Montages de base en électronique

Montages de base en
électronique
Livre d’exercices
Avec CD-ROM
D1
R1
UAC1
230 V
50 Hz
UDC
C1
R2
UAC2
D2
230 V/18 V
UDC
t
Festo Didactic
567295 fr
Référence :
567295
Édition :
09/2011
Auteur :
Karl-Heinz Drüke
Rédaction :
Frank Ebel
Graphisme :
Anika Kuhn, Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
Mise en page :
01/2014, Frank Ebel, Beatrice Huber
© Festo Didactic SE, 73770 Denkendorf, Allemagne, 2014
Internet : www.festo-didactic.com
E-mail : [email protected]
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Nota
Les termes enseignant, étudiant, etc. employés dans le présent document désignent aussi, bien
entendu, les enseignantes, étudiantes, etc. L'emploi d'un seul genre ne saurait constituer une
discrimination sexuelle, mais a simplement pour but de faciliter la lecture et la compréhension de
ce qui est dit.
Table des matières
Usage normal _____________________________________________________________________________ IV
Avant-propos ______________________________________________________________________________ V
Introduction ______________________________________________________________________________ VII
Instructions et consignes de sécurité ________________________________________________________ VIII
Ensemble de formation « Bases de l’électrotechnique/électronique » (TP 1011) ____________________ IX
Correspondance entre objectifs pédagogiques et travaux pratiques –
Montages de base de l’électronique ___________________________________________________________ X
Jeu d’équipement _________________________________________________________________________ XIII
Correspondance entre composants et travaux pratiques – Montages de base de l’électronique _______ XVIII
Notes à l'intention de l'enseignant ou du formateur______________________________________________ XX
Structure des travaux pratiques _____________________________________________________________ XXI
Désignation des composants _______________________________________________________________ XXI
Contenu du CD-ROM _______________________________________________________________________ XXII
Travaux pratiques et corrigés
TP 1
Étude des caractéristiques de transistors ____________________________________________ 3
TP 2
Distinction des montages de base de transistors _____________________________________ 21
TP 3
Étude d’amplificateurs à plusieurs étages ___________________________________________ 39
TP 4
Réalisation d’un amplificateur de puissance _________________________________________ 57
TP 5
Amplification de signaux de tension continue ________________________________________ 73
TP 6
Génération de tensions impulsionnelles et en dents de scie ____________________________ 91
TP 7
Réalisation de générateurs de signaux à l’aide de circuits LC et RC _____________________ 111
TP 8
Étude de montages d’alimentation secteur _________________________________________ 129
TP 9
Initiation aux convertisseurs de tension continue ____________________________________ 147
TP 10
Utilisation de thyristors et triacs __________________________________________________ 163
Travaux pratiques et fiches de travail
TP 1 :
Étude des caractéristiques de transistors ____________________________________________ 3
TP 2 :
Distinction des montages de base de transistors _____________________________________ 21
TP 3 :
Étude d’amplificateurs à plusieurs étages ___________________________________________ 39
TP 4 :
Réalisation d’un amplificateur de puissance _________________________________________ 57
TP 5 :
Amplification de signaux de tension continue ________________________________________ 73
TP 6 :
Génération de tensions impulsionnelles et en dents de scie ____________________________ 91
TP 7 :
Réalisation de générateurs de signaux à l’aide de circuits LC et RC _____________________ 111
TP 8 :
Étude de montages d’alimentation secteur _________________________________________ 129
TP 9 :
Initiation aux convertisseurs de tension continue ____________________________________ 147
TP 10 :
Utilisation de thyristors et triacs __________________________________________________ 163
© Festo Didactic 567295
III
Usage normal
L'ensemble de formation « Bases de l'électrotechnique/électronique » ne doit s'utiliser que :
•
pour un usage normal, c'est-à-dire dans le cadre de l'enseignement et de la formation, et
•
en parfait état sur le plan de la sécurité.
Les composants de l'ensemble de formation sont construits conformément à l’état de l’art et aux règles
techniques reconnues en matière de sécurité. Une utilisation non conforme peut néanmoins mettre en
danger la vie et la santé de l’utilisateur ou de tiers ainsi qu'affecter l’intégrité des composants.
Le système de formation de Festo Didactic est exclusivement destiné à la formation initiale et continue dans
le domaine de l’automatisation et de la technique. Il incombe à l’établissement de formation et/ou aux
formateurs de faire respecter par les étudiants les consignes de sécurité décrites dans le présent manuel de
travaux pratiques.
Festo Didactic décline par conséquent toute responsabilité pour les dommages causés aux étudiants, à
l’établissement de formation et/ou à des tiers du fait de l'utilisation de ce jeu d’équipement en dehors du
contexte d’une pure formation, à moins que ces dommages ne soient imputables à une faute intentionnelle
ou à une négligence grossière de Festo Didactic.
IV
© Festo Didactic 567295
Avant-propos
Le système de formation « Automatisation et Technique » de Festo Didactic part de différents niveaux
d’accès à la formation et objectifs professionnels. C’est dans cette optique qu'est structuré le système de
formation :
•
ensembles de formation axés sur les technologies ;
•
mécatronique et automatisation industrielle ;
•
automatisation de process et régulation ;
•
robotique mobile ;
•
usines-écoles hybrides.
Le système de formation « Automatisation et Technique » fait régulièrement l’objet de mises à jour et
extensions au fil des évolutions enregistrées dans le domaine de la formation et des techniques.
Les ensembles de formation technologique se penchent sur les technologies suivantes : pneumatique,
électropneumatique, hydraulique, électrohydraulique, hydraulique proportionnelle, automates
programmables, capteurs, électricité et actionneurs électriques.
La structure modulaire du système de formation permet de réaliser des applications allant au-delà des
limites des différents ensembles. Par exemple, il est possible de commander par automate programmable
des actionneurs pneumatiques, hydrauliques et/ou électriques.
© Festo Didactic 567295
V
Tous les ensembles de formation se composent des éléments suivants :
•
matériel ;
•
supports ;
•
séminaires.
Matériel
Le matériel des ensembles de formation est constitué de composants industriels et systèmes adaptés à une
approche didactique. Le choix et l'exécution des composants faisant partie des ensembles de formation
sont spécialement adaptés aux projets des supports d'accompagnement.
Supports
Les supports dédiés aux différents domaines de spécialité sont de deux types : didactiques et logiciels. Les
supports didactiques, axés sur la pratique, comprennent :
•
manuels de fond et de cours (ouvrages standard de dispense de connaissances fondamentales) ;
•
manuels de travaux pratiques (avec explications complémentaires et corrigés types) ;
•
lexiques, manuels, ouvrages spécialisés (donnant des informations plus détaillées sur des thèmes à
approfondir) ;
•
jeux de transparents et vidéos (permettant d'illustrer et de rendre plus vivant l'enseignement) ;
•
posters (pour la visualisation de sujets plus complexes).
Dans le domaine du logiciel, des programmes sont disponibles pour les applications suivantes :
•
didacticiels (présentation pédagogique et multimédia de contenus de formation) ;
•
logiciels de simulation ;
•
logiciels de visualisation ;
•
logiciels de mesure ;
•
logiciels de conception et de configuration ;
•
logiciels de programmation d'automates programmables industriels.
Les supports destinés aux formateurs et aux étudiants sont disponibles en plusieurs langues. Ils sont
conçus pour l’enseignement, mais se prêtent aussi à l’autoformation.
Séminaires
Un large éventail de séminaires consacrés aux contenus des ensembles de formation complète l’offre de
formation initiale et continue.
Vous avez des suggestions ou des critiques à propos de ce manuel ?
N'hésitez pas à nous en faire part par courriel à : [email protected]
Les auteurs et Festo Didactic vous en remercient d'avance.
VI
© Festo Didactic 567295
Introduction
Le présent manuel de travaux pratiques fait partie du système de formation « Automatisation et Technique »
de la société Festo Didactic SE. Ce système constitue une solide base de formation initiale et continue axée
sur la pratique. L'ensemble de formation « Bases de l'électrotechnique/électronique » (TP 1011) traite des
thèmes suivants :
•
bases du courant continu ;
•
bases du courant alternatif ;
•
bases des semi-conducteurs ;
•
montages de base de l'électronique.
Le manuel de travaux pratiques « Montages de base de l’électronique » clôt la série des manuels de travaux
pratiques consacrés aux bases de l’électrotechnique/électronique. L’accent y est surtout mis sur l’examen
analytique des interactions entre les composants déjà abordés dans les trois premiers ouvrages de base.
La réalisation et l'étude des montages supposent de disposer d'un poste de travail de laboratoire équipé
d'une alimentation secteur protégée, de deux multimètres numériques, d'un oscilloscope à mémoire et de
cordons de laboratoire sécurisés.
Le jeu d’équipement TP 1011 permet de réaliser les montages complets des 10 travaux pratiques sur le
thème « Montages de base de l’électronique ».
Des fiches techniques des différents composants (diodes, transistors, appareils de mesure, etc.) sont en
outre disponibles.
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VII
Instructions et consignes de sécurité
Généralités
•
Les étudiants ne doivent travailler sur les montages que sous la surveillance d’une formatrice ou d’un
formateur.
•
Respectez les indications données dans les fiches techniques des différents composants, en particulier
toutes les consignes de sécurité !
•
La formation ne doit être à l'origine d'aucune panne susceptible d'affecter la sécurité ; les pannes
éventuelles doivent être immédiatement éliminées.
Électricité
•
Danger de mort en cas de coupure du conducteur de protection !
–
La continuité du conducteur de protection (jaune/vert) ne doit être interrompue ni à l'extérieur ni à
l'intérieur de l'appareillage.
–
•
L'isolation du conducteur de protection ne doit être ni endommagée ni supprimée.
Dans les établissements industriels ou artisanaux, il conviendra de respecter les directives des
organismes professionnels, et notamment celles des mutuelles d'assurance accident applicables aux
matériels électriques.
•
Dans les établissements scolaires et de formation, l'utilisation d'alimentations secteur sera placée sous
la responsabilité et la surveillance de personnels qualifiés.
•
Attention !
Des condensateurs intégrés à l'appareil peuvent encore être chargés même après coupure de toutes les
sources de tension.
•
Lors du remplacement de fusibles : n'utilisez que les fusibles prescrits, à courant nominal et
caractéristiques de déclenchement voulus.
•
Ne mettez jamais immédiatement sous tension votre bloc d'alimentation secteur s'il vient de passer
d'une pièce froide à une pièce chaude. La condensation susceptible de se former pourrait alors détruire
l'appareil. Laissez d'abord l'appareil prendre la température ambiante.
•
N'utilisez pour l'alimentation des montages des différents travaux pratiques que des très basses
•
N'effectuez les branchements électriques qu'en l'absence de tension.
•
N'effectuez les débranchements électriques qu'en l'absence de tension.
•
N’utilisez pour les branchements électriques que des cordons de liaison dotés de connecteurs de
tensions d'au maximum 25 V DC.
sécurité.
•
VIII
Pour débrancher les cordons de liaison, tirez sur les connecteurs, pas sur les cordons.
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Ensemble de formation « Bases de l’électrotechnique/électronique » (TP
1011)
L'ensemble de formation TP 1011 se compose d’une multitude de moyens de formation. Cette partie de
l'ensemble de formation TP 1011 a pour objet les montages de base de l’électronique. Certains composants
de l’ensemble de formation TP 1011 peuvent également faire partie d’autres ensembles.
Composants importants du TP 1011
•
Poste de travail bien stable équipé du panneau de montage universel EduTrainer®
•
Jeu de composants « Électrotechnique/électronique » avec cavaliers et cordons de laboratoire sécurisés
•
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
•
Équipements complets de laboratoire
Supports
Les supports associés à l'ensemble de formation TP 1011 comprennent des des manuels de travaux
pratiques. Les manuels de travaux pratiques contiennent, pour chacun des TP, les fiches de TP et fiches de
travail, le corrigé de chaque chaque fiche de travail et un CD-ROM. Un jeu de fiches de TP et fiches de travail
est joint à chaque manuel de travaux pratiques.
Les fiches techniques des composants sont fournies sur le CD-ROM joint à l'ensemble de formation.
Supports
Mémento
Manuels de travaux pratiques
Électrotechnique/Électronique
Bases du courant continu
Bases du courant alternatif
Bases des semi-conducteurs
Montages de base de l'électronique
Didacticiels
WBT Électricité 1 – Bases de l'électrotechnique
WBT Électricité 2 – Circuits à courant continu et alternatif
WBT Électronique 1 – Bases des semi-conducteurs
WBT Électronique 2 – Circuits intégrés
WBT Mesures de protection électriques
Aperçu des supports associés à l'ensemble de formation TP 1011
Le logiciel disponible pour l'ensemble de formation TP 1011 comprend les didacticiels Électricité 1,
Électricité 2, Électronique 1, Électronique 2 et Mesures de protection électriques. Ces didacticiels traitent en
détail des bases de l'électricité/électronique. Les contenus sont abordés à la fois du point de vue
systématique et en référence aux applications, sous la forme d'exemples pratiques.
Les supports sont proposés en plusieurs langues. Vous trouverez d’autres moyens de formation dans nos
catalogues et sur Internet.
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IX
Correspondance entre objectifs pédagogiques et travaux pratiques –
Montages de base de l’électronique
TP 1 : Caractéristiques de transistors
•
Vérifier le bon fonctionnement de transistors.
•
Déterminer le gain en courant B de transistors.
•
Connaître les valeurs typiques du gain en courant de transistors.
•
Transformer des montages à transistor NPN en montages à transistor PNP.
•
Déterminer le gain en tension d'un montage.
•
Connaître les effets d'un réglage du point de fonctionnement.
•
Connaître l'effet d'une saturation d'un amplificateur.
•
Connaître la différence entre un montage émetteur suiveur et un montage émetteur commun.
•
Reconnaître les trois montages de base d’un transistor.
•
Mesurer le gain en tension de montages à transistor.
•
Connaître le gain en tension typique des montages de base d’un transistor.
•
Savoir quel montage de base d’un transistor entraîne un déphasage de 180°.
•
Savoir quels montages de base d’un transistor fonctionnent sans inversion.
•
Indiquer les résistances d'entrée et de sortie typiques des montages de base.
•
Mesurer les résistances d'entrée et de sortie de montages amplificateurs.
TP 2 : Montages de base de transistors
TP3 : Amplificateur à plusieurs étages
X
•
Savoir ce qu’est un montage Darlington.
•
Connaître un montage Darlington complémentaire.
•
Mesurer des courants de l'ordre du nanoampère.
•
Savoir ce qu’est une contre-réaction négative.
•
Programmer le gain à l’aide de deux résistances.
•
Générer des signaux de mesure de l'ordre du millivolt.
•
Relever la réponse en fréquence d'un amplificateur.
•
Déterminer les fréquences de coupure d'amplificateurs.
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TP 4 : Amplificateur de puissance
•
Régler le point de fonctionnement dans des montages à tensions d'alimentation positive et négative.
•
Reconnaître une contre-réaction négative.
•
Reconnaître les composants qui déterminent le gain GU d’un montage.
•
Reconnaître si un amplificateur est un amplificateur de puissance ou un amplificateur de tension.
•
Reconnaître un étage de sortie à amplification symétrique ou « push-pull ».
•
Savoir ce que sont les distorsions de croisement.
•
Savoir comment une contre-réaction négative réagit à des distorsions du signal.
•
Distinguer le fonctionnement en mode B et le fonctionnement en mode AB d'un étage de sortie.
•
Mesurer sans ampèremètre le courant de repos d'un étage de sortie.
•
Déterminer la puissance de sortie d'un amplificateur.
•
Reconnaître la structure typique du montage de base d'un amplificateur différentiel.
•
Déterminer indirectement les courants dans des montages.
•
Connaître les propriétés typiques d'un amplificateur différentiel.
•
Relever et tracer les deux caractéristiques Uout = f(Uin) de l’amplificateur différentiel.
•
Connaître la différence entre amplification différentielle et amplification de mode commun.
•
Savoir obtenir une grande réjection de mode commun et quand cette propriété est nécessaire.
•
Reconnaître une source/un puits de courant constant et en calculer le courant.
•
Savoir ce qu’est un comparateur.
•
Réaliser un interrupteur crépusculaire et en expliquer le fonctionnement.
•
Savoir ce qu’est une contre-réaction positive et quel est son effet.
•
Connaître la structure et les propriétés typiques d'un amplificateur de tension continue.
•
Savoir ce qu’est un décalage ou « offset » et comment le compenser.
TP 5 : Amplificateur différentiel et amplificateur de tension continue
TP 6 : Générateurs d’impulsions et de dents de scie
•
Connaître le montage de base du multivibrateur astable classique (MVA).
•
Connaître les propriétés typiques d'un multivibrateur astable.
•
Connaître les propriétés d'un « trigger ».
•
Mesurer et calculer les seuils de commutation et l'hystérésis d'un « trigger ».
•
Réaliser un générateur de signaux carrés à partir d'un « trigger » et d'un circuit RC.
•
Mesurer et calculer les impulsions de différents générateurs de signaux carrés.
•
Savoir ce qu’est la modulation de largeur d’impulsions (MLI ou PWM) et où on l’utilise.
•
Connaître les propriétés d’une bascule monostable.
•
Mesurer la capacité de condensateurs.
•
Dimensionner les circuits conditionnant les paramètres de temps de divers montages à impulsions.
•
Savoir comment fonctionne un transistor unijonction (TUJ ou UJT) et comment le tester.
•
Transformer des tensions en dents de scie courbes en tensions linéairement croissantes.
© Festo Didactic 567295
XI
TP 7 : Générateurs de signaux sinusoïdaux
•
Connaître les propriétés typiques d’un circuit oscillant LC.
•
Déterminer par la mesure et le calcul la fréquence de résonance d'un circuit oscillant.
•
Reconnaître un circuit oscillant en montage à trois points.
•
Déterminer le facteur de couplage de la partie d'un montage qui conditionne la fréquence.
•
Réaliser et mettre en service des oscillateurs LC.
•
Déterminer à l’aide d’un oscillateur l'inductance de bobines inconnues.
•
Connaître le principe des capteurs de proximité inductifs.
•
Réaliser et mettre en service un détecteur de métaux.
•
Connaître le montage de base et les propriétés d'un pont de Wien.
•
Connaître la structure d’un générateur RC de signaux sinusoïdaux à pont de Wien.
•
Vous familiariser avec le problème du réglage du gain sur les générateurs RC.
TP 8 : Montages d’alimentation secteur
•
Savoir quel est le rôle du bloc d'alimentation secteur dans les appareils électroniques.
•
Connaître les trois principaux montages redresseurs des alimentations secteur.
•
Connaître le contexte des notions de redresseurs simple alternance et double alternance.
•
Localiser le « condensateur de charge » dans un montage.
•
Déterminer la résistance interne ou la résistance de sortie de sources de tension.
•
Savoir à quoi correspond la notion de « tension de référence ».
•
Savoir comment fonctionne un régulateur de tension électronique.
•
Calculer la tension de sortie de montages régulateurs de tension.
•
Connaître la fonction et le mode de fonctionnement d'un limiteur de courant dans les blocs
d'alimentation secteur.
TP 9 : Convertisseurs de tension continue
XII
•
Savoir comment se comporte le courant dans une bobine à l’application d’une tension continue.
•
Savoir comment réagit la tension aux bornes d’une bobine à la coupure du courant.
•
Mesurer indirectement l’allure du courant dans une bobine et la visualiser à l’oscilloscope.
•
Utiliser comme interrupteur électronique un transistor PNP alimenté en tension positive.
•
Convertir une tension continue positive en une tension négative.
•
Transformer une faible tension continue en une tension de plus grande amplitude.
•
Réaliser à partir d’un transistor et d’un transformateur un oscillateur bloqué.
•
Savoir ce qu’est une pompe de charge.
•
Savoir comment stabiliser la tension de sortie de convertisseurs de tension.
© Festo Didactic 567295
TP 10 : Thyristors et triacs
•
Savoir en quoi se distingue le comportement d’un thyristor de celui d’un transistor.
•
Savoir à quoi correspond la notion de SCR ou redresseur commandé.
•
Savoir à quelle condition un thyristor « s’amorce ».
•
Savoir quand un thyristor conducteur se rebloque.
•
Vérifier le bon fonctionnement d’un thyristor avec des moyens simples.
•
Connaître la différence entre un thyristor et un triac.
•
Savoir comment commander des thyristors en mode flottant ou isolé.
•
Savoir comment commuter un courant continu ou alternatif à l’aide de thyristors.
•
Connaître le mode de fonctionnement d’un relais statique (semi-conducteur).
•
Vous familiariser avec le mode de fonctionnement d’une commande à coupure de phase.
Jeu d'équipement
Le manuel de travaux pratiques « Montages de base de l’électronique » dispense des connaissances sur la
structure, le mode de fonctionnement et le comportement de montages amplificateurs, montages
d’alimentation, bascules et montages de l’électronique de puissance.
Le jeu d'équipement « Bases de l'électrotechnique/électronique » (TP 1011) comprend tous les composants
nécessaires à l'acquisition des compétences définies par les objectifs pédagogiques fixés. La réalisation et
l'analyse de montages opérationnels exigent en outre deux multimètres numériques, un oscilloscope à
mémoire et des cordons de laboratoire sécurisés.
Jeu d'équipement « Bases de l'électrotechnique/électronique », Réf. 571780
Composant
Référence
Quantité
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
567321
1
Panneau de montage universel EduTrainer®
567322
1
Jeu de composants « Électrotechnique/électronique »
567306
1
Jeu de cavaliers, 19 mm, gris-noir
571809
1
© Festo Didactic 567295
XIII
Aperçu du jeu de composants « Électrotechnique/électronique », Réf. 567306
Composant
XIV
Quantité
Résistance, 10 Ω/2 W
1
Résistance, 22 Ω/2 W
2
Résistance, 33 Ω/2 W
1
Résistance, 100 Ω/2 W
2
Résistance, 220 Ω/2 W
1
Résistance, 330 Ω/2 W
1
Résistance, 470 Ω/2 W
2
Résistance, 680 Ω/2 W
1
Résistance, 1 kΩ/2 W
3
Résistance, 2,2 kΩ/2 W
2
Résistance, 4,7 kΩ/2 W
2
Résistance, 10 kΩ/2 W
3
Résistance, 22 kΩ/2 W
3
Résistance, 47 kΩ/2 W
2
Résistance, 100 kΩ/2 W
2
Résistance, 1 MΩ/2 W
1
Potentiomètre, 1 kΩ/0,5 W
1
Potentiomètre, 10 kΩ/0,5 W
1
Thermistance (CTN), 4,7 kΩ/0,45 W
1
Photorésistance (LDR), 100 V/0,2 W
1
Varistance (VDR), 14 V/0,05 W
1
Condensateur, 100 pF/100 V
1
Condensateur, 10 nF/100 V
2
Condensateur, 47 nF/100 V
1
Condensateur, 0,1 μF/100 V
2
Condensateur, 0,22 μF/100 V
1
Condensateur, 0,47 μF/100 V
2
Condensateur, 1,0 μF/100 V
2
Condensateur, 10 μF/250 V, polarisé
2
Condensateur, 100 μF/63 V, polarisé
1
Condensateur, 470 μF/50 V, polarisé
1
© Festo Didactic 567295
Composant
Quantité
Bobine, 100 mH/50 mA
1
Diode, AA118
1
Diode, 1N4007
6
Diode Zener, ZPD 3,3
1
Diode Zener, ZPD 10
1
Diac, 33 V/1 mA
1
Transistor NPN, BC140, 40 V/1 A
2
Transistor NPN, BC547, 50 V/100 mA
1
Transistor PNP, BC160, 40 V/1 A
1
Transistor JFET canal P, 2N3820, 20 V/10 mA
1
Transistor JFET canal N, 2N3819, 25 V/50 mA
1
Transistor unijonction, 2N2647, 35 V/50 mA
1
Transistor MOSFET canal P, BS250, 60 V/180 mA
1
Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A
1
Triac, TIC206, 400 V/4 A
1
Bobine de transformateur, N = 200
1
Bobine de transformateur, N = 600
2
Noyau de transformateur avec support
1
Voyant, 12 V/62 mA
1
Diode électroluminescente (LED), 20 mA, bleue
1
Diode électroluminescente (LED), 20 mA, rouge ou verte
1
Inverseur
1
© Festo Didactic 567295
XV
Symboles graphiques du jeu d'équipement
Composant
Symbole graphique
Composant
Résistance
Diode Zener
Potentiomètre
Diac
Thermistance (CTN)
Transistor NPN
Photorésistance (LDR)
Transistor PNP
Varistance (VDR)
Transistor JFET canal P
Symbole graphique
U
Condensateur
XVI
Transistor JFET canal N
© Festo Didactic 567295
Composant
Symbole graphique
Composant
Condensateur, polarisé
Transistor unijonction
Bobine
Transistor MOSFET canal P
Diode
Thyristor
Triac
LED bleue
Bobine de transformateur
LED rouge ou verte
Voyant
Inverseur
© Festo Didactic 567295
Symbole graphique
XVII
Correspondance entre composants et travaux pratiques – Montages de
base de l’électronique
TP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
2
1
4
4
2
4
Composant
Diode, 1N4007
Condensateur électrolytique, 10 µF
1
2
2
Condensateur électrolytique, 100 µF
Condensateur électrolytique, 220 µF
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Condensateur électrolytique, 470 µF
1
Transistor JFET, 2N3819
1
Transistor JFET, 2N3820
1
Condensateur, 1 nF
1
Condensateur, 10 nF
1
2
Condensateur, 47 nF
2
1
Condensateur, 0,1 µF
1
Condensateur, 0,22 µF
1
1
2
2
1
1
1
Condensateur, 0,47 µF
1
Condensateur, 1 µF
1
Diode électroluminescente, 20 mA, bleue
1
1
1
1
1
1
Diode électroluminescente, 20 mA, rouge ou verte
1
1
1
1
1
1
Bobine, 100 mH/50 mA
1
1
1
1
1
1
1
Thyristor, TIC106
1
Triac, TIC206
1
Bobine de transformateur, N = 200
Bobine de transformateur, N = 600
1
Noyau de transformateur avec support
XVIII
1
1
Voyant, 12 V/62 mA
Potentiomètre, 10 kΩ
1
Transistor, BC140
1
Transistor, BC160
1
Transistor, BC547
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Transistor unijonction, 2N2647
1
1
Inverseur
1
1
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TP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Composant
Résistance, 10 Ω
1
1
Résistance, 33 Ω
1
Résistance, 100 Ω
1
1
2
1
1
1
1
1
1
Résistance, 220 Ω
1
Résistance, 330 Ω
1
Résistance, 470 Ω
1
1
Résistance, 680 Ω
Résistance, 1 kΩ
1
2
Résistance, 2,2 kΩ
Résistance, 22 kΩ
2
5
1
Résistance, 4,7 kΩ
1
1
3
2
2
1
2
5
2
3
2
1
1
1
4
2
4
3
2
1
2
22
2
1
2
1
1
2
2
2
Résistance, 10 kΩ
2
1
2
1
6
3
4
4
2
3
Résistance, 47 kΩ
1
1
1
1
1
3
2
2
2
3
Résistance, 100 kΩ
1
1
4
2
1
1
2
1
1
1
Résistance, 1 MΩ
Photorésistance (LDR)
Diode Zener, ZPD10
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1
1
1
XIX
Notes à l'intention de l'enseignant ou du formateur
Objectifs pédagogiques
L'objectif pédagogique général du présent manuel est la réalisation et l’analyse d’un certain nombre de
montages de base. Les montages en question sont notamment des montages d'alimentation, des montages
d'amplification, des bascules et des montages de l'électronique de puissance. L’interaction directe entre
théorie et pratique est le garant de progrès rapides et durables. Des objectifs pédagogiques plus concrets
sont affectés à chaque travail pratique.
Temps alloué
Le temps nécessaire à la réalisation d’un TP dépend des connaissances préalables des étudiants. On
comptera environ 1 heure à 1 heure 1/2 par TP.
Composants du jeu d'équipement
Le manuel de travaux pratiques et le jeu d'équipement sont parfaitement harmonisés. Pour les 10 TP, vous
n’avez besoin que des composants d’un seul jeu d’équipement TP 1011.
Normes
Le présent manuel de travaux pratiques applique les normes suivantes :
EN 60617-2 à EN 60617-8
Symboles graphiques pour schémas
EN 81346-2
Systèmes industriels, installations et appareils, et produits industriels ;
principes de structuration et désignations de référence
CEI 60364-1
(DIN VDE 0100-100)
Édification d´installations à basse tension – Principes généraux,
Principes fondamentaux, détermination des caractéristiques
générales, définitions
CEI 60346-4-41
Édification d´installations à basse tension – Mesures de protection, (
(DIN VDE 0100-410)
Protection contre les chocs électriques
Repérage dans le manuel de travaux pratiques
Le texte des corrigés et les compléments donnés dans les graphiques ou diagrammes sont repérés en
rouge.
Exception : Les indications et conclusions concernant le courant sont toujours repérées en rouge, celles
concernant la tension toujours en bleu.
Repérage dans les fiches de travail
Les textes à compléter sont repérés par des lignes ou des cases grisées dans les tableaux.
Les graphiques à compléter sont sur fond tramé.
XX
© Festo Didactic 567295
Corrigés
Les corrigés indiqués dans le présent manuel de travaux pratiques sont le résultat de mesures effectuées
lors d'essais. Les résultats de vos mesures peuvent différer de ces valeurs.
Thèmes d'apprentissage
Pour l'apprentissage du métier d'électronicien/ne, le thème « Montages de base de l’électronique » fait
partie du volet 1 du programme du centre de formation.
Structure des travaux pratiques
Les 10 travaux pratiques ont la même structure méthodologique. Ils se divisent en :
•
Titre
•
Objectifs pédagogiques
•
Énoncé du problème
•
Montage ou schéma d'implantation
•
Travaux à exécuter
•
Ressources
•
Fiches de travail
Le manuel de travaux pratiques contient les corrigés de chacune des fiches de travail du recueil de travaux
pratiques.
Désignation des composants
La désignation des composants représentés dans les schémas s'inspire de la norme EN 81346-2. Des lettres
sont attribuées en fonction du composant. Les composants existant en plusieurs exemplaires dans un
circuit sont numérotés en continu.
Résistances :
R, R1, R2, ...
Condensateurs :
C, C1, C2, …
Auxiliaires de signalisation :
P, P1, P2, ...
Nota
Quand des résistances et condensateurs sont considérés comme grandeurs physiques, leur lettre
de désignation est en italique (symbole de formule). Si une numérotation est nécessaire, les
chiffres sont traités comme indices.
© Festo Didactic 567295
XXI
Contenu du CD-ROM
Le manuel de travaux pratiques figure sous forme de fichier pdf sur le CD-ROM fourni. Celui-ci met en outre
à votre disposition des supports complémentaires.
Le CD-ROM comporte les dossiers suivants :
•
Notices d'utilisation
•
Illustrations
•
Présentations
•
Informations sur les produits
Notices d’utilisation
Des notices d’utilisation sont ici disponibles pour différents composants de l'ensemble de formation. Elles
aident à mettre en service et à utiliser les composants.
Illustrations
Des photos et graphiques de composants et applications industrielles sont ici fournis. Ils vous permettent
d’illustrer vos propres travaux pratiques. Les présentations de projets peuvent également être complétées
par utilisation de ces illustrations.
Présentations
Ce dossier contient des présentations succinctes des montages de l'ensemble de formation. Ces
présentations peuvent s’utiliser, par exemple, pour la réalisation de présentations de projets.
Informations sur les produits
Ce dossier contient des informations du fabricant pour un certain nombre de composants. La représentation
et la description des composants sous cette forme ont pour but de montrer comment sont présentés ces
composants dans un catalogue industriel. Vous y trouverez en outre des informations complémentaires sur
les composants.
XXII
© Festo Didactic 567295
Table des matières
Travaux pratiques et corrigés
TP 1 :
Étude des caractéristiques de transistors ____________________________________________ 3
TP 2 :
Distinction des montages de base de transistors _____________________________________ 21
TP 3 :
Étude d’amplificateurs à plusieurs étages ___________________________________________ 39
TP 4 :
Réalisation d’un amplificateur de puissance _________________________________________ 57
TP 5 :
Amplification de signaux de tension continue ________________________________________ 73
TP 6 :
Génération de tensions impulsionnelles et en dents de scie ____________________________ 91
TP 7 :
Réalisation de générateurs de signaux à l’aide de circuits LC et RC _____________________ 111
TP 8 :
Étude de montages d’alimentation secteur _________________________________________ 129
TP 9 :
Initiation aux convertisseurs de tension continue ____________________________________ 147
TP 10 :
Utilisation de thyristors et triacs __________________________________________________ 163
© Festo Didactic 567295
1
2
© Festo Didactic 567295
TP 1
Étude des caractéristiques de transistors
Objectifs pédagogiques
Lorsque vous aurez fait ce TP, vous aurez appris à
•
vérifier le bon fonctionnement de transistors ;
•
déterminer le gain en courant B de transistors ;
•
connaître les valeurs typiques du gain en courant de transistors ;
•
transformer des montages à transistor NPN en montages à transistor PNP ;
•
déterminer le gain en tension d'un montage ;
•
connaître les effets d'un réglage du point de fonctionnement ;
•
connaître l'effet d'une saturation d'un amplificateur.
Problème
Vous travaillez dans une entreprise qui fabrique et répare des amplificateurs HiFi classiques. Dans le cadre
de votre mise au courant, vous devez vous familiariser avec le comportement des transistors et leurs
caractéristiques typiques.
Pour ce faire, vous réaliserez un montage de test permettant de déterminer le gain en courant de
transistors. En modifiant légèrement le montage, vous étudierez ensuite comment un transistor se
transforme en amplificateur de tension.
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3
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Travaux à exécuter
1. Réalisez un montage de test à l’aide du transistor NPN BC140 et déterminez son gain en courant B pour
les valeurs IC = 1 mA, 5 mA et 10 mA du courant collecteur.
2. Déterminez à titre de comparaison le gain en courant B du transistor BC547.
3. Transformez le montage de telle manière qu’il permette de tester des transistors PNP et déterminez le
gain en courant B du transistor BC160.
4. Réalisez un montage expérimental dans lequel des transistors sont commandés (sans destruction) par
une tension continue. Familiarisez-vous avec le principe de l’amplification de tension.
5. Déterminez à l’aide du montage expérimental le gain en tension GU en cas d’utilisation des transistors
BC140 et BC547.
6. Complétez le montage expérimental de manière à ce qu’un transistor BC140 puisse en outre être
commandé par une tension alternative. Familiarisez-vous avec le principe de l’amplification de tension
alternative.
7. Étudiez la relation entre réglage du point de fonctionnement et distorsions du signal de sortie.
8. Précisez si le montage expérimental est un montage émetteur commun, base commune ou collecteur
commun.
Ressources
4
•
Manuels de cours, mémentos
•
Extraits de catalogues de fabricants
•
Fiches techniques
•
Internet
•
WBT Électronique 1 et Électronique 2
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Information
Connaissances de base sur les diodes et les transistors
Les diodes et les transistors sont constitués d’un matériau semi-conducteur, généralement du
silicium. Les semi-conducteurs peuvent être influencés par l’intégration d’atomes étrangers
(« dopage ») de telle manière que le transport du courant à l’intérieur se fasse soit par porteurs de
charge négatifs (« électrons »), soit par porteurs de charge positifs (« trous » ou « défauts
d’électrons »). Les semi-conducteurs modifiés de cette manière s’appellent en conséquence semiconducteurs de type N ou de type P.
L’association d’une couche de type P et d’une couche de type N donne une jonction PN. Elle ne
laisse passer le courant électrique que dans un sens et agit ainsi comme un clapet électrique ou
« diode ». Le mode de fonctionnement de la diode s’explique aisément à l’aide de la loi
fondamentale de l’électricité selon laquelle « Les charges de nom différent s’attirent, les charges
de même nom se repoussent ».
Diode semi-conductrice – Symbole et structure
•
Sens bloqué ou inverse
Quand on relie la zone N de la jonction PN au pôle positif (plus) d’une source de tension et la
zone P au pôle négatif (moins), les porteurs de charge présents dans le semi-conducteurs sont
attirés vers l’extérieur.
Il en résulte au niveau de la jonction PN une large zone dépourvue de porteurs de charge, qui
agit comme une couche isolante et empêche ainsi la circulation d’un courant. La jonction PN (la
•
diode) se bloque.
Sens passant ou direct
Si l’on inverse les polarités de la source de tension extérieure (plus appliqué à la zone P, moins
à la zone N), les porteurs de charge sont repoussés les uns vers les autres dans les deux zones
et peuvent alors (après avoir dépassé une certaine « tension de seuil ») surmonter la jonction
•
PN. Il circule alors un courant. La diode est conductrice.
La connexion d’une diode reliée à la zone N s’appelle la cathode, celle menant à la zone P
•
l’anode.
Le flèche sur le symbole de la diode indique le sens de passage du courant.
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5
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Les transistors (ou plus précisément les transistors « bipolaires ») se composent de trois couches
semi-conductrices, soit dans l’ordre N-P-N, soit dans l’ordre P-N-P. La couche du milieu est la
« base », les deux couches extérieures étant désignées par « émetteur » et « collecteur ». C’est la
raison pour laquelle les connexions d’un transistor sont généralement identifiées par les simples
lettres E, B et C.
Transistors NPN et PNP – Structure et symbole
La tension d’alimentation d’un transistor doit toujours être polarisée de telle manière que les
porteurs de charge de la zone émetteur soient attirés vers le collecteur. Comme les charges de
noms opposés s’attirent, il en résulte :
• Les transistors NPN s’alimentent par une tension collecteur-émetteur UCE positive.
•
Les transistors PNP s’alimentent par une tension collecteur-émetteur UCE négative.
Sans tension de base, aucune circulation de porteurs de charge ne peut toutefois avoir lieu de
l’émetteur au collecteur. La couche de base empêche, en effet, que la force d’attraction du
collecteur ne s’exerce jusqu’à la zone émetteur. Ce n’est que quand une tension de base fait passer
des porteurs de charge de la (mince) couche de base dans la zone émetteur qu’ils entrent dans la
zone d’attraction du collecteur et y sont acheminés en majeure partie vers le collecteur. Pour attirer
les porteurs de charge de l’émetteur vers la base, la tension base-émetteur UBE doit avoir la même
polarité que la tension collecteur-émetteur UCE. Autrement dit :
•
Les transistors NPN deviennent conducteurs pour une tension base-émetteur UBE positive
•
Les transistors PNP deviennent conducteurs pour une tension base-émetteur UBE négative.
Ce qui explique en même temps la fonction élémentaire du composant amplificateur qu’est le
transistor : une tension base-émetteur UBE relativement faible permet de commander l’intensité du
courant de porteurs de charge circulant de l’émetteur au collecteur du transistor. Mais pour
commander le courant collecteur, on peut aussi imposer un courant base IB. Tout courant base
engendre automatiquement une certaine tension base-émetteur UBE et, en fonction de cette
dernière, un certain courant collecteur IC. La relation entre courant collecteur IC et courant base IB
est toutefois nettement plus linéaire qu’entre IC et UBE. Le rapport IC / IB s’appelle gain en courant B
du transistor. Il peut varier d’un transistor à l’autre et est généralement compris entre 50 et 500.
6
© Festo Didactic 567295
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Le schéma équivalent d’un transistor représente encore plus simplement son mode de
fonctionnement : la jonction base-émetteur du transistor se comporte comme une diode en direct
(sens passant). Le courant base IB qui la traverse engendre entre émetteur et collecteur un courant
IC B fois plus grand. Le symbole d’un injecteur de courant indique que le courant collecteur est
largement indépendant de l’amplitude de la tension collecteur.
Transistor NPN – Schéma équivalent
Sur le symbole du transistor, l’émetteur est repéré par une flèche. Indépendamment de ce qui se
passe à l’intérieur du transistor, le sens de la flèche sur le symbole correspond toutefois au sens
technique du courant. La règle pour les symboles de composants semi-conducteurs est la suivante :
la flèche soit pointe vers une zone P, soit vient d’une zone N. (Moyen mnémotechnique : P =
extrémité « pointue » de la flèche, N = extrémité « nue » de la flèche).
Que fait un amplificateur ?
Le micro d’un téléphone transforme les ondes sonores produites par de la parole ou de la musique
en tensions alternatives de quelques millivolts. Ce signal est toutefois trop faible pour attaquer
directement un écouteur ou un haut-parleur. Ces derniers ont, en effet, besoin de quelques volts
pour une reproduction bien audible. Il faut donc intercaler un amplificateur entre micro et écouteur
ou haut-parleur. Pour générer le signal de sortie, tout amplificateur a besoin d’une tension
(continue) d’alimentation.
Amplificateur – Symbole
Les pages qui suivent vous apprendront le mode de fonctionnement d’amplificateurs à transistors
ou « transistorisés ».
© Festo Didactic 567295
7
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
1. Gain en courant du transistor NPN BC140
Information
Le transistor en amplificateur de courant
Le montage qui suit vous permet de vérifier le mode de fonctionnement de transistors NPN. Le
diviseur de tension variable (potentiomètre) R permet de régler le courant base IB du transistor.
Chaque courant base (dans un transistor intact) produit un courant collecteur IC bien plus grand. En
divisant la valeur mesurée pour IC par celle mesurée pour IB, on obtient le gain en courant B du
transistor sous test.
B=
IC
IB
Les deux résistances R1 et R2 sont des résistances dites de protection. Elles limitent le courant
base et le courant collecteur à des valeurs permettant de ne pas endommager le transistor en cas
de manipulation sans précaution du potentiomètre R.
Montage de mesure du gain en courant B
Repère
Désignation
Paramètre
R1
Résistance
10 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ (selon l’exercice)
R2
Résistance
1 kΩ
R
Potentiomètre
10 kΩ
K1
Transistor
BC140, BC547, BC160 (selon l’exercice)
Liste des composants
8
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
a) Réalisez à présent le montage de test à l’aide d’un transistor BC140 et réglez IC = 1 mA. Lisez le courant
base IB et notez sa valeur. Calculez à partir des valeurs mesurées le gain en courant B du transistor
étudié. Répétez la mesure pour IC = 5 mA et 10 mA. Reportez les valeurs sous BC140 (1) dans le
tableau.
Transistor
BC140 (1)
BC140 (2)
BC547
BC160
IC [mA]
1
5
10
1
5
10
1
5
10
1
5
10
IB [µA]
7,7
38,5
76,9
8,0
39,8
79,5
3,2
16,1
32,4
4,2
20,8
40,3
B = IC / IB
130
130
130
125
126
126
313
311
308
238
240
248
Tableau des valeurs mesurées
b) Le jeu de composants de l’EduTrainer comporte un second transistor BC140. Testez-le de la même
manière et déterminez aussi son gain en courant B pour IC = 1 mA, 5 mA et 10 mA. Reportez les valeurs
sous BC140 (2) dans le tableau.
(Il est parfaitement normal que les gains en courant soient différents d’un transistor à l’autre, même
s’ils sont du même type !)
2. Gain en courant du transistor NPN BC547
a) Répétez la même procédure avec le transistor BC547 et reportez ses valeurs dans le tableau.
3. Gain en courant du transistor PNP BC160
a) Le transistor BC160 est de type PNP. Pour qu’il puisse bien fonctionner, il faut modifier légèrement le
montage de mesure précédent. Qu’est-ce qu’il faut faire ?
Il suffit d’inverser la polarité de la tension d’alimentation. Si les appareils de mesure utilisés sont des
instruments à aiguille, il faut aussi inverser leurs connexions. Les appareils de mesure numériques,
eux, changement automatiquement le signe de leur affichage.
b) Déterminez à l’aide du montage de test modifié les caractéristiques encore manquantes du transistor
BC160 et reportez-les également dans le tableau.
© Festo Didactic 567295
9
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
c)
Laissez le transistor dans le montage et faites quelques expérimentations.
1.
Quel est le courant base maximal qu’il est possible de régler à l’aide du potentiomètre ?
IBmax = environ 240 µA
2.
Essayez de calculer cette valeur à partir des caractéristiques du montage de test.
La chute de tension maximale aux bornes de R1 est U – UBE = 12 V – 0,7 V = 11,3 V / 47 kΩ = 240 µA.
3.
Quel est le courant collecteur maximal qu’il est possible de régler dans le montage ?
ICmax = environ 12 mA
4.
Essayez de calculer ICmax à partir des caractéristiques du montage de test.
La chute de tension maximale aux bornes de R2 est U – UEmin ≈ 12 V – 0 V = 12 V. R2 et le transistor
monté en série sont alors traversés par un courant ICmax = 12 V / 1 kΩ = 12 mA.
5.
Le courant collecteur IC ne peut se commander par le courant base IB que jusqu’à une certaine
valeur limite ICmax. Comment appelle-t-on l’état dans lequel le transistor ne réagit plus à une nouvelle
augmentation du signal de commande ?
On dit que le transistor est saturé ou en saturation.
(Il fonctionne alors en interrupteur fermé. IC est déterminé par U et R2.)
6.
Que faut-il faire si l’on veut adapter le montage de test à des courants collecteur allant jusqu’à
environ 25 mA ?
Il faut diminuer R2. R2 = U / ICmax = 12 V / 25 mA = 480 Ω → choisir 470 Ω
10
© Festo Didactic 567295
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
4. Le transistor en amplificateur de tension
Information
Une tension (continue) d’alimentation adéquate (désignée ici par U) permet aussi de faire
fonctionner des transistors en amplificateur de tension. Pour ce faire, il faut cependant les
combiner à d’autres composants transformant les variations de courant en variations de tension.
Dans le cas le plus simple, on ajoute une « résistance de charge RA » dans le circuit collecteur.
Transistor et résistance forment ainsi un montage série traversé par le courant collecteur IC. La
chute de tension aux bornes de la résistance de charge résulte de la loi d’Ohm : URA = RA ⋅ IC, et la
chute de tension UCE des lois du montage série : UCE = UC = U – URA. De cette manière, la tension
d’entrée Uin commande d’abord le courant base IB et ainsi le courant collecteur IC, puis également,
grâce à la résistance de charge RA, la tension collecteur UC. Cette dernière sert alors de tension de
sortie Uout. Dans le gain en tension GU d’un montage, on considère non pas les tensions continues à
l’entrée et à la sortie, mais le rapport de la « variation de tension à la sortie » à la « variation de
tension à l’entrée ». Dans les formules, une « variation » ou différence se représente par la lettre
grecque ∆ (delta). On écrit donc :
Gain en =
tension VU
U out1 − U out2 ∆U out
=
U in1 − U in2
∆U in
5. Gain en tension des transistors NPN BC140 et BC547
a) Transformez le montage de test précédent en un amplificateur de tension.
Le transistor en amplificateur de tension
© Festo Didactic 567295
11
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Repère
Désignation
Paramètre
R1
Résistance
47 kΩ
R2
Résistance
1 kΩ
R3
Résistance
22 kΩ
R
Potentiomètre
10 kΩ
K1
Transistor
BC140, BC547
Liste des composants
b) Déterminez à l’aide du nouveau montage, pour les valeurs de la tension d’entrée données dans le
tableau Uin/Uout, la tension de sortie associée, ou, inversement, les tensions d’entrée correspondant
aux valeurs Uout.
Tableau Uin/Uout pour BC140
Uin [V]
0
0,59
0,84
0,97
1,10
1,84
1,38
1,57
2,0
Uout [V]
12
11,8
10
8
6
4
2
0,2
0,1
c)
Calculez à partir des valeurs Uout de 10 V et 2 V la différence ∆Uout, et à partir des valeurs Uin associées
la différence ∆Uin. Quel est le gain en tension GU du montage ci-dessus ?
Gu = (10 V – 2 V) / (0,84 V – 1,38 V) = 8 V / -0,54 V = -14,8 ≈ 15
(D’autres valeurs sont possibles !)
Note à l'intention de l'enseignant
Si le gain GU a un signe négatif, ce n’est pas une erreur. C’est simplement le signe que le montage
amplificateur est « inverseur ». Si l’on rend Uin plus positive, Uout devient moins positive ou « plus
négative ». Et inversement.
d) Remplacez le transistor BC140 par un BC547 et répétez les mesures.
Tableau Uin/Uout pour BC547
12
Uin [V]
0
0,621
0,738
0,828
0,908
0,99
1,08
1,57
2,0
Uout [V]
12
11,8
10
8
6
4
2
0,2
0,15
© Festo Didactic 567295
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
e) Calculez à partir des valeurs Uout de 10 V et 2 V la différence ∆Uout, et à partir des valeurs Uin associées la
différence ∆Uin. Quel est le gain en tension GU du montage ci-dessus ?
Gu = (10 V – 2 V) / (0,738 V – 1,08 V) = 8 V / -0,342V = 23,4 ≈ 23
(D’autres valeurs sont possibles !)
f)
Appréciez les propriétés d’amplification des deux types BC140 et BC547.
Le montage avec le transistor BC547 a un gain en tension plus grand, vraisemblablement parce que ce
transistor a un gain en courant B supérieur à celui du transistor BC140.
g) Représentez la relation entre tension de sortie et tension d’entrée pour BC140 dans un diagramme
Uout = f(Uin). Tracez d’un trait fin les lignes auxiliaires permettant de déterminer sur la caractéristique les
valeurs Uin correspondant à Uout = 10 V et Uout = 2 V. Inscrivez aussi les désignations correspondantes
∆Uout et ∆Uin dans le diagramme.
Diagramme Uout = f(Uin)
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13
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Information
Dans le présent montage amplificateur de tension, la résistance R1 protège le transistor d’un
courant base de trop forte intensité. Malheureusement, elle réduit aussi le gain en tension GU. Mais
on peut aussi déterminer le gain théoriquement possible du montage protégé en mesurant
directement, au lieu de la tension Uin délivrée aux bornes du potentiomètre, la tension baseémetteur UBE.
En raccordant directement un appareil de mesure à longs cordons à la base d’un transistor
moderne, le risque est cependant que le montage se mette à osciller dans la bande des 100 MHz et
se transforme donc en émetteur FM. (On peut reconnaître cet effet indésirable, même sans
oscilloscope, au fait que les valeurs mesurées varient quand on touche les cordons isolés ou
réagissent à l’approche de la main !). Une « résistance de découplage » de, par exemple, 1 à 10 kΩ
insérée entre la base et le cordon de mesure (le plus près possible de la base !) permet d’y
remédier. En amont d’un voltmètre à haute impédance (Ri ≥ 1 MΩ), elle ne fausse pratiquement pas
la valeur mesurée.
h) Transformez en conséquence le montage précédent.
Mesure de UBE via une résistance de découplage (antioscillation)
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Repère
Désignation
Paramètre
R1
Résistance
47 kΩ
R2
Résistance
1 kΩ
R3
Résistance
22 kΩ
RDEC
Résistance (de découplage)
1 kΩ
R
Potentiomètre
10 kΩ
K1
Transistor
BC547
Liste des composants
i)
Déterminez à l’aide du montage les valeurs manquantes du tableau UBE/Uout.
Tableau UBE/Uout pour BC547
UBE [mV]
0
595
675
691
702
712
722
747
751
Uout [V]
12
11,8
10
8
6
4
2
0,2
0,15
j)
Calculez le gain en tension GU à partir de ∆Uout et ∆UBE.
Utilisez les valeurs mesurées pour Uout = 4 V et 8 V.
Gu = (8 V – 4 V) / (0,691 V – 0,712 V) = 4 V / -0,021 V = 190,5 ≈ 190 !
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15
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
6. Le transistor en amplificateur de tension alternative
Information
Les modifications de la tension d’entrée, jusqu’ici opérées à la main sur le potentiomètre R,
peuvent aussi s’obtenir par couplage d’une tension alternative. Pour que le courant continu
traversant R1 ne passe pas de manière indésirable par la source de tension alternative, on insère un
« condensateur de couplage » C1 dans le circuit du signal. Il oppose au courant continu une
résistance quasi infinie, mais laisse passer le courant alternatif. Le potentiomètre R sert à présent
au « réglage du point de fonctionnement » de l’amplificateur.
Comme de faibles tensions alternatives ne sont pas seules en mesure de rendre un transistor
conducteur, on règle ce dernier, à l’aide d’un courant continu, de telle manière qu’au repos, sa
tension collecteur UC soit à peu près au milieu de la plage des extrêmes possibles UEmax et UEmin.
Quand on ajoute alors un (faible) courant alternatif au courant base, celui-ci augmente et diminue
au rythme du signal alternatif (donnant un « courant ondulé »). Le courant collecteur IC et la tension
collecteur UC oscillent par conséquent aussi au rythme du signal d’entrée autour de leur valeur de
repos.
À l’aide d’un autre condensateur de couplage C2, on filtre alors de la tension collecteur (ondulée) la
composante alternative, que l’on utilise comme signal de sortie Uout. On obtient de cette manière
dans le montage amplificateur, à partir d’un petit signal de tension alternative à l’entrée, un signal
de tension alternative (amplifié) bien plus grand (de même fréquence et de même forme) à la sortie.
Et ce, bien que le transistor ne fonctionne ici qu’avec une tension d’alimentation U positive!
En mesurant les valeurs crête à crête du signal d’entrée et du signal de sortie à l’oscilloscope, on
peut calculer directement le gain en tension alternative GU(AC) du montage.
Gain en tension alternative=
VU(AC)
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U out(cc) U out(eff)
=
U in(cc) U in(eff)
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Le transistor en amplificateur de tension alternative
Y1 : à relier à la voie A de l’oscilloscope
Y2 : à relier à la voie B de l’oscilloscope
Repère
Désignation
Paramètre
R1
Résistance
100 kΩ
R2
Résistance
1 kΩ
R3
Résistance
10 kΩ
R
Potentiomètre
10 kΩ
C1
Condensateur
220 µF
C2
Condensateur électrolytique
10 µF
K1
Transistor
BC140
Liste des composants
Nota
Pour que vous puissiez observez en paix les phénomènes se passant dans le montage :
–
Réglez le générateur de signaux sinusoïdaux de l’EduTrainer à une très basse fréquence, par
–
exemple 0,2 Hz.
Pour Uin, il suffit d’environ 0,1 à 0,3 V (à prélever à la sortie 0-2 V du générateur de formes
d’onde DDS !).
–
Réglez l’oscilloscope de telle manière que les deux voies tracent des lignes droites stables se
décalant vers le haut et vers le bas au rythme du signal d’entrée.
–
Débranchez le générateur de signaux sinusoïdaux de C1 et régler à l’aide du potentiomètre R le
« point de fonctionnement » du montage à UCE = +6 V (demi-tension d’alimentation).
–
Rebranchez le générateur et réglez l’amplitude de Uin de telle manière que la tension UCE du
transistor varie approximativement entre +4 V et +8 V.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
a) Faites quelques expérimentations à l’aide du montage et répondez alors aux questions qui suivent.
Cochez les réponses correctes.
 La tension d’entrée Uin(AC) et la tension de sortie Uout(AC) varient en phase.
 La tension d’entrée Uin(AC) et la tension de sortie Uout(AC) varient en opposition de phase.
 Durant l’alternance positive de Uin(AC), il circule davantage de courant collecteur IC que durant
l’alternance négative de Uin(AC).
 Durant l’alternance positive de Uin(AC), il circule moins de courant collecteur IC que durant l’alternance
négative de Uin(AC).
 Quand le courant collecteur augmente dans le transistor, sa tension collecteur-émetteur UCE croît.
 Quand le courant collecteur augmente dans le transistor, sa tension collecteur-émetteur UCE décroît.
 On choisit le point de fonctionnement UC = « demi-tension d’alimentation » parce que la tension
collecteur peut alors varier de la même valeur vers le haut et vers le bas.
 On choisit le point de fonctionnement UC = « demi-tension d’alimentation » parce que le gain du
montage est alors maximal.
 Les condensateurs de couplage sont destinés à laisser passer les signaux alternatifs, mais à ne pas
influencer les tensions continues.
 Les condensateurs de couplage empêchent une mise en oscillation indésirable à haute fréquence du
montage.
 Le point de fonctionnement est le réglage de base d’un montage en courant continu.
 Le point de fonctionnement est dans un schéma le point de soudure reliant le collecteur à la sortie.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
7. Relation entre réglage du point de fonctionnement et distorsions des signaux de sortie
Information
Habituellement, on teste le montage avec des signaux donnant une image stable à l’oscilloscope.
Augmentez à cet effet la fréquence du signal d’entrée à 500 Hz et réglez le balayage de
l’oscilloscope de telle manière qu’une ou deux périodes complètes de Uin(AC) et Uout(AC) soient
visibles à l’écran.
a) Réglez le signal d’entrée et le point de fonctionnement de manière à obtenir en sortie un signal bien
sinusoïdal de 6 volts crête à crête (6 Vcc). Mesurez alors la valeur crête à crête de Uin(AC) et déterminez le
gain en tension alternative GU(AC) du montage.
Pour Uout = 6 Vcc, l’amplificateur a besoin d’une tension d’entrée Uin = 250 mVcc.
Il en résulte Gu = 6 Vcc / 0,25 Vcc = 24.
b) Quel est en degrés le déphasage entre Uin(AC) et Uout(AC) ?
Uout est déphasé d’une alternance = 180° par rapport à Uin. L’alternance positive de Uin donne
naissance à l’alternance négative de Uout, et inversement.
c)
Qu’est-ce qui arrive à la forme du signal de sortie si, à l’aide du potentiomètre R, on décale lentement le
réglage du point de fonctionnement vers le haut ou vers le bas ?
On « tronque » les crêtes positives ou négatives de la tension alternative de sortie.
La forme sinusoïdale présente des distorsions.
d) Trouvez, en faisant varier Uin(AC) et le réglage du point de fonctionnement, comment délivrer en sortie un
maximum de volts crête à crête sans distordre la forme sinusoïdale.
Jusqu’à une tension de sortie d’environ 10 Vcc, les distorsions restent relativement faibles.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Information
Sur un amplificateur HiFi (HiFi = high fidelity = haute fidélité), la forme du signal de sortie doit
correspondre exactement à celle du signal d’entrée. Une inversion du signal n’est cependant pas
prise en considération. Si vous inversez une voie sur votre oscilloscope et s’il est possible de faire
varier en continu le balayage en Y, vous pouvez essayer de faire se superposer les signaux Uout(AC) et
Uin(AC) à l’écran. Mieux vous y parvenez, meilleure est la qualité de l’amplificateur.
e) Testez aussi la fonction de transfert avec une tension triangulaire et une tension carrée. Portez alors un
jugement et justifiez : l’amplificateur en question est-il apte à la HiFi, du moins à certaines conditions ?
Pour des tensions de sortie de quelques volts crête à crête, la forme des signaux concorde bien, c’està-dire qu’il n’apparaît pas de distorsions visibles. Au fur et à mesure que l’amplitude augmente, les
distorsions se font de plus en plus grandes. Cet amplificateur n’est donc apte à la HiFi qu’à certaines
conditions.
8. Montages de base de transistors
Information
Dans les transistors, on connaît trois montages de base. Ils se désignent en fonction de la
connexion du transistor servant de point commun de référence au signal d’entrée et au signal de
sortie. Dans le cas le plus simple, c’est la connexion du transistor reliée à la « masse ». Mais
souvent, il n’y a pas de là de liaison directe à la masse du montage ! Dans ce cas, le moyen suivant
aide à déterminer le nom du montage : trouver à quelle connexion du transistor est appliqué le
signal d’entrée, et à laquelle est prélevé le signal de sortie. La troisième et dernière connexion du
transistor donne alors son nom au montage de base.
a) Quel était le montage de base du transistor utilisé aux pages précédentes ? Cochez la bonne réponse.
 Dans les montages de test et montages expérimentaux du TP 1, les transistors fonctionnaient en
montage de base émetteur commun, ou tout simplement en montage émetteur commun.
 Dans les montages de test et montages expérimentaux du TP 1, les transistors fonctionnaient en
montage de base base commune, ou tout simplement en montage base commune.
 Dans les montages de test et montages expérimentaux du TP 1, les transistors fonctionnaient en
montage de base collecteur commun, ou tout simplement en montage collecteur commun.
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Table des matières
Travaux pratiques et fiches de travail
TP 1 :
Étude des caractéristiques de transistors ____________________________________________ 3
TP 2 :
Distinction des montages de base de transistors _____________________________________ 21
TP 3 :
Étude d’amplificateurs à plusieurs étages ___________________________________________ 39
TP 4 :
Réalisation d’un amplificateur de puissance _________________________________________ 57
TP 5 :
Amplification de signaux de tension continue ________________________________________ 73
TP 6 :
Génération de tensions impulsionnelles et en dents de scie ____________________________ 91
TP 7 :
Réalisation de générateurs de signaux à l’aide de circuits LC et RC _____________________ 111
TP 8 :
Étude de montages d’alimentation secteur _________________________________________ 129
TP 9 :
Initiation aux convertisseurs de tension continue ____________________________________ 147
TP 10 :
Utilisation de thyristors et triacs __________________________________________________ 163
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1
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TP 1
Étude des caractéristiques de transistors
Objectifs pédagogiques
Lorsque vous aurez fait ce TP, vous aurez appris à
•
vérifier le bon fonctionnement de transistors ;
•
déterminer le gain en courant B de transistors ;
•
connaître les valeurs typiques du gain en courant de transistors ;
•
transformer des montages à transistor NPN en montages à transistor PNP ;
•
déterminer le gain en tension d'un montage ;
•
connaître les effets d'un réglage du point de fonctionnement ;
•
connaître l'effet d'une saturation d'un amplificateur.
Problème
Vous travaillez dans une entreprise qui fabrique et répare des amplificateurs HiFi classiques. Dans le cadre
de votre mise au courant, vous devez vous familiariser avec le comportement des transistors et leurs
caractéristiques typiques.
Pour ce faire, vous réaliserez un montage de test permettant de déterminer le gain en courant de
transistors. En modifiant légèrement le montage, vous étudierez ensuite comment un transistor se
transforme en amplificateur de tension.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Travaux à exécuter
1. Réalisez un montage de test à l’aide du transistor NPN BC140 et déterminez son gain en courant B pour
les valeurs IC = 1 mA, 5 mA et 10 mA du courant collecteur.
2. Déterminez à titre de comparaison le gain en courant B du transistor BC547.
3. Transformez le montage de telle manière qu’il permette de tester des transistors PNP et déterminez le
gain en courant B du transistor BC160.
4. Réalisez un montage expérimental dans lequel des transistors sont commandés (sans destruction) par
une tension continue. Familiarisez-vous avec le principe de l’amplification de tension.
5. Déterminez à l’aide du montage expérimental le gain en tension GU en cas d’utilisation des transistors
BC140 et BC547.
6. Complétez le montage expérimental de manière à ce qu’un transistor BC140 puisse en outre être
commandé par une tension alternative. Familiarisez-vous avec le principe de l’amplification de tension
alternative.
7. Étudiez la relation entre réglage du point de fonctionnement et distorsions du signal de sortie.
8. Précisez si le montage expérimental est un montage émetteur commun, base commune ou collecteur
commun.
Ressources
4
•
Manuels de cours, mémentos
•
Extraits de catalogues de fabricants
•
Fiches techniques
•
Internet
•
WBT Électronique 1 et Électronique 2
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Information
Connaissances de base sur les diodes et les transistors
Les diodes et les transistors sont constitués d’un matériau semi-conducteur, généralement du
silicium. Les semi-conducteurs peuvent être influencés par l’intégration d’atomes étrangers
(« dopage ») de telle manière que le transport du courant à l’intérieur se fasse soit par porteurs de
charge négatifs (« électrons »), soit par porteurs de charge positifs (« trous » ou « défauts
d’électrons »). Les semi-conducteurs modifiés de cette manière s’appellent en conséquence semiconducteurs de type N ou de type P.
L’association d’une couche de type P et d’une couche de type N donne une jonction PN. Elle ne
laisse passer le courant électrique que dans un sens et agit ainsi comme un clapet électrique ou
« diode ». Le mode de fonctionnement de la diode s’explique aisément à l’aide de la loi
fondamentale de l’électricité selon laquelle « Les charges de nom différent s’attirent, les charges
de même nom se repoussent ».
Diode semi-conductrice – Symbole et structure
•
Sens bloqué ou inverse
Quand on relie la zone N de la jonction PN au pôle positif (plus) d’une source de tension et la
zone P au pôle négatif (moins), les porteurs de charge présents dans le semi-conducteurs sont
attirés vers l’extérieur.
Il en résulte au niveau de la jonction PN une large zone dépourvue de porteurs de charge, qui
agit comme une couche isolante et empêche ainsi la circulation d’un courant. La jonction PN (la
•
diode) se bloque.
Sens passant ou direct
Si l’on inverse les polarités de la source de tension extérieure (plus appliqué à la zone P, moins
à la zone N), les porteurs de charge sont repoussés les uns vers les autres dans les deux zones
et peuvent alors (après avoir dépassé une certaine « tension de seuil ») surmonter la jonction
•
PN. Il circule alors un courant. La diode est conductrice.
La connexion d’une diode reliée à la zone N s’appelle la cathode, celle menant à la zone P
•
l’anode.
Le flèche sur le symbole de la diode indique le sens de passage du courant.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Les transistors (ou plus précisément les transistors « bipolaires ») se composent de trois couches
semi-conductrices, soit dans l’ordre N-P-N, soit dans l’ordre P-N-P. La couche du milieu est la
« base », les deux couches extérieures étant désignées par « émetteur » et « collecteur ». C’est la
raison pour laquelle les connexions d’un transistor sont généralement identifiées par les simples
lettres E, B et C.
Transistors NPN et PNP – Structure et symbole
La tension d’alimentation d’un transistor doit toujours être polarisée de telle manière que les
porteurs de charge de la zone émetteur soient attirés vers le collecteur. Comme les charges de
noms opposés s’attirent, il en résulte :
• Les transistors NPN s’alimentent par une tension collecteur-émetteur UCE positive.
•
Les transistors PNP s’alimentent par une tension collecteur-émetteur UCE négative.
Sans tension de base, aucune circulation de porteurs de charge ne peut toutefois avoir lieu de
l’émetteur au collecteur. La couche de base empêche, en effet, que la force d’attraction du
collecteur ne s’exerce jusqu’à la zone émetteur. Ce n’est que quand une tension de base fait passer
des porteurs de charge de la (mince) couche de base dans la zone émetteur qu’ils entrent dans la
zone d’attraction du collecteur et y sont acheminés en majeure partie vers le collecteur. Pour attirer
les porteurs de charge de l’émetteur vers la base, la tension base-émetteur UBE doit avoir la même
polarité que la tension collecteur-émetteur UCE. Autrement dit :
•
Les transistors NPN deviennent conducteurs pour une tension base-émetteur UBE positive
•
Les transistors PNP deviennent conducteurs pour une tension base-émetteur UBE négative.
Ce qui explique en même temps la fonction élémentaire du composant amplificateur qu’est le
transistor : une tension base-émetteur UBE relativement faible permet de commander l’intensité du
courant de porteurs de charge circulant de l’émetteur au collecteur du transistor. Mais pour
commander le courant collecteur, on peut aussi imposer un courant base IB. Tout courant base
engendre automatiquement une certaine tension base-émetteur UBE et, en fonction de cette
dernière, un certain courant collecteur IC. La relation entre courant collecteur IC et courant base IB
est toutefois nettement plus linéaire qu’entre IC et UBE. Le rapport IC / IB s’appelle gain en courant B
du transistor. Il peut varier d’un transistor à l’autre et est généralement compris entre 50 et 500.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Le schéma équivalent d’un transistor représente encore plus simplement son mode de
fonctionnement : la jonction base-émetteur du transistor se comporte comme une diode en direct
(sens passant). Le courant base IB qui la traverse engendre entre émetteur et collecteur un courant
IC B fois plus grand. Le symbole d’un injecteur de courant indique que le courant collecteur est
largement indépendant de l’amplitude de la tension collecteur.
Transistor NPN – Schéma équivalent
Sur le symbole du transistor, l’émetteur est repéré par une flèche. Indépendamment de ce qui se
passe à l’intérieur du transistor, le sens de la flèche sur le symbole correspond toutefois au sens
technique du courant. La règle pour les symboles de composants semi-conducteurs est la suivante :
la flèche soit pointe vers une zone P, soit vient d’une zone N. (Moyen mnémotechnique : P =
extrémité « pointue » de la flèche, N = extrémité « nue » de la flèche).
Que fait un amplificateur ?
Le micro d’un téléphone transforme les ondes sonores produites par de la parole ou de la musique
en tensions alternatives de quelques millivolts. Ce signal est toutefois trop faible pour attaquer
directement un écouteur ou un haut-parleur. Ces derniers ont, en effet, besoin de quelques volts
pour une reproduction bien audible. Il faut donc intercaler un amplificateur entre micro et écouteur
ou haut-parleur. Pour générer le signal de sortie, tout amplificateur a besoin d’une tension
(continue) d’alimentation.
Amplificateur – Symbole
Les pages qui suivent vous apprendront le mode de fonctionnement d’amplificateurs à transistors
ou « transistorisés ».
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
1. Gain en courant du transistor NPN BC140
Information
Le transistor en amplificateur de courant
Le montage qui suit vous permet de vérifier le mode de fonctionnement de transistors NPN. Le
diviseur de tension variable (potentiomètre) R permet de régler le courant base IB du transistor.
Chaque courant base (dans un transistor intact) produit un courant collecteur IC bien plus grand. En
divisant la valeur mesurée pour IC par celle mesurée pour IB, on obtient le gain en courant B du
transistor sous test.
B=
IC
IB
Les deux résistances R1 et R2 sont des résistances dites de protection. Elles limitent le courant
base et le courant collecteur à des valeurs permettant de ne pas endommager le transistor en cas
de manipulation sans précaution du potentiomètre R.
Montage de mesure du gain en courant B
Repère
Désignation
Paramètre
R1
Résistance
10 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ (selon l’exercice)
R2
Résistance
1 kΩ
R
Potentiomètre
10 kΩ
K1
Transistor
BC140, BC547, BC160 (selon l’exercice)
Liste des composants
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
a) Réalisez à présent le montage de test à l’aide d’un transistor BC140 et réglez IC = 1 mA. Lisez le courant
base IB et notez sa valeur. Calculez à partir des valeurs mesurées le gain en courant B du transistor
étudié. Répétez la mesure pour IC = 5 mA et 10 mA. Reportez les valeurs sous BC140 (1) dans le
tableau.
Transistor
IC [mA]
BC140 (1)
1
5
BC140 (2)
10
1
5
BC547
10
1
5
BC160
10
1
5
10
IB [µA]
B = IC / IB
Tableau des valeurs mesurées
b) Le jeu de composants de l’EduTrainer comporte un second transistor BC140. Testez-le de la même
manière et déterminez aussi son gain en courant B pour IC = 1 mA, 5 mA et 10 mA. Reportez les valeurs
sous BC140 (2) dans le tableau.
(Il est parfaitement normal que les gains en courant soient différents d’un transistor à l’autre, même
s’ils sont du même type !)
2. Gain en courant du transistor NPN BC547
a) Répétez la même procédure avec le transistor BC547 et reportez ses valeurs dans le tableau.
3. Gain en courant du transistor PNP BC160
a) Le transistor BC160 est de type PNP. Pour qu’il puisse bien fonctionner, il faut modifier légèrement le
montage de mesure précédent. Qu’est-ce qu’il faut faire ?
b) Déterminez à l’aide du montage de test modifié les caractéristiques encore manquantes du transistor
BC160 et reportez-les également dans le tableau.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
c)
Laissez le transistor dans le montage et faites quelques expérimentations.
1.
Quel est le courant base maximal qu’il est possible de régler à l’aide du potentiomètre ?
2.
Essayez de calculer cette valeur à partir des caractéristiques du montage de test.
3.
Quel est le courant collecteur maximal qu’il est possible de régler dans le montage ?
4.
Essayez de calculer ICmax à partir des caractéristiques du montage de test.
5.
Le courant collecteur IC ne peut se commander par le courant base IB que jusqu’à une certaine
valeur limite ICmax. Comment appelle-t-on l’état dans lequel le transistor ne réagit plus à une nouvelle
augmentation du signal de commande ?
6.
Que faut-il faire si l’on veut adapter le montage de test à des courants collecteur allant jusqu’à
environ 25 mA ?
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
4. Le transistor en amplificateur de tension
Information
Une tension (continue) d’alimentation adéquate (désignée ici par U) permet aussi de faire
fonctionner des transistors en amplificateur de tension. Pour ce faire, il faut cependant les
combiner à d’autres composants transformant les variations de courant en variations de tension.
Dans le cas le plus simple, on ajoute une « résistance de charge RA » dans le circuit collecteur.
Transistor et résistance forment ainsi un montage série traversé par le courant collecteur IC. La
chute de tension aux bornes de la résistance de charge résulte de la loi d’Ohm : URA = RA ⋅ IC, et la
chute de tension UCE des lois du montage série : UCE = UC = U – URA. De cette manière, la tension
d’entrée Uin commande d’abord le courant base IB et ainsi le courant collecteur IC, puis également,
grâce à la résistance de charge RA, la tension collecteur UC. Cette dernière sert alors de tension de
sortie Uout. Dans le gain en tension GU d’un montage, on considère non pas les tensions continues à
l’entrée et à la sortie, mais le rapport de la « variation de tension à la sortie » à la « variation de
tension à l’entrée ». Dans les formules, une « variation » ou différence se représente par la lettre
grecque ∆ (delta). On écrit donc :
Gain en =
tension VU
U out1 − U out2 ∆U out
=
U in1 − U in2
∆U in
5. Gain en tension des transistors NPN BC140 et BC547
a) Transformez le montage de test précédent en un amplificateur de tension.
Le transistor en amplificateur de tension
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Repère
Désignation
Paramètre
R1
Résistance
47 kΩ
R2
Résistance
1 kΩ
R3
Résistance
22 kΩ
R
Potentiomètre
10 kΩ
K1
Transistor
BC140, BC547
Liste des composants
b) Déterminez à l’aide du nouveau montage, pour les valeurs de la tension d’entrée données dans le
tableau Uin/Uout, la tension de sortie associée, ou, inversement, les tensions d’entrée correspondant
aux valeurs Uout.
Tableau Uin/Uout pour BC140
Uin [V]
0
Uout [V]
c)
2,0
11,8
10
8
6
4
2
0,2
Calculez à partir des valeurs Uout de 10 V et 2 V la différence ∆Uout, et à partir des valeurs Uin associées
la différence ∆Uin. Quel est le gain en tension GU du montage ci-dessus ?
d) Remplacez le transistor BC140 par un BC547 et répétez les mesures.
Tableau Uin/Uout pour BC547
Uin [V]
Uout [V]
12
0
2,0
11,8
10
Nom : __________________________________
8
6
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4
2
0,2
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
e) Calculez à partir des valeurs Uout de 10 V et 2 V la différence ∆Uout, et à partir des valeurs Uin associées la
différence ∆Uin. Quel est le gain en tension GU du montage ci-dessus ?
f)
Appréciez les propriétés d’amplification des deux types BC140 et BC547.
g) Représentez la relation entre tension de sortie et tension d’entrée pour BC140 dans un diagramme
Uout = f(Uin). Tracez d’un trait fin les lignes auxiliaires permettant de déterminer sur la caractéristique les
valeurs Uin correspondant à Uout = 10 V et Uout = 2 V. Inscrivez aussi les désignations correspondantes
∆Uout et ∆Uin dans le diagramme.
14
Uout
V
12
10
8
6
4
2
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
V
3.0
Uin
Diagramme Uout = f(Uin)
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Date : ____________
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Information
Dans le présent montage amplificateur de tension, la résistance R1 protège le transistor d’un
courant base de trop forte intensité. Malheureusement, elle réduit aussi le gain en tension GU. Mais
on peut aussi déterminer le gain théoriquement possible du montage protégé en mesurant
directement, au lieu de la tension Uin délivrée aux bornes du potentiomètre, la tension baseémetteur UBE.
En raccordant directement un appareil de mesure à longs cordons à la base d’un transistor
moderne, le risque est cependant que le montage se mette à osciller dans la bande des 100 MHz et
se transforme donc en émetteur FM. (On peut reconnaître cet effet indésirable, même sans
oscilloscope, au fait que les valeurs mesurées varient quand on touche les cordons isolés ou
réagissent à l’approche de la main !). Une « résistance de découplage » de, par exemple, 1 à 10 kΩ
insérée entre la base et le cordon de mesure (le plus près possible de la base !) permet d’y
remédier. En amont d’un voltmètre à haute impédance (Ri ≥ 1 MΩ), elle ne fausse pratiquement pas
la valeur mesurée.
h) Transformez en conséquence le montage précédent.
Mesure de UBE via une résistance de découplage (antioscillation)
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Repère
Désignation
Paramètre
R1
Résistance
47 kΩ
R2
Résistance
1 kΩ
R3
Résistance
22 kΩ
RDEC
Résistance (de découplage)
1 kΩ
R
Potentiomètre
10 kΩ
K1
Transistor
BC547
Liste des composants
i)
Déterminez à l’aide du montage les valeurs manquantes du tableau UBE/Uout.
Tableau UBE/Uout pour BC547
UBE [mV]
0
Uout [V]
j)
11,8
10
8
6
4
2
0,2
0,15
Calculez le gain en tension GU à partir de ∆Uout et ∆UBE.
Utilisez les valeurs mesurées pour Uout = 4 V et 8 V.
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15
TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
6. Le transistor en amplificateur de tension alternative
Information
Les modifications de la tension d’entrée, jusqu’ici opérées à la main sur le potentiomètre R,
peuvent aussi s’obtenir par couplage d’une tension alternative. Pour que le courant continu
traversant R1 ne passe pas de manière indésirable par la source de tension alternative, on insère un
« condensateur de couplage » C1 dans le circuit du signal. Il oppose au courant continu une
résistance quasi infinie, mais laisse passer le courant alternatif. Le potentiomètre R sert à présent
au « réglage du point de fonctionnement » de l’amplificateur.
Comme de faibles tensions alternatives ne sont pas seules en mesure de rendre un transistor
conducteur, on règle ce dernier, à l’aide d’un courant continu, de telle manière qu’au repos, sa
tension collecteur UC soit à peu près au milieu de la plage des extrêmes possibles UEmax et UEmin.
Quand on ajoute alors un (faible) courant alternatif au courant base, celui-ci augmente et diminue
au rythme du signal alternatif (donnant un « courant ondulé »). Le courant collecteur IC et la tension
collecteur UC oscillent par conséquent aussi au rythme du signal d’entrée autour de leur valeur de
repos.
À l’aide d’un autre condensateur de couplage C2, on filtre alors de la tension collecteur (ondulée) la
composante alternative, que l’on utilise comme signal de sortie Uout. On obtient de cette manière
dans le montage amplificateur, à partir d’un petit signal de tension alternative à l’entrée, un signal
de tension alternative (amplifié) bien plus grand (de même fréquence et de même forme) à la sortie.
Et ce, bien que le transistor ne fonctionne ici qu’avec une tension d’alimentation U positive!
En mesurant les valeurs crête à crête du signal d’entrée et du signal de sortie à l’oscilloscope, on
peut calculer directement le gain en tension alternative GU(AC) du montage.
Gain en tension alternative=
VU(AC)
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U out(ss) U out(eff)
=
U in(ss) U in(eff)
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Le transistor en amplificateur de tension alternative
Y1 : à relier à la voie A de l’oscilloscope
Y2 : à relier à la voie B de l’oscilloscope
Repère
Désignation
Paramètre
R1
Résistance
100 kΩ
R2
Résistance
1 kΩ
R3
Résistance
10 kΩ
R
Potentiomètre
10 kΩ
C1
Condensateur
220 µF
C2
Condensateur électrolytique
10 µF
K1
Transistor
BC140
Liste des composants
Nota
Pour que vous puissiez observez en paix les phénomènes se passant dans le montage :
–
Réglez le générateur de signaux sinusoïdaux de l’EduTrainer à une très basse fréquence, par
–
exemple 0,2 Hz.
Pour Uin, il suffit d’environ 0,1 à 0,3 V (à prélever à la sortie 0-2 V du générateur de formes
d’onde DDS !).
–
Réglez l’oscilloscope de telle manière que les deux voies tracent des lignes droites stables se
décalant vers le haut et vers le bas au rythme du signal d’entrée.
–
Débranchez le générateur de signaux sinusoïdaux de C1 et régler à l’aide du potentiomètre R le
« point de fonctionnement » du montage à UCE = +6 V (demi-tension d’alimentation).
–
Rebranchez le générateur et réglez l’amplitude de Uin de telle manière que la tension UCE du
transistor varie approximativement entre +4 V et +8 V.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
a) Faites quelques expérimentations à l’aide du montage et répondez alors aux questions qui suivent.
Cochez les réponses correctes.
 La tension d’entrée Uin(AC) et la tension de sortie Uout(AC) varient en phase.
 La tension d’entrée Uin(AC) et la tension de sortie Uout(AC) varient en opposition de phase.
 Durant l’alternance positive de Uin(AC), il circule davantage de courant collecteur IC que durant
l’alternance négative de Uin(AC).
 Durant l’alternance positive de Uin(AC), il circule moins de courant collecteur IC que durant l’alternance
négative de Uin(AC).
 Quand le courant collecteur augmente dans le transistor, sa tension collecteur-émetteur UCE croît.
 Quand le courant collecteur augmente dans le transistor, sa tension collecteur-émetteur UCE décroît.
 On choisit le point de fonctionnement UC = « demi-tension d’alimentation » parce que la tension
collecteur peut alors varier de la même valeur vers le haut et vers le bas.
 On choisit le point de fonctionnement UC = « demi-tension d’alimentation » parce que le gain du
montage est alors maximal.
 Les condensateurs de couplage sont destinés à laisser passer les signaux alternatifs, mais à ne pas
influencer les tensions continues.
 Les condensateurs de couplage empêchent une mise en oscillation indésirable à haute fréquence du
montage.
 Le point de fonctionnement est le réglage de base d’un montage en courant continu.
 Le point de fonctionnement est dans un schéma le point de soudure reliant le collecteur à la sortie.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
7. Relation entre réglage du point de fonctionnement et distorsions des signaux de sortie
Information
Habituellement, on teste le montage avec des signaux donnant une image stable à l’oscilloscope.
Augmentez à cet effet la fréquence du signal d’entrée à 500 Hz et réglez le balayage de
l’oscilloscope de telle manière qu’une ou deux périodes complètes de Uin(AC) et Uout(AC) soient
visibles à l’écran.
a) Réglez le signal d’entrée et le point de fonctionnement de manière à obtenir en sortie un signal bien
sinusoïdal de 6 volts crête à crête (6 Vcc). Mesurez alors la valeur crête à crête de Uin(AC) et déterminez le
gain en tension alternative GU(AC) du montage.
b) Quel est en degrés le déphasage entre Uin(AC) et Uout(AC) ?
c)
Qu’est-ce qui arrive à la forme du signal de sortie si, à l’aide du potentiomètre R, on décale lentement le
réglage du point de fonctionnement vers le haut ou vers le bas ?
d) Trouvez, en faisant varier Uin(AC) et le réglage du point de fonctionnement, comment délivrer en sortie un
maximum de volts crête à crête sans distordre la forme sinusoïdale.
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TP 1 – Étude des caractéristiques de transistors
Information
Sur un amplificateur HiFi (HiFi = high fidelity = haute fidélité), la forme du signal de sortie doit
correspondre exactement à celle du signal d’entrée. Une inversion du signal n’est cependant pas
prise en considération. Si vous inversez une voie sur votre oscilloscope et s’il est possible de faire
varier en continu le balayage en Y, vous pouvez essayer de faire se superposer les signaux Uout(AC) et
Uin(AC) à l’écran. Mieux vous y parvenez, meilleure est la qualité de l’amplificateur.
e) Testez aussi la fonction de transfert avec une tension triangulaire et une tension carrée. Portez alors un
jugement et justifiez : l’amplificateur en question est-il apte à la HiFi, du moins à certaines conditions ?
8. Montages de base de transistors
Information
Dans les transistors, on connaît trois montages de base. Ils se désignent en fonction de la
connexion du transistor servant de point commun de référence au signal d’entrée et au signal de
sortie. Dans le cas le plus simple, c’est la connexion du transistor reliée à la « masse ». Mais
souvent, il n’y a pas de là de liaison directe à la masse du montage ! Dans ce cas, le moyen suivant
aide à déterminer le nom du montage : trouver à quelle connexion du transistor est appliqué le
signal d’entrée, et à laquelle est prélevé le signal de sortie. La troisième et dernière connexion du
transistor donne alors son nom au montage de base.
a) Quel était le montage de base du transistor utilisé aux pages précédentes ? Cochez la bonne réponse.
 Dans les montages de test et montages expérimentaux du TP 1, les transistors fonctionnaient en
montage de base émetteur commun, ou tout simplement en montage émetteur commun.
 Dans les montages de test et montages expérimentaux du TP 1, les transistors fonctionnaient en
montage de base base commune, ou tout simplement en montage base commune.
 Dans les montages de test et montages expérimentaux du TP 1, les transistors fonctionnaient en
montage de base collecteur commun, ou tout simplement en montage collecteur commun.
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Montages de base en électronique

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