Transistor bipolaire

TP Transistor bipolaire
Transistor bipolaire
I. Introduction :
Le transistor fait partie des composants que l'on retrouve sans exception dans toutes les applications
de l'électronique.
– Amplification de tension,
– amplification de courant,
– amplification de puissance,
– interrupteur,
– oscillateurs,
– convertisseurs AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC,
– micro-contrôleurs,
– micro-processeurs, etc...
Il existe plusieurs types de transistor :
Composant
commande
Application type
A max1
Bande passante1
Bipolaire
courant
Amplification,
commutation
10A
0 → GHz
MOS, FET, JFET,
MOSFET
tension
Commutation
5A
0 → 10MHz
200A
0 → MHz
Commutation en
électronique de
puissance
Nous nous intéresserons ici simplement au transistor bipolaire.
IGBT
courant
II. Objectifs :
Étude des montages en forts et petits signaux
– base commune,
– émetteur commun,
– collecteur commun.
III. Généralités :
Le transistor bipolaire est constitué par 2 jonctions PN mises bout à bout. Il est possible d'associer
ces 2 jonctions de manière à constituer 2 composants :
– le transistor NPN,
– le transistor PNP.
Le transistor est un composant composé de 3 connexions :
– base, zone faiblement dopée et de taille très faible (par rapport aux 2 autres),
– émetteur, zone très dopée -ie zone extrinsèque– collecteur, zone très dopée, et d'une taille presque 1,5 fois plus grande que l'émetteur.
B
E
C
Figure 1 : Boîtier
TO39.
1 Ce ne sont que des ordres de grandeurs.
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Description du fonctionnement d'un transistor NPN/PNP :
En fonctionnement normal, la jonction base-émetteur est polarisée dans le sens direct, et la jonction
base-collecteur en inverse.
Cela signifie que la polarisation directe de la base permet aux électrons/trous de passer dans
l'émetteur sous la forme d'un courant de diffusion -Idn/Idp- puisque la barrière de potentiel a été
annulée. De la même manière les trous/électrons de la base diffusent vers l'émetteur -Idp/Idn-.
L'accumulation d'électrons/trous dans la base fait qu'ils sont attirés dans le collecteur car la
polarisation entre la base et le collecteur est inverse. Ceci est possible car au niveau de la base il
existe une inversion localisée de la population puisque celle-ci possède une taille très faible. Les
électrons ainsi stockés, on suffisamment d'énergie pour transiter « naturellement » dans la zone
collecteur aidés par la polarisation inverse de la zone B-C.
Dans les 2 jonctions il existe des courants inverses. L'agitation thermique est la source de la création
de ces courants. Cependant ce courant est négligeable devant le courant de diffusion et ne contribue
pas à l'effet transistor.
Porteurs majoritaires
Porteurs majoritaires
E
IE
Idp
IdnPorteurs minoritaires
IS
I'i
N
P
Idp1
IC
C
IC
C
P
IB= Idp-Idp1+Idn-I'i-IS
B
Porteurs majoritaires
Porteurs majoritaires
E
IE
Idn
N
IdpPorteurs minoritaires
IS
I'i
P
Idn1
N
IB= -(Idn-Idn1+Idn-I'i-IS)
B
Figure 2 : Déplacement des porteurs dans les transistors PNP/NPN en
mode direct.
{
}
I E =I dp I dn −I ' i
loi des noeuds au point B , I B I C =I E
I C =I dp1I S
I B =I dp I dn −I ' i −I dp1 −I S
I
posons = dp1 ⇔  I E =I dp1 , avec ∈[0,95 ; 0,999]
IE
I C = . I E I S = . I B  . I C I S ⇔ I C .  1−  = . I B I S


1
I C=
. I B
. I S , posons =
, avec ∈[20 ; 500]
1−
1−
1−
1
1
I C =. I B 
. I S , . I B ≫
. I S puisque I S est de l ' ordre du nA.
1−
1−
I C = . I B
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Nous allons étudier dans ce TP le transistor bipolaire NPN 2N3053. A partir des informations
données sur le Data Sheet du constructeur relever :
– la puissance maximale dissipable,
– le courant collecteur maximal à ne pas dépasser,
– la tension collecteur base maximale.
IV. Étude des caractéristiques statiques ou à forts signaux du transistor :
A- montage base commune :
Un montage équivalent fort signal est utile pour fixer le point de fonctionnement du
transistor. On néglige souvent la résistance Rd.
E
E
C
Rd
C
0,6V
B
α.IE
B
Figure 3 : Modèle équivalent en mode statique du montage
base commune.
Réaliser le montage de la Figure 4 :
1MΩ à 500Ω
VEE
0 à 20V +
C 1kΩ
E
IE
B
IC
+
VCC
- 0 à 20V
Figure 4 : Montage base commune.
–
–
–
–
Tracer la courbe IC= f(VCB) pour des courants émetteurs IE = 1, 3, 5, 10mA. Pour cela :
– on fixe le courant émetteur avec l'alimentation VEE et la résistance variable associée,
– puis on fait varier la tension d'alimentation VCC de 0 à 20V.
A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre α.
Conclure sur la validité des mesures effectuées.
En déduire la valeur « approximative » de la résistance de sortie RS.
Remarques
– Pour ce montage le courant collecteur ne s'annule que pour une tension inverse de 0,5 à 0,8V
-fonction du type de transistor-. Expliquez pourquoi ?
– Une résistance est placée en série entre le collecteur et VCC. Cela signifie que les caractéristiques
IC= f(VCB) s'arrêtent pour une tension égale à VCC-RC.IC.
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B- montage collecteur commun :
Réaliser le montage de la Figure 5 :
IE
1kΩ
1MΩ à 500Ω
-
E
B
+
VEE
0 à 20V -
IB
+
VCC
0 à 20V
C
Figure 5 : Montage Collecteur commun.
–
–
–
–
–
–
Tracer la courbe IE= f(VEC) pour des courants de base IB = 10, 50, 100, 500µA, 1mA. Pour cela :
– on fixe le courant émetteur avec l'alimentation VEE et la résistance variable associée,
– puis on fait varier la tension d'alimentation VCC de 0 à 20V.
Ce réseau de courbes est-il convergent en un point particulier VA'?
Donner sa valeur.
Tracer la courbe IE=f(IB).
A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre β.
Conclure sur la validité des mesures effectuées.
C- montage émetteur commun :
Si on néglige l'effet Early on arrive à un modèle équivalent suffisant pour le calcul du circuit
de polarisation. Ce montage comme le précédant -base commune- ne prend pas en compte les effets
de rétroaction qui sont la base de l'effet transistor.
C
B
B
0,6V
E
C
βF.IB
E
Figure 6 : Modèle statique du montage émetteur commun.
Réaliser le montage de la Figure 7 :
IC
1kΩ
1MΩ à 500Ω
C
B
+
VEE
0 à 20V -
IB
+
-
VCC
0 à 20V
E
Figure 7 : Montage émetteur commun.
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–
–
–
–
–
–
Tracer la courbe IC= f(VCE) pour des courants de base IB = 10, 50, 100, 500µA, 1mA. Pour cela :
– on fixe le courant émetteur avec l'alimentation VEE et la résistance variable associée,
– puis on fait varier la tension d'alimentation VCC de 0 à 20V.
Peut-on à partir de ce réseau de courbes évaluer la valeur de la tension de Early VA ?
Donner la valeur de la tension d'Early VA.
Tracer la courbe IC=f(IB).
A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre β.
Conclure sur la validité des mesures effectuées.
Comparaison des différents montages
Donner pour ces 3 montages :
– la position des plots d'entrée et de sortie,
– le gain en tension,
– le gain en courant,
– Conclure sur une application probable de ces montages.
– Les tensions VA et VA' vérifient-elles VA'= (β+1).VA ?
V. Étude des paramètres dynamiques ou à faibles signaux du transistor :
A- Base commune :
1-Modélisation en régime dynamique :
La modélisation en régime dynamique est l'étude du fonctionnement de signaux de
faible amplitude autour du point de fonctionnement statique.
Circuit d'entrée :
La résistance dynamique Rd qui existe dans la jonction PN émetteur-base est le seul terme qui sera
pris en compte dans la modélisation. Cette résistance peut s'exprimer de manière identique à celle
VT
d'une diode r e =R d =
. Cette résistance d'entrée possède plusieurs appellations re, ri ou h11b si
IE
on utilise une représentation du transistor en quadripôle par la matrice hybride.
Circuit de sortie :
Le circuit de sortie est parcouru par un courant qui n'est fonction que du courant d'émetteur IE. Ce
courant est indépendant de la tension base-collecteur. On utilise pour le représenter un générateur de
courant idéal α.IE débitant sur une résistance r0 de valeur très grande.
E
h11=re
C
H21=α.IE
B
h22=r0
Figure 8 : Modélisation petits signaux du
montage base commune.
Le fonctionnement n'est que correctement décrit par le paramètre α mais en régime dynamique on
utilise plutôt le paramètre de transconductance gm qui va lier les variations du courant de sortie avec
les variations de la tension d'entrée.
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v e =r e . i e =r e.
ic


re
La sortie du transistor est chargée par une résistance RC, les gains en tension et en courant peuvent
R
A v =g m . R c = . c
re
s'exprimer par
A i ==g m . r e
Dans ce modèle on suppose qu'il n'existe pas de dépendance entre le circuit d'entrée et de sortie. En
réalité c'est faux il existe une capacité parasite entre le collecteur et l'émetteur, que nous négligerons
ici dans l'ensemble des calculs.
Réaliser le montage de la Figure 9. On fixera la tension VCC à 10V pour TOUTES les questions qui
vont suivre.
i c =g m . v e avec g m =
1MΩ à 500Ω
VEE
0 à 20V +
~
Vac1
C
E
R1=15kΩ
-
Vac2
IC
RC=1kΩ
+
IE
B
Vac3
Vac4
VCC
- 0 à 20V
Vac2 = 50 à 100mVeff
1kHz
Figure 9 : Montage base commune.
2- Gain en courant α en régime dynamique :
ic
On pose =
la sortie étant en court-circuit pour l'alternatif. On veux mesurer les
ie
courants ic et ie. Expliquer :
– pourquoi à partir des mesures des tensions Vac1, Vac2, Vac3, Vac4 il est possible de déterminer les
courant ie et ic?
– Pourquoi utilise-t-on ce type de mesure plutôt qu'une mesure directe avec un ampèremètre?
– Est-il possible de simplifier les calculs de ie et ic?
– Tracer la courbe ic= f(ie) pour des courants de polarisation IE de 200µA à 10mA.
– Faire varier la fréquence du générateur entre 100Hz et 1MHz, et retracer ic= f(ie).
– Conclusion.
–
–
–
–
–
3- Résistance d'entrée re ou h11b :
Remplacer la résistance RC par un court-circuit.
Tracer la courbe re= f(IE) pour des courants de polarisation IE variant entre 200µA à 10mA.
25 mV
La relation r e =
est-elle vérifiée?
IE
Faire varier la fréquence du générateur entre 100Hz et 1MHz, et retracer re= f(IE).
Interprétation des mesures.
Remarque :
La résistance d'entrée du transistor varie entre 250Ω et 5Ω lorsque le courant de polarisation passe
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de 200µA à 10mA. En plaçant une résistance de 15kΩ à l'entrée du transistor et immédiatement en
sortie du générateur de tension on fabrique vis à vis du transistor un générateur de courant.
–
–
–
–
–
–
–
–
–
4- Résistance de sortie r0 :
Supprimer le générateur Vac1 ainsi que la résistance R1.
Placer entre le collecteur du transistor et le court-circuit un transformateur en position abaisseur
de tension.
Remplacer le court-circuit de la maille de sortie par la résistance de RC= 1kΩ.
Brancher le générateur à l'entrée du transformateur.
Régler le générateur de manière que la tension de sortieVac3 soit de l'ordre de 1à 2Veff.
Régler les générateurs de tension continu pour avoir un courant IC= 1mA et une tension
VCB= 10V.
L'entrée étant en circuit ouvert vis à vis de l'alternatif. La tension du générateur alternatif fait
v ac4
v
v
et r 0 = ac3 = ac3 . R C .
circuler un courant is dans la maille de sortie tel que : i s =
RC
is
v ac4
Faire varier la fréquence du générateur de 50 à 10kHz et mesurer la résistance de sortie.
Conclusion.
B- Émetteur commun :
1-Modélisation en régime dynamique :
– Résistance d'entrée : h11e résistance d'entrée du quadripôle actif la sortie étant en cours circuit
v1
=r  ou r e ou r i input  ,
pour l'alternatif (v2= 0) h 11 e =
i 1
– Gain en courant : rapport des courants sortie/entrée, la sortie étant en cours circuit (v2= 0)
i
h 21 e = 2 = f ,
i 1
i 2 1
=
– Admittance de sortie : rapport des courants et tension de sortie pour i1= 0 h 22 e =
,
v2 r 0
– Rapport de transfert inverse en tension : rapport des tensions d'entrée et de sortie pour i1= 0
v
h 12 e = 1 =r  .
v2
On obtient le schéma
i1
i2
h11
v1
1
h 22
i1h21
v2h12
Figure 10 :
{ }{
v1 = h
h
i 2
11
21
h
h
12
22
v2
}{ }
. v2
i 1
On considérera les conditions de polarisation suivantes pour toute la partie en émetteur
commun, IC= 5mA et VCE= 5V. A vérifier de manière permanente pendant les manips.
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Méthodologie à appliquer :
1- Régler le courant IB par le générateur VEE, cela fixera automatiquement le courant IC. Expliquez
pourquoi ?
2- Vérifier de manière permanente la tension VCE pour avoir 5V. Expliquez ?
3- Vérifier que la tension de sortie du générateur reste constante. On réglera sa fréquence à 1kHz.
2- Résistance d'entrée h11e :
Réaliser le montage suivant :
R1=47kΩ
+
VEE
0 à 20V -
Vac1
RC=1kΩ
C
1MΩ à 500Ω
~
IC
B
IB
Vac2
+
E
Vac3
Vac4
VCC
- 0 à 20V
Figure 11 : Montage émetteur commun en petits signaux.
De manière à mesurer la résistance d'entrée on utilise la méthode de la demi-tension, pour selon :
1- On règle le générateur de manière à ce qu'il délivre 3mVeff.
2- On place à la sortie du générateur BF une résistance variable.
V
3- On fait varier cette résistance jusqu'à ce que V ac2 = ac1 .
2
Attention :
Cette méthode n'est valable que si la résistance interne du générateur est très faible par rapport à la
résistance à mesurer. Dans le cas contraire on considère le générateur Thévenin équivalent de fem
Vac1et résistance interne rg= 50Ω et on applique la demi-tension par rapport à la tension à vide.
V
Quand V ac2 = ac1 =R h 50  .
2
Faire la mesure pour IC = 1, 2, 5 et 10mA. Conclusion.
–
–
–
–
–
–
–
–
3- Mesure de β ou h21e :
Remplacer la résistance variable par une résistance en série dans la maille d'entrée de valeur très
grande 100k ou 1MΩ. Régler le générateur de manière à avoir une tension de l'ordre de 3 à
10mVeff en sortie de cette résistance.
Remplacer la résistance collecteur par une résistance de 100Ω.
Le courant de sortie est mesuré aux bornes de cette résistance. Puisqu'elle a été choisie
suffisamment faible par rapport à la résistance de sortie r0 du transistor pour que la maille de
sortie soit assimilable à un court-circuit.
Tracer la courbe de variation du gain en courant en fonction du courant continu de polarisation IC
pour 0,1mA à 10mA.
4- Résistance de sortie r0 ou h22e :
Supprimer le générateur BF et la résistance correspondante.
Insérer dans la maille de sortie entre le collecteur et la résistance RC un transformateur en
position élévateur de tension.
On réglera le générateur afin d'obtenir une tension de l'ordre de 3Vcc en sortie du transformateur.
Mesurer la résistance de sortie du transistor r0 pour de courants de polarisation de 1, 5 et 10mA.
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–
Refaire les mesures pour des fréquences de 50, 100, 500Hz.
C- Collecteur commun :
1-Modélisation en régime dynamique :
Rg
h11
i1h21
v2h12
eg
v1
i1
1
h 22
E
RC
i2
v2
Figure 12 : Montage collecteur commun en petits signaux.
En appliquant la loi des mailles au point E
v2
1
=
e g 1R g r   1  . R C .
Si on suppose que . R C ≫ R g r  .
– la résistance d'entrée devient R 1 =r  1  . R C ,
R g r 
– le résistance de sortie R 2 =
.
1
–
–
–
–
–
–
–
2- Impédance d'entrée ri :
Réaliser un montage identique à celui de la Figure 11. En plaçant le transistor en collecteur
commun.
Le générateur BF est placé dans la maille d'entrée.
Mesurer la résistance d'entrée par la méthode de la demi-tension pour des courant de polarisation
entre 1 et 100mA.
Remplacer la résistance RC par un court-circuit et refaire les mêmes mesures pour les mêmes
points de polarisation. On doit retrouver la valeur de rπ ou h11e.
La loi r i =r   1  . R C est-elle vérifiée?
Il faut vérifier en permanence les conditions de polarisation du transistor, sous peine
d'erreurs de mesure et de lecture.
3- Impédance de sortie :
Réaliser un montage identique au montage émetteur commun mesure de la résistance de sortie.
Mesurer la résistance de sortie pour des courants de polarisation variant de 1 à 100mA
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