Transistor/Transistor bipolaire

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Les différentes familles de Transistors bipolaires

Les transistors bipolaires (BIP ou BJT) dont le collecteur (C) et l'émetteur (E) constituent l'accès de puissance, la base (B) l'accès de commande
Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) dont le collecteur (C) et l'émetteur (E) forment l'accès de puissance, la grille (G) et l'émetteur l'accès de commande

Ces différents familles de transistors se distinguent les unes des autres par des paramètres tels que :

• la chute de tension à l'état passant ou état conducteur
• la vitesse de commutation d'un état à un autre
• la manière dont le circuit de commande fixe l'état, conducteur ou bloqué, de l'élément : commande par une source de courant ou par une source de tension, ...

Remarques : Ce sont des interrupteurs unidirectionnels en courant et tension. La commande permet d'obtenir l'état conducteur ou bloqué du transistor. Les commandes sont toujours commandées (seule l'ouverture peut se faire par passage par 0 du courant).

Les types de transistors

On distingue deux types de transistors : les NPN et les PNP. Leurs fonctionnements sont analogues, seules les intensités des courants changent.

Structurellement parlant, les NPN sont l'association de deux semi-conducteurs dopés N (Négativement) et un dopé P (Positivement). Les PNP sont l'inverse.

Pour la suite du chapitre, je n'étudierai que les NPN puisque pour les PNP il suffit de retourner toutes les grandeurs (exemple : si $\scriptstyle V_{ce}=10\;volts$ pour un NPN, alors pour un PNP $\scriptstyle V_{ce}=-10\;volts$, soit $\scriptstyle -V_{ce}=10\;volts$).

Symboles et conventions

NPN : Toutes les grandeurs sont positives	PNP : Toutes les grandeurs sont négatives

Remarque : La seule différence de symbolisation se situe sur le sens de la flèche de l'émetteur.

Fonctionnement en commutation

Transistor bloqué

Propriété du transistor bloqué (état ouvert)

Le transistor bloqué est équivalent à un interrupteur ouvert entre C et E. Il est bloqué si la tension $\scriptstyle V_{ce}\;$ étant positif, le courant de base est nul ou négatif. Cet état s'obtient donc en laissant la base en circuit ouvert (« en l'air »), soit en reliant la base à l'émetteur par l'intermédiaire d'une résistance, soit avec une source de tension négative en série avec une résistance.

Transistor saturé

Propriété du transistor saturé (état fermé)

Le transistor saturé est équivalent à un interrupteur fermé entre C et E. En cas de forte injection dans la base, le courant circule par conduction entre C et E. Dans ce fonctionnement là, $\scriptstyle V_{be}\;$ et $\scriptstyle V_{bc}\;$ sont positives (jonctions polarisées en direct) et $\scriptstyle i_{B}>{\frac {i_{c}}{\beta }}\;$. $\scriptstyle \beta \;$ étant le gain en courant du transistor. Il est donné par le constructeur. On observe alors $\scriptstyle V_{CEsat}\approx 0.3V\;$ alors que $\scriptstyle V_{be}\;$ est égale à la tension de seuil d'une diode en direct, c'est-à-dire $\scriptstyle V_{be}=0,7V$.

Remarque

Plus le transistor est saturé, plus l'injection de porteurs entraîne une charge stockée importante dans la base. Cette charge devra être extraite pour bloquer le transistor (passage par 0 du courant).

Conditions de blocage et de saturation

Il faut retenir que :

• Le blocage est caractérisé par un courant de base nul ou négatif ($\scriptstyle V_{ce}\;$ n’est pas nulle)
• La saturation est caractérisée par un courant de base tel que : $\scriptstyle i_{B}>{\frac {i_{c}}{\beta }}\;$ et $\scriptstyle V_{CEsat}\approx 0V\;$

Fonctionnement en régime linéaire

En régime linéaire, le courant collecteur est proportionnel au courant base : I_C = β I_B.

La tension base-émetteur est supérieure ou égale à la tension de seuil.

On reste dans le régime linéaire tant que la tension collecteur-émetteur est supérieure à la tension de saturation.

Le transistor est considéré comme une source de courant I_C commandée par le courant I_B.

• I_B > 0 A ⇔ I_C = β I_B
• V_CE > V_CESAT ;
• V_BE ≥ tension de seuil ( en pratique on prend : V_BE = tension de seuil = 0,6 V )

Puissance dissipée

Le point de fonctionnement doit toujours se situer à l'intérieur d'une zone, appelée aire de sécurité, délimitée dans le réseau $I_{C}=f(V_{ce})$ par le courant direct maximal admissible $I_{c_{max}}$, la tension collecteur/émetteur maximale $V_{ce_{max}}$, et la puissance maximale $P_{d_{max}}$ que peut dissiper le transistor. La puissance que doit donc dissiper le transistor vaut : $\textstyle P=V_{BE}\times I_{B}+V_{CE}\times I_{C}\;$ 1 : $\textstyle I_{C_{max}}\;$ 2 : $\textstyle V_{CE_{max}}\;$ 3 : « hyperbole de dissipation » $\textstyle P_{d}=I_{C}.V_{CE}\Rightarrow I_{C}={\frac {P_{d_{max}}}{V_{CE}}}\;$ 4 : Résistance interne du transistor (on retrouve la courbe grâce à U = R.I)