Exemples d'utilisations des transistors bipolaires

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1 Exemples d'utilisations des transistors bipolaires Remarques concernant tous les montages: Tous les montages ont ete testes (sauf ampli de classe B) Si un montage refuse de fonctionner, mettre un condensateur de 1000µF sur la plaque d'essais entre la masse et le +Vcc. Certains calculs sont volontairement approchés pour des raisons de simplicité (calculs de puissance dissipée,...) Liste des montages: Regulateur de tension Generateur de courant Bascule à transistors Oscillateur simple Oscillateur avec un quartz Amplificateur pour micro à electret Amplificateur de classe B Generateur de rampes Montage n 1: Regulateur de tension A quoi ca sert? Ce montage permet d'obtenir une tension de sortie fixe avec une tension d'entree variable Schema: 1 sur 19 28/05/11 15:58

2 Principe de fonctionnement ~ On cree une reference de tension à l'aide de R1 et de D1. La tension sur la base de T1 vaut alors 5.1V (tension de la diode zener). ~ Le transistor joue le rôle de suiveur de tension et "amplifie" en courant. C'est à dire que Vs = 5.1V - Vbe = 4.5V environ. ~ Pour un bon fonctionnement, il faut que Vcc vale au moins 6V. ~ La resistance R2 sert de resistance de charge. Sinon lorsque le montage est à vide (courant de sortie Is = 0), Vs ne vaut pas 4.5V Calculs Soit Vcc = 15V, ß = 100, Vd = 5V1, Is_max = 100mA (intensite max de sortie). Resistance R1: ~ Il faut le courant circulant dans la base de T1 soit negligeable devant le courant circulant dans la diode zener, sinon la tension de sortie n'est pas stable. On va donc calculer la resistance maximale, puis on va diviser sa valeur par 10 pour respecter la condition ci dessus. ~ R1_max = (Vcc - Vd) * ß / Is_max = (15-5.1) * 100 / 0.1 = 9900 Ohms. On prendra donc R1 = R1_max / 10 = 1 kohms. ~ Pour faire le calcul, j'ai pris le pire des cas, c'est à dire que plus aucun courant ne circule dans la diode (voir cours sur les diodes). J'ai utilise la formule Ic = ß * Ib et U = R * I Puissance dissipee par T1: ~ P = Vce x Is_max = (Vcc - Vs) * Is_max = (15-4.5) * 0.1 = 1.05W. ~ Il va donc falloir un petit radiateur. Remarques 2 sur 19 28/05/11 15:58

3 ~ Vous pouvez bien entendu changer le transistor. Il faut le choisir en fonction du courant de sortie (Is_max) qu'on veut obtenir. Pensez à bien regarder la datasheet pour savoir quelle est la puissance maximale que peut dissiper le transistor que vous avez choisi. ~ Le BD139 peut par exemple etre remplace par un BD135. ~ Notez que ce type de montage existe en circuit integre deja tout fait. Ce genre de circuit integré est bien plus stable et consomme beaucoup moins. Cependant il peut etre interessant d'utiliser ce montage pour faire un regulateur à faible tension de dechet (difference entre Vcc et Vs). Montage n 2: Generateur de courant A quoi ca sert? Ce montage permet de faire circuler un courant constant dans un dipole, et ce quel que soit la tension à ses bornes (dans une certaine mesure). Le dipole se branche entre A et B Schema: Principe de fonctionnement ~ On sait que pour un transistor, on a Ic = Ie. On va donc simplement fixer Ie à une valeur. ~ Pour cela, on cree une reference de tension à l'aide des trois diodes, et 3 sur 19 28/05/11 15:58

4 de la resistance R1. ~ D'autre part, on sait que Vbe = cte = 0.7V. On va donc pouvoir obtenir une tension fixe aux bornes de R2. Et qui dit tension fixe aux bornes d'une resistance dit courant fixe (U = R * I). ~ Et voilà, c'est tres simple et tres pratique! Calculs Soit Vcc = 10V, Vd = 0.6V, Veb = 0.7V, ß = 200 et I = 0.02A (ce qu'on veut obtenir). Resistance R2: ~ On a Ur2 = 3 * Vd - Veb ~ Donc R2 = Ur2 / Ir2 = (3 * Vd - Veb) / Ie = (3 * ) / 0.02 = 55 Ohms. On prendra donc la valeur normalisee 56 Ohms. Resistance R1: ~ La resistance R1 permet d'avoir une tension de reference bien fixe. Il faut donc que le courant qui part dans la base du transistor soit negligeable devant le courant qui circule dans les diodes et la resistance. ~ Or, on a Ib = Ic / ß. ~ Donc on va faire circuler Ir1 = 10 * Ib = 10 * 0.02 / 200 = 1mA ~ Soit R1 = (Vcc - 3 * Vd) / Ir1 = (10-3 * 0.6) / = 8200 Ohms Puissance max dissipée par le transistor: ~ P = Vec_max * I = (Vcc - 3*Vd + Veb) * I = (10-3* ) * 0.02 = 0.178W. Ca va! Remarques ~ Pour verifier le courant, vous pouvez brancher directement un amperemetre entre A et B. Vous devriez trouver environ 20mA (si vous trouvez 0, changez le fusible de votre amperemetre avant d'accuser le montage). ~ La tension maximale entre A et B pour que le generateur de courant fonctionne en tant que tel vaut: Vab_max = Vcc - 3*Vd + Veb - Vec_sat = 10-3* = 8.4V environ. 4 sur 19 28/05/11 15:58

5 ~ Notez qu'on pourrait enlever une diode, on perdrait alors en précision, car Veb n'est pas tout à fait fixe. L'avantage serait qu'on pourrait avoir une tension max entre A et B plus elevée. ~ On pourrait remplacer les trois diodes par une diode zener (montee dans l'autre sens bien sur). ~ Une utilisation de ce montage est par exemple d'alimenter une LED à l'aide d'une tension d'entree quelconque. (On aura toujours la meme luminosite). Montage n 3: Bascule à transistor. A quoi ca sert? Ce fabuleux montage permet à l'aide de deux transistors de réaliser une memoire. La sortie change d'etat à chaque appui sur la touche. Schema: Principe de fonctionnement La sortie se fait soit au point A, soit au point B. Ces sorties prennent deux etats qui valent environ 0V ou +Vcc. Par la suite, on les appelera 5 sur 19 28/05/11 15:58

6 respectivement etat 0 et etat 1. Partons de la condition A = 0 et B = 1. On va voir que lorsque A est à 0, B est à 1 et vice-versa. Si A = 0, alors T2 est saturé (Veb = 0.2V), donc B = 1, donc T1 est bloqué (Veb < 0.7V), donc A = 0. La condition est verifiée! Maintenant, on appuye sur la touche: ~ Avant l'appui sur la touche, C1 etait dechargé, et C2 chargé à +Vcc (Vc2 = +Vcc, fleche allant vers la droite). ~ Au moment où l'on appuye sur la touche, comme C2 est chargé, le transistor T2 se bloque car sa tension Vbe devient négative. ~ Du coup, B = 0, ce qui entraine que T1 se sature, et A = 1 ~ La bascule a changé d'etat Si on appuye de nouveau sur la touche, on va revenir dans l'etat initial, et ainsi de suite... Calculs ~ Pas grand chose à calculer, c'est plutot de la reflexion. Constatez que les resistances de base (R3 et R4) sont beaucoup plus grandes que les resistances de collecteur. ~ Le choix des resistances determine la consommation du montage. Ainsi vous pourriez diviser toutes les valeurs de resistances par 10 et multiplier celle des condensateurs par 10. La consommation serait elle aussi multipliée par 10! En contre partie, vous pourriez alimenter quelque chose qui consomme plus (voir les remarques). ~ Vcc: de 1V à 45V (Vec_max = 45V = limite des transistors). Remarques Il est tout à fait possible de faire ce montage avec des transistors NPN, il suffit de tout "retourner", et de reflechir un petit peu. C'est utile si on veut que l'interrupteur soit connecté à la masse et la resistance de rappel R7 au +Vcc. 6 sur 19 28/05/11 15:58

7 Attention, si vous connectez quelque chose qui consomme trop de courant (relais,...) au point A ou B, la bascule ne pourra plus basculer. Il faudra alors ajouter un transistor pour "amplifier" le courant. (voir la page le transistor en commutation). Il suffit de connecter le point A ou B sur la resistance de base. Ce montage peut egalement se faire avec des circuits logiques (bascule D ou bascule JK). Bien sur maintenant on utilise pratiquement plus que des bascules. Cependant allez trouver une bascule qui fonctionne de 1V à 45V... Notez que l'ensemble S1, R7 peut tres bien etre remplace par un systeme qui fait des impulsions positives (GBF,...) Montage n 4: Oscillateur simple ou montage astable A quoi ca sert? Ce montage permet de generer un signal carre ou rectangulaire au point A ou B Schema: Principe de fonctionnement La sortie se fait soit au point A, soit au point B. Ces sorties prennent deux etats qui valent environ 0V ou +Vcc. Par la suite, on les appelera respectivement etat 0 et etat 1. 7 sur 19 28/05/11 15:58

8 Supposons que A = 0 et B = 1; et que les deux condensateurs sont chargés. T2 est saturé par l'intermediaire de R4, et T1 est bloqué, car sa tension Vbe est negative du fait que C1 est chargé. Grace à R3, C1 se décharge, et la tension Vbe1 diminue pour finir par redevenir positive. Lorsque Vbe1 = 0.7V environ, T1 se sature (B passe à 0). Du coup, Vbe2 devient negative, et T2 se bloque. (A passe au niveau 1). Donc C1 se charge positivement, et en profite pour saturer plus rapidement T1. Dans le meme temps, C2 se decharge, et la tension Vbe2 diminue pour finir par redevenir positive. T2 va se re-saturer, et on va recommencer un cycle. Relevés à l'oscilloscope: Calculs On va se contenter de calculer les temps à l'etat haut et à l'etat bas pour le point B. 8 sur 19 28/05/11 15:58

9 On sait (voir cours sur les condos) que le temps de charge d'un condensateur est donnée par la formule: T = R * C * ln [ (Vc(0) - Vc(inf)) / (Vc(T) - Vc(inf)) ] Donc le temps à l'etat bas vaut Tb = R4 * C2 * ln [ (0-2*Vcc) / (Vcc - 2*Vcc) ] = R4 * C2 * ln 2 = 0.7 * R4 * C2 De meme, le temps à l'etat haut vaut Th = 0.7 * R3 * C1 Notez que ce calcul n'est pas tout à fait exact, car on a negligé Vce_sat = 0.2V et Vbe_sat = 0.7V. Ceci permet de trouver une formule generale, independante de la tension d'alimentation. (en réalité ce n'est pas tout à fait le cas). Pour le montage proposé, ca fait Tb = Th = 0.023s = 23ms. (confirmé par le relevé). Remarques ~ Ce montage peut s'averer bien pratique pour faire clignoter une LED par exemple. Il est tres simple, et ne prends pas beaucoup de place. ~ Notez que j'ai mis des condensateurs polarisés. C'est simplement pour montrer le sens de branchement dans le cas où il serait necessaire d'en utiliser. (frequence d'oscillation moins elevée). Cependant les condensateurs de 100nF ne sont pas polarisés (sauf cas tres rare). ~ La tension d'alimentation peut etre a peu pres quelconque, en respectant tout de meme la tension Vce_max des transistors (45V pour ceux la). Montage n 5: Oscillateur avec un quartz A quoi ca sert? Ce montage sert à faire osciller un quartz sans circuit integré. Schema: 9 sur 19 28/05/11 15:58

10 Principe de fonctionnement Je n'en sais rien! Je donne ce montage pour information. Relevé à l'oscilloscope Mode AC, amplitude environ 6V avec Vcc = 12V. Le signal est centré par rapport à Vcc/2 environ. Le quartz a une valeur d'1mhz Remarques Le montages a ete teste, il fonctionne bien avec des quartz ayant des valeurs comprises entre 1 et 8 MHz 10 sur 19 28/05/11 15:58

11 Montage n 6: Amplificateur de micro electret. A quoi ca sert? Ce montage ludique permet d'amplifier le son d'un micro à electret:. Le montage se decompose en deux parties semblables. Le deuxieme etage est l'ampli "de puissance" sur lequel est branché le haut parleur. Schema: Principe de fonctionnement ~ Le micro cree de toutes petites variations qui se repercutent sur la base de T1 ~ T1 amplifie ces variations, et les transmets sur la base de T2 par l'intermediaire de C5. ~ T2 amplifie de nouveau, mais est capable de delivrer suffisament de courant pour alimenter un petit haut parleur. Vous aurez reconnu le montage, il est constitué de deux emetteurs communs. (voir page sur le transistor en mode lineaire). 11 sur 19 28/05/11 15:58

12 Les condensateurs C3, C4, et C5 sont des condensateurs de liaison. Sans C3 par exemple, le haut parleur serait alimenté en permanence avec une tension continue ce qui produirait un mauvais son et risquerait de le griller. Les condensateurs C1 et C2 sont là pour obtenir une amplification plus forte. Relevés à l'oscilloscope: Calculs Pour Vcc = 15V, il faut calculer pour chaque transistor les resistances de telle sorte qu'au repos (micro enlevé), la tension entre le collecteur et la masse de chaque transistor vale environ Vcc/2 = 7.5V. Ceci permettra d'utiliser toute la plage de tension (0 à 15V) lorsque le montage va fonctionner. Voir le cours pour les calculs. Note: j'ai pris les valeurs au "feeling". Remarques ~ Attention le micro à electret est polarisé; le moins, est la patte reliée au boitier. ~ Vous pouvez brancher à peu pres n'importe quel haut parleur en sortie, en sachant qu'on entendra mieux si son impedance est plus elevée (moins de 12 sur 19 28/05/11 15:58

13 perturbations sur l'etage de sortie). Montage n 7: Amplificateur de classe B A quoi ca sert? Ce montage sert principalement dans les amplificateurs audio notemment dans l'etage de sortie (juste avant le haut parleur). La version que je présente est une version de base; il en existe des bien plus performantes. Schema: Principe de fonctionnement Les transistors sont montés en suiveur. Lorsque Ve est positif, T2 se bloque, et R3 permet de rendre passant le transistor T1. La tension Vs monte en recopiant Ve, en effet, on a Vs = Ve + Vd1 - Vbe - Ur1 = Ve environ, d'où le nom de suiveur. Notez que R1 et R2 sont négligées, car de valeur tres faible; elles sont juste là pour 13 sur 19 28/05/11 15:58

14 empecher l'echauffement excessif des transistors dans le cas où ils conduiraient simultanément (cas où Vd < Vbe). Il se passe exactement le contraire lorsque Ve est négatif, T2 est passant,... Notez que le montage n'amplifie pas en tension mais en courant (montage suiveur). Calculs ~ On connecte un haut parleur de 8 Ohms en sortie, on a ß = 100, on prend R1 = R2 = 0.1 Ohms, Vcc = +15V, et Vss = -15V. ~ On veut que la puissance de sortie maximale de l'amplificateur soit de 18W. Soit une puissance RMS de 9W Resistance R3 = R4: ~ On neglige R1 et R2 ~ On prend le cas de Vs = +12V sachant que c'est exactement le meme principe pour Vs = -12V. ~ On sait que T2 est bloqué, et T1 passant. On commence par calculer Ic1: ~ On sait que Pmax = R * Ic1². Donc Ic1 = \/ (P_max / R) = \/ (18 / 8) = 1.5A ~ Donc Ib1 = Ic1 / ß = 1.5 / 100 = 0.015A ~ Or pour Vs = +12V, on a Ur3 = Vcc - Vs - Vbe = = 2.3V ~ Donc R3 = Ur3 / Ib1 = 2.3 / = 153 Ohms, on prendra 150 Ohms. Puissance dissipée par R3 ou R4: ~ P = Ur3_moy² / R3 = (Vcc - Vd)² / R3 = (15-0.7)² / 150 = 1.36W!!! ~ C'est le probleme de la version la plus simple de l'ampli classe B. il faut des resistances de base de 2W dans notre cas. Le calcul de la puissance dissipée par les transistors est un peu trop compliqué pour etre detaillé ici. Il faut simplement savoir que ce n'est pas lorsque c'est à fond qu'ils dissipent le plus. Remarques 14 sur 19 28/05/11 15:58

15 Notez que pour le montage présenté, il faut une alimentation symétrique ±15V. Sans alimentation double, il faudrait mettre des condenstateurs de liaison comme dans le montage precedent. Pour un systeme de bonne qualité, il est toujours préférable de ne pas avoir de condensateur de liaison en sortie, car ca introduit de la distortion. Vous l'avez constaté, pour un ampli qui sort 9W RMS, les resistances de base doivent deja dissiper pres de 2W. Il existe donc d'autres montages à partir du classe B qui sont plus performants. Par exemple le montage bootstrap avec des condensateurs branchés sur la sortie qui permettent de "rehausser" la tension d'alimentation des résistance de base. Une autre solution est de mettre des transistors darlington (voir cours); ce qui permet d'augmenter le gain, donc baisser la valeur de Ib. Dans les circuits integrés amplificateurs, en général les premiers etages d'amplification sont fait en classe A (un peu comme le montage precedant) car c'est plus linéaire, et le dernier etage est fait en classe B, car ca dissipe moins de chaleur. Montage n 8: Générateur de rampes A quoi ca sert? Ce montage permet de faire un generateur de rampes, c'est à dire une suite de triangles rectangles à l'aide de seulement 4 transistors. Schema: 15 sur 19 28/05/11 15:58

16 Principe de fonctionnement Le montage est constitué de trois parties: Une premiere partie qui cree un signal carre, une seconde partie qui se charge de décharger brusquement C4 à chaque fois que le signal carre est au niveau haut; et une troisieme partie qui est un generateur de courant constant qui charge un condensateur. La sortie du montage s'effectue aux bornes de C4. On ne va pas reetudier le fonctionnement de l'oscillateur ni du generateur de courant constant. Par contre on va s'interesser au fonctionnement du systeme de décharge: ~ On suppose que T1 est saturé (B = 0), donc T3 est bloqué. C3 est déchargé ~ T1 se bloque (B = 1), donc du fait de la faible valeur de R5, T3 courtcircuite tres rapidement C4. Ensuite le condensateur C3 se charge (grace à R5), et le courant dans T3 diminue (grace à R6) pour devenir nul. ~ Des que Ib3 = 0, le condensateur C4 peut recommencer à se charger. On démare une nouvelle rampe. ~ Ensuite, T1 se re-sature, B = 0, C3 se décharge alors rapidement dans D4. ~ et un nouveau cycle peut recommencer. 16 sur 19 28/05/11 15:58

17 Pourquoi un generateur de courant constant? ~ Il est indispensable pour generer des rampes, en effet, la tension aux bornes d'un condensateur croit linéairement que si le courant qui le traverse est linéaire (en clair, en chargeant le condo avec une resistance, la tension varie de maniere exponentielle. Pour plus de précisions, voir le cours sur les condensateurs). ~ Rappel: comme le courant est constant, on a I = C * U / t, avec I le courant traversant le condo, U la tension à ses bornes à l'instant t, et C la capacité du condensateur. Relevés à l'oscilloscope: La courbe en bleu est la rampe (sortie du montage aux bornes de C4). Son amplitude est 6V. La courbe en jaune est le signal carré à la sortie de l'oscillateur (amplitude 7V). Calculs Soit Vcc = 7.4V Frequence de l'oscillateur: Avec les valeurs données; la periode d'oscillation vaut Tb + Th = 0.7 * R3 * C * R4 * C2 = 145ms soit f = 6.9Hz Courant generé par le generateur de courant: I = (3*Vd - Veb) / R = 0.092mA 17 sur 19 28/05/11 15:58

18 Calcul de C4 pour que Vc4 = 6V en une période (on ne peut prendre plus que 6V car sinon le generateur de courant sature (Vcc = 7.4V)) On sait que I = C * U / t, donc C = I * t / U = * / 6 = 2.22µF. On prendra donc 2.2µF pour C Remarques ~ Ce montage effectue une petite synthése de ce qu'on a vu. Il montre qu'on peut faire presque tout ce qu'on veut à l'aide des transistors. ~ Attention il ne faut pas charger la sortie du montage sinon votre rampe ne va plus ressembler à rien. Fin: voilà, le cours sur les transistors est terminé, j'espere qu'il vous a plu, et que vous les utiliserai plus souvent à la place de ces composants "tout faits" bien moins instructifs. N'hesitez pas à nous écrire pour toute question: xizard@enib.fr & rbourdon@enib.fr Nous ne pouvons en aucun cas etre tenus pour responsable des dommages corporels ou matériels que pourraient causer ces montages. 18 sur 19 28/05/11 15:58

19 Ecrivez nous: et 19 sur 19 28/05/11 15:58