Transistors bipolaires Fonctionnement en commutation

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1 1 Transistors bipolaires Fonctionnement en commutation I Symboles : Transistor NPN B B Transistor PNP Un transistor bipolaire comporte trois connexions : la Base, le ollecteur et l metteur. La flèche sur le symbole repère l émetteur et indique le type de transistor. II Tensions et courants dans un transistor : V B V B V I = + V V B V B I I V = V B + V B V = V B + V B III Présentation qualitative des transistors en commutation : Un transistor bipolaire (supposé parfait) utilisé en commutation se comporte comme un interrupteur commandé par un signal logique. Sur les deux exemples ci-dessous le signal logique de commande ( ) est appliqué sur la résistance de base R2 pour le NPN et R3 pour le PNP. est le couple de composants R2-Q1 et R3-Q2 qui se comporte comme un interrupteur commandé. Suivant l état logique de l interrupteur est soit fermé soit ouvert. xemple de structure d un NPN en commutation xemple de structure d un PNP en commutation

2 2 Schémas équivalents des transistors NPN et PNP suivant l état logique de Vcmd

3 3 Pourquoi dit-on d un transistor qu il est bloqué ou saturé? Un transistor bipolaire est un amplificateur de courant. Il amplifie le courant de base pour donner le courant de collecteur : = β β ou h F est une grandeur constante sans unité appelée amplification en courant. 20 β quelques centaines selon le type de transistor. Sa valeur est donnée dans les documentations constructeurs des transistors. Dans le montage ci-dessous est généré par une source de courant variable. Pour plusieurs valeurs de on relève les valeurs de V B, et V correspondantes. On obtient ainsi trois caractéristiques : = f( ), = f(v ) et = f(v B ) R quation de la maille de sortie : R V = 0 Saturé sat V R = + R =β. V + sat V sat V V B Analyse de la caractéristique = f(v ) : ette caractéristique est une droite dont l équation est obtenue à partir de l équation de la maille de sortie. On appelle cette droite «la droite de charge». V sat est la valeur minimum que peut prendre V. Sa valeur est donnée dans les documentations constructeurs des transistors. sat est la valeur maximum que peut prendre. Sa valeur dépend de et de R. Analyse de la caractéristique = f( ) : Quand : = 0 = 0 ( = β ) : le transistor bloque le passage du courant. On dit que le transistor est bloqué. Le schéma équivalent entre et d un transistor bloqué est un interrupteur ouvert : Quand 0 < IB < sat 0 < I <sat : le transistor fonctionne en amplificateur de courant. suit les variations de ( = β ). Quand : sat = sat. Le courant à atteint sa valeur maximum et ne peut plus suivre la croissance du courant. On dit que le transistor est saturé. Le schéma équivalent entre et d un transistor saturé est une source de tension égale à V sat. Analyse de la caractéristique = f(v B ) : c est la caractéristique d une diode Quand : = 0 V B = 0 le transistor est bloqué. Quand : sat V B = V Bsat le transistor est saturé. onclusion : = sat sat V Bon V Bsat Un transistor bipolaire est un composant contrôlable par le courant de base : Quand =0 le transistor est bloqué. Quand > sat le transistor est saturé. V B Bloqué

4 4 IV Présentation quantitative des transistors en commutation : Nous venons de voir que le blocage et la saturation d un transistor dépend de la valeur du courant de base. Dans un montage à transistor c est la valeur de la résistance de Base qui fixe le courant. 4.1 xemple avec un Transistor NPN : alculons la valeur de la résistance de base R 1 pour que le transistor ci-dessous fonctionne en commutation sachant que la tension Vcmd est un signal logique 0V-5V: xtrait de la documentation constructeur MOTOROLA du transistor B237 Pour quelle valeur de Vcmd le transistor est-il bloqué? Nous avons vu au chapitre III que les transistors NPN sont bloqués quand Vcmd = 0. xplication : (elle où se trouve le V B ) Dans la maille d entrée comme Vcmd = 0V, il n y a pas source de tension qui permet de faire circuler un courant de base. Donc quelque soit la valeur de R1 : = 0A = 0A le transistor est bloquée. Pour quelle valeur de Vcmd le transistor doit-il être saturé? Nous devons être sûr que le transistor est saturé quand Vcmd = 5V. Pour cela il faut déterminer la valeur de R1 pour que IB > IBsat. Maille de sortie (elle où se trouve le V ) (elle où se trouve le V B )

5 5 Relever dans la documentation constructeur le V sat : On relève généralement le V sat minimum. V sat = tablir l équation de la maille de sortie : n déduire l équation de la droite de charge alculer sat : sat = Relever dans la documentation constructeur le β min : D après la documentation constructeur, la valeur du β dépend de la valeur de I. On relève donc celle qui est donnée pour un I proche de Isat calculé précédemment. β min = n déduire la valeur de sat :. sat = hoisir en prenant un coefficient de saturation égal à 2 : Pour être sûr que le transistor soit saturé, il faut IB>IBsat. La valeur de IB est choisie telle que : = K sat. K est appelé coefficient de saturation = Relever dans la documentation constructeur le V Bsat : V Bsat = tablir l équation de la maille d entrée : n déduire l expression puis la valeur de R1 : xpression hoix dans la série 12 Valeur Série 12 :

6 6 4.2 xemple avec un Transistor PNP : Démontrons que le transistor ci-dessous fonctionne en commutation sachant que la tension Vcmd est un signal logique 0V-5V: xtrait de la documentation constructeur MOTOROLA du transistor B307 Pour quelle valeur de Vcmd le transistor est-il bloqué? Nous avons vu au chapitre III que les transistors PNP sont bloqués quand Vcmd = 5V. xplication : (elle où se trouve le V B ) Les deux schémas ci-dessus sont identiques du point de vu électrique. Dans la maille d entrée comme Vcmd = 5V, il n y a pas source de tension qui permet de faire circuler un courant de base. Donc quelque soit la valeur de R1 : = 0A = 0A le transistor est bloquée. Pour quelle valeur de Vcmd le transistor est-il saturé? Nous avons vu au chapitre III que les transistors PNP sont saturés quand Vcmd = 0V. Il faut démontrer que IB > IBsat Démonstration : (elle où se trouve le V B ) Maille de sortie (elle où se trouve le V )

7 7 Relever dans la documentation constructeur le V sat : On relève généralement le V sat minimum. V sat = tablir l équation de la maille de sortie : n déduire l équation de la droite de charge alculer sat : sat = Relever dans la documentation constructeur le β min : D après la documentation constructeur, la valeur du β dépend de la valeur de I. On relève donc celle qui est donnée pour un I proche de Isat calculé précédemment. β min = n déduire la valeur de sat : sat = Relever dans la documentation constructeur le V Bsat : V Bsat = tablir l équation de la maille d entrée : n déduire l expression puis la valeur de IB : xpression Valeur omparer IB et IBsat puis conclure sur l état du transistor :