Fonctions et composants élémentaires de l ’électronique Le transistor bipolaire

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

Constitution- Symbole N N P BASE COLLECTEUR EMETTEUR P P N BASE COLLECTEUR EMETTEUR BASE COLLECTEUR EMETTEUR BASE COLLECTEUR EMETTEUR NPNPNP

Caractéristiques - Fonctionnement Caractéristiques d’entrée I B =f(V BE )I B =f(V BE ) Caractéristiques de Transfert I C =f(I B )I C =f(I B ) Caractéristiques de sortie I C =f(V CE )I C =f(V CE ) Résumé – réseau de caractéristiquesréseau de caractéristiques

Caractéristiques d’entrée I B =f(V BE ) V BE (V) I B (µA) V BE (V) I B (µA) Schéma de principe Evolution temporelle des signaux Caractéristique d’entrée IBIB V BE V CE ICIC

Caractéristiques de Transfert I C =f(I B ) I B (µA) I C (mA) Schéma de principe Evolution temporelle des signaux Caractéristique de transfert IBIB V BE V CE ICIC V BE (V) I B (µA)I C (mA)

Caractéristiques de sortie I C =f(V CE ) V CE (V) I C (mA) Schéma de principe Caractéristique de sortie I Bo V BEo ICIC V CE I B (µA) V BE (V) I Bo V BEo Evolution temporelle des signaux V CE (V) I C (mA) I Bo I B1 > I Bo I B1 V BE1

Réseau de caractéristiques V BE (V) V CE (V)I B (µA) I C (mA) I B1 > I B0 I B2 > I B1 I B3 > I B2 I B0 >0 I B =0 À V CE = constante

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.

Caractéristique d’entrée Fonctionnement statique I Bo VPVP RBRB Circuit d’attaque V BE (V) I B (µA) I Bo V BEo Point de fonctionnement V BEo Le point de fonctionnement est imposé par le circuit d’attaque. On peut le déterminer graphiquement en traçant la droite d’attaque, d’équation: Généralement, V P est connue et il faut choisir R B pour fixer I B0.

Fonctionnement statique I Bo I B0 étant fixé, on en déduit I C0 par: I C0 =  I B0 I B (µA) I C (mA) Caractéristique de transfert I B0 I C0 Ce qui est vrai si on autorise l’existence d’un courant I C => un circuit de charge I C0 V CC RCRC VPVP RBRB

Fonctionnement statique I Bo I C0 V CC RCRC V CE (V) I C (mA) Caractéristique de sortie I Bo La valeur de V CE0 est fixée par V CC et R C, et peut être déterminée graphiquement en traçant la droite de charge d’équation: I C0 V CE0 V CC La droite de charge passe forcément par I C0. En pratique, V CC est généralement connue, on choisit alors R C pour fixer I C0 et V CE0. VPVP RBRB

Fonctionnement statique V P et R B fixe le courant I B0. V CC et R C fixe la tension V CE0. 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 V P +v(t). v(t)=V.sin(2  ft) VPVP v(t) V -V V P +V V P -V ve(t) t t t

Fonctionnement dynamique Caractéristique d’entrée I Bo VPVP RBRB Circuit d’attaque V BE (V) I B (µA) I Bo V BEo Lorsque v(t) varie de –V à +V, ve(t) varie de V P -V à V P +V. La droite d’attaque se déplace alors dans le plan (I B,V BE ) et le point de fonctionnement se déplace entre les points A et B au rythme (à la fréquence) de v(t). v(t) ve(t) A B

Fonctionnement dynamique V BE (V) I B (µA) I Bo A B t I B (µA) V BE (V) t V BEo Le signal variable v(t) conduit à une variation de V BE et I B entre les point A et B.

Fonctionnement dynamique I B (µA) I C (mA) I B0 I C0 L’exploitation de la caractéristique de transfert permet de la même façon de déterminer les variations du courant I C autour de I C0. t t I C (µA) I CM I Cm

Fonctionnement dynamique V CE (V) I C (mA) I Bo I C0 V CE0 V CC D’après le schéma, lorsque I C varie, la tension au bornes de la résistance de polarisation R C varie également et par conséquent la tension V CE aussi. ICIC V CC RCRC VPVP RBRB v(t) ve(t) Graphiquement, la variation de I B autour de I B0 se traduit par le balayage de toutes les caractéristiques de sortie (translation) correspondant aux différentes valeurs de I B parcourues. V CEM V CEm I CM I Cm On retrouve alors les même variations de I C entre I Cm et I Cm qu’avec la caractéristique de transfert. On retrouve également la variation de la tension VCE entre: V CEm = V CC -R C I CM V CEM = V CC -RCI Cm

Fonctionnement dynamique V BE (V) V CE (V) I B (µA) I C (mA) I B1 > I B0 I B2 > I B1 I B3 > I B2 I B0 >0 I B =0 À V CE = constante I C (mA) Dans ce cas le fonctionnement est linéaire.

Fonctionnement dynamique V BE (V) V CE (V) I B (µA) I C (mA) I B1 > I B0 I B2 > I B1 I B3 > I B2 I B0 >0 I B =0 I C (mA) Mais que se passe t-il si on augmente l’amplitude du signal v(t)? Blocage Saturation I CSAT V CESAT

Modélisation En fonctionnement linéaire En commutation

Modélisation V BE (V) I B (µA) I Bo A B t I B (µA) V BE (V) t V BEo En fonctionnement linéaire On va raisonner sur la caractéristique d’entrée. Puis on utilisera la même méthode pour modéliser les autres caractéristiques. v BE iBiB Mo

Modélisation v BE iBiB La caractéristique i b =f( v BE ) est une droite. Elle traduit donc une relation du type: v BE = h 11. i b Où h 11 à la dimension d’une résistance et correspond à l’inverse du coefficient directeur de la droite (dérivé autour du point de fonctionnement). B E v BE iBiB h 11 Ce qui se traduit par le schéma électrique équivalent suivant:

Modélisation B E C v BE v CE iBiB h 11 i C =h 11 *i B 1/h 22 En exploitant l’ensemble du réseau de caractéristique du transistor, on aboutit au schéma équivalent en régime sinusoïdal:

Modélisation En commutation Au blocage, on a: I B = 0 et I C = 0 quelque soit V CE. Le transistor est donc équivalent à un interrupteur ouvert entre collecteur et émetteur. C E A la Saturation, on a: I C = I CSAT <  I B et V CE = V CESAT  0. Le transistor est donc équivalent à un circuit fermé entre collecteur et émetteur. C E

Caractéristiques constructeurs Valeurs limites Caractéristiques statiques Caractéristiques dynamiques

Caractéristiques constructeurs Valeurs limites de fonctionnements V BE (V) V CE (V) I B (µA) I C (mA) I CM : Courant collecteur maximum admissible. V CEoM : Tension collecteur-émetteur maximale admissible à l’état bloqué. P TOT : Puissance maximale consommée par le transistor. Ptot = V CEM *I CM

Caractéristiques constructeurs Valeurs limites de fonctionnements V CBoM : Tension collecteur-base maximale admissible à l’état bloqué. T J : Température maximum de la jonction en fonctionnement. Fortement lié à la puissance consommée par le transistor. V BEoM : Tension négative base-émetteur maximale admissible à l’état bloqué.

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Statiques V CEsat : Tension collecteur-émetteur minimale existant quand le transistor est saturé. h FE : Gain en courant (  ) du transistor en régime linéaire. I EB0 : Courant résiduel maximum parcourant la jonction base émetteur à l’état bloqué. V BEsat : Tension base-émetteur minimale existant quand le transistor est saturé. I CB0 : Courant résiduel maximum parcourant la jonction collecteur base à l’état bloqué. Ce courant varie énormément avec la température.

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Dynamiques C BC0 : Capacité parasite entre la base et le collecteur (de l’ordre de 10pF). A prendre en compte en HF. f T :Fréquence de transition. Le gain en courant chute en fonction de la fréquence. On note f T la fréquence pour laquelle  =1. f  h FE 1 fTfT En régime de fonctionnement linéaire

Caractéristiques constructeurs Caractéristiques Dynamiques t d : Delay time: temps de retard entre l’application d’un courant I b et le début de variation de I C. En régime de commutation Switching caractéristiques tdtd t r : Rise time: temps de montée du courant I C. 10% 90% 100% 0% trtr t on ICIC IBIB t t tsts t off tftf t on : Switch on time: temps de saturation du transistor. t s : stockage time: temps de retard entre l’annulation d’un courant I B et le début de variation de I C. t f : Fall time: temps de descente du courant I C. t off : Switch off time: temps de blocage du transistor.

Choix d’un transistor CommutationLinéaire Limites d’emploiI CM V CEoM V BEoM T J P tot I CM V CEM V BE0M T J P tot Performancest on t off h FE f T Défauts et dérivesV CEsat I CB0 C BCo h 21 =f(Ic) V BE =f(T°) C BCo 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.