Transistors bipolaires: NPN, PNP, gain, polarisation, amplification

Transistors bipolaires: NPN, PNP, gain, polarisation, amplification

Ce cours approfondi traite des transistors bipolaires, des composants fondamentaux de l’électronique analogique et numérique. Nous explorerons les types NPN et PNP, le gain, les techniques de polarisation, et les principes de l’amplification. La compréhension des transistors bipolaires est essentielle pour concevoir et analyser des amplificateurs, des commutateurs et d’autres circuits électroniques. MathJax sera utilisé pour afficher les formules mathématiques de manière claire et précise.

Structure et Types de Transistors Bipolaires (NPN et PNP)

Les transistors bipolaires sont des dispositifs à trois bornes (émetteur, base, collecteur) constitués de trois régions semi-conductrices dopées. Il existe deux types principaux :

• NPN: Composé d’une région de type P (base) prise en sandwich entre deux régions de type N (émetteur et collecteur). Le courant circule principalement par le mouvement des électrons.
• PNP: Composé d’une région de type N (base) prise en sandwich entre deux régions de type P (émetteur et collecteur). Le courant circule principalement par le mouvement des trous.

Les transistors NPN sont généralement plus rapides que les transistors PNP en raison de la mobilité plus élevée des électrons par rapport aux trous.

Exemple 1: Identification des Bornes d’un Transistor

Un transistor bipolaire est marqué avec les tensions suivantes par rapport à la borne centrale: Émetteur: -0.7V, Collecteur: 5V. Quel est le type de transistor (NPN ou PNP) et quelle borne est la base?

Solution: Puisque l’émetteur est à -0.7V par rapport à la borne centrale et le collecteur est à 5V, le transistor est de type NPN et la borne centrale est la base. Dans un transistor NPN polarisé en mode actif, la tension base-émetteur est d’environ 0.7V et la tension collecteur-base est positive.

Exemple 2: Caractéristiques Courant-Tension d’un Transistor

Dessinez qualitativement les courbes caractéristiques du courant de collecteur (Ic) en fonction de la tension collecteur-émetteur (Vce) pour différentes valeurs de courant de base (Ib) pour un transistor NPN. Indiquez la région de saturation, la région active et la région de blocage.

Solution: (Description qualitative sans code HTML pour le graphique) Les courbes montrent une région de saturation où Ic augmente rapidement avec Vce pour de faibles valeurs de Vce. Dans la région active, Ic est presque constant et indépendant de Vce, et est proportionnel à Ib. Dans la région de blocage (cutoff), Ic est proche de zéro.

Gain en Courant (β)

Le gain en courant (β), également appelé hFE, est un paramètre clé qui caractérise l’amplification d’un transistor bipolaire. Il représente le rapport entre le courant de collecteur (Ic) et le courant de base (Ib) dans la région active du transistor.

Le gain en courant β varie d’un transistor à l’autre et dépend également de la température et du courant de collecteur. Les valeurs typiques de β se situent entre 50 et 500.

Exemple 3: Calcul du courant de collecteur à partir du courant de base et du gain

Un transistor bipolaire a un gain en courant (β) de 200. Si le courant de base est de 10 μA, quel est le courant de collecteur ?

Solution: Utilisation de la formule : \( I_C = \beta \times I_B = 200 \times 10 \times 10^{-6} = 0.002 \text{ A} = 2 \text{ mA} \) Le courant de collecteur est de 2 mA.

Exemple 4: Variation du gain avec la température

Le gain d’un transistor est de 150 à 25°C. Si le gain augmente de 0.5 par degré Celsius, quel est le gain à 75°C?

Solution: L’augmentation de température est de 50°C. L’augmentation du gain est \(50 \times 0.5 = 25\). Le nouveau gain est \(150 + 25 = 175\). Le gain à 75°C est de 175.

Polarisation du Transistor

La polarisation d’un transistor bipolaire consiste à établir des tensions et des courants de repos appropriés pour assurer son fonctionnement dans la région active. Une polarisation correcte est essentielle pour obtenir une amplification linéaire et stable.

Il existe plusieurs méthodes de polarisation, notamment :

• Polarisation fixe: Simple, mais très sensible aux variations de β et de température.
• Polarisation par diviseur de tension: Plus stable que la polarisation fixe, car elle réduit l’influence des variations de β.
• Polarisation par rétroaction de collecteur: Offre une bonne stabilité en utilisant une résistance de rétroaction entre le collecteur et la base.

Exemple 5: Analyse de la Polarisation par Diviseur de Tension

Un transistor NPN est polarisé par un diviseur de tension avec \(R_1 = 10 \text{ kΩ}\), \(R_2 = 2.2 \text{ kΩ}\), \(R_C = 3.3 \text{ kΩ}\), \(R_E = 1 \text{ kΩ}\) et \(V_{CC} = 12 \text{ V}\). Supposons que \(\beta = 100\). Calculez le point de fonctionnement (Ic, Vce).

Solution: Calcul de la tension de base: \(V_B = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{CC} = \frac{2.2}{10 + 2.2} \times 12 \approx 2.16 \text{ V}\) Calcul du courant d’émetteur: \(I_E = \frac{V_B – V_{BE}}{R_E} = \frac{2.16 – 0.7}{1} = 1.46 \text{ mA}\) Approximation: \(I_C \approx I_E = 1.46 \text{ mA}\) Calcul de la tension collecteur-émetteur: \(V_{CE} = V_{CC} – I_C R_C – I_E R_E = 12 – 1.46 \times 3.3 – 1.46 \times 1 = 12 – 4.82 – 1.46 = 5.72 \text{ V}\) Le point de fonctionnement est environ (1.46 mA, 5.72 V).

Amplification avec Transistors Bipolaires

L’amplification est l’application la plus courante des transistors bipolaires. Un petit signal d’entrée (tension ou courant) appliqué à la base est amplifié et reproduit avec une amplitude plus grande au niveau du collecteur.

Il existe plusieurs configurations d’amplificateurs à transistors bipolaires, chacune ayant ses propres caractéristiques de gain, d’impédance d’entrée et d’impédance de sortie :

• Émetteur commun (CE): Offre un gain en tension élevé et une impédance d’entrée modérée.
• Collecteur commun (CC): Offre un gain en tension proche de 1 et une impédance d’entrée élevée. Également appelé suiveur d’émetteur.
• Base commune (BC): Offre un gain en courant élevé et une impédance d’entrée faible.