Le Transistor Bipolaire en Commutation

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CENTRE UNIVERSITAIRE BORDJ BOU ARRRIDJ

Le transistor bipolaire en commutationElectronique AnalogiqueBraham Chaouche Yacine Fethallah Saoud Ayoub

On dit qu'un transistor fonctionne en commutation, lorsqu'il passe de l'tat satur a l'tat bloqu ou inversement. Dans ce cas, le passage d'un tat l'autre, doit se faire trs rapidement, donc transition trs rapide .Dans tous les cas, le transistor ne peut prendre que 2 tats (0 ou 1), cela sappelle le binaire.

Le transistor bipolaire en commutationOn dit qu'un transistor fonctionne en commutation, lorsqu'il passe de l'tat satur a l'tat bloqu ou inversement. Dans ce cas, le passage d'un tat l'autre, doit se faire trs rapidement, donc transition trs rapide .Dans tous les cas, le transistor ne peut prendre que 2 tats (0 ou 1), cela sappelle le binaire. Etude sur les deux tats:

Etat satur:

Fig.1 Etat satur Lorsqu un transistor entre en saturation, son courant collecteur est :Ua=Rc Icsat+Ucesat , si on tire Icsat de la formule Rc Icsat =Ua- Ucesat ===>Ic=Ua-UcesatRc . Mais comme on sait que Ucesat est trs faible lorsque le transistor est satur ( quelques millivolts ), on peut dire que UaUcesat est sensiblement gal Ua. Donc :

. Il faut que Ib atteigne une certaine valeur pour saturer le transistor. On sait que Donc

. Aprs cette valeur de Ib on peut l'augmenter au-del, cela ne changera rien l'tat dans lequel se trouve le transistor.

Etat bloqu: Lorsqu'un transistor est satur, sa jonction base-metteur se comporte comme une diode passante. Dans cette jonction, la rpartition des charges est analogue celle d'un condensateur. Si on souhaite bloquer le transistor, le temps que les charges se rorganisent (aprs saturation) au niveau de la jonction base-metteur, cela va provoquer un courant inverse, dit courant inverse de blocage. La valeur de ce courant dpend de la rapidit avec laquelle le condensateur de la jonction basemetteur va se bloquer. Explications plus dtailles:Appliquons un signal rectangulaire idal (sans dformation, temps de mont et de descente gal 0) sur la jonction base-metteur. Il va s'couler un certain temps entre le moment ou on applique ce courant dans la base et le moment ou le courant collecteur atteint l'intensit de saturation.

Fig.2 Etat bloqu Il s'coule un certain temps entre le moment ou l'on tablit le courant inverse de blocage de la jonction metteur-base et le moment ou le courant collecteur s'annule. Les normes indiquent qu'il faut prendre comme repres, les points ou le signal atteint 10% et 90% de sa valeur maximale. C'est partir de ces repres qu'on dfinit les temps de commutation : (td, tr, ton ; ts ; tf, toff ),voir schma ci-dessus Il faut savoir que les valeurs des temps mentionnes, ont variables suivants les composants utiliss et le modle de polarisation de la base. Dans tous les cas: on a donc intrt si on veut une commutation efficace, de donner une forte impulsion de courant de base aussi bien la saturation qu'au blocage, et a maintenir un courant de base la limite du blocage. Le phnomne de commutation : Pour raliser la commutation, on utilise le montage ci-contre :

Fig.3 Montage pour la commutation Le transistor est command par une impulsion de courant de base. Le transistor passe de l'tat bloqu l'tat satur en lui appliquant une impulsion positive de courant.

Le circuit de sortie comprend une rsistance de charge RL telle que la valeur du rapport VCC/RL soit infrieure la valeur du courant de collecteur maximum supportable par le transistor. Fig.4 Phnomne de commutation u dpart le transistor est bloqu (tat OFF).

Le courant qui traverse le transistor est faible, la tension entre collecteur et metteur vaut VCC. On est bien rgime de haute impdance. La densit des porteurs minoritaires dans la base est au plus gale nB0. On applique l'impulsion de courant sur la base. Le transistor va quitter l'tat bloqu (tat OFF) pour atteindre l'tat satur. La tension collecteur-metteur est pratiquement nulle (gale VCEsat = 0.2 0.3 V pour un transistor au silicium)

Le courant collecteur atteint alors la valeur : ICM = (VCC -VCEsat)/RL

VCC/RL

Le courant qui traverse le transistor est important, la tension collecteurmetteur est faible, on est rgime de faible impdance. L'amplitude minimale de courant de base pour obtenir la saturation est donc : IBM > ICM/ VCC/ RL

La charge stocke dans la base se compose de QB : charge stocke en rgime normal plus QBX la charge excdentaire en rgime de saturation. Les temps de commutation sont les temps ncessaires au transistor pour passer d'un tat l'autre. Ils correspondent en premire approximation aux temps d'tablissement et de disparition de la charge stocke dans la base.

Fig.5 Caractristiques de la commutation :

Fig.6 caractristique de la commutation td : temps de retard est le temps ncessaire pour que le courant atteigne 10 % de sa valeur finale. Il est dtermin par les constantes de temps de charge des capacits des jonctions. td est d'autant plus petit que la tension de blocage est la plus faible possible. tr : temps de monte: temps ncessaire pour que le courant collecteur passe de 10 % 90 % de sa valeur finale.

tr est d'autant plus faible que le temps de transit des porteurs dans la base ( B) est petit. ts : temps de dnaturation:

temps entre l'instant o le courant de base devient ngatif et o le courant collecteur = 0.9 ICM. C'est l'intervalle de temps le plus important, il est la limite principale de la vitesse de commutation du transistor. il correspond la disparition de l'excs de charge stocke (QBX) ncessaire au fonctionnement en mode satur. on montre que : ts=s LogIB1-IB2IBM-IB2s: temps reli la dure de vie des porteurs dans la base

(caractristique donne par linstructeur). tf : temps de descente (fall time) : temps ncessaire pour que le courant collecteur passe de 90 % 10% de sa valeur finale. tant l'inverse du temps de monte, il est limit par les mmes phnomnes. On dfinit aussi le temps de fermeture ton de transistor. L'excs de charge QBX a un effet catastrophique sur toff et constitue la principale limitation du transistor en commutation. En gnral, on ralise IB1 = 3 IB2 pour obtenir des fronts raides et des temps de dnaturation raisonnables. Bloqu, le transistor ne dissipe pas de puissance (Ic = 0). Satur, le transistor ne dissipe pas de puissance (Vce 0). td + tr et le temps d'ouverture :

toff = ts + tf dont l'ordre de grandeur varie entre 0.1 et 10 s selon le type

Pendant la commutation, Ic, Vce existent simultanment, en supposant que le courant Ic suit une loi linaire (Ic(t) = ICM t/ton) pendant l'ouverture et Ic(t) = ICM (1 - t/toff) pendant la fermeture, on montre que la puissance dissipe par le transistor chaque impulsion de courant est

(W.s)

L'chauffement du transistor en rgime de commutation est proportionnel la frquence de rptition des basculements, plus elle augmente, plus le transistor s'chauffe. Fonctionnement : On considre le circuit ci-dessous. La sortie de T1 est relie l'entre de T2 par une liaison capacitive alors que la liaison entre la sortie de T2 et l'entre de T1 est purement rsistive. Les rsistances des collecteurs sont beaucoup plus faibles que les rsistances des bases afin d'assurer la saturation des transistors.

Fig.7 Sur l'animation, les transistors sont modliss par la jonction basemetteur et par un interrupteur (ferm si le transistor est satur, ouvert s'il est bloqu). Les rsistances de collecteur sont schmatises par une lampe (allume si le transistor est satur). Dans l'tat initial (qui est l'tat stable du systme), T1 est bloqu et T2 satur. On applique sur la base de T1 une tension positive (courant en vert) : T1 se sature. Son potentiel de collecteur passe brutalement de U 0. Le potentiel de base de T2 passe de 0,6V pendant la transition. Ceci bloque T2. Son potentiel de collecteur tend rapidement vers U. C'est un tat instable. C se charge avec la constante de temps = RB2.C (courant en violet sur l'animation) travers la charge de T1 et sa jonction base-metteur. La base de T1 est alimente (courant en rouge) via RC2 et (0,6V U) car la charge du condensateur C n'a pas le temps de varier

RB1 ce qui renforce sa saturation. Le potentiel de base de T2 (figur par la bande verticale jaune) crot. Quand il atteint la tension de seuil de la diode d'entre de T2 celui-ci se sature. Sa saturation est maintenue par le courant (en rouge) qui traverse sa rsistance de base. La dure de l'impulsion positive qui apparait sur la sortie de T2 (lampe jaune teinte) est sensiblement gale 0,7.RB2.C Applications des Transistors On dit qu'un transistor ou tout autre diple fonctionne en commutation, lorsqu'il est satur ou bloqu. Ce qui implique un passage d'un tat l'autre trs rapidement. Exemple pratique Prenons le cas d'une bascule monostable: L'tude de cette bascule nous permettra de bien comprendre l'action de chaque composant passif (R et C) et actifs (transistor etc.).Un monostable est un dispositif susceptible de basculer d'un tat un autre, pour revenir sa position initiale, aprs un laps de temps dtermin par les composants qui l'entourent. Fonction qui est souvent utilise chaque fois que l'on a besoin d'un temporisateur pour dclencher un dispositif retardement, qui peut aller de quelques microsecondes quelques heures. Fonctionnement Il faut savoir que le dispositif que l'on va tudier est constitu de composants discrets (cest--dire, de rsistances, condensateurs et de transistors). Car il existe actuellement et depuis bien longtemps des systmes intgrs, qui ralisent les mmes fonctions, qui consomment moins d'nergie et prennent moins de place. Si nous utilisons les composants discrets, c'est pour bien comprendre le principe de fonctionnement, qui est identique dans les circuits intgrs.

Fig.8 Le rsistance R3 a t calcul pour que le transistor T2 soit satur. Si T2 est conducteur,