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chapitre 2.6 de la deuxième partie

 

 Les Transistors

- Présentation

- Le transistor bipolaire

- schéma équivalent

- les courants

- Questions à l'examen

- amplification à transistor

Un transistor est un composant qui réalise avant tout une amplification de courant. Suivant son montage, il peut devenir amplificateur de tension ou de puissance. Cela veut dire que la grandeur d'entrée (courant, tension ou puissance) doit être multipliée par une constante (2,5 10......etc.). Attention toutefois, c'est toujours l'alimentation du montage qui fournit l'ensemble de l'énergie mise en œuvre.

Sous l'appellation de transistors, il convient maintenant de distinguer plusieurs types de transistors:

- Les transistors bipolaires (NPN ou PNP) normes NF-C03

 

- Les transistors à effet de champs ( J-FET ou MOS-FET) normes NF-C03

 

 1 Le transistor bipolaire:

Quelques formes de boîtiers de transistors

 

1-a Constitution, schéma équivalent

PNP ou NPN, un transistor est constitué par une juxtaposition de silicium de type P et de silicium de type N, ce qui forme l'assemblage PNP ou NPN. Le seul intérêt ici, c'est de permettre de réaliser un schéma équivalent du transistor à l'aide de diodes élémentaires (assemblage P-N) à partir de cet assemblage PNP ou NPN. (Attention, ce n'est qu'une équivalence de schémas, il est bien sûr impossible de réaliser un transistor qui fonctionne de cette manière).

Il est possible d'en tirer une méthode de test rapide des transistors de ces types.

 

Le test des jonctions collecteur-base et base-émetteur se réalise avec n'importe quel ohmmètre. Pour peu que l'on connaisse la polarité de la tension de sortie de l'ohmmètre (avec une diode) il est possible de déterminer le type du composant (PNP ou NPN).

Une manipulation simple avec une résistance permet aussi de retrouver collecteur et émetteur.

Ces manipulations sont limitées aux transistors classiques. Les transistors  "Darlington" ou "haute tension" peuvent avoir des structures internes qui faussent ces manipulations élémentaires.

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1-b Les courants dans un transistor:

Le sens des courants:

Pratiquement, le sens du courant dans un transistor (au grand effroi des physiciens)  est le sens conventionnel du courant, celui qui va du plus vers le moins en dehors du générateur.

Ce qui donne pour un transistor NPN et pour un PNP:

 

Quelque soit le type de transistor, le courant d'émetteur est toujours la somme  Ic + Ib quelque soit son sens.

A partir de ce moment, nous ne considérerons plus que le transistor NPN. Les raisonnements sont absolument identiques pour un NPN comme pour un PNP.

La relation entre les courants

- Le courant "Collecteur" ou le courant "Émetteur" n'existe que si le courant base existe.

- Le courant d'émetteur est toujours la somme du courant "Base" et du courant "Collecteur"

Ie = Ic + Ib

- En fonctionnement linéaire, le courant "Collecteur" est β fois plus grand que le courant "Base"

Ic = β Ib

Encore une fois ceci n'est vrai que dans un mode de fonctionnement du transistor, le fonctionnement linéaire.

Réalisons le montage suivant:

 

Si le courant Ib varie, grâce à une source extérieure de 0 à 100 μA, le courant Ic augmentera proportionnellement jusqu'à la valeur de 10 mA puis se stabilisera à 10 mA quelque soit l'augmentation de Ib. Le transistor est alors saturé.

Il est évident que le courant collecteur ne pourra jamais dépasser:

I = V1/R1 soit 10 mA

 

Les questions sur le transistor, à l'examen, ne portent que sur le fonctionnement linéaire.

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Questions à l'examen:

Question 1:

 

Dans le cas suivant, le courant Ie vaut:

- 0

- 920 μA (Bonne réponse)

- 800 μA

- 1,12 mA

En effet le courant d'émetteur est la somme de Ib + Ic => 120 + 800 = 920 μA


Question 2:

 

Le courant Ie de ce transistor vaut:

- 25 μA

- 2 mA

- 2,025 mA( Bonne réponse)

- 80 mA

Ie est égal à Ic + Ib et Ic = β x Ib

soit Ie = 80 x 25 μA + 25 μA = 2025 μA = 2,025 mA

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1-c Le transistor en amplification

Suivant les points d'entrée et de sortie, trois montages sont possibles:

- émetteur commun

- base commune

- collecteur commun

Le simulateur P-Spice sera utilisé pour montrer les caractéristiques des 3 montages fondamentaux.

1-C-1: Émetteur commun

Le schéma suivant est réalisé:

 

L'entrée de l'amplificateur se fait sur la base (ve)

La sortie se fait sur le collecteur du transistor (vs)

L'émetteur est "commun" entre entrée et sortie

L'ensemble des résistances R3, R4 et R5 permettent de fixer la "polarisation" du transistor pour son fonctionnement en régime linéaire.

La visualisation des résultats de la simulation (P-SPICE) est la suivante:

 

Constatations:

La tension d'entré a été fixée à 10 mV max et 10 KHz.

La tension de sortie est d'environ 1 V max mais sa phase est opposée à celle du signal d'entrée.

La tension de sortie varie autour de 7 v, qui est la tension collecteur de "repos" du transistor (Tension continue, sans signal d'entrée).

L'amplification en tension du montage est d'environ - 100 (le signe moins indique l'opposition de phase).

Le montage Émetteur commun est un amplificateur de puissance, en effet la courant de sortie est le courant collecteur, alors que le courant d'entrée est le courant base (rapport β !!!).

1-C-2: Collecteur commun:

Le schéma est modifié de la manière suivante:

 

L'entrée est faite sur la base du transistor (ve)

La sortie est faite sur l'émetteur (vs)

C'est le collecteur qui est "commun" (directement relié au +V1, c'est aussi le zéro pour les signaux variables)

La résistance R4 a été modifiée pour assurer une autre valeur de polarisation.

La visualisation des résultats de la nouvelle simulation est la suivante:

 

Constations:

La tension d'entrée a été amenée à 1V max toujours à 10 kHz

La tension de sortie est aussi de 1 V max. Ce qui signifie que l'amplification de tension est de +1.

Mais le courant de sortie est le courant d'émetteur alors que le courant d'entrée est le courant base.

Ce montage est un amplificateur de courant Ie =( β +1 ) Ib

1-C-3: Base commune:

Le montage est maintenant le suivant:

 

L'entrée ve se fait sur l'émetteur (en basse impédance)

La sortie vs se fait sur le collecteur

C'est la base qui est commune entre l'entrée et la sortie (à la masse)

Après simulation les résultats donnés sont les suivants:

 

Constatations:

La tension d'entrée ve est de 10 mV max

La tension de sortie vs est de 1 V max

L'amplification est de vs/ve = 100

La tension de sortie est en phase avec la tension d'entrée, l'amplification est de + 100

Ce montage est un amplificateur de tension.

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2 Le transistor J-FET

2-a Constitution, Schéma équivalent

Le transistor J-FET (Junction Field Effect Transistor) est un élément composé d'une zone dopée N ou P (N dans les cas étudié et le plus courant) sur la quelle a été diffusée une zone de type opposée P ou N suivant le cas.

Le schéma correspondant pourrait être celui-ci:

 
 

La résistance "drain" <=>"source" est de l'ordre d'une centaine d'ohms.

2-b Le courant dans le J-FET:

La polarisation de la grille est négative, la diode vue par la grille est alors bloquée. Le courant "Grille est quasiment égal à 0 ( C'est le courant inverse de la diode).

Dans le cas du transistor utilisé, Canal N, La tension d'alimentation VDrain-Source est positive.

Il n'existe donc qu'un seul courant qui circule entre Drain et Source Is = Id

La commande du transistor J-Fet se fait par une tension. La relation entre tension de commande Vgrille-source et le courant de Drain Id est :

Id = g x Vgs

avec g: pente du transistor en mA/V

2-c Le J-Fet amplificateur:

Les trois montages de base utilisés avec le transistor peuvent être transposé avec un J-FET. Les conclusions sur l'amplification peuvent dans une première approche être considérées comme sensiblement identiques à celles sur le transistor bipolaire.

Nous utilisons dans la simulation suivante un transistor J-FET 2N3819

Réalisons le montage suivant, toujours avec P-SPICE:

 

L'entrée se fait sur la grille du transistor

La grille est portée au potentiel 0 V par la résistance R3

Le courant Drain Source circulant dans R1 élève le potentiel de Source  de quelques volts. On parle de polarisation automatique.

Le résultat de la simulation est le suivant:

 

Constatations:

La tension d'entrée Ve est de 100 mV max à la fréquence de 100 KHz.

Le tension de sortie Vs est de 0,45 V max et en opposition de phase avec l'entrée.

L'amplification est de - 0,45/0,1 = -4,5.

Remarque: L'amplification obtenue, dans les conditions ci-dessus est bien moins importante que celle obtenue avec un montage à transistor.


Question 3

 

La dénomination exacte de l'électrode marquée est:

- Grille (réponse exacte)

- Cathode

- Base

- Commande

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3 Le transistor MOS-FET

3-a Constitution, Schéma

Contrairement au J-Fet le transistor MOS-FET dit aussi IG-FET (Isolated Grid Field Effedt Transistor), la grille du MOS-Fet est complètement isolée (en courant continu) du substrat (le corps) du transistor.

 

Suivant le type (dopage) du substrat on distingue là encore deux types de composants:

Dans le cas de la présentation c'est un Substrat P donc Canal N (genre IRF150).

Le symbole est le suivant:

 

Les MOS-FET à canal N (Substrat P) et le Mos-Fet à canal P (substrat N). Le sens de la flèche du symbole indique le type du substrat. Le substrat doit toujours, s'il n'est pas directement connecté à la source, toujours être connecté au potentiel le plus négatif pour un substrat P, et au potentiel le plus positif pour un substrat de type N.

3-b Câblage, alimentation

Les Mos-fet sont très souvent des transistors de puisance. Nous utilisons le type IRF150 dont le modèle de simulation existe dans la librairie de P-SPICE, le logiciel de simulation de fonctionnement ici utilisé.

Réalisons le montage suivant:

 

La tension d'alimentation du transistor canal N doit être positive.

La tension de polarisation de la grille est aussi positive.

Comme dans le transistor J-Fet, il n'existe pas de courant grille (en théorie!), le courant Id = Is.

Comme dans le transistor J-Fet  Id = g x Vgs avec g qui est la pente du transistor (en mA/V).

La simulation du montage ci-dessus nous montre le résultat suivant:

 

Constatations:

La tension de sortie est en opposition de phase avec la tension d'entrée.

L'amplification est de 0,5/0,1 = 5 soit A = -5