Transistor bipolaire:

Le transistor bipolaire (Bipolar Junction Transistor : BJT) est un composant à semi-conducteurs qui peut être utilisé comme un amplificateur ou un interrupteur.

En rapport avec une diode qui est fabriquée à partir de matériaux semi-conducteurs pour former une jonction PN, le transistor quant à lui utilise une couche de matériau semi-conducteur supplémentaire pour former un composant ayant les propriétés et les caractéristiques d'un amplificateur.

Principe de fabrication:

Si on relie deux diodes dos à dos, c'est à dire les deux anodes ensemble, on obtient une jonction P commune et deux jonctions N distinctes. On pourrait aussi recommencer la même opération en reliant les deux cathodes ensemble pour avoir une jonction N commune et deux jonctions P distinctes.

La fusion de ces deux diodes produit un composant à trois couches, deux jonctions, et trois broches de sortie: la Base, le Collecteur et l'Emetteur.

Le transistor bipolaire est un composant actif à trois broches fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs capable de fonctionner comme un isolant ou un conducteur, entre son collecteur et son émetteur, lorsqu'on applique un faible courant sur sa base. Ce composant a la faculté de basculer en entre deux modes de fonctionnement: soit comme un circuit numérique (commutation), soit comme un circuit analogique (amplificateur).

Ainsi, on peut dire que le transistor possède trois régions de fonctionnement:

• • Une région active ou zone de régime linéaire: il opère en amplificateur. L'intensité du courant qui circule entre son collecteur et son émetteur est celle de sa base amplifiée.
  • Une zone de saturation: il laisse passer entièrement le courant entre son collecteur et son émetteur. Ce courant est appelé courant de saturation.
  • Une zone de blocage: il est totalement bloqué, c'est l'équivalent d'un circuit ouvert. L'intensité du courant qui circule entre son collecteur et son émetteur est nulle.

Structure:

Il existe deux types de transistors bipolaires de base: les transistors NPN et les transistors PNP. Ces deux dénominations décrivent la disposition des couches P et N des matériaux semi-conducteurs avec lesquels ils ont été fabriqués.

Pour un transistor NPN:

Schéma équivalent:

Pour un transistor PNP:

Schéma équivalent:

Symboles:

Transistor NPN:

Transistor PNP:

Les transistors bipolaires permettent de régler l'intensité du courant qui circule entre le collecteur et l'émetteur, selon l'intensité du courant dans la base. Un transistor bipolaire est donc un interrupteur controlé par le courant.

Le principe des deux transistors PNP et NPN est le même. Il n'y a que les polarités du courant et de la tension d'alimentation qui diffèrent.

Test d'un transistor:

Comment tester un transistor bipolaire à l'aide d'un multimètre? Il faudrait d'abord s'assurer du type de transistor à tester. Consulter au besoin la documentation technique du composant, pour repérer la base, le collecteur et l'émetteur.

S'assurer aussi que tous les condensateurs sont déchargés si le composant est soudé sur une carte. Il est plus intéressant de l'isoler des connexions du circuit imprimé ou de le déssouder.

Pour un transistor NPN:

En position "Test Diode", connecter la base au fils (+) du multimètre, puis l'émetteur au fil commun du multimètre: on devrait avoir des caractéristiques identiques à celles d'une diode. Ensuite déplacer le fil commun du multimètre pour le connecter au collecteur, on devrait avoir les mêmes caractéristiques. Inverser le fil (+) du multimètre pour le connecter à l'émetteur tandis que le fil commun est connecté à la base. Dans ce cas on devrait obtenir une résistance très élevée voire infinie. De même si on déplace le fil (+) sur le collecteur, sans bouger le fil commun de la base. Si on a obtenu les résultats précédents, le transistor n'a pas de problèmes. Sinon en cas de dysfonctionnement, on peut obtenir soit des court-circuits ou des circuit totalement ouverts entre la base et l'émetteur, ou la base et le collecteur.

Le test est indentique pour le transistor PNP, sauf les résultats obtenus qui seront inversés.

Caractéristiques:

Conventions:

Le sens des tensions et des courants est définit par convention. Par exemple pour un transistor NPN on a la représentation suivante:

Cette règle est aussi valable pour les transistors PNP; il n'y a que les sens des courants et les signes des tensions qui changent.

Relations de base:

L'intensité du courant qui circule dans la base du transistor et celle qui circule à travers le collecteur sont liées par la relation:

\[\mathsf{I_c = βI_b}\]

On peut aussi écrire:

\[\mathsf{β = \frac{I_c}{I_b}}\]

β: amplification en courant; I_C: courant collecteur (A); I_b: courant base (A).

Il existe aussi une relation entre l'intensité du courant collecteur I_C et celle courant émetteur I_e donnée par:

\[\mathsf{α = \frac{I_c}{I_e}}\]                      

I_e: courant émetteur (A).  

Caractéristique de sortie:

Le graphe ci-après donne un exemple de caractéristique sortie Ic = f(Vce), d'un transistor bipolaire NPN, à I_b constant:

Lorsque I_b = Ib1, le courant Ic a une faible intensité; le transistor est dans un état bloqué.

Pour toute valeur de Ib fixé, lorsqu'on Vce augmente, Ic varie très peu, c'est la zone de fonctionnement en régime linéaire pour le transistor. Si Vce devient supérieur ou égal à Vce0, le transistor se trouve dans la zone d'avalanche.

Transistor en régime linéaire:

En régime linéaire, le transistor peut être utilisé de trois façons, dans chaque cas une broche sert de point commun, tandis que les deux autres sont employées comme entrée et sortie du montage. Pour le cas d'un transistor NPN on a:

Le montage base commune :

Le signal d'entrée est sur l'émetteur, la sortie sur le collecteur, tandis que la base est reliée à la masse.

Le montage émetteur commun:

L'entrée est sur la base, la sortie sur le collecteur, et l'émetteur est relié à la masse. Ce montage peut servir d'amplificateur.

Le montage collecteur commun:

La broche commune ici c'est l'alimentation V_DD. Le collecteur est relié à V_DD, tandis que la base et l'émetteur sont respectivement l'entrée et la sortie. Ce montage présente une grande impédance d'entrée, et une faible impédance de sortie. Il peut servir d'adaptateur d'impédance ou de suiveur.

Autres exemples de fonctionnement en régime linéaire:

Amplificateur faibles signaux :

Le condensateur C1 sert de liaison entre la tension d'entrée V_IN et le montage; lorsqu'il est associé aux deux résistances R₁ et R₂, c'est filtre passe haut de fréquence de coupure:

\[\mathsf{f_c = \frac{1}{2πC_1R_{eq}}}\]

Où R_eq est la résistance équivalente de R₁ parallèle à R₂.

Pour ce montage on montre que le gain en tension:

\[\mathsf{A_v = \frac{V_{OUT}}{V_{IN}} ≈ − \frac{R_C}{R_E}}\]

Mirroir de courant à l'aide transistors PNP:

Ici aussi le transistor fonctionne en régime linéaire. Dans ce montage, le fait de relier la base et le collecteur d'un des transistors, permet d'annuler sa tension V_CB. De plus si on choisit la même référence pour ces deux transistors, ils auront tous la même tension V_be. Donc le transistor court-circuité va imposer une valeur V_cb nulle au second. Soit des courants de base identiques, idem pour les courants collecteur des deux transistors.

L'intensité du courant:

\[\mathsf{I_R = \frac{V_{DD}−V_{be}}{R} = I_L}\]

Le courant I_L ne dépend pas de la charge, mais de la résistance R.

Amplificateur de courant:

Dans cet autre montage, la diode Zener sert à stabiliser la tension de sortie à une valeur constante. Mais si la charge demande plus de courant, la diode risque de ne plus remplir son rôle. Le transistor va donc amplifier le courant pour permettre à la diode Zener d'assurer uniquement son rôle de régulateur de tension.

Comme dans les deux cas précédents, le transistor travaille aussi en régime linéaire.

Transistor en commutation:

En régime de commutation, le transistor peut servir pour allumer ou éteindre une LED, exciter la bobine d'un relais. Voir caractéristique ci-dessous:

Lorsqu'il marche en amplificateur, la tension sur la base est du transistor est appliquée de telle sorte qu'il puisse fonctionner dans sa zone de linéarité du moins entre la points A et B de la droite en pointillés. L'idéal serait le point Pc (son point de polarisation).

Mais en régime de commutation qu'il soit NPN ou PNP, il opère en dehors des points A et B, dans la zone de saturation ou de blocage.Il prendra donc les états suivants:

Etat bloqué: I_b = 0; V_CE = V_CC, tension d'alimentation. I_C ≈ 0, en réalité I_C est égal au courant de fuite I_CE0 (on montre que I_CE0 = (β + 1)I_CB0 , avec I_CB0 le courant de fuite collecteur base du transistor).

Dans ce cas le transistor est pratiquement un interrupteur ouvert.

Etat saturé: I_b = I_bsat; par conséquent I_C = I_Csat; la tension V_CE est à sa valeur minimale V_CEsat (par exemple pour un transistor BC546, V_CEsat ≈ 0,25 V).

Durée de la commutation:

On définit, le temps de fermeture t_on comme la combinaison d'un temps de retard (t_d : delay time) et d'un temps de montée (t_r: rise time).

                       t_on = t_d + t_r;

t_d: temps de retard entre l'instant d'application du courant I_b et le passage de I_c à 10% de sa valeur finale;

t_r: temps de montée de I_C entre 10% et 90% de sa valeur finale.

De même on définit le temps d'ouverture (ou de blocage) t_off comme étant la combinaison d'une durée d'évacuation des charges stokées (t_s: storage time) et d'un temps (t_f: fall time)de descente de I_C entre 90% et 10% de sa valeur.

                       t_off = t_s + t_f.

Puissance dissipée:

En théorie, lorsque le transistor est bloqué, I_C = 0, il ne dissipe pas de puissance; lorsque le transistor est saturé, V_CE ≈ 0, il ne dissipe pas de puissance non plus.

Mais en réalité, durant les phases de commutation, I_C et V_CE existent bien et sont tous les deux différents de 0. Il en résulte un échauffement du transistor est proportionnel à la fréquence de répétition des basculements. Plus cette fréquence augmente, plus le transistor s'échauffe.

Il existe des techniques pour améliorer ces défauts on peut citer par exemple:

• • • La polarisation inverse de la base;
    • La technique par pointe de courant;
    • La technique de la variation du courant.

Exemple d'utilisation en commutation:

Le transistor est utilisé ici pour exciter la bobine d'un relais afin de piloter des charges de fortes puissances connectées sur les contacts du relais.

Association des transistors bipolaire:

Dans certains cas, le courant Ic d'un transistor n'est pas suffisant pour piloter les charges qui ont besoin d'une intensité de courant élevée. Il est donc intéressant d'associer deux transistors pour former un montage appelé Montage Darlington:

 Symbole type NPN:

Symbole type PNP:

Le courant collecteur en fonction du courant de base est donné par:

\[\mathsf{I_C = β_0I_B}\]

On suppose que les deux transistors ont pour amplification en courant respective β₁ et β₂.   \[\mathsf{β_0 = β_1β_2+β_1+β_2}\]

Exemple de circuit intégré à transistors montés en Darlington: ULN2803.