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Le transistor bipolaire

Constitution et symbolisation

Constitution

Il est constitué d’un cristal semi-conducteur comprenant 3 régions de conductivité différentes: L’émetteur (E); la base (B); et le collecteur (C). Selon la disposition de ces éléments, ils sont différemment dopés. Il existe deux types de transistor bipolaire

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Les émetteurs sont fortement dopés alors que les bases sont très légèrement dopées.

Selon la structure du transistor, il y’a deux jonctions: une jonction « émetteur-base » et une jonction base collecteur. Le transistor ressemble donc à deux diodes montées comme suite.

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Symbolisation

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Caractéristiques du transistor

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Caractéristique d’entrée IB=f(VBE) à VCE constant

La jonction « base-émetteur » est une diode d’où la caractéristique IB=f(VBE) est celle d’une diode.

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Caractéristique de transfert direct en courant IC=f(Ib) à VCE constant

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ICEo courant de fuite « collecteur-émetteur » lorsque la base est ouverte.

Caractéristique de sortie IC=f(VCE) à courant constant

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Caractéristique de transfert inverse en tension VBE=f(VCE) à TB constant

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Réseau des caractéristiques

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Domaine de fonctionnement d’un transistor

Fonctionnement linéaire

Lorsque la jonction « base-émetteur » est polarisée en direct et la jonction base-collecteur polarisée en inverse, on dit que le transistor est en fonctionnement linéaire.
Sur le réseau des caractéristiques ce fonctionnement correspond à la zone dans laquelle IC=f(VCE) sont des droites parallèles à l’axe VCE.

Relation fondamentale des courants:

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Remarque: En régime linéaire, le transistor bipolaire fonctionne en amplification de courant. Un petit courant de base entraîne un grand courant collecteur. Le courant collecteur traverse la jonction « collecteur-base » en sens inverse. Ceci est appelé l’effet transistor.

Le fonctionnement au blocage

La jonction « base-collecteur » est polarisée en inverse. Pour bloquer le transistor, il suffit d’annuler le courant IB même cela n’est pas toujours suffisant car en annulant IB il circule quand même un courant de fuite ICEo qui est faible.
On définit deux types de blocage:

  • Le blocage pratique
  • Le blocage rigoureux où VBE<-0,1V

La saturation

La jonction « base-émetteur » et la jonction « base-collecteur » sont polarisées en direct. Dans cette zone pour un IB donné ßIB>IC. La condition certaine de saturation est IB>ICsatmin. Le constructeur donne deux valeurs de ß: ßmin et ßmax.
ßmoy = (ßmaxmin)½


Limites technologique d’emploie

VBE = 5 à 7V
VCEmax : tension de claquage
ICmax : courant collecteur maximum
IBmax
NB: En saturation : court-circuit et en blocage: interrupteur ouvert.


Le transistor en régime statique (continu)

Le problème qui se pose ici est de déterminer les courants et les tensions du point de repos: Q(VBEQ, IBQ, VCEQ, ICQ)

Méthode graphique

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On dispose des caractéristiques IB=f(VBE) et IC=f(VCE)

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Détermination par calcul

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Les autres types de polarisation

Polarisation par pont de base

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Dans certaines applications on néglige le courant IB devant les courants I1 et I2 au quel cas on a un diviseur de tension entre R1 et R2. Cela revient à dire que Rth<< (ß+1)RE. Ceci est vérifié si Rth<< (ß+1)RE. On dit alors qu’on a un diviseur de soutenu de tension. Le schéma équivalent devient

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La formule précédente du courant d’émetteur de courant d’émetteur ne contient pas ß. Le circuit est donc insensible aux variations de ß, et le point de repos Q est fixe. Voilà pourquoi on préfère la polarisation par pont de base.

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Polarisation par réaction de collecteur

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Par rapport aux autres méthodes de polarisation, cette méthode possède une grande stabilité en fonction de la température.

Polarisation d’émetteur

Ce type de polarisation est très utilisé lorsqu’on a une alimentation symétrique.

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Déplacement de la différence de potentielle

Les schémas suivants sont équivalents

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Le transistor en régime dynamique (alternatif)

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L’une des applications du transistor est l’amplification. Cette amplification est réalisée au tour d’un point de repos Q. Les signaux amplifiés sont les signaux alternatifs. Nous avons en présence ici des signaux alternatifs et des signaux continus. On utilise le théorème de superposition pour faire le calcul.
Les condensateurs CL1 et CL2 sont des condensateurs de couplage ou de liaison, alors que le condensateur Cd est un condensateur de découplage.
On fait généralement l’hypothèse selon laquelle ces condensateurs sont équivalents à des courts-circuits en alternatif et à des circuits ouverts en continu.
Le schéma équivalent en régime statique ou continu est le suivant:

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Le schéma équivalent en dynamique ou en alternatif sera le suivant:

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On en déduit l’équation de la droite de charge dynamique.
A vide: On a: RCic + vce = 0 ↔ ic=-vceRc
En charge: (RC//RU)iC + vce = 0 ↔ ic=-vce/(RC//RU)
Généralement pour tracer la droite de charge dynamique, on trace iC=f(vCE)
iC = ICQ + ic
vCE = VCEQ + vce

  • iC: courant collecteur instantané
  • vCE: tension collecteur instantanée
  • VCEQ: tension continue
  • ic: courant alternatif
  • vce: tension alternative
  • ICQ: courant continu
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Schéma équivalent du transistor en petits signaux

On utilise les paramètres hybrides d’un quadripôle:

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D’où le schéma équivalent suivant:

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Or généralement h12 est très faible de l’ordre de 10-5=0. Ensuite h22=0 ; 1/h22 tend vers l’infini, d’où le schéma équivalent simplifié du transistor en petit signaux et en basse fréquence.

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Autres schémas équivalents du transistor petite fréquence est le schéma d’Ebers-Moll.

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Remarque: On peut calculer r’e d’une manière pratique en utilisant la formule : r’e=25mV/IEQ

Etude des montages fondamentaux

On se propose dans ce qui suit de déterminer les paramètres dynamiques des circuits à transistor avant de déterminer le schéma équivalent comme le montre la figure ci-dessous.

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Montage émetteur commun

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Montage à émetteur commun à rétroaction

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Montage émetteur commun à résistance d’émetteur partiellement découpée

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Etude statique:

Donner le schéma équivalent en statique.

Calculer les coordonnées du point de repos: VCEQ, IBQ, ICQ

Donner l’équation de la droite de charge statique et la tracer.

Donner les valeurs des tensions continues suivantes: VBM, VAM, VCM, VEM

Etude dynamique:

Donner le schéma équivalent en dynamique

Calculer:

  • La résistance d’entrée
  • L’amplification en tension à vide et en charge

La résistance de sortie

L’amplification en courant

Donner l’équation de la droite de charge dynamique et la tracer dans le même repère que l’équation de la droite de charge statique. Déterminer les coordonnées de leur point d’interception.

Donner les valeurs efficaces et les chronogrammes des valeurs alternatives suivantes:vbm, vcm, vam, vem

Donner les chronogrammes des tensions instantanées suivantes: vBM, vCB, vAM, vEM

Montage base commune

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Montage collecteur commun
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28 novembre 2021
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