Étude du Transistor Bipolaire en Régime Saturé ou Bloqué :
FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR BIPOLAIRE EN RÉGIME SATURÉ OU BLOQUÉ
Dans le cas qui nous préoccupe, le
transistor est utilisé soit en régime saturé, soit en régime bloqué,
c'est-à-dire en commutation, à la manière d'un interrupteur, copiant les
deux états de celui-ci :
Interrupteur fermé = transistor saturé
Cet état correspond au passage d'un courant dans le circuit.
Interrupteur ouvert = transistor bloqué
Ce second état correspond à l'absence de courant dans le circuit.
L'interrupteur est à commande
mécanique alors que le transistor est à commande électrique.
La figure 16 représente cette
analogie entre interrupteur et transistor utilisé en commutation.
Pour continuer dans la voie de
l'analogie entre interrupteur et transistor, ce dernier fonctionnant en
commutation, deux grandeurs physiques sont à prendre en considération.
Reportez-vous à la figure 17, celle-ci représente le quadrant 1,
c'est-à-dire la caractéristique de sortie IC
fonction de VCE
pour IB
donné.
Ces deux grandeurs sont :VCE
sat. (VCE
saturation) et
ICB0.
VCE
sat. correspond à la tension de coude de la caractéristique, on
l'appelle encore tension de déchet. Il s'agit de la valeur minimale que prend
la tension VCE
pour un IC
imposé.
En fonction du courant et du type
de transistor, cette valeur évolue entre 0,15 V
et 3 V environ.
ICBO
correspond au courant résiduel de collecteur pour un courant émetteur nul. Il
représente la valeur minimum du courant collecteur au delà duquel on ne
pourra descendre quand le transistor est à l'état bloqué. C'est le courant
inverse de la jonction collecteur-base (puisqu'il s'agit d'un courant inverse
de jonction, il est dû aux porteurs minoritaires, par conséquent, il
augmentera sensiblement avec un accroissement de la température).
L'ordre de grandeur de ce courant
est de quelques microampères.
Ces deux valeurs limites
correspondent à des défauts. En effet, à la saturation, équivalent de
l'interrupteur fermé, une légère tension persiste, comme si on était en
présence d'une résistance de contact.
D'autre part, au blocage, un léger
courant résiduel subsiste et peur être assimilé à un interrupteur mal
ouvert qui possèderait une résistance de fuite parasite en parallèle sur ses
contacts.
Une autre valeur importante est la
puissance maximale qui peut être dissipée sur le collecteur. Elle est donnée
par le constructeur et peut être portée sur le quadrant 1,
sous forme d'une courbe dite d'isopuissance.
Pour mettre en évidence la
présence ou l'absence du courant collecteur, ou d'une manière générale, la
présence d'un courant électrique, il suffit de placer dans le circuit une
résistance. La tension apparaissant aux bornes de celle-ci nous informe de
cette présence et l'amplitude de cette tension nous renseigne sur l'importance
de ce courant.
Ceci correspond à la loi d'Ohm,
que nous rappelons :
U = R x I
U :
tension en volt
R :
résistance en ohm
I =
intensité du courant en ampère.
Il s'agit de déterminer la
résistance R, à placer dans le
collecteur, de façon à recueillir dans le circuit de sortie du transistor un
signal utile, fonction d'un signal d'entrée.
La détermination de cette
résistance R est influencée par le besoin
électrique du courant suivant.
La figure 18 illustre deux
possibilités de branchement.
Dans la figure 18-a, la lampe (ou
élément de charge de l'interrupteur) est branchée en série avec l'interrupteur.
Quand ce dernier est fermé, le
courant circule et la lampe est allumée.
Quand il est ouvert, la lampe s'éteint.
Dans la figure 18-b, la lampe et
l'interrupteur sont branchée en parallèle.
Quand on ferme l'interrupteur, la
lampe s'éteint.
Quand il est ouvert, la lampe est
allumée.
Le résultat de fonctionnement est
l'inverse de celui du montage précédent.
D'autre part, quand l'interrupteur
est fermé, si on ne place pas en série une résistance R,
la tension d'alimentation VCC
se trouve court-circuitée.
En électricité, comme en électronique,
le court-circuit est à éviter !
Il est nécessaire aussi de prévoir
une tension VCC
supérieure à la tension de la lampe, car pour que cette dernière soit allumée,
la tension VCC
doit être égale à la tension de fonctionnement de la lampe, plus la chute de
tension dans R.
Par contre, ce montage présente une
caractéristique intéressante : la ligne commune de potentiel.
Dans le cas d'association de
fonctions logiques réalisées avec des transistors, ceci permet la conception
de modules, représentant chacun une fonction élémentaire et de les disposer
bout à bout, le signal de sortie de l'un et le signal d'entrée de l'autre
ayant un même potentiel de référence électrique.
Le
circuit de la figure 18-a sera utilisé de préférence en fin de montage,
pour alimenter l'organe de sortie, qui concrétisera les opérations logiques
effectuées en amont.
Sur la figure 18-c, ce circuit est
la transposition, à transistor, de celui de la figure 18-a.
La figure 18-d représente la
transposition à transistor du montage de la figure 18-b.
La figure 19 représente les cas
plus généraux. Il ne s'agit plus de la lampe, mais d'une résistance de charge
RL
(L = load = charge).
La résistance de collecteur est repérée
par RC.
Examinons ce qui se passe dans le
circuit de la figure 19-a, où la résistance de charge est confondue avec celle
du collecteur RC.
En règle générale, il faut bien
partir de données connues et dans cet exemple, on suppose que nous connaissons
la tension nécessaire au fonctionnement du récepteur RL
et, soit son courant, soit sa résistance.
Cette tension détermine
approximativement la valeur de la tension d'alimentation VCC
:
VCC
= VRL + VCE
sat.
La tension VCC
et le courant IRL
qui devient courant collecteur, permettent le choix du transistor.
Quand le transistor est bloqué
(interrupteur ouvert) la tension à ses bornes VCE
est la suivante :
VCE
= VCC - (RL
x ICBO)
Il faut se souvenir que le
transistor n'est pas un interrupteur parfait et qu'en l'absence de polarisation
de la jonction émetteur-base, circule dans le collecteur, le courant inverse ICBO
de la jonction collecteur-base.
Pour le tracé de la droite de
charge, on suppose le transistor comme un interrupteur parfait et la tension
devient :VCE
= VCC
Quand le transistor est saturé
(interrupteur fermé), le courant qui traverse le circuit est donné par la
relation :
IC
= (VCC - VCESAT) / RL
Dans le cas de la droite de charge,
on néglige la tension VCE
de saturation (certains transistors de commutation ont une tension de déchet
inférieure au 1 / 10ème de volt).
Par conséquent :
IC
@ VCC
/ RL
Portons ces deux valeurs sur le réseau
du quadrant 1, représentant la caractéristique
de sortie d'un transistor dont nous savons désormais qu'il devra supporter une
tension égale à VCCet un courant IRL
= IC.
Sur la figure 20, la droite
D qui relie ces deux valeurs, s'appelle la
droite de charge.
Le courant IC
qui circule dans RL
quand le transistor est saturé correspond, d'après le réseau, à un courant
base IB.
Nous connaissons la relation :
IC
= bIB
(b = h21E
= gain en courant)
Dans le cas de la figure 20, cette
relation n'est plus vérifiée car :
IC
< bIBou
IB > IC
/ b
Cette relation vérifie bien que
nous sommes en régime de saturation. Toute variation de IB
n'entraîne plus une variation de IC
dans le rapport b.
En commutation, sans signal à
l'entrée, le point de fonctionnement se situe en A.
Avec un signal à l'entrée, le point de fonctionnement passe en B.
Le passage transitoire de
A
à B doit s'effectuer le plus rapidement
possible. Pour l'instant, nous considérerons qu'il s'effectue instantanément.
L'inverse, c'est-à-dire le passage
de B
vers A,
doit se faire dans les mêmes conditions.
Le courant IB,
déterminé sur le réseau de sortie, nous apporte un élément important se
rapportant au signal d'entrée, c'est-à-dire au signal de sortie du circuit précédent.
En
partant du quadrant 4 qui représente la caractéristique de transfert
inverse, on tirera, pour le VCE
SATen question, la valeur de
VBE
en fonction du courant IB
précédemment trouvé.
Nous sommes en possession des caractéristiques
du signal V1, qu'il faut appliquer à l'entrée
pour obtenir le point de fonctionnement B
(c'est-à-dire le courant IB
sous la tension VBE)
Venons en à la figure 21 dans
laquelle apparaissent les résistances R1 et
R2.
Elles sont montées
en pont diviseur de tension, car on utilise la tension VCC
pour obtenir VBE.
Dans R1,
circule le courant IP,
du pont diviseur, plus le courant base IB:
VR1 = R1 x (IP
+ IB)
Dans R2,
circule le courant pont IP,
la tension VR2 est connue puisqu'il s'agit
de VBE
:
VR2 = VBE
= R2 x IP
Pour des raisons de stabilité du
point de fonctionnement, on prend un courant pont IP
égal à 10 fois le courant base IB
(écart de IB
dû à la dispersion du gain en courant ou à une variation de température).
IP
= 10 IB
Par conséquent, dans
R1
circule onze fois le courant base et la valeur ohmique de chacune de ces résistances
est la suivante :
R1 = (VCC
- VBE) / (11 x IB)
R2 = VBE
/ (10 x IB)
Quand l'interrupteur
i
est ouvert, la tension VBEapparaît aux bornes de R2, le
courant IB
est injecté dans la base du transistor. Le courant IC
circule dans RL.
Quand l'interrupteur
i est fermé, la tension
VBEdisparaît, le courant IB
est nul entraînant l'annulation de IC
(à ICBO
près).
Nous nous trouvons sur la droite de
charge, au point A. Le transistor est bloqué.
Toute la tension VCC
est transférée entre collecteur et émetteur du transistor, la tension aux
bornes de RL est pratiquement nulle.
la droite de charge du montage qui est construite en
considérant le transistor comme un interrupteur parfait.
les limites, sur cette droite de charge, du point de
fonctionnement en commutation (bloqué ou saturé), le transistor étant considéré
comme un interrupteur non parfait.
Dans ce type de montage, nous savons
que la tension VCCdoit être supérieure à la tension nécessaire au récepteur
constitué par RL.
Cette valeur minimale de
VCC
est déterminée par :
VCC
= VL + (RC
x IL)
Il est bien évident que nous
connaissons VL
et IL
donc RL.
Le choix de RC
nous permet avec IL
de définir VCC
et éventuellement de prendre une autre valeur pour RC
afin de ne pas aboutir à une tension VCC
trop élevée.
Le choix de RCconditionne la valeur de
IC
en considérant le transistor comme un interrupteur parfait.
IC
= VCC / RC1
Toujours en partant des mêmes
considérations, nous pouvons trouver VCE
:
VCE
= VCC - (RC
x IL)2
Il faut noter que :
VCC
- (RC x IL)
= VL
Le courant
IC et la
tension VCE
permettent le choix du transistor.
Ce choix étant fait, on dispose de
la caractéristique de sortie sur laquelle on reporte les valeurs 1
et 2
qu'il suffit de relier pour obtenir la
droite de charge.
Maintenant, nous allons chercher les
limites de fonctionnement en ne reconsidérant plus le transistor comme un
interrupteur parfait.
A l'état saturé, le courant
IC
devient :
IC
= (VCC - VCE
SAT) / RC
En considérant, sous la tension
VCE
SAT, le courant dans RLcomme négligeable.
A l'état bloqué, la tension
VCE
devient :
VCE
= VCC - [ (RC
x IL) + (RC
x ICBO) ] = VCC
- RC (IL
+ ICBO)
La figure 22-a, illustre la caractéristique
de sortie d'un transistor sur laquelle nous avons porté ces valeurs.
Comme précédemment, nous déduisons,
à partir de ce réseau, le courant IB,
puis du quadrant 4 la tension
VBE
correspondante en fonction du VCE
SAT.
La figure 22-b représente le
montage avec son circuit de commande R1,
R2
et i (identique à celui de la figure 21).
Nous savons calculer
R1
et R2 car il s'agit du même raisonnement
que pour le montage précédent.
La présence d'un courant base
engendre un courant de collecteur.
Le courant base est la conséquence
d'une tension VBE
qui polarise la jonction base-émetteur dans le sens passant.
Dans ce type de montage, émetteur
commun (figure 22-b), on récupère le signal de sortie entre collecteur et émetteur
(tension VCE).
Entre l'entrée et la sortie, il y a
inversion du signal. On dit que le montage E-C
(émetteur commun) est déphaseur.
Sur
la figure 22-a, la droite en pointillé représente la droite de charge que
l'on obtiendrait si RL
était supprimée.
La figure 23 illustre les limites de
fonctionnement du transistor.
La droite
1
détermine, dans la zone de saturation, la tension de déchet au-dessous de
laquelle, pour un IC
donné, on ne pourra pas descendre.
La droite 2
détermine, dans la zone de blocage, le courant résiduel
ICBO
au-dessous duquel, pour un VCE
donné, on ne pourra pas descendre.
La courbe 3
informe sur la puissance maximum que le transistor peut dissiper.
Les droites a
et b correspondent aux valeurs limites que
peut prendre la droite de charge.
a correspond à une RC
infinie (valeur ohmique infinie : résistance coupée).
b correspond à
une RC
nulle (valeur ohmique nulle : résistance en court-circuit). Cette droite
ne peut être atteinte pratiquement sans destruction du transistor ou de
l'alimentation VCC.
Nous venons de survoler le problème
concernant le transistor en commutation (fonctionnement en interrupteur). Le but
de cette leçon n'est pas l'étude des montages à transistors, mais de fournir
une connaissance suffisante pour aborder la réalisation de processus logiques
en partant d'un matériel qui a ses limites physiques et, par conséquent, de
scinder les écueils dûs à une mauvaise interprétation logique et ceux dus à des aléas inhérents à la technologie.
La réalisation pratique d'un
montage doit toujours comporter au moins deux phases :
une phase logique pure et théorique
une phase pratique impliquant la
connaissance de la technologie employée.
Ces deux étapes sont aussi
importantes l'une que l'autre.
La seconde est trop souvent escamotée
et un grand nombre de déboires lui sont imputables.
Les constructeurs mettent à la
disposition des techniciens des notices relatives aux paramètres des circuits
qu'ils fabriquent, il faut en prendre connaissance.
Le transistor n'est pas seulement
utilisé en commutation mais aussi pour les montages analogiques, dans la zone
linéaire (amplification), c'est-à-dire en dehors des zones de saturation et de
blocage.
A ce sujet, dans notre cas, le
passage d'une zone à l'autre (du point A au
point B sur la droite de charge) ne
s'effectue pas instantanément, mais avec une vitesse finie, consécutive à
certaines capacités parasites.
Ce trajet emprunte la zone linéaire
d'amplification qui constitue un inconvénient en commutation, et plus le temps
de transit est court, plus nous minimisons cet inconvénient (celui-ci se
traduit par une dégradation des fronts montants et descendants du signal, ainsi
qu'une sensibilité accrue, à ce moment là, aux parasites extérieurs).
Cette limitation de la vitesse est
liée, entre autre, à deux capacités parasites :Cbe
et Ccb.
Ces capacités sont celles des
jonctions du transistor. Cbe est attribuée
à la jonction base-émetteur, Ccb à la
jonction collecteur-base.
La résistance interne
rbb
de la base (constituée par la zone de semi-conducteur de la base et le contact
ohmique de celle-ci) et les capacités précitées
constituent des constantes de temps qui retardent le départ d'un point vers
l'autre et freinent la vitesse de déplacement sur la droite de charge.
Le transistor bipolaire est employé
pour les opérateurs logiques dans les technologies dites :
RTL :
(logique à résistance - transistor)
DTL:
(logique à diode - transistor)
TTL: (logique à transistor -
transistor).
Cette dernière
est utilisée pour sa rapidité mais sa consommation et sa dissipation ne
permettent pas une intégration très poussée. Aussi a-t-on recours à un autre
type de transistor, dont le fonctionnement est un peu différent et que l'on
nomme : transistor à effet de
champ.
C'est ce dernier que nous
examinerons dans la prochaine leçon technologie 2.
La Polarisation du Transistor NPN
Interrupteur fermé = transistor saturé
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