ING2 MADIGOU Fabrice

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1 Le transistor bipolaire ING2 MADIGOU Fabrice 1

2 Historique Découverte de la triode (composant amplificateur) par l américain Lee de Forest 1 er transistor PNP (Germanium) Développé dans les laboratoires Bell par Bardeen, Brattain et Shockley (prix Nobel de physique en 1956) Transistor en technologie sur silicium (jonction planar) 1 er microprocesseur (Intel 4004 : µp 4bits, 2300 transistors) 2

3 Définition Transistor : (Transfer resistor) résistance de transfert. Composant électronique utilisé pour remplir la fonction d amplificateur (de courant ou de tension) ou la fonction de commutateur électronique. 3

4 Constitution & principe de fonctionnement NPN PNP I B, I C, I E > 0 V BE > 0 V CE > 0 I B, I C, I E > 0 V BE < 0 V CE < 0 4

5 Constitution & principe de fonctionnement Il est constitué par la succession de trois couches de semi-conducteur (généralement du silicium) de type N- P-N (ou PNP). Des connexions métalliques sont fixées sur la partie centrale appelée Base et sur les deux extrémités appelées Collecteur et Emetteur. Un faible courant «courant de base : Ib» peut commander un courant plus important «courant de collecteur : Ic». 5

6 Caractéristiques du transistor Les caractéristiques de transfert sont définies à partir du montage suivant : Ib Ic Vce E2 Rc : résistance de collecteur Rb : résistance de base E1 Ie On effectue ce que l on appelle une polarisation du transistor. Celle-ci permet de définir les caractéristiques : d entrée ib=f(vbe) paramétrée en Vce de sortie ic=f(vce) paramétrée en ib. 6

7 Caractéristiques du transistor Certaines de ces caractéristiques se retrouvent dans les documents constructeur. Exemple BC546: 7

8 Caractéristiques du transistor On peut à partir des mesures, effectuer un relevé complet et tracer ces caractéristiques sur un même graphe : Caractéristique de sortie Caractéristique d entrée 8

9 Caractéristiques du transistor Le transistor a deux modes de fonctionnement : Linéaire : on a la relation de proportionnalité du courant Ic en fonction de Ib : Ic = β.ib Non linéaire : où lorsque l on augmente le courant Ib le courant Ic n évolue plus. On dit que le transistor est saturé. Lorsque le courant Ib devient nul le courant Ic l est aussi. On dit alors que le transistor est bloqué. 9

10 La polarisation du transistor On effectue une polarisation en entrée : on fixe le point de fonctionnement sur la caractéristique Ib=f(Vbe) et une polarisation en sortie : on fixe un point de fonctionnement sur la caractéristique Ic=f(Vce) 10

11 La polarisation du transistor polarisation en entrée: On définie l équation de la droite d attaque : E1 Vbe Ib = Rb E1 Ib Ic Vce Ie E2 polarisation en sortie: On définie l équation de la droite de charge : Ic = E2 Vce Rc E1=3v E2=15v Rb=1,5kΩ Rc=30Ω 11

12 Caractéristiques du transistor E1=3v E2=15v Rb=1,5kΩ Rc=30Ω Caractéristique de sortie Ic = E2 Vce Rc E2/Rc droite de charge Ib = E1 Vbe Rb E1/Rb E2 Caractéristique d entrée droite d attaque 12

13 Caractéristiques électriques du transistor les composants sont limités en : tension courant puissance. Cette dernière permet de tracer l hyperbole de dissipation max Icmax Pmax Vcemax 13

14 Caractéristiques électriques du transistor Exemple :BC546 14

15 Caractéristiques électriques du transistor Exemple :BC546 15

16 Les trois structures de base: Le montage émetteur commun Ic Ic Ib Vce>0 Ib Vce<0 Vbe>0 Vbe<0 Le montage collecteur commun Ie Ie Ib Vec<0 Ib Vec>0 Vbc>0 Vbc<0 16

17 Les trois structures de base: Le montage base commune Ie Ic Ie Ic Veb<0 Vcb>0 Veb>0 Vcb<0 17

18 Le transistor bipolaire en régime dynamique : paramètres hybrides de quadripôle V1 I1 Q I2 V2 v i 1 2 v i 1 2 = = h = h h h i i 1 1 h h + h + h i v v v modèle dynamique du transistor Ic Ib Ic Vbe transistor Vce Ib Vce Vbe v i be c = h = h i i b b + + h h v v ce ce 18

19 Le transistor bipolaire en régime dynamique : paramètres dynamiques du transistor Résistance de sortie Vce = rs = ic ib= cste 1 1 = hoe h 22 Amplification en courant ic = β =h 21 =h fe ib Vce=cste ib ic Résistance d entrée Vbe = re =h 11 =h ie ib Vce= cste V b e V c e Rapport de réaction Vbe = K Vce ib= cste =h 12 19

20 Le transistor bipolaire en régime dynamique : schéma dynamique du transistor Ib Ic Schéma simplifié: h 12 =0 Ib Ic Vbe h 11 h 21 Ib 1/h 22 Vce Vbe h 11 h 21 Ib 1/h 22 Vce h 12 Vce v i be c = h = h i i b b + + h h v v ce ce Schéma très simplifié: h 12 =h 22= 0 Ib Vbe h 11 Ic h 21 Ib Vce 20

21 Montage en émetteur commun : montage théorique: Rc Ic E1 et E2 sont des sources de tension continues e g Rb Ib Vbe Vce E2 eg est une source de tension alternative eg=e m sinωt avec e m <<E1 E1 21

22 Montage en émetteur commun : point de fonctionnement E2/Rc ic t E1/Rb E2 t Vce t t 22 ib

23 Montage en émetteur commun : montage réel : E : source de tension continue eg : source de tension alternative eg=e m sinωt Rb Rc Cl : condensateurs de liaison Cls Cle E e g Vbe Vce Ru 23

24 Montage en émetteur commun : modèle dynamique du montage : Rb Rc Cls Cle E e g Vbe Vce Ru e g Rb Vbe Ib Ic Rc h 11 h 21 Ib 1/h 22 Vce Ru les sources de «tension continue» = des court-circuits les sources de «courant continu» = des circuits ouverts E = 0 eg=e m sinωt Cl : court-circuit à la pulsation ω 24

25 Montage en émetteur commun : modèle dynamique du montage : Ib Ic e g Ve Rb h 11 h 21 Ib 1/h 22 Rc Vs Ru Ib Is e g Ve Rb h 11 h 21 Ib Req Vs Ru 25

26 Montage en émetteur commun : modèle dynamique du montage : Ib Is e g Ve Rb h 11 h 21 Ib Req Vs Ru Calculer: L amplification en tension Vs/Ve L amplification en courant Is/Ie L amplification en puissance Ps/Pe L impédance d entrée Ze=Ve/Ie L impédance de sortie Zs=-Vs/Is 26

27 Montage en émetteur commun : montage avec une polarisation stable : Rb1 Rc Cls Cle E e g Vbe Vce Ru Rb2 Re Cde 27

28 Montage en collecteur commun : montage avec une polarisation stable : Rb1 Rc Cdc Cle E e g Vbe Vce Cls Rb2 Re Ru 28

29 Montage en collecteur commun : modèle dynamique du montage : Rb1 Rc Cdc Cle E e g Vbe Vce Cls Rb2 Re Ru R1 e g Ve Ib Ic h 11 h 21 Ib 1/h 22 les sources de «tension continue» = des court-circuits les sources de «courant continu» = des circuits ouverts E = 0 eg=e m sinωt Cl : court-circuit à la pulsation ω R2 Re Vs Ru 29

30 Montage en collecteur commun : modèle dynamique du montage : Ib h 11 Is e g Ve R1 R2 h 21 Ib 1/h 22 Re Vs Ru Ib h 11 Is Amplification en tension : Amplification en courant : e g Ve Rbeq h 21 Ib Req Vs Ru Amplification en puissance : Impédance d entrée : Impédance de sortie : 30

31 Montage en collecteur commun : modèle dynamique du montage : Ib h 11 Is e g Ve Rbeq h 21 Ib Req Vs Ru Amplification en tension : Amplification en courant : Amplification en puissance : Impédance d entrée : Impédance de sortie : Av Ai Vs = Ve Is = Ie = = = (h ).Req.Ru Req + Ru (h ).Req.Ru h11 + Req + Ru (h )Req 1. (Req + Ru) h11 (h )Ru ( + + 1) Req (Req + Ru) Ps Vs.Is Ap = = = Av.Ai Pe Ve.Ie Ve 1 Ze = Ye = = Ie Ze Vs 1 Zs Ys = Zs Is = = 1 R beq eq R eq + R + (h + 1)R eq 1 (h21 + 1) + R h u. R u 31

32 Montage en collecteur commun : Pour un transistor 2N2222 : = Avec un point de polarisation Ic=1mA On a: h11= 2kΩ h12= négligeable Sur le montage collecteur commun on a : une faible amplification mais une impédance de sortie faible ce qui permet d utiliser ce montage avec une charge Ru faible. h21= 50 h22= => 1/ h22= Ω 32

33 Application du transistor dans la stabilisation de tension : principe : Vprim Vsec Ve Vs Redresseur + Régulateur à transformateur filtre transistor Is=100mA ic Ip Vprim) 220v/18v Vsec ) Ve(t) C Rp Dz iz Vz Vs(t) charge 33

34 Application du transistor dans la stabilisation de tension : structure du régulateur de tension : Ve Ip Rp Dz Vce Is=100mA étude en régime statique : iz Vz Vs charge Ve est constante =20,6v Diode zener Vz=5,6v Transistor h 21 =100 h 11 = 2kΩ Vbe=0,6V Calculer: Vs en fonction de Vz et Vbe la valeur de Rp La puissance dissipée dans le transistor 34

35 Application du transistor dans la stabilisation de tension : structure du régulateur de tension : Ve Ip Rp Dz Vce iz Is=100mA Vz Vs charge étude en régime dynamique : Déterminer le modèle équivalent pour en déduire l ondulation de la tension de sortie Vs en fonction de Ve h 21 Ib Is Rp h 11 Ib Vs Ru e g Ve Iz Rz 35

36 Montage en base commune : montage avec une polarisation stable : Rb1 Rc Cls E Vce Ru Cdb Vbe Cle Rb2 Re e g 36

37 Montage en base commune : modèle dynamique du montage : h 21 Ib Is e g Ve Re Ib h 11 Rc Vs Ru Amplification en tension : Impédance d entrée : Impédance de sortie : Av Vs = Ve = h 21Rc h11 Ve 1 Ze = Ye = = Ie Ze Vs = Zs = = Rc Is 1 (h ) + Re h 11 37

38 Le transistor en commutation : Le transistor a deux modes de fonctionnement : Linéaire : on a la relation de proportionnalité du courant Ic en fonction de Ib : Ic = β.ib Non linéaire : où lorsque l on augmente le courant Ib le courant Ic n évolue plus. On dit que le transistor est saturé. Lorsque le courant Ib devient nul le courant Ic l est aussi. On dit alors que le transistor est bloqué. 38

39 Le transistor en commutation : O FF : I C 0A V CE V CC O N : I C =I CM V CC /R L 39

40 Le transistor en commutation : Régime dynamique de commutation t d : temps de retard t r : temps de montée t s : temps de désaturation t f : temps de descente t on t d +t r : temps de fermeture t off ts+tf : temps d ouverture 40

41 Le transistor en commutation : Puissance consommée: Pertes par conduction : Régime bloqué : I C =0 P=0 Régime saturé : P=V CESAT.I CSAT Pertes par commutation : Commutation «ON-OFF» pas instantanée Pcom : prop. fréquence prop. t ON +t OFF => transistor rapide Vce i p Énergie dissipée en conduction Énergie dissipée en commutation 41

42 Le transistor en commutation : le transistor de puissance Suivant sa puissance, il se présente sous différents boitiers 42

43 Le transistor de puissance en commutation Caractéristiques technologiques : Vceo : tension de claquage, base ouverte Vce R : tension de claquage, base reliée à l émetteur par une résistance. Vcex : tension de claquage, jonction base-émetteur polarisée en inverse. Ic Vceo Vce R Vcex Vce 43

44 Le transistor de puissance en commutation Caractéristiques technologiques : Puissance dissipée en fonction de la température Évolution de l amplification en courant en fonction du courant collecteur 44

45 Le transistor de puissance en commutation Problème de la commutation suivant la charge : Ve I D R2 1k D1 Q1 2 1 L1 10uH 1mH I L R1 10 I c Q2N3904 Vcc Vce 0 Hypothèses : Vd=0,7v en conduction On néglige les temps de commutation du transistor (t on /t off ) Déterminer: 1. la loi d évolution de il, ic, id et Vce en fonction du temps lors des phases de commutation 2. l évolution du point de fonctionnement dans le plan Ic/Vce du transistor lors de la commutation 45

46 Le transistor de puissance en commutation Association de transistors : Mise en parallèle : Permet de commander des montages à fort courants Résistances d émetteur pour équilibrer les courants Q2 Q3 R3 R4 Mise en série: Permet d avoir une tenue en tension plus importante Technique très rare car on a des problèmes de synchronisation au blocage Q4 R6 Q5 R8 D2 C1 1n D3 C2 1n R5 R7 46