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Transistors Bipolaires
Ils existent depuis 1950, il y a deux sortes de transistors bipolaires.
Le transistor NPN, qui est constitué de 3 couches, la première couche du type N fortement dopé et raccordé à l'émetteur, elle est suivie d'une mince couche centrale du type P, qui est plus faiblement dopé et raccordé à la base, et d'une troisième couche du type N, qui est également fortement dopé et un peu plus épaisse que la première couche, et sera raccordée au collecteur.
Ce transistor possède 2 jonctions d'où 2 barrières de potentiel, c'est pourquoi on l'appelle le transistor bipolaire.
La mince couche centrale du transistor sera connectée à ce que l'on appellera la base du transistor voire figure ci-dessous. On comprend aisément que seul un faible courant sera véhiculé par cette base.
La première couche sera connectée à l'émetteur du transistor et la dernière couche sera connectée au collecteur du transistor.
Le transistor PNP, qui est constitué de 3 couches, la première couche du type P fortement dopé et raccordé à l'émetteur, elle est suivie de la mince couche centrale du type N, qui est plus faiblement dopé et raccordé la base et d'une troisième couche du type P, qui est également fortement dopé et un peu plus épaisse que la première couche et sera raccordée au collecteur.
Ce transistor possède 2 jonctions d'où 2 barrières de potentiel, c'est pourquoi on l'appelle le transistor bipolaire.
La mince couche centrale du transistor sera connectée à ce que l'on appellera la base du transistor voire figure ci-dessus. On comprend aisément que seul un faible courant sera véhiculé par cette base.
La première couche sera connectée à l'émetteur du transistor et la dernière couche sera connectée au collecteur du transistor.
Polarisation du transistor
Explication physique
Les électrons partent du côté négatif de l'alimentation, ils passent au travers de R4 et de R3 et arrivent à l'émetteur dopé du type N, (excédant d'électrons) du transistor NPN et migrent vers la première barrière de potentiel de la jonction. Ils remplissent les trous de cette première barrière de potentiel et diminuent ainsi ses effets. La jonction devient passante.
Ensuite, les électrons passent au travers de la base, car celle-ci a une faible épaisseur et en plus elle est très faiblement dopée en trous. Seuls quelques électrons y resteront piégés et aussitôt aspirés par la petite tension positive de cette base.
Tous les autres électrons traversent en masse la deuxième barrière de potentiel polarisée en inverse et sortiront en grand nombre au collecteur de ce transistor pour continuer leur chemin vers le positif de l'alimentation en passant au travers de la résistance Rc. La résistance aura pour effet de limiter le courant dans le transistor afin d'empêcher sa destruction.
Remarqué que plus le courant de base est élevé plus de trous seront remplis dans la première barrière de potentiel et moins cette barrière de potentiel empêchera les électrons de passer.
L'effet transistor consiste à amplifier le courant ib en un signal ic de plus grandes amplitudes, mais de la même type de courbe mais inversée de 180°. hFE = ic / ib = 500. Remarquez, les valeurs alternatives sont représentées par les lettres minuscules et les valeurs continues par des lettres en MAJUSCULES.
Le gain en courant s’appellera hFE ( 500*).
Cette expression résume la théorie sur le transistor bipolaire. En effet, d'autres types de transistors apparaissent sur le marché des semi-conducteurs de nos jours ainsi que quantité de circuits intégrés sortent à une vitesse faramineuse, dès lors, il ne faut pas trop s'attarder sur le fonctionnement de ceux-ci. Seuls les concepteurs de nouvelles technologies auront besoin de ces théories.
1) Le courant de pont IP vaut Vcc / (R1+R2).
2) Le courant IP est choisi environ au moins 10 fois supérieures à IB, courant de base afin que la tension de la base à la masse soit une constante et qu'elle ne varie donc pratiquement pas avec la consommation de courant iB (voir théorie du pont diviseur de tension).
hFE ( 100 pour un BC547) .
Le plus important sera le gain en tension.
Il y a un déphasage de 180° entre l'entrée et la sortie.
3) Les condensateurs C1 et C2 sont des condensateurs polarisés qui laissent passer le courant alternatif et pas le continu.
On les appelle condensateurs de liaison, car ils font la liaison d'un étage amplificateur à d'autres éventuels étages. Leur impédance doit être 10 fois inférieure aux impédances d'entrées respectives (300 ohms). C1 = 1/(2*pi* f * Z) =(6,28*20*330) = 22 µF, on mettra un condensateur de 22*10 = 220 µF 50v polarisé pour C1, C2 et C3 pour une fréquence Minimum de 20 hz.
4) R3 + R4 est calculé comme étant 1/10 du Rc. Valeur empirique qui a porté ses fruits.
5) La résistance R4 sert à stabiliser la température du transistor en régime continu.
6) La résistance R3 sert de contre-réaction pour améliorer la linéarité du transistor. Une sinusoïde amplifiée doit ressortir la moins déformée que possible.
R3 pourra être ajusté de façon à avoir le bon gain d'amplification du signal BF de 30 Hz.
7) On choisira le courant continu du collecteur du transistor au repos, en fonction d'un compromis entre une faible consommation et une non-déformation d'amplification.
On utilise la droite de charge sur les caractéristiques du transistor afin d'avoir la meilleure utilisation possible. Voir figure ci-dessous. Une bonne amplification sans déformer le signal.
On va supposer que Vcc = +30 V et que R3 +R4 +Rc = 3K3.
1) On va calculer la droite de charge.
C'est la tension maximale de Vce et le courant collecteur maximal du transistor.
Cette tension maximale de Vce = +30 V pour un courant Ic = 0 et le courant maximal sera Ic = 30 / (Rc+R3+R4) = 30 / 3,3 = 9 mA.
Cette droite de charge partira de 9 mA vers l'axe vertical des (Ic) vers le +30 V de l'axe horizontal des (Vce).
IC = 9 mA sera appelé courant de saturation IC(sat).
Faites attentions aux unités.
Q = point de repos, c-à-d sans le signal alternatif à amplifier.
Q a été choisi pour ne pas déformer le signal d'entrée.
Le gain en courant sera donné par la droite IC= f(iB) à VCB constant gain en courant = 4,4 / 0,035 = 126.
Et iB vaut 35 µA.
Le courant IP de pont qui passe dans R1 et R2 sera de 10 * 50 µA = 500 µA.
La tension continue sur R3+R4 = Rc / 10 -> 4,4 mA * 330 = 1,45 V.
La tension base émetteur vaudra + 0,65 V -> 1,45 + 0,65 V= 2,1 V.
R2 = 2,1 V / 500 µA = 2,1 / 0,5 = 3,9 K.
R1 = (30 v - 2,1 v) / 500 µA = 27,8 / 0,5 = 56 K.
Pour les transistors qui ont le rôle d'amplificateur de signal, c'est le meilleur schéma qu'il puisse exister.
Amplifier le signal sans le déformer avec le moins possible de bruit.
Un générateur sinusoïdal BF et un oscilloscope restent un bon moyen pour vérifier cette amplification de signal. Un analyseur de spectre de 2 Hz à 25 kHz.
Il faut éviter des harmoniques qui déformeraient le signal.
Faite de petits montages de ce genre pour étudier un ampli BF. Vidéo 1, vidéo 2 BC547, vidéo 3, vidéo 4,
Comment relever les caractéristiques d'un transistor ?
Attention, ne pas dépasser la tension maximale que peut supporter le transistor et le courant maximum du collecteur, ainsi que le courant maximal que peut supporter la base de celui-ci.
Transistor à effet de champ (Fet, Tec)
Toute diode PN a une barrière de potentiel que l'on appelle la zone de déplétion.
Un transistor à effet de champ va utiliser cette zone de déplétion soit en la renforçant soit en la déforçant grâce à la tension sur sa grille .
1- Fonctionnement lié au déplacement d'un seul type de porteur (porteur majoritaire).
2- Très forte impédance d’entrée (MΩ).
3- Facteur de bruit inférieur au transistor bipolaire.
JFet à canal N
Si la grille n’est pas connectée, le courant passe du drain vers la source au travers du canal N et Id sera maximal. Il faudra mettre une résistance sur le drain pour limiter le courant dans le canal N du JFet.
Une tension négative entre la grille et la source va engendrer une charge électrique négative dans le canal N au voisinage de la zone P. C'est comme si on avait aminci le canal N au voisinage de la zone P par une charge électrique négative. Et plus la charge électrique négative est grande et moins les électrons pourront passer par le canal N.
L'impédance d'entrée est très grande, car la jonction PN est polarisée dans le sens inverse (NP).
Cela ressemble au montage précédent.
Le gros problème si vous devez remplacer le JFet, il est très difficile d'en trouver un qui soit identique pour le réparer, il faut refaire tout le calcul à chaque fois !
C'était le cas dans les premiers oscilloscopes à transistors.
Lorsque la grille est reliée à la source, le canal N vaut une résistance RDS.
On va l'utiliser aussi comme un régulateur de courant.
Q1 = une résistance.
On peut relever ses caractéristiques.
JFet à canal P
S'il y a une tension positive entre la grille et la source ( Vgs = +3 v), le courant Id va passer de la source vers le drain.
Si la grille est connectée à la source Vgs = 0 v alors Id = 0 (pas de courant entre la source et le drain) car PN est raccordée à l'envers.
Vp est la tension de pincement, la tension grille source qui bloquera le canal.
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