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Le transistor bipolaire en commutation

Electronique Analogique

Braham Chaouche Yacine Fethallah

Saoud Ayoub

On dit qu'un transistor fonctionne en commutation, lorsqu'il passe de l'état saturé a l'état bloqué ou inversement. Dans ce cas, le passage d'un état à l'autre, doit se faire très rapidement, donc transition très rapide .Dans tous les cas, le transistor ne peut prendre que 2 états (0 ou 1), cela s’appelle le binaire.

Le transistor bipolaire en commutation

On dit qu'un transistor fonctionne en commutation, lorsqu'il passe de l'état saturé a

l'état bloqué ou inversement. Dans ce cas, le passage d'un état à l'autre, doit se faire très

rapidement, donc transition très rapide .Dans tous les cas, le transistor ne peut prendre que

2 états (0 ou 1), cela s’appelle le binaire.

Etude sur les deux états:

Etat saturé:

Fig.1 Etat saturé

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 trés faible lorsque le transistor est saturé ( quelques

millivolts ), on peut dire que Ua-Ucesat est sensiblement égal à Ua.

Donc :

.

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

Donc

.

Après cette valeur de Ib on peut l'augmenter au-delà, cela ne changera rien à l'état dans

lequel se trouve le transistor.

Etat bloqué:

Lorsqu'un transistor est saturé, sa jonction base-émetteur se comporte comme une

diode passante. Dans cette jonction, la répartition des charges est analogue à celle d'un

condensateur. Si on souhaite bloquer le transistor, le temps que les charges se réorganisent

(après saturation) au niveau de la jonction base-émetteur, cela va provoquer un courant

inverse, dit courant inverse de blocage. La valeur de ce courant dépend de la rapidité avec

laquelle le condensateur de la jonction base-émetteur va se bloquer.

Explications plus détaillées:

Appliquons un signal rectangulaire idéal (sans déformation, temps de monté et de descente

égal à 0) sur la jonction base-émetteur. Il va s'écouler un certain temps entre le moment ou on

applique ce courant dans la base et le moment ou le courant collecteur atteint l'intensité de

saturation.

Fig.2 Etat bloqué

Il s'écoule un certain temps entre le moment ou l'on établit le courant inverse de

blocage de la jonction émetteur-base et le moment ou le courant collecteur s'annule.

Les normes indiquent qu'il faut prendre comme repères, les points ou le signal atteint

10% et 90% de sa valeur maximale. C'est à partir de ces repères qu'on définit les temps de

commutation :

(td, tr, ton ; ts ; tf, toff ),voir schéma ci-dessus

Il faut savoir que les valeurs des temps mentionnes, ont variables suivants les

composants utilisés et le modèle de polarisation de la base. Dans tous les cas: on a donc

intérêt si on veut une commutation efficace, de donner une forte impulsion de courant de

base aussi bien à la saturation qu'au blocage, et a maintenir un courant de base à la limite du

blocage.

Le phénomène de commutation :

Pour réaliser la commutation, on utilise le montage ci-contre :

Fig.3 Montage pour la commutation

Le transistor est commandé par une impulsion de courant de base. Le transistor

passe de l'état bloqué à l'état saturé en lui appliquant une impulsion positive de courant.

Le circuit de sortie comprend une résistance de charge RL telle que la valeur du

rapport VCC/RL soit inférieure à la valeur du courant de collecteur maximum supportable par

le transistor.

Fig.4 Phénomène de commutation

u départ le transistor est bloqué (état OFF).

Le courant qui traverse le transistor est faible, la tension entre collecteur et émetteur vaut

VCC. On est bien régime de haute impédance.

La densité des porteurs minoritaires dans la base est au plus égale à nB0.

On applique l'impulsion de courant sur la base.

I

C

I

B

I

c

VC

E

Le transistor va quitter l'état bloqué (état OFF) pour atteindre l'état saturé.

La tension collecteur-émetteur est pratiquement nulle (égale à VCEsat = 0.2 à 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 collecteur-émetteur est faible,

on est régime de faible impédance.

L'amplitude minimale de courant de base pour obtenir la saturation est donc :

IBM > ICM/ VCC/ RL

La charge stockée dans la base se compose de QB : charge stockée en régime normal plus QBX

la charge excédentaire en régime de saturation.

Les temps de commutation sont les temps nécessaires au transistor pour passer d'un état à

l'autre. Ils correspondent en première approximation aux temps d'établissement et de

disparition de la charge stockée dans la base.

Fig.5

Caractéristiques de la commutation :

Fig.6 caractéristique de la commutation

td : temps de retard est le temps nécessaire pour que le courant atteigne 10 % de sa valeur

finale. Il est déterminé par les constantes de temps de charge des capacités des jonctions.

td est d'autant plus petit que la tension de blocage est la plus faible possible.

tr : temps de montée: temps nécessaire pour que le courant collecteur passe de 10 % à 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 dénaturation:

temps entre l'instant où le courant de base devient négatif et où 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 à la disparition de l'excès de charge stockée (QBX) nécessaire au

fonctionnement en mode saturé.

on montre que : ts=ϑs logIB 1−IB2IBM−IB2

θs: temps relié à la durée de vie des porteurs dans la base (caractéristique donnée par

l’instructeur).

tf : temps de descente (fall time) : temps nécessaire pour que le courant collecteur passe de

90 % à10% de sa valeur finale. Étant l'inverse du temps de montée, il est limité par les

mêmes phénomènes.

On définit aussi le temps de fermeture ton td + tr et le temps d'ouverture : toff = ts + tf dont

l'ordre de grandeur varie entre 0.1 et 10 µs selon le type de transistor.

L'excès de charge QBX a un effet catastrophique sur toff et constitue la principale limitation

du transistor en commutation. En général, on réalise IB1 = 3 IB2 pour obtenir des fronts raides

et des temps de dénaturation raisonnables.

Bloqué, le transistor ne dissipe pas de puissance (Ic = 0).

Saturé, le transistor ne dissipe pas de puissance (Vce 0).

Pendant la commutation, Ic, Vce existent simultanément, en supposant que le courant Ic suit

une loi linéaire (Ic(t) = ICM t/ton) pendant l'ouverture et Ic(t) = ICM (1 - t/toff) pendant la

fermeture, on montre que la puissance dissipée par le transistor à chaque impulsion de

courant est

(W.s)

L'échauffement du transistor en régime de commutation est proportionnel à la fréquence de

répétition des basculements, plus elle augmente, plus le transistor s'échauffe.

Fonctionnement :

On considère le circuit ci-dessous. La sortie de T1 est reliée à l'entrée de T2 par une

liaison capacitive alors que la liaison entre la sortie de T2 et l'entrée de T1 est purement

résistive. Les résistances des collecteurs sont beaucoup plus faibles que les résistances des

bases afin d'assurer la saturation des transistors.

Fig.7

Sur l'animation, les transistors sont modélisés par la jonction base-émetteur et par un

interrupteur (fermé si le transistor est saturé, ouvert s'il

est bloqué). Les résistances de collecteur sont

schématisées par une lampe (allumée si le transistor est

saturé).

Dans l'état initial (qui est l'état stable du système), T1 est

bloqué et T2 saturé. On applique sur la base de T1 une

tension positive (courant en vert) : T1 se sature. Son

potentiel de collecteur passe brutalement de U à 0. Le potentiel de base de T2 passe de 0,6V

à (0,6V – U) car la charge du condensateur C n'a pas le temps de varier pendant la transition.

Ceci bloque T2. Son potentiel de collecteur tend rapidement vers U. C'est un état instable. C

se charge avec la constante de temps = RB2.C (courant en violet sur l'animation) à travers la

charge de T1 et sa jonction base-émetteur. La base de T1 est alimentée (courant en rouge)

via RC2 et RB1 ce qui renforce sa saturation.

Le potentiel de base de T2 (figuré par la bande verticale jaune) croít. Quand il atteint la

tension de seuil de la diode d'entrée de T2 celui-ci se sature. Sa saturation est maintenue par

le courant (en rouge) qui traverse sa résistance de base. La durée de l'impulsion positive qui

apparait sur la sortie de T2 (lampe jaune éteinte) est sensiblement égale à 0,7.RB2.C

Applications des Transistors

On dit qu'un transistor ou tout autre dipôle fonctionne en commutation, lorsqu'il est

saturé ou bloqué. Ce qui implique un passage d'un état à l'autre très rapidement.

Exemple pratique

Prenons le cas d'une bascule monostable:

L'étude 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 état à un autre, pour revenir à sa position initiale, après un laps

de temps déterminé par les composants qui l'entourent. Fonction qui est souvent utilisée

chaque fois que l'on a besoin d'un temporisateur pour déclencher un dispositif à

retardement, qui peut aller de quelques microsecondes à quelques heures.

Fonctionnement

Il faut savoir que le dispositif que l'on va étudier est constitué de composants discrets

(c’est-à-dire, de résistances, condensateurs et de transistors). Car il existe actuellement et

depuis bien longtemps des systèmes intégrés, qui réalisent les mêmes fonctions, qui

consomment moins d'énergie 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 intégrés.

Fig.8

Le résistance R3 a été calculé pour que le transistor T2 soit saturé. Si T2 est conducteur,

son collecteur est pratiquement à la masse au Ucesat prés. Donc, aucune tension sur la base

de T1 via R4. Ce qui signifie que T1 est bloqué et cet état durera.

Si T1 est bloqué, son collecteur se trouve au potentiel de l'alimentation, c'est-à-dire 6 volts.

Donc vu que T2 est saturé, sa jonction base-émetteur est passante. Ce qui permet au

condensateur C de se charger via la jonction base-émetteur de T2.

Fig.9

Par contre, si une impulsion d'amplitude suffisante arrive sur la baseT1, il se sature.

Ce qui fait que le collecteur de T1 se trouve instantanément à la masse. Or, le collecteur est

relié à l'armature positive de C. Son armature négative se trouve au potentiel de -5,3 volts

par rapport à la masse. Le condensateur se comporte comme un générateur qui attaque

brusquement la jonction base-émetteur de T2, mais, en sens inverse, ce qui bloque

énergiquement T2. Le blocage de T2 maintient l'état de saturation de T1 même après

disparition de l'impulsion de commande. En effet Ib1= (6-0,7)/R2+R4 peut maintenant

s'écouler dans la base de T1. Cette situation ne durera pas, parce que C tend a se charger en

sens inverse via R3 et T1 saturé.

Fig.10

Partir d'une tension de -5,3 volts, il finirait, si rien ne se passait, par atteindre la limite

UB2-UC1=6 volts par une courbe de charge exponentielle. Cette tension de 6 volts ne sera

jamais atteinte car arrivé à la tension (UB2-UC1= 0,7 volt) T1 se bloquera, c'est-à-dire retour

à l'état initial.

Fig.11

Conclusion

La durée de temporisation correspond donc a T=0,7Rb2*C, on peut régler la valeur de T en

ajustant Rb2. Mais attention les valeurs des résistances ont tout de même des limites car

celle de Rb ne peut pas être supérieure à 500 kilo ohms, parce que T2 ne serait plus saturé.

(Faire un tout petit calcul permet de constater que le transistor se sature avec un certain

courant, qui nous donne une tension de 0,7 volt sur sa base.).

Pourquoi 0,7 dans La formule de T=0,7Rb2*C:

Partir de -5,3 volts vers sa limite maximale de 6 volts de façon exponentielle (tension

collecteur de T2) Elle traverse la valeur de 0,7 volt pour laquelle se produit le basculement. A

l'aide d'un petit calcul on se rend compte que le basculement se crée à 0,7 Thêta (Thêta

étant la constante de temps de charge RC donc Rb2*C)