Fonctions et composants élémentaires de l ’électronique Le transistor bipolaire

Le transistor bipolaire Constitution-symbole Caractéristiques – Fonctionnement Utilisation – Modes de fonctionnement Modélisation Caractéristiques constructeur Choix d’un transistor Applications

Constitution- Symbole NPN PNP COLLECTEUR COLLECTEUR N P BASE P BASE N N P EMETTEUR EMETTEUR BASE COLLECTEUR EMETTEUR BASE COLLECTEUR EMETTEUR

Caractéristiques - Fonctionnement Caractéristiques d’entrée IB=f(VBE) Caractéristiques de Transfert IC=f(IB) Caractéristiques de sortie IC=f(VCE) Résumé – réseau de caractéristiques

Caractéristiques d’entrée IB=f(VBE) Caractéristique d’entrée Schéma de principe VBE(V) IB(µA) IB VBE VCE IC Evolution temporelle des signaux VBE(V) IB(µA)

Caractéristiques de Transfert IC=f(IB) Caractéristique de transfert Schéma de principe IB(µA) IC(mA) IB VBE VCE IC Evolution temporelle des signaux VBE(V) IB(µA) IC(mA)

Caractéristiques de sortie IC=f(VCE) Evolution temporelle des signaux Schéma de principe VCE(V) IC(mA) IBo VBEo IC VCE Caractéristique de sortie VCE(V) IC(mA) IB(µA) VBE(V) IB1> IBo IB1 IBo IBo VBEo VBE1

Réseau de caractéristiques IC(mA) IB3> IB2 IB2> IB1 À VCE= constante IB1> IB0 IB0>0 IB=0 IB(µA) VCE(V) À VCE= constante VBE(V)

Utilisation – Mode de fonctionnement Fonctionnement statique Fonctionnement dynamique

Fonctionnement statique On parle de fonctionnement statique quand toutes les grandeurs (courants et tensions) sont des grandeurs continues, c’est-à-dire qui ne varient pas dans le temps. On les notera en MAJUSCULE.

Fonctionnement statique Caractéristique d’entrée RB IBo VBE(V) IB(µA) VP VBEo Point de fonctionnement Circuit d’attaque Le point de fonctionnement est imposé par le circuit d’attaque. On peut le déterminer graphiquement en traçant la droite d’attaque, d’équation: IBo Généralement, VP est connue et il faut choisir RB pour fixer IB0. VBEo

Fonctionnement statique Caractéristique de transfert IC0 VCC RC IB(µA) IC(mA) RB IBo VP IC0 IB0 étant fixé, on en déduit IC0 par: IC0 = b IB0 Ce qui est vrai si on autorise l’existence d’un courant IC => un circuit de charge IB0

Fonctionnement statique Caractéristique de sortie IC0 VCC VCE(V) IC(mA) RC RB IBo IBo IC0 VP VCE0 VCC La valeur de VCE0 est fixée par VCC et RC, et peut être déterminée graphiquement en traçant la droite de charge d’équation: La droite de charge passe forcément par IC0. En pratique, VCC est généralement connue, on choisit alors RC pour fixer IC0 et VCE0.

Fonctionnement statique VP et RB fixe le courant IB0. VCC et RC fixe la tension VCE0. C’est ce qu’on appelle POLARISER le transistor.

Montages de polarisation Montage à résistance de base Montage à contre réaction collecteur base Montage à pont de base

Fonctionnement dynamique On parle de fonctionnement dynamique quand toutes les grandeurs (courants et tensions) sont des grandeurs variables dans le temps. On les notera en MINUSCULE. Généralement l’étude se fait en régime sinusoïdal, autour du point de polarisation.

Fonctionnement dynamique Généralement l’étude se fait en régime sinusoïdal, autour du point de polarisation, c’est-à-dire pour VP+v(t). v(t)=V.sin(2pft) ve(t) VP VP+V t VP-V v(t) V t t -V

Fonctionnement dynamique Caractéristique d’entrée RB IBo v(t) VBE(V) IB(µA) ve(t) VP VBEo B Circuit d’attaque Lorsque v(t) varie de –V à +V, ve(t) varie de VP-V à VP+V. La droite d’attaque se déplace alors dans le plan (IB,VBE) et le point de fonctionnement se déplace entre les points A et B au rythme (à la fréquence) de v(t). IBo A VBEo

Fonctionnement dynamique IB(µA) VBE(V) IB(µA) B IBo A VBEo Le signal variable v(t) conduit à une variation de VBE et IB entre les point A et B. VBE(V) t

Fonctionnement dynamique L’exploitation de la caractéristique de transfert permet de la même façon de déterminer les variations du courant IC autour de IC0. IB(µA) IC(mA) IC(µA) ICM IC0 ICm t IB0 t

Fonctionnement dynamique D’après le schéma, lorsque IC varie, la tension au bornes de la résistance de polarisation RC varie également et par conséquent la tension VCE aussi. IC RC VCC RB Graphiquement, la variation de IB autour de IB0 se traduit par le balayage de toutes les caractéristiques de sortie (translation) correspondant aux différentes valeurs de IB parcourues. v(t) ve(t) VP VCE(V) IC(mA) On retrouve alors les même variations de IC entre ICm et ICm qu’avec la caractéristique de transfert. On retrouve également la variation de la tension VCE entre: VCEm = VCC-RCICM VCEM = VCC-RCICm ICM IBo IC0 ICm VCE0 VCC VCEm VCEM

Fonctionnement dynamique IC(mA) IC(mA) IB3> IB2 IB2> IB1 À VCE= constante IB1> IB0 IB0>0 IB=0 IB(µA) VCE(V) À VCE= constante Dans ce cas le fonctionnement est linéaire. VBE(V)

Fonctionnement dynamique VBE(V) VCE(V) IB(µA) IC(mA) IB1> IB0 IB2> IB1 IB3> IB2 IB0>0 IB=0 Saturation ICSAT VCESAT Mais que se passe t-il si on augmente l’amplitude du signal v(t)? Blocage

Modélisation En fonctionnement linéaire En commutation

En fonctionnement linéaire Modélisation vBE iB Mo VBE(V) IB(µA) IBo A B t VBEo On va raisonner sur la caractéristique d’entrée. Puis on utilisera la même méthode pour modéliser les autres caractéristiques. En fonctionnement linéaire

Modélisation vBE = h11 . ib iB La caractéristique ib=f(vBE) est une droite. Elle traduit donc une relation du type: vBE = h11 . ib Où h11 à la dimension d’une résistance et correspond à l’inverse du coefficient directeur de la droite (dérivé autour du point de fonctionnement). Ce qui se traduit par le schéma électrique équivalent suivant: B E vBE iB h11

Modélisation En exploitant l’ensemble du réseau de caractéristique du transistor, on aboutit au schéma équivalent en régime sinusoïdal: B E C vBE vCE iB h11 iC=h11*iB 1/h22

Modélisation En commutation Au blocage, on a: A la Saturation, on a: C IB= 0 et IC = 0 quelque soit VCE. Le transistor est donc équivalent à un interrupteur ouvert entre collecteur et émetteur. C E A la Saturation, on a: IC = ICSAT<bIB et VCE= VCESAT0. Le transistor est donc équivalent à un circuit fermé entre collecteur et émetteur.

Caractéristiques constructeurs Valeurs limites Caractéristiques statiques Caractéristiques dynamiques

Caractéristiques constructeurs Valeurs limites de fonctionnements IC(mA) ICM: Courant collecteur maximum admissible. VCEoM: Tension collecteur-émetteur maximale admissible à l’état bloqué. PTOT: Puissance maximale consommée par le transistor. Ptot = VCEM*ICM IB(µA) VCE(V) VBE(V)

Caractéristiques constructeurs Valeurs limites de fonctionnements VCBoM: Tension collecteur-base maximale admissible à l’état bloqué. VBEoM: Tension négative base-émetteur maximale admissible à l’état bloqué. TJ: Température maximum de la jonction en fonctionnement. Fortement lié à la puissance consommée par le transistor.

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Statiques VCEsat: Tension collecteur-émetteur minimale existant quand le transistor est saturé. VBEsat: Tension base-émetteur minimale existant quand le transistor est saturé. IEB0: Courant résiduel maximum parcourant la jonction base émetteur à l’état bloqué. ICB0: Courant résiduel maximum parcourant la jonction collecteur base à l’état bloqué. Ce courant varie énormément avec la température. hFE: Gain en courant (b) du transistor en régime linéaire.

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Dynamiques En régime de fonctionnement linéaire CBC0: Capacité parasite entre la base et le collecteur (de l’ordre de 10pF). A prendre en compte en HF. f b hFE 1 fT fT:Fréquence de transition. Le gain en courant chute en fonction de la fréquence. On note fT la fréquence pour laquelle b=1.

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Dynamiques En régime de commutation IC IB t Switching caractéristiques td: Delay time: temps de retard entre l’application d’un courant Ib et le début de variation de IC. td ts 10% 90% 100% 0% tr: Rise time: temps de montée du courant IC. tr tf ton: Switch on time: temps de saturation du transistor. ts: stockage time: temps de retard entre l’annulation d’un courant IB et le début de variation de IC. ton toff tf: Fall time: temps de descente du courant IC. toff: Switch off time: temps de blocage du transistor.

Choix d’un transistor Commutation Linéaire Limites d’emploi ICM VCEoM VBEoM TJ Ptot VCEM VBE0M Performances ton toff hFE fT Défauts et dérives VCEsat ICB0 CBCo h21=f(Ic) VBE =f(T°) CBCo en HF

Applications En fonctionnement linéaire: Amplification, oscillateur, multiplieur, à la base de tous les circuits intégrés analogiques (AOps, Multiplieur, etc.) En commutation: Amplificateur de courant ( à la base de tous les circuits logiques TTL), pilotage de moteur pas à pas, de LED, etc.