Transistor bipolaire

Transistor bipolaire - définitions -

Le transistor bipolaire est l'une des bases principales de la plupart des montages.
On peut se le procurer comme composant discret .
Plus fréquemment il constitue l'un des éléments de base de montages complexes livrés sous forme de circuits intégrés.

Un transistor bipolaire est une double jonction.
On appelle jonction la diffusion (interpénétration) par fusion de deux semiconducteurs l'un dopé N l'autre dopé P.
Deux combinaisons sont possibles.

Ce qui génère deux types de transistors : type NPN et type PNP
La figure ci-dessus montre les symboles employés pour les désigner dans les schémas.
Observez les bornes notées C B et E.
On les nomme Collecteur, Base et Emetteur

Dans les montages que nous allons étudier les intensités suivantes seront notées comme suit :

En première approximation :

Ic Courant de Collecteur
Ib Courant de Base
Ie Courant d'Émetteur

De toute évidence : Ic+Ib=Ie

Relation caractéristique (approximative)

En remplaçant la lettre "Bêta" de cette formule en B plus facile à écrire.

Ic = B.Ib

B = amplification de courant
(la lettre "bêta" ess

L'amplification de courant est de l'ordre de 10 à 100 et plus.
De ce fait, les valeurs de Ie et Ic sont assez proches.

Le composant discret
Voici (parmi tant d'autres) deux types de transistors commercialisés.

Circuits intégrés
Les circuits intégrés sont des montages complexes hyperminiaturisés comportant outre des résistances,
des diodes et des transistors

Aspects externes :

Un tel circuit peut comporter des millions de transistors, diodes et résistances, réalisés sur un même substrat en Silicium
par des procédés de diffusion gazeuse sélective des dopants grâce à des masques projetés par réduction photographique.
Ces techniques sortent largement du cadre de notre étude se bornant aux principes seulement.

Transistor dans un montage amplificateur simple
(Emetteur commun)

Les transistors ont été, après les tubes électroniques , parmi les premiers composants permettant d'amplifier des signaux faibles
tels que ceux des antennes de récéption radio, ou issus de lecteurs de disques, bandes magnétiques etc.
Ils sont actuellement toujours utilisés, mais plus souvent sous formes de montages complexes dans des circuits intégrés.
Je donne ci-dessous le principe d'un étage d'amplification de tension simple à un seul transistor.

Schéma type :

Montage dit en "Emetteur Commun"

Légende :

Ua	Tension d'alimentation du montage (ce générateur n'est généralement représenté dans les schémas)
+Vcc	Si le générateur est omis, seule subsiste la ligne équipotentielle supérieure avec l'indication +Vcc (tension d'alimentation).
0V	Si le générateur est omis, la ligne horizontale du bas représente l'équipotentielle 0V du montage.
GND	"Ground" en anglais signifie "terre" mais dans les schémas anglosaxons GND remplace la notation 0V ci-dessus .
e	f.e.m. (force électromotrice) variable du générateur de signal.
Rg	Résistance interne du générateur de signal
ue	Tension variable à amplifier
C	Condensateur de liaison pour ne pas transmettre la valeur moyenne du signal d'entrée
Rb	Résistance de Base Sert à fixer l'intensité moyenne de fonctionnement; (Polarisation)
Ue	Tension moyenne d'entrée
Rc	Résistance de collecteur - Permet de convertir les variations d'intensité en variations de tension.
Us	Tension moyenne de sortie (signal amplifié)

Le générateur du signal à amplifier est toujours assimilable à une source de tension variable "e" en série avec une résistance.
Voir le "Théorème de Thévenin" de l'électronique générale.

Points de fonctionnement extrêmes.
Saturation - Blocage

Le courant de collecteur Ic est proportionnel au courant de base.
Si on augmente ce dernier, Ic augmente.
Donc la tension aux bornes de Rc augmente proportionnellement.
Lorsque cette tension atteint la tension d'alimentation Vcc,
la tension aux bornes du transistor est nulle.
On dit que le transistor est saturé.
Une augmentation du courant de base n'a plus aucun effet sur Uce.

La tension entre base et émetteur (seuil direct d'une diode) est U_be0,
de l'ordre de 0,6 V en fonctionnement normal passant.

Si la résistance de base Rb est très grande, cette tension ne peut pas être assurée.
Elle tombe en-dessous de Ube0 = 0,6 V
La diode Base-Emetteur devient non passante.
Aucun courant de base ib, donc aucun courant de collecteur Ic.
Le transistor est dit bloqué.
Tension nulle aux bornes de Rc.
La tension émetteur collecteur est Ua.

Retenons
Transistor saturé : Uce = 0
Transistor bloqué : Ib = Ic = 0 ; Ube < Ube0 (seuil de diode)

Inversion
Notons que la tension de sortie Uc varie en sens inverse de Ic, ib ou encore Ube.
La tension de sortie varie en sens inverse de la tension, ou du courant d'entrée
On dit que le montage est inverseur.

Polarisation

On appelle ainsi l'opération qui consiste à amener le point moyen de fonctionnement de l'amplificateur à une valeur donnée
permettant une amplification linéaire optimale du signal.

On situe gnéralement le point moyen de fonctionnement à une tension de collecteur à mi-chemin entre saturation et blocage.:
Us = Vcc / 2
En effet,

Exemple : Avec Vcc = 12V ; Rc = 1 kOhm ; B = 100
(B étant l'amplification de courant du transistor - voir plus haut)

Ici, il s'agit donc de calculer la résistance Rb pour que la valeur moyenne de la tension de sortie soit : Us = Vcc / 2
Soit ici : Us = 6 V
La tension moyenne aux bornes de Rc est aussi Us = Vcc / 2
Donc le courant de collecteur parcourant Rc est Ic = (Vcc/2)/Rc
Soit ici : Ic = 6/1000 = 6 mA

Avec l'amplification de courant B :
Ic = B.Ib donc Ib = Ic/B.
Soit ici : Ib = 60 10^-6 A

Or, Rb est soumise à une tension (Vcc-Ube0)
Rb.Ib = (Vcc-Ube0)
Rb = (Vcc-Ube0)/Ib = 2(Vcc-Ube0)/B.Rc

Avec Vcc = 12V ; Rc = 1 kOhm ; B = 100
Rb = 228 MOhm

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