Les composants électroniques de commutation

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1 Les omposans éleroniques e ommuaion hapire L TRANSSTOR POLAR Sommaire 1 GNRALTS OMMUTATON DU TRANSSTOR POLAR NPN RAPPLS LS PHASS D'UN TRANSSTOR A LA OMMUTATON Transisor bloqué Transisor onueur Transisor sauré TUD D LA OMMUTATON ommuaion à la fermeure Temps e mise en onuion on LOAG DU TRANSSTOR POLAR LOAG A PARTR D'UN TAT SATUR LOAG A PARTR D'UN TAT NON SATUR SYNTHS AMLORATON DS TMPS D OMMUTATON DSPOSTFS "ANT-SATURATON" OMMAND OMPNS AR D SURT... 38

2 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion Les omposans éleroniques e ommuaion hapire L TRANSSTOR POLAR 1 Généraliés Le ransisor bipolaire es soi PNP soi NPN. l es on formé e eux jonions PN monées en ani-série. Pour que l'effe ransisor puisse avoir lieu, il es impéraif que les jonions soien réalisées sur le même monorisal, e que la base (parie enrale) soi rès mine. 'es un omposan normalemen fermé ou "Normally off". 'es-à-ire que pour qu'il onuise il fau lui injeer (ou exraire) un ouran ans la base. La présene e jonions PN fai, e façon analogue à la ioe, que ses ommuaions ne son pas insananées e elles génèren es pis e ouran e/ou e ension. La plupar es monages TOR uilisan es ransisors néessien es fréquenes e fonionnemen 10kHz. Aussi, u poin e vue e la ommuaion pure, les oupures e ouran evron êre oures limian, u même oup, les peres. On noera on le emps qui sépare la ommane à l'éablissemen u ouran prinipal e off le emps, qui sépare la ommane à l'exinion e e même ouran. () 0 i() on off Figure 1 : éfiniion e on e e off ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 24

3 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion 2 ommuaion u ransisor bipolaire NPN 2.1 RAPPLS Le symbole e une représenaion usuelle u ransisor NPN son porés sur la figure suivane. V i i V V i Figure 2 : Symbole e représenaion 'un ransisor NPN Supposons que la base soi "en l'air". On onnee une soure exérieure enre le olleeur e l'émeeur e on observe le ouran qui raverse le ransisor. Quel que soi le sens e polarisaion u ransisor il ne peu exiser qu'un ouran inverse i "e fuie" ar il y a oujours une es eux jonions qui es bloquée. l es on néessaire 'uiliser une euxième soure pour injeer un ouran ans la base u ransisor. Pour qu'un ransisor puisse onuire, la jonion base-émeeur oi êre polarisée ans le sens passan. L'effe ransisor : Lorsque l'on injee un ouran i ans la base u NPN, on auorise, si les ensions V e V son orreemen polarisées, un ouran 'élerons enre l'émeeur e la base. Or sous l'aion u hamp élerique, les élerons aquiren une viesse elle enre base e émeeur, qu'ils finissen par surmoner la rès fine jonion NP qui es bloquée. Dès lors, les élerons son plus airés par le poeniel présen au olleeur qui es plus élevé que elui présen à la base. Le ouran i es proporionnel à i si le ransisor fonionne en linéaire. 'es la jonion base-olleeur qui suppore la plupar e la puissane, suie au gain en ouran. 2.2 LS PHASS D'UN TRANSSTOR A LA OMMUTATON Dans un monage, le ransisor es soi bloqué, soi onueur (i β i ) soi sauré (plus e relaion enre i e i ). ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 25

4 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion Transisor bloqué On applique une ension sur la base supérieure à 0,6 V. Mais le ransisor es bloqué penan un erain emps. On a alors : V < 0,6 V, V >0 (V) e 0. nre la base e l'émeeur on a une ioe e enre le olleeur e l'émeeur, le irui présene une impéane infinie. Par analogie ave l'éue effeuée sur la ioe on obien le shéma équivalen suivan : Figure 3 : Shéma équivalen u ransisor bloqué Ave, le onensaeur équivalen (ou oal) e la jonion baseémeeur Transisor onueur. Quan V evien 0,6 V (valeur oujours prohe e V o, f. ioe), alors il exise un ouran i e un ouran i β i. V éroî mais rese 0,6 V e on V es 0. Le ransisor fonionne en régime linéaire. Le shéma équivalen es alors le suivan : i g mv ibi i g mv ibi i i R Figure 4 : Shéma équivalen u ransisor en régime linéaire. V 0 ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 26

5 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion Ave g m, la pene inerne ou ransonuane u ransisor au poin e fonionnemen Transisor sauré Quan V es 0,6 V, alors il es possible 'obenir un ouran i supérieur à i sa. Dans e as le ouran i n'es plus proporionnel à β i, il ne épen que e la ension 'alimenaion e e la harge. V éroî jusqu'à environ 0,2 V e on V < 0. Le ransisor fonionne en régime sauré. 2.3 TUD D LA OMMUTATON Le shéma es le suivan : i R 1 e() R V V e () V i i V 2 Figure 5 : Polarisaion u ransisor uilisé en ommuaion ommuaion à la fermeure Si on applique une ension suffisammen élevée sur la base u ransisor, on ren ou à bor la jonion base-émeeur onurie au bou 'un emps (elay ime), puis un ouran e olleeur s'éabli e aein son régime permanen au bou 'un emps r (rise ime). De façon générale, nous allons aluler les formes 'ones 'un ransisor on la harge e puremen résisive. De ee manière, le ouran e olleeur ne épen que es araérisiques ynamiques u ransisor Mise en onuion e la jonion base-émeeur Supposons que le réneau e() soi suffisammen long evan le emps e ommuaion u ransisor pour qu'on puisse le onsiérer omme un éhelon. L'éue se résume au shéma suivan : R e () V i i Figure 6 : Mise en onuion e la jonion base-émeeur. ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 27

6 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion on herhe le emps pour lequel la ension V aein la valeur V o. D'après e que l'on a vu au hapire (paragraphe ) le emps es équivalen à : 1 V 0 V e() 2 τ ln V 2 0 Figure 7 : Allure e V après un fron monan e e(). 1 1 ave τr Temps e monée u ouran e olleeur La ioe e la jonion base-émeeur es mainenan passane. Tou se passe omme i à e insan, on appliquai un réneau e ouran sur la base. La onnaissane impéraive es araérisiques ynamiques u ransisor nous perme e éerminer le emps e monée u ouran olleeur. i b i g mv be i bi b R V 0 Figure 8 : Shéma équivalen quan la jonion base-émeeur es pas- sane. Nous evons on éerminer la fonion e ransfer : T( p) b ( p) ( p) Or ans ee éue, les graneurs oninues peuven êre ignorées ar seules les variaions nous inéressen. Par onséquen, le poeniel V o es oulé. ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 28

7 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion i b i g mv be i bi b R Figure 9 : Shéma équivalen aux graneurs variables. D'où v be es réuie aux variaions V 'une ioe, on une quanié prohe e zéro (f hapire paragraphe 2132). Don ve vb, le généraeur e ouran peu êre onsiéré omme ireemen relié à l'émeeur. Le shéma équivalen es plus généralemen représené e la façon suivane : i b igmvbe R i bi b Figure 10 : Shéma équivalen usuel pour les graneurs variables. ue en Laplae e la maille 'enrée : V ( p) ( p) + P Vbe( P) R Vbe( P) R be b + on pose : τ R e ( p) g V ( P) 'où : ( 1+ τ P) on b g R m m be T ( P) ( 1 R P) b P ) ( P) ( P) gmr ( 1+τ T(P) es une ransmiane représenaive 'un sysème u 1 er orre. Par onséq uen on rouve par ienifiaion le gain saique β g R m. Don T(P) peu enore s'érire : ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 29

8 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion T( P) b ( P) ( P) β τ ( 1+ P) Remarque : La relaion β n'es vrai que pour P ou ω0. La réponse iniielle qui répon à es équaions peu prenre eux formes isines selon que le ransisor es sauré ou non Le ransisor n'aein pas le régime e sauraion. Le ouran final 0 < sa. Les shémas 'exiaion e e réponse son les suivans! i b() 0 i () 0 0,95 0 r Figure 11 : Réponse e i () à un éhelon e ouran si i( ) sa. Là enore, le emps e réponse r peu êre éerminé à 90 ou 95% e 0. epenan, les valeurs numériques e R e ne son jamais fournis par les onsrueurs. n effe, les aa shee fon éa e la fonion e rans- ( p) fer T ( p) e e son graphe. ( p) b ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 30

9 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion T(P) Or ω 2 π f f log(f) Figure 12 : Allure u moule e T( p) onnée sur les aa shee. e pour un premier orre Par onséquen, il es possible 'exprimer T(P). 1 1 τ on τ ω 2 π Le ransisor aein le régime e sauraion Le ransisor aein e régime si le ouran e base es suffisan pour que β sa. Le renemen iminue. D'après e qui préèe, l'expression u ouran i () es e la forme : f i ( ) β i b 1 e τ Or généralemen le ouran ans le ransisor ne roî pas e façon infinie, il es limié par le irui exérieur. On le nommera ii sa. Par onséquen, le emps e réponse ne sera pas égal à 2,3 ou 3 τ mais au emps que le sysème mera à aeinre sa. (on aélère e façon arifiielle le emps e réponse u ransisor). on e i ( ) Ave β r β 1 e r τ sa r τ sa e 1 β β r τ ln β la valeur finale que evrai aeinre ( ). sa ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 31

10 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion i b() sa r Figure 13 : Allure u ouran i () quan le ransisor es sauré. Remarque : Le ouran oi oujours êre inférieur à la valeur maximale sipulée sur les aa shee Temps e mise en onuion on Don le emps e mise en onuion es la somme u emps e mise en onuion e la jonion base-émeeur e u emps 'éablissemen u ouran olleeur. Don que le ransisor soi sauré ou non on a : + on 3 loage u ransisor bipolaire r Nous avons vu qu'un ransisor passan pouvai êre soi en régime linéaire soi en sauraion. Par onséquen, il fau isinguer es eux as e figure lors e l'éue e l'ouverure 'un inerrupeur. Le bloage à lieu quan le signal 'enrée passe e 1 à 2, soi : e() 1 2 Figure 14 : Allure e e() au bloage u ransisor. ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 32

11 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion 3.1 LOAG A PARTR D'UN TAT SATUR Jusqu'à e insan, le ransisor es passan on la jonion base-émeeur es polarisée en iree e peu on êre omparée à une ioe passane. Puisque le ransisor es sauré, on peu supposer que 'es le onensaeur parasie e la jonion base-émeeur qui a aumulé une quanié e harges Q s en exès ( sa <β ). ee quanié e harge oi 'abor êre évauée avan que le ouran e olleeur ommene à iminuer. On appelle s le emps néessaire à l'évauaion e Q s. L'hypohèse i-essus nous onui à éuier le shéma resrein suivan : R e () V i i Figure 15 : Shéma 'éue pour s. Soi un shéma équivalen : R ib e() R V 0 Figure 16 : Shéma équivalen pour aluler s. Quan varie e 0 à sa, la quanié e harge aumulée par varie e 0 à Q sa. Si evien supérieur à sa, alors rese presque égal à sa mais le onensaeur aumule une harge supplémenaire Q s. Don la harge oale aumulée par vau : Q Q sa + Q s Lors u bloage 'une ioe, l'éue e la variaion e la quanié e harge aux bornes e onui à l'équaion suivane (f hapire, paragraphe 2.2.1) : ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 33

12 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion ave : niial : V 1 0 R onsane e emps : Q Q + τ τ Final : τ R F 2 V 0 F R Soi l'allure e la variaion e harge : Q() Qsa+Qs Qsa s F Figure 17 : Allure e la variaion e la quanié e harge au bloage. On sai alors que : Or Q s s τ ln (( Q + Q ) τ ) s Q sa sa τ + Q τ e sa sa sa on : Q s τ τ ln sa F Remarque : e phénomène se passe au niveau e la jonion baseémeeur, u rese s es fonion uniquemen e, R, e F. F F F 3.2 LOAG A PARTR D'UN TAT NON SATUR ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 34

13 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion Mainenan le ransisor es e nouveau en régime linéaire, il sera bloqué au bou 'un emps e éroissane f (fall ime) u ouran e olleeur. e ernier saisfai l'équaion : i 0 sa, par onséquen la éroissane u ouran olleeur épen u bloage e la jonion base-émeeur jusqu'à e que V be <V o. nsuie, ee jonion oninue son bloage par éharge u onensaeur e ransiion, mais ela n'a auune influene sur le ouran olleeur. Le ouran e base F obenu pour e() 2, en à imposer un ouran F β F. L'allure e i () es on : i () 0 f F Figure 18 : Allure e () au bloage quan le ransisor n'es plus sauré. Ave 0, le ouran au momen où le ransisor es "ésauré". Le emps f es on le emps e esene, 'es-à-ire, le emps néessaire pour que le ouran passe e la valeur 0 à zéro. Le régime linéaire, nous perme 'érire l'équaion e i () : ave : 1 τ 2 π f D'où i f ( ) τ ( 0 β F ) e + β F β F ln β F 0 τ Remarque 1 : La ommuaion es erminée vis-à-vis u irui e puissane, par onre la jonion base-éméeur "possèe enore" un onensaeur e ransiion ave une harge non nulle. ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 35

14 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion Remarque 2 : Si on soume à e insan préis, la base à un éhelon e ension>0, le emps éablissemen u ouran olleeur es réui à r, ar il n y a plus e emps e élai. 3.3 SYNTHS Le emps e bloage es : ransisor sauré : off s + f, ransisor non sauré : off f. 4 Amélioraion es emps e ommuaion Les peres par ommuaion ne son pas oujours négligeables, surou si la fréquene e ommuaion es élevée. La plupar u emps les onepeurs e irui à inerrupeurs herhen à améliorer les emps e ommuaion. Pour e faire on peu uiliser : Des isposiifs "ani-sauraion", Des iruis e "ommane ompensée". 4.1 DSPOSTFS "ANT-SATURATON" Un ransisor sauré possèe les ensions suivanes : V > 0,6, V 0V on V -0,6V Si on arrive à imposer une ension V > -0,6V alors le ransisor ne sera pas sauré. Généralemen on pren omme oniion 'ani-sauraion : V > 0. l fau rouver es asues qui permeen ee inégalié e qui ne moifien pas le fonionnemen u monage. Des exemples seron éuiés en TD. 4.2 OMMAND OMPNS Soi le monage suivan : ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 36

15 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion i b e() R R Figure 19 : exemple 'une ommane ompensée. Lorsque l'on applique une ension sur la base, le onensaeur se ompore omme un our irui. e() es ireemen appliquée sur la base, le ouran es élevé. nsuie se harge e le ouran éroî vers une valeur qui épen u pon e résisanes R, R. Lors e l'ouverure, e() es soi nul soi négaif. Par onséquen, la base voi (e() + V ), on V favorise l'exraion es élerons, soi le bloage u ransisor. On a on une iminuion e r e f. Allure u ouran : 1 0 e() 2 Figure 20 : Allure u ouran lors 'une ommane ompensée. Remarque : Si e irui es uilisé ave es harges inuives e fores puissanes, il y a réaion une surension qui peu êre esruive. Pour e els as e figure, on uilise es irui 'Aie à La ommuaion (AL). Pour R R D D on obien V R R + R e() ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 37

16 hapire : Le ransisor bipolaire en ommuaion 5 Aire e séurié Que le ransisor soi uilisé en linéaire ou en ommuaion, il y a es valeurs que l'on ne peu franhir sans esruion u semi-onueur. Les limies formen une surfae que l'on nomme aire e séurié ou Safe Operaing Area (SOA). M 0 log 10ms SOA 1ms 100µs 10µs M 0 A Zone à faible issipaion Zone à fore issipaion T jonion T amb. V <0 log V 0 1 à 2% e M V V 0 a) b) Figure 21 : a) Aire e séurié en oninu e régime impulsionnel en fonion e la urée e l'impulsion. b) aire e séurié en ommuaion. La figure a) onne un exemple 'aire e séurié, en oninu (rai plein) e en régime impulsionnel (en poinillés) pour une empéraure e boîier e 25. 'es-à-ire que le boîier a une onsane e emps hermique neemen supérieure à la urée e l'impulsion. La figure b) onne l'aire e séurié en ommuaion. lle es ifférene ar plus éenue que elle en régime permanen. n effe, en ommuaion, le poin e fonionnemen oupe eux éas sables à faible issipaion e ne raverse les zones à fore issipaion que penan es emps rès our visà-vis es onsanes e emps hermiques u omposan. Dans la zone A, la ension olleeur oi impéraivemen êre inférieure ou égale à la limie maximale absolue V' X. Le ouran oi êre limié à M. Par onre, quan le ouran iminue au bloage, il es possible 'uiliser la zone. La ension olleeur peu alors aeinre la valeur maximale absolue V X, si es e l'orre e 1 à 2% e MAX. V' X V X ours e ommuaion version u28/10/04 à 07:10 Diier Magnon Page 38