Transistors bipolaires en commutation

Apport de connaissances
1
Transistors bipolaires
Fonctionnement en commutation
I Symboles :
Transistor NPN
Transistor PNP
C
C
B
B
E
E
Un transistor bipolaire comporte trois connexions : la Base, le Collecteur et l’Emetteur.
La flèche sur le symbole repère l’émetteur et indique le type de transistor.
II Tensions et courants dans un transistor :
IC
VCB
VBC
IB
VCE
VBE
IC
IB
IE=IC+IB
VEC
VEB
IE
IE
VEC = VBC + VEB
VCE = VBE + VCB
III Présentation qualitative des transistors en commutation :
Un transistor bipolaire (supposé parfait) utilisé en commutation se comporte comme
un interrupteur commandé par un signal logique.
Sur les deux exemples ci-dessous le signal logique de commande (Vcmd) est appliqué
sur la résistance de base R2 pour le NPN et R3 pour le PNP. C’est le couple de composants
R2-Q1 et R3-Q2 qui se comporte comme un interrupteur commandé.
Suivant l’état logique de Vcmd l’interrupteur est soit fermé soit ouvert.
Exemple de structure d’un NPN en commutation
Exemple de structure d’un PNP en commutation
Vcmd
Vcmd
Vcmd
Vcmd
G. COMTE
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Schémas équivalents des transistors NPN et PNP suivant l’état logique de Vcmd
G. COMTE
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Pourquoi dit-on d’un transistor qu’il est bloqué ou saturé ?
Un transistor bipolaire est un amplificateur de courant. Il amplifie le courant de base IB
pour donner le courant de collecteur IC :
IC = β × IB
β ou hFE est une grandeur constante sans unité appelée amplification en courant.
20≤ β ≤ quelques centaines selon le type de transistor. Sa valeur est donnée dans les
documentations constructeurs des transistors.
Dans le montage ci-dessous IB est généré par une source de courant variable. Pour
plusieurs valeurs de IB on relève les valeurs de VBE, IC et VCE correspondantes. On obtient
ainsi trois caractéristiques : IC = f(IB), IC = f(VCE) et IB = f(VBE)
Saturé
Equation de la maille
de sortie :
E – RCIC – VCE = 0
RC
ICsat
VCE
I C = − VCE + E
RC
RC
IC=β
β . IB
IC
IB
IC
+
E
VCEsat
IB
E
IBsat
VBEon
VBEsat
VBE
IB
sat
IC
= sat
Bloqué
VBE
Analyse de la caractéristique IC = f(VCE) :
Cette caractéristique est une droite dont l’équation est obtenue à partir de l’équation de
la maille de sortie. On appelle cette droite « la droite de charge ».
VCEsat est la valeur minimum que peut prendre VCE. Sa valeur est donnée dans les
documentations constructeurs des transistors.
ICsat est la valeur maximum que peut prendre IC. Sa valeur dépend de E et de RC.
Analyse de la caractéristique IC = f(IB) :
Quand : IB = 0
IC = 0 (IC = β×IB) : le transistor bloque le passage du courant IC.
On dit que le transistor est bloqué. Le schéma équivalent entre Cet E d’un transistor bloqué
est un interrupteur ouvert :
Quand 0 < IB < IBsat
0 < IC <ICsat : le transistor fonctionne en amplificateur de
courant. IC suit les variations de IB (IC = β×IB).
Quand : IB ≥ IBsat
IC = ICsat . Le courant IC à atteint sa valeur maximum et ne peut
plus suivre la croissance du courant IB. On dit que le transistor est saturé. Le schéma
équivalent entre C et E d’un transistor saturé est une source de tension égale à VCEsat.
Analyse de la caractéristique IB = f(VBE) : c’est la caractéristique d’une diode
Quand : IB = 0
VBE = 0
le transistor est bloqué.
Quand : IB ≥ IBsat
VBE = VBEsat
le transistor est saturé.
Conclusion :
Un transistor bipolaire est un composant contrôlable par le courant de base IB :
Quand IB=0 le transistor est bloqué.
Quand IB > IBsat le transistor est saturé.
VCE
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IV Présentation quantitative des transistors en commutation :
Nous venons de voir que le blocage et la saturation d’un transistor dépend de la valeur
du courant de base IB. Dans un montage à transistor c’est la valeur de la résistance de Base qui
fixe le courant IB.
4.1 Exemple avec un Transistor NPN :
Calculons la valeur de la résistance de base R1 pour que le transistor ci-dessous
fonctionne en commutation sachant que la tension Vcmd est un signal logique 0V-5V:
Extrait de la documentation constructeur MOTOROLA du transistor BC237
Pour quelle valeur de Vcmd le transistor est-il bloqué ?
Nous avons vu au chapitre III que les transistors NPN sont bloqués quand Vcmd = 0.
Explication :
Maille d’entrée
(Celle où se trouve le VBE)
Dans la maille d’entrée comme Vcmd = 0V, il n’y a pas
source de tension qui permet de faire circuler un courant
de base IB.
Donc quelque soit la valeur de R1 :
IB = 0A IC = 0A le transistor est bloquée.
Pour quelle valeur de Vcmd le transistor doit-il être saturé ?
Nous devons être sûr que le transistor est saturé quand Vcmd = 5V. Pour cela il faut
déterminer la valeur de R1 pour que IB > IBsat.
Maille de sortie
(Celle où se trouve le VCE)
Maille d’entrée
(Celle où se trouve le VBE)
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Relever dans la documentation constructeur le VCEsat :
On relève généralement le VCEsat minimum.
VCEsat =
Etablir l’équation de la maille de sortie :
En déduire l’équation de la droite de charge
Calculer ICsat:
ICsat =
Relever dans la documentation constructeur le βmin :
D’après la documentation constructeur, la valeur du β dépend de la valeur de IC. On relève
donc celle qui est donnée pour un IC proche de ICsat calculé précédemment.
βmin =
En déduire la valeur de IBsat :
IBsat =
.
Choisir IB en prenant un coefficient de saturation égal à 2 :
Pour être sûr que le transistor soit saturé, il faut IB>IBsat. La valeur de IB est choisie telle
que : IB = K × IBsat. K est appelé coefficient de saturation
IB =
Relever dans la documentation constructeur le VBEsat :
VBEsat =
Etablir l’équation de la maille d’entrée :
Série E12 :
En déduire l’expression puis la valeur de R1 :
1.0
1.2
1.5
1.8
2.2
2.7
Valeur
Expression
3.3
3.9
4.7
5.6
6.8
8.2
Choix dans la série E12
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4.2 Exemple avec un Transistor PNP :
Démontrons que le transistor ci-dessous fonctionne en commutation sachant que la
tension Vcmd est un signal logique 0V-5V:
Extrait de la documentation constructeur MOTOROLA du transistor BC307
Pour quelle valeur de Vcmd le transistor est-il bloqué ?
Nous avons vu au chapitre III que les transistors PNP sont bloqués quand Vcmd = 5V.
Explication :
Maille d’entrée
(Celle où se trouve le VBE)
Les deux schémas ci-dessus sont identiques du point de vu électrique. Dans la maille d’entrée
comme Vcmd = 5V, il n’y a pas source de tension qui permet de faire circuler un courant de
base IB.
Donc quelque soit la valeur de R1 : IB = 0A IC = 0A le transistor est bloquée.
Pour quelle valeur de Vcmd le transistor est-il saturé ?
Nous avons vu au chapitre III que les transistors PNP sont saturés quand Vcmd = 0V. Il faut
démontrer que IB > IBsat
Démonstration :
Maille de sortie
(Celle où se trouve le VCE)
Maille d’entrée
(Celle où se trouve le VBE)
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Relever dans la documentation constructeur le VCEsat :
On relève généralement le VCEsat minimum.
VCEsat =
Etablir l’équation de la maille de sortie :
En déduire l’équation de la droite de charge
Calculer ICsat:
ICsat =
Relever dans la documentation constructeur le βmin :
D’après la documentation constructeur, la valeur du β dépend de la valeur de IC. On relève
donc celle qui est donnée pour un IC proche de ICsat calculé précédemment.
βmin =
En déduire la valeur de IBsat :
IBsat =
Relever dans la documentation constructeur le VBEsat :
VBEsat =
Etablir l’équation de la maille d’entrée :
En déduire l’expression puis la valeur de IB :
Expression
Valeur
Comparer IB et IBsat puis conclure sur l’état du transistor :
G. COMTE