Module Electronique Analogique 5 Semestre 4 Parcours EI-2I. Transistor pnp

Transcription

1 Module lectronique Analogique 5 Semestre 4 Parcours I-I hapitre : Le transistor bipolaire Principe et applications simples ) Symboles représentatifs dans les schémas électriques. ) Le Transistor..) omment forme-t-on un transistor? Transistor pnp Pour aller plus loin sur Wikipédia : ibliographie de William SHOKLY : Le transistor bipolaire (ipolar Junction Transistor) est un dispositif à semi-conducteur présentant trois couches (de quelques µm) à dopages alternés npn ou pnp. Formé par l'association de deux jonctions p-n placées en opposition (transistor npn ou pnp), il contrôle le déplacement de charges électriques à travers les jonctions, entre un Émetteur et un ollecteur, le contrôle étant assuré par une troisième électrode appelée ase. omme une diode, le transistor utilise les propriétés des semi-conducteurs qui le compose (silicium et anciennement le germanium). Un transistor comprend éléments : l Émetteur qui émet les électrons, le ollecteur qui recueille les électrons, la ase qui contrôle le passage des électrons entre et. Il existe au moins 00 types de boîtiers de forme plus ou moins différente suivant le fabriquant pour les transistors, mais beaucoup sont très peu utilisés. La constitution et la forme du transistor dépendent de sa technologie et de son application. La «taille» (on parle plutôt de son «encombrement») du transistor est liée à la puissance qu il dissipe (essentiellement sous forme de chaleur). Remarque : À côté des transistors dits bipolaires, il existe d autres types de transistors : le transistor à effet de champ à jonction JFT (Junction Field ffect Transistor) ; le transistor à effet de champ à grille isolée MOSFT (Metal Oxyde Semi-onductor Field ffect Transistor) ; le transistor uni-jonction ; le transistor Darlington ; le phototransistor ; le photo-coupleur Film de Thomas Schwenke : Transistor bipolaire NPN - principe de fonctionnement (Animation D) - durée 5 min 0 s. lec. Ana. 5 hapitre Transistor ipolaire Principe et applications simples. /5

2 Module lectronique Analogique 5 Semestre 4 Parcours I-I.) onvention de fléchage des courants et tensions pour un transistor bipolaire. i V i i V courants et tensions sont positifs Transistor pnp i V i i V courants et tensions sont négatifs Pour faire fonctionner un transistor il faut le polariser, c'est-à-dire qu on lui applique des tensions différentes sur ses broches,, : V et V. De part l existence des couches de semiconducteur, il apparaît trois courants de valeurs différentes : i, i, et i. La «flèche» représentée sur l Émetteur du transistor indique le sens réel du courant entre les jonctions Émetteur ase et ollecteur - ase..) omportement électrique d un transistor. (voir aussi le TP n ) Le Transistor est utilisé essentiellement dans applications principales (il en existe en réalité beaucoup plus). omme Interrupteur électronique commandé (jusqu à plusieurs dizaines de MHz pour certains). est le cas des circuits logiques où l état de l interrupteur permet de modifier la valeur d une variable binaire. On dit que le transistor fonctionne en OMMUTATION. omme Source de courant continue commandée. est prioritairement le cas des circuits analogiques. On dit que le transistor fonctionne en AMPLIFIATION STATIQU. omme Amplificateur du signal. On réalise dans ce cas, une fonction amplification linéaire, en modulant le courant base autour d'une valeur, on contient une modulation plus importante du courant collecteur. On dit que le transistor fonctionne en AMPLIFIATION DYNAMIQU. Quelle que soit l application, on distinguera toujours, lors de l étude du fonctionnement d un transistor, la partie commande du transistor (ase) et la partie effet de la commande (ollecteur, metteur)..4) Lois électriques pour un transistor. On montre que le transistor se comporte comme un «nœud» pour ses courants : De plus, la construction du transistor impose la relation suivante : Où : β = oefficient d amplification statique du courant (sans unité). (β peut atteindre des valeurs se situant entre 00 et 000 pour des transistors de petite puissance (< W)). Remarque : omme pour un A.Op., n cas de saturation du transistor : I sat β. I sat i = i + i i = β. i lec. Ana. 5 hapitre Transistor ipolaire Principe et applications simples. /5

3 Module lectronique Analogique 5 Semestre 4 Parcours I-I Film de Thonain : TRONIK AVNTUR N 0 - TRANSISTOR mesure gain - MULTIMTR durée 6 min 6 s. ATTNTION : e qui est appelé «gain» est en fait le oefficient d Amplification en courant du transistor ) Nécessité d une polarisation (statique) d un transistor..) Pourquoi polarise-t-on un transistor? I I V I aractéristique I = f(i ) Réseau de caractéristiques I = f(v ) Pente = β Pour I = I 4 Pour I = I Pour I = I V I haque référence de transistor possède son propre réseau de caractéristiques (figure. - fourni par le constructeur du transistor). Toutes ces caractéristiques passant par 0, le transistor est donc un composant passif!! Pour faire fonctionner un transistor il faut donc le polariser, c'est-à-dire lui appliquer des potentiels différents sur ses broches,, : aractéristique V = f(i ) V figure. V et V. Il est donc nécessaire de réaliser un circuit d entrée actif (généralement placé entre et ) mais aussi de réaliser un circuit de sortie actif (généralement placé entre et ) pour permettre la circulation des courants i, i, et i. Remarque : Le circuit de polarisation (encore appelé circuit d amplification statique) le plus utilisé est le montage dit à «metteur commun» (le même potentiel est appliquée sur l metteur de la part du circuit actif d entrée comme du circuit actif de sortie et ce potentiel est fixe), mais il existe aussi les montages «ase commune» et «ollecteur commun» où ce sont la ase et le ollecteur qui servent de «pôle commun». Remarque : Dans le cas d un transistor de type pnp, le réseau de caractéristiques est identique (en forme), mais courants (I et I ) et tensions (V et V ) sont négatifs (voir début de ce chapitre)..) ircuit de polarisation à metteur commun «élémentaire». (figure.) figure. (ircuit d attaque) R I V I I V I R (masse commune à et V ) (ircuit de charge) V Pour I = I V est le circuit minimal pour polariser (en régime continu) le transistor, avant de l utiliser pour effectuer une amplification de courant dynamique (en régime variable). Polariser le transistor c est donc connaître les valeurs statiques de V et I (côté entrée) ainsi que les valeurs statiques de V et I (côté sortie). quation du circuit d attaque : V = R.I quation du circuit de charge : V = V R.I lec. Ana. 5 hapitre Transistor ipolaire Principe et applications simples. /5

4 Module lectronique Analogique 5 Semestre 4 Parcours I-I.) Détermination du point de repos (Amplification Statique). onnaissant les valeurs de et R, l équation du circuit d attaque aboutit à l équation d une droite appelée droite d attaque (voir tracé figure.). De même, onnaissant les valeurs de V et R, l équation du circuit de charge aboutit à l équation d une droite appelée droite de charge (voir tracé figure.). Le point de repos (V, I, I et V ) se détermine par lecture des coordonnées (voir figue.) des points d intersection : de la droite d attaque (circuit d attaque) et de la caractéristique d entrée V = f(i ) du transistor. de la droite de charge (circuit de charge) et du réseau des caractéristiques de sortie V = f(i ) du transistor. Remarque : Le choix des éléments (, R, V et R ) des circuits d attaque et de charge est fait en fonction des performances du transistor (puissance maxi acceptée) et surtout en fonction de la position du point de fonctionnement statique (point de repos) désiré. aractéristique V = f(i ) Remarque 4 : La position du point V figure. de repos désiré est primordial pour obtenir, en régime dynamique, les meilleurs performances de l amplificateur de courant. Il est convenu que les meilleurs performances sont obtenues pour la position du point de repos (repéré sur la figure.) au milieu de la droite de charge (Amplification dite de classe A)..4) Fonctionnement en commutation : tat bloqué, tat saturé. On constate que côté droite de charge, Il y a points d intersection particuliers avec le réseau de caractéristiques du transistor : le point et le point S (voir figue.4). I sat 0 I S V sat Réseau de caractéristiques I = f(v ) figure.4 Pour I = I 4 Pour I = I Pour I = I droite de charge Pour I = I V I I aractéristique I = f(i ) Réseau de caractéristiques I = f(v ) Pente = β droite d attaque V R au Point I = 0 et V = V n fait, sur le circuit d attaque si : = 0V I = 0 I = β.i = 0 V = V On dit que le transistor est LOQUÉ I = 0 0V I = 0 V = V au Point S I = I sat et V = V sat n fait, sur le circuit d attaque si : 0V et R «bien choisie» I = I sat I = I sat β.i sat V = V sat (souvent < V) On dit que le transistor est SATURÉ 0V Remarque 5 : Lorsqu on utilise comme points de fonctionnement pour un transistor les points S (état saturé) et (état bloqué) et que l on passe brutalement de l un à l autre, on dit que le transistor travaille en commutation. Remarque 6 : Autres techniques de polarisation d un transistor voir T.D. n. lec. Ana. 5 hapitre Transistor ipolaire Principe et applications simples. 4/5 V R au sens de la construction graphique I sat V Pour I = I 4 Pour I = I Pour I = I droite de charge Pour I = I V I sat V sat

5 Module lectronique Analogique 5 Semestre 4 Parcours I-I 4) Amplification du signal (dynamique) à base d un transistor (npn). 4.) ircuit d amplification dynamique à metteur commun «par pont de base». (figure 4.) figure 4. Une fois le transistor polarisé V (Amplification statique faite par V, R, R, R et R ), on vient lui superposer : R R la source génératrice d informations, en entrée (ici entre la ase et l metteur), i et la charge utile, réceptrice + S d informations, en sortie (ici entre le i G ollecteur et l metteur). u G Z G (Source) + R La source (modélisation d un générateur de tension {u G ; Z G }) est limitée par la valeur du courant i G qu elle peut fournir (sortie audio d un baladeur numérique par exemple). La charge utile (modélisation d une impédance {Z u }) peut appeler une valeur de courant i S que ne peut pas lui fournir directement la source (entrée audio d un Haut-Parleur de puissance). 4.) Rôle des condensateurs, (figure 4.) L Amplificateur de courant doit réalisé l opération : I S = A I. I G. Pour cela, il est nécessaire de superposer à la «phase de polarisation», la «phase d amplification dynamique» par l apport de la part de la source du courant i G et l apport de la part du récepteur du courant i S. est le rôle alloué aux condensateurs (polarisés) et. es condensateurs sont appelés ondensateurs de OUPLAG (ou de liaison). Par leur action, ils permettent de transférer un signal alternatif d une source à un circuit à transistor, sans perturber la polarisation réalisée préalablement, ou d un circuit à transistor vers un récepteur (fonctionnant alors en alternatif). hoix des valeurs à donner : voir T.P. n. 4.) Rôle du condensateur d (figure 4.) e condensateur est appelé ondensateur de DÉOUPLAG. Un condensateur de découplage est semblable à un condensateur de couplage à la nuance près qu il couple à la masse (en alternatif) l metteur qui n y est pas relié (en continu passage du courant I pas R ). hoix de la valeur à donner : voir T.P. n. 4.4) ssais - modèle et performances voir T.P. n. T R + (Amplificateur de courant) d Z u (faible valeur qqs Ω) (charge utile) 4.5) Association de plusieurs transistors. Pré-Ampli. de courant Ampli. de courant à fort gain S 4 Transistors montés en structure Darlington Filtre 4 figure 4.5 : xemple d Amplificateur de courant pour ampli guitare (50 W) (Source : Guitar Sound Systems) lec. Ana. 5 hapitre Transistor ipolaire Principe et applications simples. 5/5