3ème leçon: Le transistor bipolaire

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1 3ème leçon: Le transistor bipolaire I. Le transistor bipolaire Structure et symbole Modélisation» Une vanne de courant» Un générateur de courant parfait» Un générateur comandé via une diode Utilisations» Interrupteur» Amplificateur : rôle de la polarisation II. Etude de l'amplification Schéma équivalent en petits signaux III. Applications du transistor bipolaire 1

2 1. Le transistor bipolaire Structure et symbole. Un sandwich (Collecteur/Base/Emetteur) semiconducteur NPN Métal N U CB > 0 I C > 0 Collecteur Base Emetteur P N I B > 0 U CE > 0 Les signes des variables sont ceux qui permettent d'obtenir l'effet transistor I E > 0 U BE > 0 Structure NPN Symbole : La flèche indique le sens passant de la diode B-E 2

3 L'autre modèle de transistor bipolaire PNP Métal U CB < 0 I C < 0 Collecteur Base Emetteur P N P I B < 0 U CE < 0 Les signes des variables sont ceux qui permettent d'obtenir l'effet transistor I E < 0 U BE < 0 Structure PNP Symbole : La flèche indique le sens passant de la diode B-E 3

4 Première approximation : la vanne de courant Le transistor bipolaire est une vanne de courant, qui contrôle le courant de collecteur ic. Linéaire Bloqué I C Saturé Le contrôle s'effectue à l'aide du courant de base ib : ic = ib ~ 10 à 250 Le transistor est également un noeud à 3 brins : ie = ic + ib I E 4

5 Essai de représentation d'une vanne commandée par un courant Vanne tiroir commandée par un clapet ic = ib u CE ie = ic + ib u BE 5

6 Un générateur de courant parfait ic Commandé par un courant ib Modèle électrique le plus simple du transistor u CE croissant i E 1 V u CE 6

7 Il y a une diode entre la base et l'émetteur L'effet transistor (la commande de ic par ib) n'apparaît que si la diode B-E est passante et la diode B-C bloquée. ( µa) ube/ut ib = IBS (e -1) ut = 25.8 mv à 300 K u BE i E u CE 100 u BE 600 (mv) En fonctionnement normal du transistor, la jonction B-E a toutes les propriétés d'une diode passante Si ube < UD0, alors ib = 0, la diode se bloque et ic = 0 : le transistor est BLOQUE (circuit ouvert entre C et E) 7

8 Saturé IUT Pour bloquer la diode B-C uce > 0.8 V Si uce < 0.8 V, la diode B-C devient passante et l'effet transistor disparaît. Dans ce cas, le transistor est saturé et se comporte comme un circuit fermé entre C et E ic < ib croissant 1 V Bloqué 8 u CE

9 ic augmente avec uce : C'est l'effet Early Cet effet est dû à l'augmentation de la tension inverse de la diode BC. Effet Early u CE Saturé croissant i E ic = ib + uce 1 V Bloqué u CE 9

10 Saturé IUT Réseau des caractéristiques du bipolaire Chaque quadrant correspond à une propriété intéressante du composant (ma) Effet Early Source de courant quasi parfaite Amplificateur de courant croissant (µa) 1 V Bloqué u CE (V) Diode u B E (mv) 10

11 Deux principales utilisations des transistors Comme un interrupteur commandé : En Logique : Oui Non Oui Non Non Non Oui Oui En électronique de puissance : Non Non Oui Non Non Non Oui Non Arrêt Arrêt Marche Arrêt Comme amplificateur : Source Pi Amplificateur Pu Charge Pa Alimentation Pa > Pu + Pi 11

12 Approche graphique de l'amplification L'amplification est linéaire si la sortie a la même forme que l'entrée. (ma) i c i c i b point de repos t IC : point de repos ic : petit signal ic : somme des 2 (µa) i b t ic = IC + ic Ici, l'amplification est visible dans la différence d'unités entre ic (ma) et ib (µa). Un montage qui pour amplifier linéairement a besoin d'un point de repos IC # 0 est dit en classe A. Il consomme de l'énergie au repos et son rendement est Pu/Pa < 25 % 12

13 Emetteur Commun Fort gain en courant Ai > 1 : i2 = ic = ib = i1 Fort gain en tension possible : u2 = uce = ube + ucb = u1 + ucb avec ucb tension de diode bloquée. i 2 Entrée i 1 Sortie u CE u 2 u 1 u BE i E 13

14 Collecteur Commun Fort gain en courant Ai > 1 : i2 = ic = (1 + )ib = (1 + )i1 Pas de gain en tension possible : u2 = - uce = - ube - ucb = u1 - ube, soit u2 < u1 i 2 -i E Entrée i 1 Sortie -u CE u 2 u 1 -u CB 14

15 Base Commune Pas de gain en courant Ai ~ 1 : i2 = ic = ie = - i1 Gain en tension possible : u2 = ucb = - uce - ube = u1 - uce, soit u2 < u1 = < i 1 i 2 -i E -u u u u CB 2 1 BE Entrée Sortie 15

16 Polarisation à deux sources Méthode luxueuse R C U CC U BB R B I B U CE U BE 16

17 Polarisation Instable Rien n'est prévu pour stabiliser IC U CC Causes des dérives de IC : Changement de Echauffement R B R C Conséquences : Saturation au repos Diminution de la dynamique de sortie (la saturation arrive plus vite que prévu) I B U BE 17

18 Polarisation par pont de base La plus classique : stabiliser UBM le potentiel de la base U CC IP >> IB => UBM ~ UCC R2 R1 + R2 ~ cte R C UBE = UBM - REIE R 1 IC = IB I B I P Stabilisation : R 2 U BE R E U BM IC => IE => UBE => IB => IC 18

19 Polarisation par contre-réaction Utilise moins de composants, mais complique un peu l'analyse du circuit. 1 UCC = RC(1+ )IC + UCE U CC R C UCE = RBIB + UBE IC = IB R C I B Stabilisation : IC => UCE => IB => IC U BE 19