Transistor bipolaire

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1 Transistor bipolaire I. Introduction : Le transistor fait partie des composants que l'on retrouve sans exception dans toutes les applications de l'électronique. Amplification de tension, amplification de courant, amplification de puissance, interrupteur, oscillateurs, convertisseurs AA, AD, DD, DA, microcontrôleurs, microprocesseurs, etc... Il existe plusieurs types de transistor : omposant commande Application type A max 1 ande passante 1 ipolaire MOS, FT, JFT, MOSFT courant Amplification, commutation 10A 0 GHz tension ommutation 5A 0 10MHz IGT courant ommutation en électronique de puissance Nous nous intéresserons ici simplement au transistor bipolaire. II. Objectifs : Étude des montages en forts et petits signaux base commune, émetteur commun, collecteur commun. 200A 0 MHz III. Généralités : Le transistor bipolaire est constitué par 2 jonctions PN mises bout à bout. Il est possible d'associer ces 2 jonctions de manière à constituer 2 composants : le transistor NPN, le transistor PNP. Le transistor est un composant composé de 3 connexions : base, zone faiblement dopée et de taille très faible (par rapport aux 2 autres), émetteur, zone très dopée ie zone extrinsèque collecteur, zone très dopée, et d'une taille presque 1,5 fois plus grande que l'émetteur. Figure 1 : oîtier TO39. 1 e ne sont que des ordres de grandeurs. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 1/9

2 Description du fonctionnement d'un transistor NPN/PNP : n fonctionnement normal, la jonction baseémetteur est polarisée dans le sens direct, et la jonction basecollecteur en inverse. ela signifie que la polarisation directe de la base permet aux électrons/trous de passer dans l'émetteur sous la forme d'un courant de diffusion I dn /I dp puisque la barrière de potentiel a été annulée. De la même manière les trous/électrons de la base diffusent vers l'émetteur I dp /I dn. L'accumulation d'électrons/trous dans la base fait qu'ils sont attirés dans le collecteur car la polarisation entre la base et le collecteur est inverse. eci est possible car au niveau de la base il existe une inversion localisée de la population puisque celleci possède une taille très faible. Les électrons ainsi stockés, on suffisamment d'énergie pour transiter «naturellement» dans la zone collecteur aidés par la polarisation inverse de la zone. Dans les 2 jonctions il existe des courants inverses. L'agitation thermique est la source de la création de ces courants. ependant ce courant est négligeable devant le courant de diffusion et ne contribue pas à l'effet transistor. I I dp Porteurs majoritaires Porteurs minoritaires Idn I dp1 P I' i N P I S Porteurs majoritaires I I = I dp I dp1 I dn I' i I S I I dn Porteurs majoritaires Porteurs minoritaires Idp N I' i P N I S Porteurs majoritaires I dn1 I I = (I dn I dn1 I dn I' i I S ) Figure 2 : Déplacement des porteurs dans les transistors PNP/NPN en mode direct. {I =I dp I dn I ' i I =I dp1 I S} S loi I =I dp I dn I ' i I dp1 I des noeuds au point, I I =I posons = I dp1 I I =I dp1, avec [0,95 ;0,999] I =. I I S =. I. I I S I. 1 =. I I S I = 1. I 1 1. I S, posons =, avec [20 ;500] 1 I =. I 1 1. I S,. I 1 1. I S puisque I S est de l ' ordre du na. I =. I Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 2/9

3 Nous allons étudier dans ce TP le transistor bipolaire NPN 2N3053. A partir des informations données sur le Data Sheet du constructeur relever : la puissance maximale dissipable, le courant collecteur maximal à ne pas dépasser, la tension collecteur base maximale. IV. Étude des caractéristiques statiques ou à forts signaux du transistor : A montage base commune : Un montage équivalent fort signal est utile pour fixer le point de fonctionnement du transistor. On néglige souvent la résistance R d. R d 0,6V α.i Réaliser le montage de la Figure 4 : Figure 3 : Modèle équivalent en mode statique du montage base commune. V I Figure 4 : Montage base commune. Tracer la courbe I = f(v ) pour des courants émetteurs I = 1, 3, 5, 10mA. Pour cela : on fixe le courant émetteur avec l'alimentation V et la résistance variable associée, puis on fait varier la tension d'alimentation V de. A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre α. onclure sur la validité des mesures effectuées. n déduire la valeur «approximative» de la résistance de sortie R S. Remarques Pour ce montage le courant collecteur ne s'annule que pour une tension inverse de 0,5 à 0,8V fonction du type de transistor. xpliquez pourquoi? Une résistance est placée en série entre le collecteur et V. ela signifie que les caractéristiques I = f(v ) s'arrêtent pour une tension égale à V R.I. 1kΩ I V Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 3/9

4 montage collecteur commun : Réaliser le montage de la Figure 5 : I 1kΩ V V I Figure 5 : Montage ollecteur commun. Tracer la courbe I = f(v ) pour des courants de base I = 10, 50, 100, 500µA, 1mA. Pour cela : on fixe le courant émetteur avec l'alimentation V et la résistance variable associée, puis on fait varier la tension d'alimentation V de. e réseau de courbes estil convergent en un point particulier V A'? Donner sa valeur. Tracer la courbe I =f(i ). A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre β. onclure sur la validité des mesures effectuées. montage émetteur commun : Si on néglige l'effet arly on arrive à un modèle équivalent suffisant pour le calcul du circuit de polarisation. e montage comme le précédant base commune ne prend pas en compte les effets de rétroaction qui sont la base de l'effet transistor. 0,6V β F.I Réaliser le montage de la Figure 7 : Figure 6 : Modèle statique du montage émetteur commun. I 1kΩ V V I Figure 7 : Montage émetteur commun. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 4/9

5 Tracer la courbe I = f(v ) pour des courants de base I = 10, 50, 100, 500µA, 1mA. Pour cela : on fixe le courant émetteur avec l'alimentation V et la résistance variable associée, puis on fait varier la tension d'alimentation V de. Peuton à partir de ce réseau de courbes évaluer la valeur de la tension de arly V A? Donner la valeur de la tension d'arly V A. Tracer la courbe I =f(i ). A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre β. onclure sur la validité des mesures effectuées. omparaison des différents montages Donner pour ces 3 montages : la position des plots d'entrée et de sortie, le gain en tension, le gain en courant, onclure sur une application probable de ces montages. Les tensions V A et V A' vérifientelles V A' = (β1).v A? V. Étude des paramètres dynamiques ou à faibles signaux du transistor : A ase commune : 1Modélisation en régime dynamique : La modélisation en régime dynamique est l'étude du fonctionnement de signaux de faible amplitude autour du point de fonctionnement statique. ircuit d'entrée : La résistance dynamique R d qui existe dans la jonction PN émetteurbase est le seul terme qui sera pris en compte dans la modélisation. ette résistance peut s'exprimer de manière identique à celle d'une diode r e =R d = V T I. ette résistance d'entrée possède plusieurs appellations r e, r i ou h 11b si on utilise une représentation du transistor en quadripôle par la matrice hybride. ircuit de sortie : Le circuit de sortie est parcouru par un courant qui n'est fonction que du courant d'émetteur I. e courant est indépendant de la tension basecollecteur. On utilise pour le représenter un générateur de courant idéal α.i débitant sur une résistance r 0 de valeur très grande. H 21 =α.i h 11 =r e h 22 =r 0 Figure 8 : Modélisation petits signaux du montage base commune. Le fonctionnement n'est que correctement décrit par le paramètre α mais en régime dynamique on utilise plutôt le paramètre de transconductance g m qui va lier les variations du courant de sortie avec les variations de la tension d'entrée. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 5/9

6 v e =r e.i e =r e. i c i c =g m. v e avec g m = r e La sortie du transistor est chargée par une résistance R, les gains en tension et en courant peuvent A v =g m. R c =. R c s'exprimer par r e A i = =g m. r e Dans ce modèle on suppose qu'il n'existe pas de dépendance entre le circuit d'entrée et de sortie. n réalité c'est faux il existe une capacité parasite entre le collecteur et l'émetteur, que nous négligerons ici dans l'ensemble des calculs. Réaliser le montage de la Figure 9. On fixera la tension V à 10V pour TOUTS les questions qui vont suivre. R 1 =15kΩ I R =1kΩ V ~ V ac1 V ac2 I V ac3 V ac4 V V ac2 = 50 à 100mV eff 1kHz Figure 9 : Montage base commune. 2 Gain en courant α en régime dynamique : On pose = i c i e la sortie étant en courtcircuit pour l'alternatif. On veux mesurer les courants ic et ie. xpliquer : pourquoi à partir des mesures des tensions V ac1, V ac2, V ac3, V ac4 il est possible de déterminer les courant i e et i c? Pourquoi utiliseton ce type de mesure plutôt qu'une mesure directe avec un ampèremètre? stil possible de simplifier les calculs de i e et i c? Tracer la courbe i c = f(i e ) pour des courants de polarisation I de 200µA à 10mA. Faire varier la fréquence du générateur entre 100Hz et 1MHz, et retracer i c = f(i e ). onclusion. 3 Résistance d'entrée r e ou h 11b : Remplacer la résistance R par un courtcircuit. Tracer la courbe r e = f(i ) pour des courants de polarisation I variant entre 200µA à 10mA. La relation r e = 25mV estelle vérifiée? I Faire varier la fréquence du générateur entre 100Hz et 1MHz, et retracer r e = f(i ). Interprétation des mesures. Remarque : La résistance d'entrée du transistor varie entre 250Ω et 5Ω lorsque le courant de polarisation passe Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 6/9

7 de 200µA à 10mA. n plaçant une résistance de 15kΩ à l'entrée du transistor et immédiatement en sortie du générateur de tension on fabrique vis à vis du transistor un générateur de courant. 4 Résistance de sortie r 0 : Supprimer le générateur V ac1 ainsi que la résistance R 1. Placer entre le collecteur du transistor et le courtcircuit un transformateur en position abaisseur de tension. Remplacer le courtcircuit de la maille de sortie par la résistance de R = 1kΩ. rancher le générateur à l'entrée du transformateur. Régler le générateur de manière que la tension de sortiev ac3 soit de l'ordre de 1à 2V eff. Régler les générateurs de tension continu pour avoir un courant I = 1mA et une tension V = 10V. L'entrée étant en circuit ouvert vis à vis de l'alternatif. La tension du générateur alternatif fait circuler un courant i s dans la maille de sortie tel que : i s = v ac4 et r R 0 = v ac3 = v ac3. R i s v. ac4 Faire varier la fréquence du générateur de 50 à 10kHz et mesurer la résistance de sortie. onclusion. Émetteur commun : 1Modélisation en régime dynamique : Résistance d'entrée : h 11e résistance d'entrée du quadripôle actif la sortie étant en cours circuit pour l'alternatif ( = 0) h 11 e = v 1 =r ou r e ou r i input, Gain en courant : rapport des courants sortie/entrée, la sortie étant en cours circuit (v2= 0) h 21 e = i 2 = i f, 1 Admittance de sortie : rapport des courants et tension de sortie pour i1= 0 h 22 e = i 2 = 1 r 0, Rapport de transfert inverse en tension : rapport des tensions d'entrée et de sortie pour i1= 0 h 12 e = v 1 =r. On obtient le schéma i 2 h 11 1 v 1 h 12 h 21 h 22 Figure 10 : { v 1 i 2} { = h 11 h 12 h 21 h 22}. { } On considérera les conditions de polarisation suivantes pour toute la partie en émetteur commun, I = 5mA et V = 5V. A vérifier de manière permanente pendant les manips. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 7/9

8 Méthodologie à appliquer : 1 Régler le courant I par le générateur V, cela fixera automatiquement le courant I. xpliquez pourquoi? 2 Vérifier de manière permanente la tension V pour avoir 5V. xpliquez? 3 Vérifier que la tension de sortie du générateur reste constante. On réglera sa fréquence à 1kHz. 2 Résistance d'entrée h 11e : Réaliser le montage suivant : V V ac1 V ac2 V V ac3 ac4 Figure 11 : Montage émetteur commun en petits signaux. De manière à mesurer la résistance d'entrée on utilise la méthode de la demitension, pour selon : 1 On règle le générateur de manière à ce qu'il délivre 3mV eff. 2 On place à la sortie du générateur F une résistance variable. 3 On fait varier cette résistance jusqu'à ce que V ac2 = V ac1. 2 Attention : ette méthode n'est valable que si la résistance interne du générateur est très faible par rapport à la résistance à mesurer. Dans le cas contraire on considère le générateur Thévenin équivalent de fem V ac1 et résistance interne r g = 50Ω et on applique la demitension par rapport à la tension à vide. Quand V ac2 = V ac1 =R 2 h 50. Faire la mesure pour I = 1, 2, 5 et 10mA. onclusion. ~ R 1 =47kΩ 3 Mesure de β ou h 21e : Remplacer la résistance variable par une résistance en série dans la maille d'entrée de valeur très grande 100k ou 1MΩ. Régler le générateur de manière à avoir une tension de l'ordre de 3 à 10mV eff en sortie de cette résistance. Remplacer la résistance collecteur par une résistance de 100Ω. Le courant de sortie est mesuré aux bornes de cette résistance. Puisqu'elle a été choisie suffisamment faible par rapport à la résistance de sortie r0 du transistor pour que la maille de sortie soit assimilable à un courtcircuit. Tracer la courbe de variation du gain en courant en fonction du courant continu de polarisation I pour 0,1mA à 10mA. 4 Résistance de sortie r 0 ou h 22e : Supprimer le générateur F et la résistance correspondante. Insérer dans la maille de sortie entre le collecteur et la résistance R un transformateur en position élévateur de tension. On réglera le générateur afin d'obtenir une tension de l'ordre de 3V cc en sortie du transformateur. Mesurer la résistance de sortie du transistor r 0 pour de courants de polarisation de 1, 5 et 10mA. I I R =1kΩ V Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 8/9

9 Refaire les mesures pour des fréquences de 50, 100, 500Hz. ollecteur commun : 1Modélisation en régime dynamique : R g e g h 11 h 12 h 21 1 h 22 v 1 i 2 R n appliquant la loi des mailles au point Si on suppose que. R R g r. Figure 12 : Montage collecteur commun en petits signaux. la résistance d'entrée devient R 1 =r 1. R, 1 = e. g 1 R g r 1. R le résistance de sortie R 2 = R g r 1. 2 Impédance d'entrée r i : Réaliser un montage identique à celui de la Figure 11. n plaçant le transistor en collecteur commun. Le générateur F est placé dans la maille d'entrée. Mesurer la résistance d'entrée par la méthode de la demitension pour des courant de polarisation entre 1 et 100mA. Remplacer la résistance R par un courtcircuit et refaire les mêmes mesures pour les mêmes points de polarisation. On doit retrouver la valeur de r π ou h 11e. La loi r i =r 1. R estelle vérifiée? Il faut vérifier en permanence les conditions de polarisation du transistor, sous peine d'erreurs de mesure et de lecture. 3 Impédance de sortie : Réaliser un montage identique au montage émetteur commun mesure de la résistance de sortie. Mesurer la résistance de sortie pour des courants de polarisation variant de 1 à 100mA Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice page 9/9

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