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ELECTRONIQUE ANALOGIQUE TRANSISTOR BIPLAIRE

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CHAP II : TTRANSISTOR BIPOLAIREE

I- Constitution

Le transistor bipolaire est constitu de trois couches de semi-conducteurs extrinsques. On distingue deux types de transistors bipolaires, le transistor NPN et le transistor PNP.

Le transistor NPN est constitu par : Structure Symbole Une couche N fortement dope constituant lmetteur (E). Une couche P trs mince et faiblement dope constituant la base (B). Une couche N faiblement dope constituant le collecteur (C).

Le transistor PNP est constitu par : Structure Symbole Une couche P fortement dope constituant lmetteur (E). Une couche N trs mince et faiblement dope constituant la base (B). Une couche P faiblement dope constituant le collecteur (C).

II- Principe de fonctionnement

II-1- Cas du transistor NPN

Pour faire fonctionner normalement un transistor NPN, on polarise en direct la jonction metteur-Base (JEB) et en inverse la jonction Collecteur-Base (JCB), en prenant soin davoir une tension beaucoup plus leve au niveau de la jonction JCB.

On a donc pour un NPN : VE < VB < VC VE - VE < VB - VE < VC- VE 0 < VBE < VCE

II-2- Cas du transistor PNP

Pour faire fonctionner normalement un transistor PNP, on polarise en direct la jonction metteur-Base (JEB) et en inverse la jonction Collecteur-Base (JCB), en prenant soin davoir une tension beaucoup plus leve au niveau de la jonction JCB.

On a donc pour un NPN : VC < VB < VE VC VE < VB VE < VE VE VCE < VBE < 0 VEC > VEB > 0

Les lectrons prsents dans lmetteur sont repousss par la borne (-) de V1. Une fois dans la base, aprs quelques recombinaisons avec les quelques trous de la base, les lectrons sont davantages attirs par la borne (+) de V2 que par la borne (+) de V1 car V2 > V2. Ainsi, un grand nombre dlectrons est attir par V2 et un trs faible nombre par V1. Entre temps, les lectrons dans le collecteur sont attirs par la borne (+) de V2 galement. Comme le dplacement dlectrons entraine le mme dplacement de courant en sens inverse, alors leffet conjugu du dplacement des lectrons entre les deux jonctions, engendre un important courant au niveau de lmetteur. On note alors que dans un transistor NPN, le courant entre par la base (trs faible courant) et par le collecteur (fort courant) pour ressortir par lmetteur.

Donc IE = IB + IC.

N - - - - - - - - - - P + + + +

- - - - - - - - - - - - - - - - N - - - - - - -

C

B

E

V2

V1

IC

IB

IE

Les trous de lmetteur sont repousss puis attirs respectivement par la borne (+) de V1 et la borne (-) de V2. Toutefois au niveau de la base, aprs quelques recombinaisons avec les quelques lectrons de la base, trs peu de trous seront attirs par la borne (-) de V1. Ainsi, un grand nombre de trous est attir par V2 et un trs faible nombre par V1. Entre temps, les trous dans le collecteur sont attirs par la borne (-) de V2 galement. Le dplacement de trous entrainant la circulation de courant le mme sens, alors leffet conjugu du dplacement des trous entre les deux jonctions, engendre un important courant au niveau de lmetteur. On note alors que dans un transistor PNP, le courant entre par lmetteur pour ressortir par la base (trs faible courant) et par le collecteur (fort courant).

Donc IE = IB + IC.

P + + + + + + + + +

N - - - -

+ + + + + + + + + + + + + + P+ + + + + + +

C

B

E

V2

V1

IC

IB

IE


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II-3- Convention des tentions et courants

Le sens des courants et tensions positifs sur le transistor NPN et PNP sont ci-dessous :

IE = IB + IC IE = IB + IC

Transistor NPN Transistor PNP

II-4- Diffrents tats de fonctionnement dun transistor

a- Montage exprimental

Le montage exprimental est ralis avec un transistor NPN.

b- Relev de mesure

En faisant varier la tension VBB, on relve les valeurs de IB, IC, IE et VCE. On distingue que le transistor a trois tats de fonctionnement :

tat : - Tous les courants sont nuls dans le transistor : IB = IC = IE = 0. - La tension VCE est maximale : VCE = VCC.

Dans cet tat le transistor est dit bloqu. Le transistor est donc quivalent un interrupteur ouvert.

tat : - La tension VCE est comprise entre 0,25V et VCC : 0,25V0 < VCE < VCC.

- Le courant IC est proportionnel au courant IB : IC = IB.

: amplification en courant ou gain du transistor.

Dans cet tat de fonctionnement le transistor est dit passant ou en rgime linaire.

Pour le transistor tudi = 150. Ainsi on conclut qu partir dun faible courant de base on produit un important courant de collecteur. Cette proprit particulire de tout transistor bipolaire, est appele effet transistor.

IB (mA) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

IC (mA) 0 1,5 3 4,5 6 7,5 7,83 7,83

IE (mA) 0 1,51 3,02 4,53 6,04 7,55 7,89 7,9

VCE (V) 12 9,75 7,5 5,25 3 0,75 0,25 0,25

IC/IB 150 150 150 150 150 130,5 111,86

tat

tat

tat

IB

IE

IC

VEC

VEB

E

C

B IB

IC

IE

VCE

VBE

C

E

B


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En rgime linaire on a IC = IB. Or IE = IB + IC ; donc IE = IB(1 + ) = IC(1 +

).

Le gain pour un transistor a une valeur de quelques dizaines quelques centaines.

Ainsi la plupart du temps pour simplifier les calculs on pourra poser ou bien encore

.

Dans les ouvrages anglophones, est souvent not h21 ou hfe.

tat : - La tension VCE atteint une valeur minimale et ne varie plus : VCE = 0,25V 0.

- Le courant IC atteint une valeur maximale et ne suit plus une volution linaire de IB : IC < IB.

Dans cet tat le transistor est dit satur. Le transistor est donc quivalent un interrupteur ferm.

la saturation la tension VCE = VCEsat 0 , le courant IC = ICsat < IBsat. En rsum, le transistor est un composant lectronique gr par la relation IC = IB. Cette relation traduit la possibilit de contrler un courant important (IC) laide dun courant beaucoup plus faible (IB), do son utilisation grande chelle en amplification.

III- Rseau de caractristiques du transistor Cest un rseau de courbes qui dcrit lvolution du courant du collecteur IC en fonction de la tension VCE et ceci pour diffrentes valeurs du courant de base IB. Aussi lvolution IC=f(IB) et IB = f(VBE).

Schma du montage exprimental

VCC VBB=5V

IC

IB

IB (A)

VBE (V)

Caractristique de sortie : IC = f(VCE)IB=cste

Caractristique de transfert en courant : IC = f(IB)VCE=cste

Caractristique dentre : VBE = f(IB)VCE=cste

0,7 V

VCE(V)

IC (mA)

IB=30A

0 M0

M1


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III-1- Observations du rseau de caractristiques :

- La fonction IC = f(VCE) est matrise par la valeur du courant de base. Celle-ci comporte essentiellement deux domaines :

o la partie o IC est peu variable pour une valeur de IB fixe, c'est le rgime linaire.

o la partie coude o IC varie trs vite pour des valeurs de VCE0, le transistor est en rgime satur.

- La fonction VBE = f(IB) est celle d'une jonction PN entre la base et l'metteur (cest comme une diode).

- La fonction IC = f(IB) caractrise " l'effet transistor " en rgime linaire. C'est une droite de

pente (gnralement est trs leve).

Remarque : - Au point M0 le transistor est bloqu. Entre son collecteur et son metteur le transistor est quivalent

un interrupteur ouvert. - Au point M1 le transistor est satur. Entre son collecteur et son metteur le transistor est quivalent

un interrupteur ferm. - Par la variation spontane du courant IB de 0 IB6 =60A ou inversement on peut passer de M0 M1 ou

inversement. Dans ce type de fonctionnement tout ou rien on dit que le transistor fonctionne en commutation.

- En faisant varier IB tout en conservant le transistor en rgime linaire on peut utiliser le transistor en amplificateur de courant.

III-2- Puissance dissipe par un transistor - domaine utilisable

Les constructeurs prcisent, pour chaque type de transistor, les valeurs ne pas dpasser sous peine de dtruire le composant. Voici un extrait de la documentation constructeur du transistor 2N2222 (valeurs typiques)

VCE max = 30V : tension VCE maximale que le transistor peut supporter IC max = 800 mA : courant IC maximal que le transistor peut supporter Ptot max = 0,5 W : puissance totale que peut dissiper le transistor au maximum

La puissance que peut dissiper un transistor est donne par la somme des puissances fournies au transistor par le circuit dentre (VBE.IB) par le circuit de sortie (VCE.IC) :

Mais en fonctionnement linaire, VBE.IB est ngligeable (quelques W) devant VCE.IC. Ainsi, la puissance dissipe par le transistor est donne par :

Pd = VCE.IC

IV- Polarisation du transistor

Pour fonctionner correctement, le transistor doit avoir sa jonction base-metteur polarise en direct ce qui engendre un courant IB dans la base et un courant IC dans le collecteur. Ltat du transistor (bloqu, satur ou linaire) est caractris par ce quon appelle le point de fonctionnement, point de polarisation ou point de repos du transistor. Cet tat est indiqu par les grandeurs IC, IB, IE, VCE et VBE est imposes par les lments extrieurs au transistor. Cest--dire les rsistances qui lui sont associes. Au point de fonctionnement, les grandeurs lectriques sont nommes en gnral IC0, IB0, IE0, VCE0 et VBE0.

IV-1- Droite de charge statique droite dattaque statique

Soit le schma ci-dessous appel montage de polarisation de base

Dans la maille dentre on dtermine VBE = f(IB) ou IB = f(VBE):

On a VBE = EB RBIB : cest la droite dattaque statique (DAS).

Dans la maille dentre on dtermine VCE = f(IC) ou IC = f(VCE):

On a VCE = EC RCIC : cest la droite de charge statique (DCS).


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Ce sont les lments extrieurs au transistor (les rsistances) qui vont fixer ce point de fonctionnement :

- Si le point de fonctionnement appartient au segment ]P1, P2[ et idalement est en P0 alors le transistor fonctionne dans la zone linaire.

- Si le point de fonctionnement est en P2 alors le transistor est bloqu. - Si le point de fonctionnement est en P1 alors le transistor est satur.

Dterminons alors les lments extrieurs qui vont permettre de faire fonctionner le transistor dans l'un de ces trois tats.

a- Point fonctionnement la saturation (point P1)

Condition de saturation : IC < IB et VCE = VCEsat 0

On a en entre : avec VBEsat 0,7V et en sortie : en supposant EB >> VBEsat

A la saturation on a IC < IB C B

C B

E E

R R BB C

C

ER < R

E.

Si EB = EC alors la condition pour saturer le transistor devient RB < RC.

Remarque : Lamplification dun transistor augmente fortement avec la temprature.

Typiquement, pour un transistor au silicium, passe de 55 25C 100 175C.

Toutefois avec lchauffement du transistor en fonctionnement et donc laugmentation de, la condition

de saturation RB < RC est toujours vrifie.

b- Point fonctionnement au blocage (point P2)

Condition de blocage : IB = IC = IE = 0 et VBE < 0,7 V

On a EB VBE = RB*IB = 0 EB = VBE

Comme VBE < 0,7V EB < 0,7V 0V. Donc la condition pour bloquer le transistor est EB < 0.

c- Point de fonctionnement en rgime linaire (point P0)

En rgime linaire on a : IC=.IB

IE = (1+ 1

)IC IC

VBE = 0,7 V VCE > VCEsat

Suivant les valeurs de IC, IB, VBE, VCE, le transistor va fonctionner en rgime linaire, bloqu ou satur.

Sur la caractristique IC = f(VCE) du transistor, on trace la droite de charge statique VCE = EC RCIC comme indique ci-contre.

Le point d'intersection entre la droite de charge statique et les caractristiques du transistor donne le point de fonctionnement P0, P1 ou P2 du montage.

P0

P2

P1

EC

C

C

E

R

(DCS)


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En rgime linaire, la plupart du temps EC = EB = VCC ; on a donc : VCE = VCC RC.IC VBE = VCC RB.IB

On voit que si varie (changement de transistor ou variation due la temprature), alors le courant IC varie

fortement (IC = .IB), ce qui dplace le point de fonctionnement. Ce montage "polarisation de base" n'est donc pas trs stable ; il dpend normment de la temprature de fonctionnement. Il est donc exclure lorsque lon veut travailler dans la zone linaire du transistor.

Par contre le circuit de "polarisation de base" est surtout utilis dans les circuits numriques. Le transistor travaillant alors en bloqu-satur (cest--dire en commutation).

Pour le fonctionnement rgime linaire, nous allons utiliser dautres montages qui permettront d'obtenir un point

de fonctionnement le plus possible indpendant du du transistor et donc indpendant de la temprature. Dans ces conditions le point de fonctionnement sera stable.

IV-2- Polarisation par rsistance de base

- La tension VCE est obtenue en crivant la loi dOhm dans la maille de sortie :

VCC = RC IC +VCE + RE (IB + IC)

VCE = VCC - (RE + RC)IC - RE IB

VCE = VCC [RC + RE (1 +

)]IC

Avec


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IV-3- Polarisation par raction de collecteur

Cette polarisation est encore nomme polarisation par rsistance entre base et collecteur.

tude de la condition de stabilit

Daprs la DCS, IC est indpendant de . Mais au niveau de la DAS, IB dpend de . Donc une variation de IB

entrainerait celle de IC car IC= IB.

On a ( )BE CC B C E BV V R R R I ( ) CBE CC B C EI

V V R R R

CC BEC

BC E

V VI

RR R

Le courant IC est alors indpendant de si BR


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IV-4- Polarisation par pont de rsistances de base

Le schma est quivalent :

tude de la condition de stabilit

Ltude de la stabilit donne que courant IC est indpendant de si BR


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EXERCICES EXERCICE 1 : Calcul du point de polarisation

EXERCICE 2 : Calcul des composants pour imposer un point de polarisation EXERCICE 3 : Saturation du transistor

EXERCICE 4 : Polarisation par contre-raction au collecteur

EXERCICE 5 : Polarisation dun transistor PNP par pont diviseur.

EXERCICE 6 : Effets de la rsistance dmetteur sur la variation de temprature du transistor.

RB1 = 30 K , RB2 = 5K, RC = 10 K, RE = 2 K, VCC = 10V

Caractristiques du transistor : VBE = 0,6 V = 100 1- Aprs avoir dtermin le schma quivalent de Thevenin vu de la base, calculer le

point de polarisation du montage. 2- Est-ce que ce point de polarisation sera stable ? 3- Calculer lintensit du courant de pont Ip et comparez-la celle de IB. Conclure.

Caractristiques du transistor : VBE = 0,6 V varie de 100 300 VCC = 12 V. On fixe le point de polarisation VCE0 = 6V et IC0 = 5 mA. On suppose que le courant de pont Ip est trs grand devant le courant de base IB. 1- Dterminer des valeurs de rsistances afin dobtenir le point de fonctionnement

souhait. 2- Placer le point de fonctionnement sur le rseau de caractristiques du transistor.

Dans le circuit de la figure, 1- Que vaut VCE lorsque lentre vin est mise zro ? 2- Quel courant IB doit-on imposer pour polariser le transistor en saturation

profonde ? 3- Si Vin = 5 V, quelle est la plus grande valeur de RB permettant de maintenir le

transistor en saturation ?

Donnes : = 200 VBE = 0,6 V.

On a VCC = 15 V, VBE = 0,6 V et = 200. 1- Ajuster RB de faon placer le point de repos Q au milieu de la droite de charge. 2- Le transistor du circuit est remplac par un transistor bipolaire de gain trois fois plus

lev. Que devient Q dans ce cas ?

1- Dterminer IC, VCE, ainsi que le mode de fonctionnement du transistor. 2- Quobtiendrait-on pour IC et VCE si on ngligeait le courant de base IB ? Expliquez ce

rsultat. 3- En utilisant la mme approximation quau point 2, calculez :

a- la puissance totale dlivre par la source de tension. b- la puissance dissipe par RE. c- la puissance dissipe par le transistor.

Donnes : R1 = 22 k, R2 = 10 k, RC = 2.2 k, RE = 1 k, = 150, VEE = 15 V.

Une lvation de la temprature du transistor de la figure change ses

caractristiques de la faon suivante : le gain passe de 85 100 et la tension VBE change de 0.7 V 0.6 V. Dterminer les variations relatives subies par le courant IC et la tension VCE.


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IB (A)

VBE (V)

0,7 V

IC (mA)

0

VCE(V)

IB (A)

VBE (V)

0,7 V

IC (mA)

0

VCE(V)