Transistor bipolaire

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Sommaire 1 Types et Symboles 2 Caractéristiques électriques 3 Principes généraux de mise en œuvre 4 Montages amplificateurs 4.1 Polarisation 4.2 Puissance dissipée dans le transistor 4.3 Calcul du gain de l'amplificateur petits signaux 4.4 Classes de fonctionnement 4.5 Couplages entre étages 4.6 Amplificateur base commune 4.7 Amplificateur collecteur commun 5 Le transistor en tout-ou-rien (commutation) 5.1 Puissance dissipée dans le transistor 5.2 Applications (commande de DEL, de relais, décharge d'un condensateur...) 5.2.1 Exemple 6 Voir aussi

[modifier] Types et Symboles

Les catalogues de transistors comportent un nombre élevé de modèles. On peut classer les transistors bipolaires selon différents critères :

• le type : NPN ou PNP. Ces deux types sont complémentaires, c'est-à-dire que le sens des courants et tensions pour le PNP est le complément de ceux du NPN. Les transistors NPN ayant en général des caractéristiques meilleures que le PNP, ils sont les plus utilisés. La suite de l'article discutera donc uniquement les circuits utilisant des transistors NPN.
• la puissance : les transistors pour l'amplification de petits signaux ne dissipent que quelques dizaines ou centaines de milliwatts. Les transistors moyenne puissance supportent quelques watts ; les transistors de puissance, utilisés par exemple dans les amplificateurs audio de puissance ou dans les alimentations stabilisées peuvent supporter, à condition d'être placés sur un refroidisseur adéquat, plus de 100W.
• la gamme de fréquence : transistors pour fréquences basses (fonctionnent correctement jusqu'à quelques MHz), moyennes (jusqu'à quelques dizaines de MHz), hautes (jusqu'à quelques GHz), encore plus hautes (fréquences maximales d'oscillation de plusieurs centaines de GHz)

La figure ci-contre montre le symbole et indique le nom des 3 électrodes des transistors. On peut donc distinguer 3 différences de potentiel intéressantes : Vbe, Vbc et Vce ; et 3 courants : courant de base Ib, d'émetteur, Ie et de collecteur, Ic. Cependant, ces 6 variables ne sont pas indépendantes. En effet, on peut écrire :
Vce = Vcb + Vbe et Ie = Ic + Ib

Certains constructeurs proposent de nombreux réseaux de caractéristiques, mais cette tendance est en voie de disparition. Nous montrerons, dans cet article, que l'on peut décrire le fonctionnement des circuits à transistors très simplement, sans avoir besoin de recourir aux caractéristiques des constructeurs (qui, bien souvent, n'existent pas!). Bien sûr, les formules sont approximatives, mais il faut savoir que les paramètres caractéristiques des transistors se modifient avec la température, et varient fortement d'un transistor à l'autre, même lorsqu'ils portent le même numéro.

[modifier] Caractéristiques électriques

La figure ci-contre montre l'allure de la caractéristique Ic / Vce. L'on distingue deux zones principales :

• zone de saturation, pour des tensions Vce < 1V ; dans cette zone, Ic dépend à la fois de Vce et de Ib ;
• zone linéaire : le courant collecteur est quasi indépendant de Vce, il ne dépend que de Ib.

Lorsque le transistor travaille dans cette zone, il peut être considéré comme un amplificateur de courant : le courant de sortie, Ic est proportionnel au courant d'entrée, Ib. Le rapport Ic/Ib, appelé gain en courant du transistor, est une des caractéristiques fondamentales de celui-ci ; il est généralement noté par la lettre grecque β. Le β du transistor illustré vaut 100. Il est important de tenir compte du fait que, pour un transistor donné, β augmente avec la température. Par ailleurs, les β de transistors de même type présentent une grande dispersion. Cela oblige les constructeurs à indiquer des classes de gain. Si l'on prend par exemple un transistor très répandu comme le BC107, le gain en courant varie de 110 à 460. Le constructeur teste alors les transistors après fabrication et ajoute une lettre après le numéro, pour indiquer la classe de gain A, B, C...

La figure Ic/Vbe montre que, pour un transistor travaillant dans la zone de saturation, la tension Vbe varie fort peu. En dessous de Vbe = 0,65V, le transistor ne conduit pas. Lorsqu'on dépasse cette valeur, appelée tension de seuil, le courant collecteur augmente exponentiellement. En pratique, Vbe est généralement compris entre 0,65V (pour des Ic de quelques mA) et 1V (pour les transistors de puissance parcourus par un Ic important, pe. 1A)

Outre le gain en courant, on utilise certaines autres caractéristiques électriques pour qualifier le fonctionnement d'un transistor :

• sa fréquence de transition F_T, caractéristique de sa vitesse de fonctionnement (produit gain-bande accessible) ; plus le transistor est capable d'atteindre une transconductance élevé pour une capacité faible, plus la fréquence de transition est grande ; grâce aux progrès technologiques, on atteint ainsi de nos jours des F_T de plusieurs dizaines de gigahertz. Les transistors bipolaires sont en cela supérieurs aux transistors à effet de champ.
• sa tension d'Early V_EA, d'autant plus grande que le transistor se comporte comme une source idéale de courant ; la résistance émetteur-collecteur correspond au ratio entre la tension d'Early et le courant collecteur.
• sa transconductance (gain tension-courant), directement liée au courant collecteur (en première approximation, elle vaut g_m = I_c / V_th où on a la tension thermique V_th = kT / e qui est de 26mV à température ambiante. Bien-sûr, chaque transistor étant prévu pour fonctionner correctement dans une certaine plage de courant, il est inutile d'augmenter le courant au delà d'une certaine limite pour accroître le gain.

[modifier] Principes généraux de mise en œuvre

Comme les paramètres d'un transistor (et tout particulièrement le β) varient avec la température et d'un transistor à l'autre, il n'est pas possible de calculer les propriétés des circuits (gain en tension...) avec grande précision. Les 4 principes fondamentaux donnés ci-dessous permettent de simplifier les calculs.

• Les courants collecteur et émetteur d'un transistor peuvent être considérés comme égaux, sauf en cas de saturation poussée.
• Pour qu'un courant Ic circule dans le transistor, il faut lui fournir un courant de base égal (pour un fonctionnement dans la zone linéaire) ou supérieur (pour un fonctionnement dans la zone de saturation) à Ic/β.
• Lorsque le transistor est conducteur, la tension base-émetteur Vbe est comprise entre 0,6 et 1V.
• La tension collecteur-émetteur a peu d'influence sur le courant collecteur tant qu'on travaille dans la zone linéaire des caractéristiques.

La loi suivante est utile pour les montages plus élaborés.

• Pour deux transistors identiques à même température, une même tension Vbe définit un même courant Ic.

[modifier] Montages amplificateurs

D'une façon générale, on peut distinguer deux grands types de fonctionnement des transistors :

• fonctionnement dans la zone linéaire des caractéristiques ; il est utilisé lorsqu'il s'agit d'amplifier des signaux provenant de l'une ou l'autre source (microphone, antenne...) ;
• fonctionnement en commutation : le transistor commute entre deux états, l'état bloqué (càd. que Ic est nul, c'est le point B dans la figure ci-dessus) et l'état saturé (Vce faible, c'est le point A). Les circuits rapides évitent cet état A, qui correspond à un excès de porteurs dans la base, car ces porteurs sont longs à évacuer, ce qui allonge le temps de commutation de l'état saturé vers l'état bloqué.

Dans les paragraphes qui suivent, nous discuterons le fonctionnement du transistor comme amplificateur. Le fonctionnement en commutation est discuté en fin de l'article.

[modifier] Polarisation

Intéressons-nous d'abord au fonctionnement comme amplificateur. Dans ce cas, le circuit est conçu en 2 étapes :

• il faut d'abord fixer le point de fonctionnement, càd. les tensions et courant de repos notés Ibo, Ico, Vcmo, Vbeo ; c'est le rôle du circuit de polarisation ;
• ensuite, l'on applique à la base du transistor le signal alternatif à amplifier ; celui-ci apparaîtra amplifié au niveau du collecteur.

Considérons le schéma de l'amplificateur petits signaux. Le circuit de polarisation le plus simple serait de connecter la base à l'alimentation Ucc par R1, l'émetteur à la masse et le collecteur à Ucc par R3 (donc, dans le schéma, il faut faire R2 = infini et R4 = 0). Les résistances R1 et R3 seront calculées comme suit : R1 = (Ucc − Vbeo) / Ibo et R3 = (Ucc − Vcmo) / Ico.

Typiquement, on choisit Vcmo = Ucc/2 ; Ibo = Ico/β et Vbeo = 0,65V

Ce schéma simple souffre toutefois d'un grand défaut. En effet, c'est ici le courant de base qui est imposé par la valeur donnée à R1. Si le β change, Ico va être modifié, et donc aussi Vcmo. Si les variations sont importantes, le point de fonctionnement souhaité (indiqué par PF sur la figure Ic/Vce) risque de s'approcher trop près du point A ou du point B. Dans ce cas, l'amplitude maximale du signal de sortie va être fortement réduite, avec risque de distorsions dès que le signal est trop grand.

Pour éviter ce problème, on a recours au schéma complet indiqué ci-dessous. On peut comprendre le fonctionnement de la façon suivante. Les résistances R1 et R2 forment un diviseur de tension qui fixe non plus le courant base mais la tension entre base et masse. Ceci a pour effet de fixer la tension émetteur-masse à Vbmo - Vbeo, et donc le courant d'émetteur, qui vaut Vemo/R4.

Si l'on choisit le courant dans R1 et R2 suffisamment grand (par exemple 10Ibo), les variations de Ibo en fonction de la température affectent peu Vbmo, et donc Ieo est bien stable. Comme Ico est pratiquement égal à Ieo, Vcmo est stabilisé. En pratique, on choisit Vbmo vers 2 ou 3V.

Droite de charge

La droite de charge est une droite tracée dans la figure qui donne Ic en fonction de Vce. Elle passe par le point Ucc sur l'axe des x, et le point Ucc/R3 sur l'axe des y. Pour une tension d'alimentation et une charge R3 données, cette droite de charge indique les points de fonctionnement possibles.

Exemple

Calculons les résistances R1 à R4 nécessaires pour fixer le point de fonctionnement du transistor illustré ci-dessus au point PF, càd. Vcmo à 4V, Ico à 2mA, sachant que l'alimentation Ucc vaut 8V.

Choisissons Vbmo à 2V, Vbeo = 0,65V et le courant dans le diviseur Id = 10Ibo. D'après les caractéristiques, on voit que le Ibo nécessaire vaut 20µA.

Dans R1 circulent les courants Id et Ibo, soit 220.10^-6. Donc R1 = (8-2)/220.10^-6 = 27kΩ

Dans R2 ne circule plus que Id, donc R2 = 2/200.10^-6 = 10kΩ

La tension Vem vaut 2 - 0,65 soit 1,35V. Pour que le courant d'émetteur vaille 2mA, il faut donc R4 = 1,35/2.10^-3 = 675Ω

Et enfin, R3 = (8-4)/2.10^-3 = 2kΩ

[modifier] Puissance dissipée dans le transistor

Pour un montage amplificateur en classe A, la puissance dissipée dans le transistor vaut
P = Vce.Ic + Vbe.Ib
où Vce et Vbe sont les différences de potentiels continues entre le collecteur et l'émetteur, la base et l'émetteur, et Ic, Ib sont respectivement les courants de collecteur et d'émetteur. Cette puissance ne varie pas lorsqu'un signal est appliqué à l'entrée de l'amplificateur. Comme le gain en courant (béta) du transistor est généralement très élevé (quelques dizaines à quelques centaines), le second terme est généralement négligeable.

Pourquoi calculer la puissance dissipée dans le transistor ? Pour évaluer la température de la jonction ce du transistor, qui ne peut dépasser environ 150°C pour un fonctionnement normal de l'amplificateur.

La température de jonction sera calculée à l'aide de la Loi d'Ohm thermique.

Dans notre exemple, la puissance dissipée dans le transistor vaut (4 - 1,35).2.10^-3 + 0,65.20.10^-6 = 5,3mW. La température de la jonction, si la température ambiante est de 25°C et la résistance thermique jonction-ambiance de 500°C/W, vaut 25 + 500.5,3.10^-3 soit 27,65°C.

[modifier] Calcul du gain de l'amplificateur petits signaux

Le signal alternatif que l'on désire amplifier est appliqué à la base du transistor. On prévoit une capacité de couplage de façon à ce que le générateur de tension alternative (microphone, antenne, étage amplificateur...) ne modifie pas la polarisation de l'étage.

La variation de la tension base provoque une variation du courant collecteur, ce qui provoque l'apparition aux bornes de la résistance de collecteur d'une tension alternative. Celle-ci est transmise à la charge (p.e. un autre étage amplificateur) à travers un condensateur (pour ne pas modifier la polarisation). La valeur des condensateurs de couplage est choisie de façon à ce que ceux-ci aient une impédance suffisamment faible dans toute la gamme des fréquences des signaux à amplifier :

• par rapport à la résistance d'entrée de l'étage pour le condensateur C1 ;
• par rapport à la résistance de charge pour le condensateur C2 ;

La valeur de C3 est choisie de façon à ce que la tension alternative apparaissant sur l'émetteur soit faible par rapport à la tension alternative d'entrée.

Pour calculer (approximativement) le gain en tension de l'étage, il est utile de recourir à la technique du schéma équivalent. Ce dernier est un schéma simplifié, qui ne comporte que les éléments nécessaires au calcul du gain. En particulier, les éléments du circuit de polarisation ont largement disparu du schéma. Sous sa forme la plus simple, le schéma équivalent ne comporte que deux éléments :

• la résistance d'entrée de l'étage R_e ;
• une source de courant en sortie.

On trouve successivement i_b = v_e / r_e ; i_c = β.i_b ; v_s = i_c.R3 et enfin G = v_s / v_e = β.R3/r_e = S.R3

où v_e est la tension alternative d'entrée (nous utiliserons des minuscules pour désigner les tensions et courants alternatifs), i_b et i_c les courants alternatifs de base et de collecteur, r_e la résistance d'entrée du transistor, β le gain en courant du transistor, v_s la tension de sortie, G le gain en tension de l'étage et S, la transconductance. Celle-ci peut être définie comme suit : c'est la variation du courant collecteur due à une variation de la tension base-émetteur ; elle s'exprime en A/V. Elle est essentiellement déterminée par le courant continu d'émetteur Ie (fixé par le circuit de polarisation) : S = 38.Ie.

Quant à la résistance d'entrée du transistor, r_e, elle peut être estimée grâce à la relation suivante : r_e = β.26.10^-3 / Ie.

Nous constatons que le gain en tension de l'étage dépend essentiellement de deux facteurs :

• la résistance de charge ;
• la transconductance du transistor.

La résistance d'entrée de l'étage R_e résulte de la mise en parallèle de 3 résistances : les résistances de polarisation R1 et R2, et la résistance d'entrée du transistor r_e. R_e = R1//R2//r_e où // signifie mise en parallèle.

Lorsque l'on relie la résistance de charge R_L à l'étage amplificateur (grâce au condensateur C2), le courant i_c doit se partager entre R3 et R_L. Cela revient, dans le schéma équivalent, à placer R_L en parallèle avec R3. Le gain est alors réduit G = S.(R3//R_L).

Remarquons que, en utilisant les formules ci-dessus, qui sont approximatives, on parvient à obtenir une valeur des différents paramètres de l'étage (gain, résistance d'entrée) sans qu'il ait été nécessaire de recourir aux caractéristiques détaillées des constructeurs. Les relations donnant S et r_e sont valables pour une large gamme de transistors amplificateurs tant en basse qu'en moyenne et haute fréquence.

Dans notre exemple, le gain en tension de l'étage vaut S.R₃, soit 2.38.10^-3.2.10³ = 152.

[modifier] Classes de fonctionnement

On distingue plusieurs classes de fonctionnement pour les transistors :

• en classe A, le point de fonctionnement est choisi au milieu des caractéristiques Ic/Vce. Un signal (suffisamment petit) appliqué à la base est amplifié, comme décrit ci-dessus. La fidélité est raisonable, mais le rendement de l'étage (rapport de la puissance communiquée à la charge à la puissance totale consommée par l'étage) est mauvais ; en particulier, l'étage consomme de l'énergie même en l'absence de signal.
• en classe B, le transistor est polarisé à la limite de conduction ; le courant de repos de l'étage est donc nul. Lorsqu'un signal est appliqué à la base, l'alternance positive amène le transistor en conduction, tandis que l'alternance négative le maintient bloqué. Seule l'alternance positive se retrouve donc amplifiée. Pour reconstituer un signal complet, deux solutions :
  • utiliser un autre étage pour reproduire l'alternance négative du signal, et recombiner les sorties des deux étages de façon à récupérer un signal complet ; cette technique est fréquemment utilisée pour les amplificateurs de signaux audio de puissance (montage push-pull);
  • utiliser une charge qui "remette" en forme le signal ; ce montage est fréquemment utilisé dans les amplificateurs haute fréquence de puissance ; la charge est alors un circuit résonant constitué d'un condensateur et d'une bobine en parallèle, qui permettent de reconstituer le signal complet. Le rendement de la classe B est bien meilleur que celui de la classe A.
• en classe C, le transistor est polarisé bien en dessous du seuil de conduction ; ce n'est donc qu'une partie de l'alternance positive du signal d'entrée qui est amplifiée. Le rendement est encore meilleur qu'en classe B. Ce montage n'est utilisé que dans les amplificateurs haute fréquence de puissance utilisant un circuit résonant comme charge.

[modifier] Couplages entre étages

Dans de nombreuses applications, le gain en tension d'un étage est insuffisant pour amener le signal d'entrée (provenant d'une antenne, d'un microphone...) à un niveau suffisant pour l'application. Dans ce cas, l'on utilise plusieurs étages d'amplification en cascade, la sortie de l'un étant raccordée à l'entrée du suivant. Plusieurs types de couplages peuvent être envisagés.

• Couplage direct : le collecteur d'un étage est relié directement à la base du transistor de l'étage suivant, sans condensateur de couplage donc. Cette technique est utilisée entre autres dans les amplificateurs opérationnels ; ces amplificateurs, qui sont constitués d'un grand nombre de transistors intégrés dans un même boîtier, sont caractérisés par un gain en tension G très élevé.
• Couplage par condensateur : c'est ce qui est illustré dans le schéma ci-dessus. L'utilisation de condensateurs permet de ne pas modifier les polarisations des différents étages.
• Couplage par transformateur : le collecteur du transistor est relié au primaire d'un transformateur ; la tension apparaissant au secondaire de celui-ci est transmise à la base de l'étage suivant. Le couplage par transformateur est utilisé principalement pour deux raisons :
  • lorsqu'on souhaite réaliser une adaptation d'impédance entre étages ; en effet, en modifiant le rapport des nombres de spires au primaire et au secondaire du transformateur, on modifie la résistance d'entrée "vue" par l'étage précédent ;
  • lorsqu'on veut réaliser un amplificateur à bande étroite (càd. qui n'amplifie que les signaux dont la fréquence est située dans une gamme étroite) ; dans ce cas, on place en parallèle avec le primaire du transformateur un condensateur, de façon à constituer un circuit résonant.

[modifier] Amplificateur base commune

Ce montage est caractérisé par :

• une résistance d'entrée β fois inférieure à celle d'un montage émetteur commun avec la même polarisation ;
• un gain en tension semblable au montage émetteur commun.

Ce montage est principalement utilisé dans les amplificateurs haute-fréquence, pour limiter l'effet Miller. En effet, la capacité de rétroaction dans ce montage est Cce, qui est bien plus petite que la capacité de rétroaction d'un étage émetteur commun, Ccb. Ce montage permet un gain important en tension mais pas de gain en courant.

[modifier] Amplificateur collecteur commun

Ce montage est principalement caractérisé par :

• une résistance d'entrée (du transistor) bien plus élevée qu'un montage émetteur commun ; elle vaut r_e + (β + 1).R3. La résistance d'entrée de l'étage vaut, elle, R_e = [r_e + (β + 1).R3]//R1//R2 ;
• un gain en tension légèrement inférieur à l'unité.

Ce montage est principalement utilisé comme adaptateur d'impédance, car il présente une impédance d'entrée élevée et une impédance de sortie faible. Il permet de reproduire le signal d'entrée avec un fort gain en courant. C'est un montage de type suiveur.

[modifier] Le transistor en tout-ou-rien (commutation)

On appelle fonctionnement en tout-ou-rien un mode de fonctionnement du transistor où le transistor est soit bloqué soit parcouru par un courant suffisamment important pour qu'il soit saturé (càd. Vce réduite à moins d'1V). Dans la figure ci-contre, lorsque l'interrupteur Int est ouvert, Ib est nul, donc Ic est nul et Vc = Ucc (point B sur les caractéristiques du transistor). Par contre, lorsque l'on ferme Int, un courant (Ucc - Vbe) / RB circule dans la base. Le transistor va donc essayer d'absorber un courant collecteur Ic égal à β.Ib. Cependant, généralement, la charge RL est choisie pour que Ic soit limité à une valeur inférieure à β.Ib, typiquement 10.Ib. Le transistor est alors saturé (point A sur les caractéristiques).

[modifier] Puissance dissipée dans le transistor

La puissance dissipée dans le transistor peut être calculée par la formule
P = (Vce.Ic + Vbe.Ib).RC
Vce, Vbe, Ic, Ib ont été définis ci-dessus, RC est le rapport cyclique, c'est à dire la fraction du temps que le transistor est conducteur. Dans un fonctionnement en commutation, la puissance dissipée dans le transistor est beaucoup plus faible que celle dissipée dans la charge. En effet, lorsque le transistor est bloqué, Ic et Ib sont nuls et donc P vaut 0 ; et quand le transistor conduit, Ic peut être élevé (jusqu'à plusieurs ampères pour les transistors de puissance) mais Vce est faible, c'est la tension de saturation (0,2 à 1V). La puissance dissipée dans la charge vaut, elle
P = ((Ucc − Vce).Ic).RC
où Ucc est la tension d'alimentation.

[modifier] Applications (commande de DEL, de relais, décharge d'un condensateur...)

Le fonctionnement en tout-ou-rien est fréquemment utilisé pour piloter des charges telles que :

• ampoules à incandescence ; il faut utiliser des ampoules dont la tension nominale est égale ou légèrement supérieure à Ucc (lorsqu'une ampoule est alimentée par une tension inférieure à sa tension nominale, elle éclaire moins mais sa durée de vie est accrue) ;
• Diode électroluminescente ou DEL ; dans ce cas, la diode est placée en série avec RL, cette dernière servant à limiter le courant dans la diode ; la tension aux bornes d'une DEL varie entre 1,5 et 3,6V selon le courant qui la parcourt et sa couleur (qui dépend du matériau employé pour sa fabrication) ;
• bobines de relais : la tension nominale de la bobine du relais sera choisie égale à Ucc ; il faut placer en parallèle sur la bobine une diode dont la cathode est reliée à Ucc ; la diode protègera le transistor en évitant l'apparition d'une surtension importante au moment où Ic est interrompu.

[modifier] Exemple

Soit à piloter une ampoule de 12W. Nous choisirons une alimentation Ucc de 12V, et un transistor capable de supporter le courant de l'ampoule, soit 1A.

La résistance de base sera calculée pour fournir à la base un courant I/10, soit 100mA. Rb vaudra donc 12/100.10^-3 = 120Ω. La puissance dissipée dans le transistor, quand il conduit, vaut 0,2.1 + 0,75.100.10^-3 soit 265mW. Nous avons considéré que Vce en saturation valait 0,2V et Vbe en saturation 0,75V, ce sont des valeurs typiques.

Nous constatons qu'ici, contrairement à la situation où le transistor n'est pas saturé, la puissance liée au courant de base n'est plus négligeable par rapport à la puissance liée au courant collecteur. Ceci est dû au fait que la tension collecteur-émetteur est très faible lors de la saturation.

• • Remarque : au moment de l'allumage de l'ampoule, son filament est froid et présente une résistance bien inférieure à sa résistance à chaud ; dès lors, le courant circulant dans l'ampoule et donc dans le transistor juste après l'allumage est bien plus élevé que le 1A qui circule une fois le filament chaud ; il faut donc choisir un transistor capable d'accepter cette pointe de courant à l'allumage.

[modifier] Voir aussi

• Amplificateur électronique
• Collecteur commun
• Émetteur commun
• Base commune