théoriques, en prolongeant les courbes du transistor, on s’aperçoit que le point de fonctionnement du montage sort des caractéristiques en deux points qui correspondent : Au blocage du transistor : IB=0 et VCE=VCC. A la saturation du transistor : IC = VCC/RC et VCE= VCEsat=0. 2.3. Modélisation du transistor bipolaire : 2.3.1. En régime de commutation : C Au blocage, on a: IB= 0 et IC = 0 quelque soit VCE. Le transistor est donc équivalent à un interrupteur ouvert entre collecteur et émetteur. A la Saturation, on a: E C IC = ICSAT<β βIB et VCE= VCESAT#0. Le transistor est donc équivalent à un circuit fermé entre collecteur et émetteur. E Page 10 sur 15 2.3.2. En régime linéaire : On cherche à modéliser le plus simplement possible le fonctionnement du transistor pour de faibles variations de iB, VBE, iC et VCE. Si on reprend le fonctionnement de l’entrée du transistor : IB(µA) IB(µA) B IBo A VBEo t VBE(V) VBE(V) t On remarque que le rapport entre les variations de iB et VBE correspond à la pente de la caractéristique autour du point de polarisation. On peut alors écrire : δI B iB = ⋅ v BE δVBE Mo Ce qui correspond à l’inverse d’une résistance. En pratique, on note plutôt : 1 v BE = ⋅ i B ⇒ v BE = h11 ⋅ i B δI B B iB δV BE Mo Où h11 représente la résistance d’entrée dynamique du transistor. On a alors le schéma équivalent suivant : vBE h11 E Page 11 sur 15 Un raisonnement identiques sur les autres caractéristiques nous amème au schéma équivalent complet : iB B vB iC=h21*iB h11 1/h22 E C vCE E Où : h11 = h21 = δVBE δI B δI C δI B ⇒ pente de la caractéristique d' entrée autour du point de polarisation Mo ⇒ pente de la caractéristique de transfert autour du point de polarisation Mo 1 δVCE = h22 δI C ⇒ pente de la caractéristique de sortie autour du point de polarisation Mo Page 12 sur 15 2.4. Caractéristiques constructeurs - critères de choix 2.4.1. Limites d’emploi Nom ICM VCEoM VBEoM Ptot TJ Description Courant collecteur maximum admissible. Tension collecteur-émetteur maximale admissible à l’état bloqué. Tension émetteur base maximale admissible à l’état bloqué. Puissance maximale consommée par le transistor. Ptot = VCEM*ICM Température maximum de la jonction en fonctionnement. Fortement lié à la puissance consommée par le transistor. IC(mA) IB(µA) VCE(V) VBE(V) Page 13 sur 15 2.4.2. Caractéristiques électriques : 2.4.2.1. Caractéristiques statiques Nom VCEsat VBEsat IEB0 ICB0 hFE CBCo fT td tr ton toff Description Tension collecteur-émetteur minimale existant quand le transistor est saturé. Tension base-émetteur minimale existant quand le transistor est saturé. Courant résiduel maximum parcourant la jonction base émetteur à l’état bloqué. Courant résiduel maximum parcourant la jonction collecteur base à l’état bloqué. Ce courant varie énormément avec la température. Gain en courant (β) du transistor en régime linéaire. 2.4.2.2. Caractéristiques dynamiques Capacité parasite entre la base et le collecteur (de l’ordre de 10pF). A prendre en compte en HF. Transition Fréquence de transition. Le gain en courant frequency chute en fonction de la fréquence. On note fT la fréquence pour laquelle b=1. Delay time temps de retard entre l’application d’un courant Ib et le début de variation de IC. Rise time temps de montée du courant IC. Switch on time temps de saturation du transistor. Switch off time Switch off time: temps de blocage du transistor. Page 14 sur 15 IB t IC t 2.4.3. Cahier des charges d’un transistor Limites d’emploi Performances Défauts et dérives Commutation Linéaire ICM VCEoM VBEoM TJ Ptot ton toff VCEsat ICB0 CBCo ICM VCEM VBE0M TJ Ptot h21 fT h21=f(Ic) VBE =f(T°) CBCo en HF Page 15 sur 15
