TRANSISTOR BIPOLAIRE 1 TRANSISTOR BIPOLAIRE composant lectronique actif

TRANSISTOR BIPOLAIRE 1

TRANSISTOR BIPOLAIRE composant électronique actif fondamental utilisé comme interrupteur commandé et pour l'amplification, mais aussi pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations provient de l’anglais transconductance varistor (résistance variable de transconductance) Bell Labs 1948 dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives qui permet le contrôle grâce à une électrode d'entrée (Base) d'un courant ou d'une tension sur l'une des électrodes de sorties (Collecteur). 2

TRANSISTOR BIPOLAIRE 2 types , 3 électrodes, 2 jonctions Sens des courants imposé 3

TRANSISTOR BIPOLAIRE 3 états Bloqué n n IB=IC = 0 VBE < 0. 7 V Saturation n n Ic =Icsat< IB (critère de saturation) VCE = 0 à 0. 1 V (conséquence de la saturation) Linéaire n n n VCE > 1 V IC = IB ( donnée constructeur entre 50 et 150) VBE = 0. 7 V (jonction EB passante) 4

TRANSISTOR BIPOLAIRE Analogique hydraulique un courant IB assez faible permet l'ouverture du "robinet" (B), ce qui provoque via l'émetteur (E) l'écoulement d'un fort courant Ic en provenance du réservoir collecteur (C). lorsque le "robinet" est complètement ouvert, le courant Ic est maximal: il existe donc (on s'en doutait!) une limite physique au gain en courant. 5

TRANSISTOR BIPOLAIRE Étude du point de fonctionnement (T. NPN) B, E, C 3 courants, 3 tensions IE= IB+IC et VBC = VBE-VCE On conserve 4 coordonnées: P (VBE, IB, VCE, IC) Exemple: déterminer P +Vcc R 1 +Vcc Rc R 2 6

TRANSISTOR BIPOLAIRE Caractéristiques d’entrées / sorties 3 régimes de fonctionnement: Identifier bloqué, linéaire, saturé 0. 7 7

TRANSISTOR BIPOLAIRE Illustration des trois régimes Vcc =12 V Rc = 1 k Rb = 10 k E Déterminer l’état du transistor en fonction de la valeur de E entre 0 et 5 V On donne = 100 8

TRANSISTOR BIPOLAIRE Photos: § Voici différents types de boitiers de transistors bipolaires. § En général plus les transistors sont gros, plus ils pourront dissiper une puissance importante, c'est à dire laisser passer un courant et/ou une tension importante. (Puissance = Courant * Tension). § Il existe deux types de transistors bipolaires: PNP et NPN. Nous verrons plus bas quelle est la différence entre ces deux types. 9

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistors CMS (Composants Miniatures de Surface). Quelques noms de boitier: SOT 223, SOT 23 Exemples de références courantes: NPN: BC 847, BC 817; PNP: BC 857, BC 807 Transistors à usage général: commutation, amplification, . . . (pour les courants faibles) Quelques noms de boitier: TO 92 Exemples de références courantes: NPN: BC 547, BC 548, BC 549, BC 337; PNP: BC 557, BC 558, BC 559, BC 327 Transistors faible bruit (pour l'audio) et haute fréquence. (Les transistors à boitier métallique ne sont plus tres courants) Quelques noms de boitier: TO 18, TO 72, TO 5, TO 39, SOT 37 Exemples de références courantes: NPN: 2 N 2222, 2 N 2219; PNP: 2 N 2907, 2 N 2905 10

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistors de moyenne puissance (>1 W) Quelques noms de boitier: TO 126 Exemples de références courantes: NPN: BD 135, BD 435; PNP: BD 136, BD 436 Transistors de moyenne puissance (Ce type de boitier est très peu utilise) Quelques noms de boitier: TO 202 Exemples de références courantes: NPN: BF 869; PNP: BF 870 Transistors de moyenne puissance (ils dissipent un peu plus que les transistors précédents: quelques dizaines de watts) Quelques noms de boitier: TO 220 Exemples de références courantes: NPN: BD 241, TIP 31; PNP: BD 242, TIP 32 11

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistors a forte dissipation (de l'ordre de la centaine de watts) Quelques noms de boitier: TOP 3, TO 264, SOT 39, . . . Exemples de références courantes: NPN: BD 249; PNP: BD 250 Transistor à forte dissipation (plusieurs centaines de watts) Quelques noms de boitier: TO 3 Exemples de références courantes: NPN: 2 N 3055; PNP: 2 N 2955 Quelques vieux transistors (celui qui est en haut à gauche est un transistor au germanium, matériau maintenant abandonné au profit du silicium) Exemples de références: AC 181 12

TRANSISTOR BIPOLAIRE Symboles des transistors bipolaires: §Il faut retenir les noms des pattes. L'émetteur est toujours repéré par la flèche. Le sens de la flèche indique le type de transistor. §Les deux types de transistors sont nécessaires et complémentaires. Pour certaines applications, on peut utiliser indifféremment les deux types; pour d'autres, on doit utiliser exclusivement un certain type (notamment pour les amplificateurs audio de classe B). §Les noms PNP et NPN viennent du type des jonctions à l'intérieur des transistors. Pour le transistor PNP, on a une zone dopée P, puis N (la base), puis P. 13

TRANSISTOR BIPOLAIRE Symboles des transistors bipolaires: Le transistor PNP est un peu moins courant que son homologue le NPN. En général, on s'en sert lorsqu'on ne peut pas mettre un transistor de type NPN. Mais ce n'est pas une raison pour l'ignorer! La flèche rentre dans le transistor pour un PNP (c'est une convention) Le transistor NPN est généralement celui qu'on utilise par défaut La flèche sort du transistor NPN 14

TRANSISTOR BIPOLAIRE Fonctionnement d’un Transistor bipolaire: Sens des courants et tension pour un transistor PNP Sens des courants et tension pour un transistor NPN Voilà comment tester un transistor bipolaire. Ca permet de reconnaître si le transistor est de type PNP ou NPN. 15

TRANSISTOR BIPOLAIRE Fonctionnement d’un Transistor bipolaire: Les informations que vous trouverez ci-après ont été volontairement simplifiées pour qu'elles soient compréhensibles. Par analogie avec la page précédente, on peut différencier trois états pour le transistor: bloqué, passant, et saturé (le débit est maximum). § Première chose à savoir: Ic = ß x Ib. Cela signifie que le courant pouvant circuler dans le collecteur du transistor est proportionnel au courant circulant dans la base. (ß est le gain du transistor. Il vaut de l'ordre de 200 pour les transistors de signal. Plus les transistors sont "gros", plus ce gain est faible). 16

TRANSISTOR BIPOLAIRE Fonctionnement d’un Transistor bipolaire: § Deuxième chose à savoir: Ic = Ie. En effet, la formule exacte est Ie = Ic + Ib. Mais comme ß est "grand", le courant de base est négligeable par rapport au courant de collecteur. Lorsque Ic < ß x Ib, le transistor est saturé, on a alors: Vce = Vce_sat. C'est également un paramètre constructeur qui dépend beaucoup du transistor. pour les transistors de signal il vaut environ 0. 2 V. 17

TRANSISTOR BIPOLAIRE Caractéristiques statiques d’un transistor: Caractéristique Ic = F(Ib) Simple illustration de la formule Ic = ß x Ib. A noter que Ic peut être inferieur à ß x Ib (soit Ib > Ic / ß). Dans ce cas, le transistor est saturé. 18

TRANSISTOR BIPOLAIRE Caractéristiques statiques d’un transistor: Caractéristique Ic = F(Vbe) Lorsque la tension Vbe est nulle, aucun courant ne circule dans le collecteur (donc non plus dans l'émetteur). Si on reprend l'analogie avec la première page, le robinet est fermé. On dit que le transistor est bloqué. Lorsque la tension Vbe vaut environ 0. 7 V (dépend des transistors), le transistor est passant, et il peut être saturé. Pour savoir si le transistor est saturé ou non, il faut regarder le graphique ci dessous. Lorsque Vbe est entre 0 et 0. 7 V, le transistor est quasiment bloqué, Ic est négligeable. 19

TRANSISTOR BIPOLAIRE Caractéristiques statiques d’un transistor: Caractéristique Vce = F(Ib) Sur cette caractéristique, on distingue bien les trois zones de fonctionnement du transistor. C'est à mon avis la caractéristique la plus utile pour comprendre le fonctionnement du transistor même si elle n'est dans aucun livre. ~ Ib = 0 => Vce peut prendre les valeurs qu'"il veut". C'est à dire que le transistor est bloqué et Ic = 0. ~ 0 < Ib_sat => le transistor est passant mais non saturé. Vce est supérieur à Vce_sat = 0. 2 V. Il y a un courant qui circule. ~ Ib >= Ib_sat => le transistor est saturé. Pour toute valeur de Ic < ß x Ib, la tension Vce reste constante et vaut Vce_sat = 0. 2 V pour un transistor de faible puissance. 20

TRANSISTOR BIPOLAIRE Caractéristiques statiques d’un transistor: Caractéristique Vce = F(Ic) Cette caractéristique est celle donnée dans tous les livres. Elle montre que pour une valeur fixée de Ib, si le courant Ic est faible, on a Vce < 0. 7 V et le transistor est saturé. Par contre, si Ic devient trop important, le transistor se comporte comme un générateur de courant presque parfait, et on a Ic = ß x Ib. La droite en bleu représente la "droite de charge" cette droite représente les valeurs des couples (Ic, Vce) lorsqu'on fait varier Ib. C'est un cas particulier, en fait on obtient une droite de pente 1/R. Cet exemple sert uniquement à illustrer le graphique précédent. Ainsi on constate à nouveau que le fait d'augmenter Ib permet d'augmenter Ic, et entraine une diminution de Vce. 21

TRANSISTOR BIPOLAIRE Le transistor en petits signaux ou régime dynamique HYPOTHESE: REGIME LINEAIRE Modélisation: on exprime vbe = f(ib, vce) et ic = f(ib, vce) en linéarisant les caractéristiques autour du point de fonctionnement Soit vbe = h 11 ib + h 12 vce et ic = h 21 ib + h 22 vce H matrice hybride 22

TRANSISTOR BIPOLAIRE Le transistor en petits signaux ou régime dynamique Donner les définitions des hij et leurs dimensions 23

TRANSISTOR BIPOLAIRE Le transistor en petits signaux ou régime dynamique Expérimentalement: h 12 est très faible (10 -4) n h 11 et 1/h 22 de l’ordre du k n h 21 noté dans les doc h. FE de l’ordre de (attention la valeur de est une valeur statique) 24

Préparation du TP Le montage Déterminer le point de fonctionnement n n n Régime statique ? Eq dte d’attaque ? Eq dte de charge ? f = 1 k. Hz Montage en petits signaux: redessiner le montage en régime dynamique avec valeurs de C : supposées >> 10 µF 25

TRANSISTOR BIPOLAIRE Préparation du TP Déterminer A 0 = v. RL /e si RL =infini Même question si RL est finie En déduire l’impédance de sortie du montage Déterminer l’impédance d’entrée du montage Gain en courant et en puissance Quel est le rôle de ce montage, quelles sont ses limitations ? 26

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistor bipolaire en commutation: Introduction § Nous allons maintenant étudier le transistor en commutation. C'est à dire qu'il ne peut prendre que deux états: bloqué ou saturé. Il faut savoir que ce mode de fonctionnement est le plus courant. § On peut assimiler le transistor à un interrupteur commandé électriquement. La commande étant la base, et l'interrupteur étant entre le collecteur et l‘émetteur. 27

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistor bipolaire en commutation: ~ Ainsi pour un transistor NPN, lorsque Vbe = 0, le transistor est bloque. Ca signifie que Ic = Ie = 0, et Vce est quelconque positif (Inferieur à Vcemax tout de même, sinon le transistor grille). La valeur de Vce dépend du montage. ~ Et lorsque Vbe = 0. 7 V (tension de seuil de la diode base émetteur), le transistor est passant. Pour qu'il soit saturé, on a vu qu'il fallait que Ib > Ic/ß Cela signifie que Vce = Vcesat = 0. 2 V pour un transistor de faible puissance. Le courant peut alors circuler dans le transistor du collecteur vers l‘émetteur. Ce qu'il faut bien voir c'est que le transistor se comporte comme un interrupteur. ~ Pour le transistor PNP, c'est exactement le même principe: ~ Lorsque Veb = 0, le transistor est bloqué, on a Vec quelconque, et Ic = Ie = 0 ~ Lorsque Veb = 0. 7 V (donc Ib > 0), alors Vec = Vec_sat et 0 <= Ic = Ie < ß x Ib. 28

TRANSISTOR BIPOLAIRE Un exemple du transistor en commutation 29

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistor bipolaire en commutation: Etude d’un relais à partir d’un signal logique Le but est de commander un relais à l'aide d'une porte logique, d'une sortie du port parallèle, . . On ne peut pas brancher directement le relais sur cette sortie, car il consomme trop de courant. Il faut donc mettre un transistor qui va servir d'interrupteur commandé électriquement. Le transistor se contente de laisser passer un fort courant qui vient de l'alimentation, et non de la porte logique, entre son collecteur et son émetteur lorsqu'on lui envoie un petit courant sur la base. On va calculer la valeur de R. Notez que cette résistance est obligatoire. En effet, la jonction base - émetteur se comporte comme une diode. C'est à dire que Vbemax = 0. 7 V environ. Sans cette résistance, on forcerait Vbe à 5 V, ce qui aurait pour effet de griller le transistor et/ou la sortie de la porte logique. 30

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistor bipolaire en commutation: Etude d’un relais à partir d’un signal logique Données: ~ T: transistor NPN, ß = 200, Vcesat = 0. 2 V, Vbesat = 0. 7 V, Vcemax = 45 V ~ REL: relais, Rrel = 310 Ohms, relais prévu pour être alimente en 12 V ~ D: diode de roue libre. Cette diode sert uniquement à protéger le transistor lorsqu'on le bloque (supprime le pic de tension du au relais). ~ R: ce qu'on cherche. ~ Vcc = +12 V ~ Ve vaut 0 ou 5 V. Lorsque Ve = 0, on veut que le relais ne soit pas alimenté (soit Urel = 0), et lorsque Ve = 5 V, on veut que le relais soit alimenté (soit Urel = 12 V environ). 31

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistor bipolaire en commutation: Etude d’un relais à partir d’un signal logique Résolution du probleme: On commence par vérifier pour Ve = 0: ~ Si Ve = 0, alors Vbe = 0, et Ib = 0 (la "diode" base émetteur est bloquée). Donc le transistor est bloque, Ic = Ie = 0. Donc Urel = Rel x Ic = 310 x 0 = 0. ~ On a bien obtenu ce qu'on voulait. ~ Remarque, dans ce cas là, Vce = Vcc = 12 V. (c'est bien inferieur à Vcemax) 32

TRANSISTOR BIPOLAIRE Transistor bipolaire en commutation: Etude d’un relais à partir d’un signal logique On fait le calcul de R pour Ve = 5 V: ~ Calcul de Ic: On a Vcc = Vce + Urel Or il faut que le transistor soit saturé. Donc Vce = Vcesat. D'autre part, Urel = Rrel x Ic. Donc Vcc = Vcesat + Rrel x Ic Soit Ic = (Vcc - Vcesat) / Rrel = (12 - 0. 2) / 310 = 0. 038 A ~ Calcul de Ibmin: Ibmin = Ic / ß = 0. 038 / 200 = 0. 19 m. A (= 0. 00019 A) ~ On prend un coefficient de sécurité de 1. 5 pour être sur que le transistor sera bien saturé: Donc Ibsat = Ibmin x 1. 5 = 0. 28 m. A ~ Enfin, calcul de R Il faut se souvenir que la jonction base émetteur se comporte comme une diode (voir cours sur les diodes). On a Ve = Ur + Vbe. Or Vbe = Vbesat = 0. 7 V (diode). Donc Ve = R x Ibsat + Vbe_sat Soit R = (Ve - Vbesat) / Ib_sat = (5 - 0. 7) / 0. 00028 = 15062 Ohms 33 R= 15 k. Ohms

TRANSISTOR BIPOLAIRE Montages fondamentaux Introduction Nous allons étudier les caractéristiques essentielles des trois principaux montages à transistor: - Emetteur commun - Collecteur commun - Base commune Il s'agit d'amplificateurs de signaux alternatifs que l'on représentera en modèle petit signal. Nous calculerons pour ces trois montages l'amplification en tension, l'impédance d'entrée, l'impédance de sortie. 34

TRANSISTOR BIPOLAIRE Montages fondamentaux Comment calculer les tensions et courants de repos? Pour calculer les points de repos de ce montage, nous allons tout d'abord calculer Ib. On considérera que le transistor est en fonctionnement linéaire et que l'on a bien Ic = ß. Ib. (Ib + Ic). Re + Vbe = Vb et Vb/R 2 + Ib = (Vcc - Vb)/R 1 d’où Vb(1/R 1 + 1/R 2) = Vcc/R 1 - Ib D'où Vb = (R 1//R 2). (Vcc/R 1 - Ib) On obtient alors: (Ib + Ic). Re + Vbe = (R 1//R 2). (Vcc/R 1 - Ib) Soit Ib[(1+ß). Re + R 1//R 2] = Vcc. (R 1//R 2)/R 1 -Vbe Donc Ib = [Vcc. (R 1//R 2)/R 1 -Vbe]/[(1+ß). Re + R 1//R 2] A partir de cette relation, il est très simple de calculer numériquement Ib, on en déduit le potentiel de l'emetteur: Ve = Ib. (1 + ß). Re De même, le potentiel du collecteur: Vc = Vcc - Ib. ß. Rc Enfin, le potentiel de la base: Vb = Ve + Vbe = Ib. (1 + ß). Re + Vbe 35

TRANSISTOR BIPOLAIRE Montages fondamentaux Emetteur commun Le montage émetteur commun est très intéressant pour son gain en tension (Vs/Ve). Il possède en revanche une impédance de sortie assez élevée. Nous étudierons ces paramètres à partir du schéma "petit signal". Le schéma ci-contre est la représentation dite "grand signal", c'est à dire que le schéma est encore entier, sans simplification due au comportement dynamique du circuit. Pour ce circuit, on a une tension d'alimentation de 30 V, on pose Ic = Ie=10 m. A, I 1=I 2=1 m. A. On néglige le courant de base Ib (Ib = Ic/ß). Tous ces paramètres sont calculables à partir des valeurs résistances mais le principal n'est pas là. 36

TRANSISTOR BIPOLAIRE Montages fondamentaux Emetteur commun On remarque le point de repos du transistor est placé environ à la moitié de la tension maximale de sortie du montage. En effet, le potentiel du collecteur du transistor peut varier de 1. 4 à 30 V et son niveau de repos est 15 V. Ce circuit présente un intérêt pour l'amplification de signaux alternatifs et il ne faut prendre en compte que le caractère alternatif de la tension e. Les condensateurs Ce, C 1 et C 2 ne sont que des condensateurs de liaison, ils n'interviennent dans aucun calcul et sont supposés maintenir une tension constante à leurs bornes. Ces condensateurs ne laissent passer que la composante alternative et bloquent la composante continue du signal. Ils sont indispensables pour le fonctionnement du montage. 37

TRANSISTOR BIPOLAIRE Montages fondamentaux Emetteur commun Par exemple, si la tension e est purement alternative, sa composante continue est nulle. Par contre, la composante continue de la base du transistor vaut 1. 6 V, Le condensateur C 1 a donc à ses bornes 1. 6 V qui proviennent de la différence des composantes continues de la tension e et de la tension de la base. On peut à partir de l'hypothèse précédente simplifier le schéma en remplaçant tous les condensateurs par des courts circuits, il s'agit de la modélisation petit signal. 38

TRANSISTOR BIPOLAIRE Montages fondamentaux Collecteur commun Le schéma ci-contre est la représentation "grand signal" du transistor câblé en collecteur commun. Les courants et potentiels de repos ont été calculés pour ß = 200 avec la méthode indiquée dans le rappel précédent. Les valeurs des résistances R 1 et R 2 ont été choisies pour simplifier les calculs. Comme pour l‘émetteur commun, ce circuit présente un intérêt pour l'amplification de signaux alternatifs et il ne faut prendre en Le montage collecteur commun compte que le caractère alternatif de la tension est très intéressant pour son e. Les condensateurs C 1 et C 2 ne sont que des condensateurs de liaison, ils n'interviennent dans gain en courant (Is/Ie). aucun calcul et sont supposés maintenir une Il possède en revanche un gain tension constante à leurs bornes. en tension nul puisqu'il se On simplifie donc le schéma en remplaçant tous comporte comme un suiveur. les condensateurs par des courts circuits pour passer en modélisation petit signal. 39

TRANSISTOR BIPOLAIRE Montages fondamentaux Base commune Le montage base commune se caractérise par son gain en tension (Vs/Ve) important et son impédance d'entrée assez faible. Nous étudierons ces paramètres à partir du schéma "petit signal". Ce circuit ne présente qu'un intérêt pour l'amplification de signaux alternatifs. . Les condensateurs C 1, C 2 et Cb ne sont que des condensateurs de liaison, ils n'interviennent dans aucun calcul et sont supposés maintenir une tension constante à leurs bornes. On simplifie donc le schéma en remplaçant tous les condensateurs par des courts circuits pour passer en modélisation petit signal. 40

TRANSISTOR BIPOLAIRE Montages fondamentaux En résumé Voici un tableau rappelant les résultats à retenir concernant ces trois montages fondamentaux: Amplification A = Vs/Ve Emetteur commun Collecteur commun Base commune - s. (Rc//RL) Forte, quelques 100 1 Suiveur + s. (Rc//RL) Forte, quelques 100 Impédance d'entrée Ze = Ve/Ie r//R 1//R 2 Moyenne, quelques 100 d'ohm R 1//R 2//[ß. (Re//RL)] Moyenne, quelques k. Ohms Re//r//(1/s) Faible, quelques ohms Impédance de sortie Zs = Vs/Is Rc Quelques k. Ohms Re//r//(1/s) Faible, quelques ohms Rc Quelques k. Ohms 41

TRANSISTOR BIPOLAIRE microprocesseurs Intel : 1971 : 4004 : 2 300 transistors 1978 : 8086 : 29 000 transistors 1982 : 80286 275 000 transistors 1989 : 80486 : 1, 16 millions de transistors 1993 : Pentium : 3, 1 millions de transistors 1995 : Pentium Pro : 5, 5 millions de transistors 1997 : Pentium II : 27 Millions de transistors 2001 : Pentium 4 : 42 millions de transistors 2004 : Pentium Extreme Edition : 169 millions de transistors 42