ELECTRONIQUE 3D
L'ELECTRONIQUE FACILE ET AMUSANTE
Le Transistor Bipolaire
- Jacky, il faut que tu m'expliques le fonctionnement d'un transistor.
- Va sur le Web, cela est expliqué des centaines de fois... C'est pour cela, que ma foi, je n'ai pas envie de répéter les cours sur les transistors...
- Je sais, mais quand c'est toi qui expliques, cela passe mieux dans mes neurones...
- Bon, mais vraiment vite alors, hum...
Bien, pour comprendre le transistor, il te faut déjà savoir le fonctionnement de la diode, en cas de doute, tu vas ici.
Hum... Vu que tu sais maintenant ce qu'est une diode, nous allons en assembler deux, comme ceci.
Tu sais qu'une diode ne conduit que dans un sens, ici vu qu'elles sont montées tête-bêche, elles ne peuvent conduire, et ce qu'elle que soit la polarité que l'on applique aux points E et C. Essaies avec un multimètre (fonction Ohmmètre en inversant les fiches).
- Tes diodes ne me servent à rien, moi, je veux comprendre le transistor !
- J'y arrive, et bien par un coup de baguette magique, elles vont devenir passantes, en ajoutant une troisième broche juste au milieu, comme ceci .
Il suffira de polariser cette broche pour que le courant passe ente C et E. Quelques milliampères suffisent pour qu'un courant important s'écoule entre C et E, ce courant pouvant aller jusqu'à plusieurs ampères.. L'importance de ce courant dépend de la puissance que peuvent admettre les diodes (le transistor). Cette troisième broche s'appelle la Base. Le transistor a donc trois broches que l'on appelle Base - Émetteur et Collecteur. Voilà Nicolas, expliqué l'effet transistor. Le transistor a donc un rôle amplificateur de tension et de courant.
- C'est tout !
- Ben... Oui
- Pas de quoi en faire un plat alors !
- Hum, Ben... Si... Tu ne saisis pas encore l'utilité de cette trouvaille. Avant de passer à la pratique voyons comment cela se passe.
- Va sur le Web, cela est expliqué des centaines de fois... C'est pour cela, que ma foi, je n'ai pas envie de répéter les cours sur les transistors...
- Je sais, mais quand c'est toi qui expliques, cela passe mieux dans mes neurones...
- Bon, mais vraiment vite alors, hum...
Bien, pour comprendre le transistor, il te faut déjà savoir le fonctionnement de la diode, en cas de doute, tu vas ici.
Hum... Vu que tu sais maintenant ce qu'est une diode, nous allons en assembler deux, comme ceci.
Tu sais qu'une diode ne conduit que dans un sens, ici vu qu'elles sont montées tête-bêche, elles ne peuvent conduire, et ce qu'elle que soit la polarité que l'on applique aux points E et C. Essaies avec un multimètre (fonction Ohmmètre en inversant les fiches).
- Tes diodes ne me servent à rien, moi, je veux comprendre le transistor !
- J'y arrive, et bien par un coup de baguette magique, elles vont devenir passantes, en ajoutant une troisième broche juste au milieu, comme ceci .
Il suffira de polariser cette broche pour que le courant passe ente C et E. Quelques milliampères suffisent pour qu'un courant important s'écoule entre C et E, ce courant pouvant aller jusqu'à plusieurs ampères.. L'importance de ce courant dépend de la puissance que peuvent admettre les diodes (le transistor). Cette troisième broche s'appelle la Base. Le transistor a donc trois broches que l'on appelle Base - Émetteur et Collecteur. Voilà Nicolas, expliqué l'effet transistor. Le transistor a donc un rôle amplificateur de tension et de courant.
- C'est tout !
- Ben... Oui
- Pas de quoi en faire un plat alors !
- Hum, Ben... Si... Tu ne saisis pas encore l'utilité de cette trouvaille. Avant de passer à la pratique voyons comment cela se passe.
Ce chapitre traite du transistor NPN.
- Tu as vu que les diodes sont constituées de silicium, soit de type P soit de type N. Prenons du silicium de type P fortement dopé d'un côté (Émetteur) et un peu moins dopé de l'autre côté (Collecteur). J'intercale une très mince couche de silicium de type N au milieu (Base). Et voilà, je viens de construire un transistor NPN. Figure 1.
- Tel quel, en l'absence de polarisation des broches, le transistor est stable, c'est-à-dire que les électrons majoritaires d'un côté ne migrent pas vers le côté minoritaire, la base se comportant en quelque sorte comme un isolant.
- Polarisons maintenant la base au plus (NPN) (Figure 2), et là le surplus d'électrons va rompre cet équilibre, le transistor va conduire, et un fort courant va s'établir, les électrons passant de l'émetteur au collecteur (sens réel des électrons). On dit que le transistor est saturé.
- Polarisons maintenant la base au plus (NPN) (Figure 2), et là le surplus d'électrons va rompre cet équilibre, le transistor va conduire, et un fort courant va s'établir, les électrons passant de l'émetteur au collecteur (sens réel des électrons). On dit que le transistor est saturé.
- Sur cette figure, tu vois les deux types de transistor, le NPN et le PNP. Le sens de la flèche représentant l'émetteur est inversé sur le PNP.
- C'est quoi la différence ?.
- La différence entre les deux est que le PNP est exactement l'inverse du NPN point de vue constitution (dopage), la polarisation Collecteur-Émetteur est donc inversée.
- C'est quoi la différence ?.
- La différence entre les deux est que le PNP est exactement l'inverse du NPN point de vue constitution (dopage), la polarisation Collecteur-Émetteur est donc inversée.
Le NPN a le Collecteur au positif, l'émetteur à la masse, et pour le rendre conducteur la Base doit être positive par rapport à l'émetteur.
Le PNP a le Collecteur au négatif de l'alimentation, l'émetteur au positif et la Base devra être négative par rapport à l'émetteur.
Exemple, un transistor NPN, P=Positif, le collecteur est donc relié au positif. Un transistor PNP, N= Négatif, le collecteur est relié au négatif
Le PNP a le Collecteur au négatif de l'alimentation, l'émetteur au positif et la Base devra être négative par rapport à l'émetteur.
Comment se rappeler de la polarisation d'un transistor .- Simple, on considère le Collecteur et la lettre du milieu donne sa polarité.
Exemple, un transistor NPN, P=Positif, le collecteur est donc relié au positif. Un transistor PNP, N= Négatif, le collecteur est relié au négatif
- Ou là Nicolas, tu satures comme le transistor toi !
- Ce n'est pas que je sature, juste un petit coup de vieux, côté neurones... Mais je crois bien qu'un arrêt pipi, me ferait le plus grand bien...
- Bon, je profite pour faire un petit récapitulatif aux lecteurs. Si l'on a suivi, on peut dire que le transistor se compose de 2 diodes montées tête-bêche, et pour le rendre conducteur, il faut que la base soit positive pour le NPN et négative pour le PNP.
Connaissant cela, on peut déjà contrôler la bonne santé d'un transistor.
- Ce n'est pas que je sature, juste un petit coup de vieux, côté neurones... Mais je crois bien qu'un arrêt pipi, me ferait le plus grand bien...
- Bon, je profite pour faire un petit récapitulatif aux lecteurs. Si l'on a suivi, on peut dire que le transistor se compose de 2 diodes montées tête-bêche, et pour le rendre conducteur, il faut que la base soit positive pour le NPN et négative pour le PNP.
Connaissant cela, on peut déjà contrôler la bonne santé d'un transistor.
Contrôle du transistor NPN (hors circuit)
- Avec un multimètre à aiguille fonction Ohmmètre ou un multimètre digital fonction "test diode".
1- Tester la jonction Émetteur et Collecteur.
Que le transistor soit NPN ou PNP avec un multimètre à aiguille ne dévie pas, un multimètre digitale indique OL, inverser les fiches du multimètre, l'aiguille ne dévie toujours pas, et le multimètre Digitale indique toujours OL.
2- Test de la Base-Collecteur-Émetteur.
Mettre la fiche rouge du multimètre (+) sur la base du transistor, mettre tour à tour la fiche noire (-) sur émetteur puis sur le collecteur, l'aiguille dévie dans les deux cas, le multimètre digital affiche 0,65 V environ. En inversant la fiche du multimètre, c'est-à-dire le moins sur la base aucune déviation de l'aiguille et OL.
Pour le test de la Base-Collecteur-Émetteur, c'est l'inverse, c'est-à-dire que l'aiguille dévie si la base est négative (fiche noire du multimètre)Contrôle du transistor PNP
Si les résultats diffèrent de ces mesures, le transistor est réputé mort.
- Conduction des transistors:
- Nicolas, si tu as bien suivi, tu sais maintenant qu'un NPN a la base positive par rapport à l'émetteur et pour un PNP la base est négative par rapport au collecteur. La tension à appliquer sur la base est de 0,65 V environ (seuil de conduction d'une diode). Tant que cette tension n'est pas atteinte le transistor reste bloqué, la lampe ne s'allume pas. Une fois cette tension dépassée, le transistor conduit (il sature) et la lampe s'allume.
- Nicolas, si tu as bien suivi, tu sais maintenant qu'un NPN a la base positive par rapport à l'émetteur et pour un PNP la base est négative par rapport au collecteur. La tension à appliquer sur la base est de 0,65 V environ (seuil de conduction d'une diode). Tant que cette tension n'est pas atteinte le transistor reste bloqué, la lampe ne s'allume pas. Une fois cette tension dépassée, le transistor conduit (il sature) et la lampe s'allume.
Cliquer sur les images pour agrandir
Fig1: Transistor NPN Collecteur au +
Fig 2: Transistor PNP Collecteur au -
Fig 3: Transistor et potentiomètre
La base est positive par rapport à l'émetteur.
La tension sur la base est supérieure à 0,65 volt
par rapport à l'émetteur
La tension sur la base est supérieure à 0,65 volt
par rapport à l'émetteur
La base est négative par rapport à l'émetteur.
La tension sur la base est inférieure à 0,65 volt
par rapport à l'émetteur
La tension sur la base est inférieure à 0,65 volt
par rapport à l'émetteur
On peut bien sûr allumer la lampe de manière
progressive, à l'aide d'un potentiomètre
progressive, à l'aide d'un potentiomètre
Gain du transistor:
La figure 3, montre un allumage progressif de la lampe à l'aide d'un potentiomètre. Tu remarques Nicolas la présence d'une résistance (R1) sur la base du transistor. Cette résistance sert à limiter le courant de base. En effet, un courant de base trop important est destructeur pour le transistor.
Calcul de la résistance de base.
- Soit à allumer une lampe de 9 V 80mA. Je regarde dans mon stock de transistors passe-partout, un 2N2222 est disponible. Un petit tour sur son datasheet m'informe sur ses caractéristiques.
Les paramètres importants à prendre en compte ici est la tension Vce (tension Collecteur Émetteur) qui est de 30 V maximum, courant collecteur (Ic) maxi = 0,8 A et un gain (Hfe) de 75. La tension Vce est suffisante vu que le circuit fonctionnant sur 9 V, l'intensité maxi IC convient également, notre lampe consommant 0,08A. La base du transistor est commutée au 9 V via l'interrupteur SW1.
Nicolas, tu as vu que le courant Ic est égal à Ib*Gain ou Ib=Ic/gain. Donc Ib doit être au moins égal à 0,080/75 = 0,001 A.
R = U/I d'où R = 9-0,65 /0,001= 8350 Ω. (0,65 = Différence de potentiel base-collecteur). Cette valeur est la résistance maximum à mettre sur la base. Mais, au vu des grandes divergences de gains des transistors (y compris ceux de même référence et marque), il faut prendre une valeur inférieure pour être sûr que le transistor conduise (sature) pour que la lampe soit alimentée correctement (4,7 à 6,8 KΩ).
Le gain du transistor varie dans une très large proportion (10 à 800 fois environ) et dépend du transistor. Sur certains transistors des lettres A-B ou C sont indiquées. Ces lettres indiquent le gain, la lettre C étant le meilleur. Il te faudra donc prendre un grand gain si tu veux une grande amplification.La notion importante à savoir, est que le courant traversant le Collecteur (Ic) est fonction du courant de Base (Ib) multipliée par le gain du transistor.
IC= IB*Gain du transistor.Sur les deux premiers schémas ci-dessus, les transistors travaillent en commutation (tout ou rien).
Le gain est désigné par la lettre Béta (ß), et dans les datasheet Hfe.
La figure 3, montre un allumage progressif de la lampe à l'aide d'un potentiomètre. Tu remarques Nicolas la présence d'une résistance (R1) sur la base du transistor. Cette résistance sert à limiter le courant de base. En effet, un courant de base trop important est destructeur pour le transistor.
Calcul de la résistance de base.
- Soit à allumer une lampe de 9 V 80mA. Je regarde dans mon stock de transistors passe-partout, un 2N2222 est disponible. Un petit tour sur son datasheet m'informe sur ses caractéristiques.
Les paramètres importants à prendre en compte ici est la tension Vce (tension Collecteur Émetteur) qui est de 30 V maximum, courant collecteur (Ic) maxi = 0,8 A et un gain (Hfe) de 75. La tension Vce est suffisante vu que le circuit fonctionnant sur 9 V, l'intensité maxi IC convient également, notre lampe consommant 0,08A. La base du transistor est commutée au 9 V via l'interrupteur SW1.
Nicolas, tu as vu que le courant Ic est égal à Ib*Gain ou Ib=Ic/gain. Donc Ib doit être au moins égal à 0,080/75 = 0,001 A.
R = U/I d'où R = 9-0,65 /0,001= 8350 Ω. (0,65 = Différence de potentiel base-collecteur). Cette valeur est la résistance maximum à mettre sur la base. Mais, au vu des grandes divergences de gains des transistors (y compris ceux de même référence et marque), il faut prendre une valeur inférieure pour être sûr que le transistor conduise (sature) pour que la lampe soit alimentée correctement (4,7 à 6,8 KΩ).
- Nicolas, une petite parenthèse concernant le gain des transistors. En principe les transistors sont triés par les fabricants de la marque du transistor, et ceux-ci (les fabricants) garantissent un gain minimum (stipulé dans les Datasheet) ce gain est fonction des lettres A-B-C figurant sur ceux-ci. Mais hélas la contrefaçon existe aussi sur les composants électroniques. Ainsi, si tu achètes des transistors par lots défiants toute concurrence, je t'invite à la méfiance. Le gain et autres paramètres seront peut-être galvaudés. Et de là, un circuit fabriqué avec ce genre de composants a de fortes chances de ne pas fonctionner.
Si malgré tout, tu en achètes, vérifie le gain avec un testeur de transistor.
Les composants bidons (PDF 160K)
Si malgré tout, tu en achètes, vérifie le gain avec un testeur de transistor.
Les composants bidons (PDF 160K)
Le transistor Darlington:
Dans certains cas il peut arriver que le gain d'un transistor ne suffise pas à assurer le fonctionnement d'un montage, ou que l'intensité disponible pour piloter un transistor soit insuffisante, dans ce cas, on peut faire alors appel à un transistor Darlington.
À noter que les transistors de puissance ont un gain généralement faible, c'est pourquoi il est courant de les voir monter en Darlington.
- Le Darlington, soit qu'on le crée avec deux transistors (Fig gauche), soit que l'on prend un Darlington tout fait, tel le BDX 53. Pour créer un Darlington, on prend un transistor de faible puissance ayant un grand gain, pilotant un transistor de forte puissance.
- L'avantage est que le gain total est égal au gain de T1 multiplié par le gain de T2. Figure de gauche le gain total est égal au gain du BC 559 multiplié par le gain du 2N3055. Ce couple par exemple a un gain total de 2200 minimum. Voir sur le 2N3055.
- L'avantage est que le gain total est égal au gain de T1 multiplié par le gain de T2. Figure de gauche le gain total est égal au gain du BC 559 multiplié par le gain du 2N3055. Ce couple par exemple a un gain total de 2200 minimum. Voir sur le 2N3055.
Le Darlington est donc un transistor de forte puissance avec un grand gain.
Attention, se rappeler que la différence de potentiel entre base et émetteur est égale à 2 fois 0,65 V environ.
- Utilisation des transistors NPN et PNP:
- Pour les besoins de cette page, voici un petit montage montrant la différence de fonctionnement entre un transistor NPN et PNP. Ce montage est constitué d'un oscillateur CMOS CD 40106 (IC1a-VR1-C1). On voit à droite le signal carré issu du CD 40106.
À l'état haut, c'est le transistor NPN Q1 qui conduit (il sature), la base étant positive par rapport à l'émetteur, Q2 restant bloqué (normal la base est au même potentiel que l'émetteur). À l'état bas, c'est le PNP Q2 qui conduit, la base étant négative par rapport à l'émetteur, Q1 est lui bloqué. Il y a donc alternance de l'allumage des LED. La résistance qui limite l'intensité dans les diodes est R1. Une seule résistance suffit vu que les LED s'allument en alternance.
À l'état haut, c'est le transistor NPN Q1 qui conduit (il sature), la base étant positive par rapport à l'émetteur, Q2 restant bloqué (normal la base est au même potentiel que l'émetteur). À l'état bas, c'est le PNP Q2 qui conduit, la base étant négative par rapport à l'émetteur, Q1 est lui bloqué. Il y a donc alternance de l'allumage des LED. La résistance qui limite l'intensité dans les diodes est R1. Une seule résistance suffit vu que les LED s'allument en alternance.
Ok, une petite pose... J'en profite pour un petit récapitulatif...
- La tension à appliquer à la Base est de 0,65 V environ par rapport à la base pour que le transistor sature (conduise).
- Le gain est désigné par la lettre bêta (ß), et dans les datasheet par Hfe ou h21.
- Ic = ß * Ib donc Ib = Ic / ß.
- Ie = Ic + Ib (Ib étant négligeable par rapport à Ic), on peut dire sans trop d' erreur que Ie=Ic.
- Quand le transistor est saturé (il conduit), la tension entre émetteur et collecteur est très faible.
- La tension à appliquer à la Base est de 0,65 V environ par rapport à la base pour que le transistor sature (conduise).
- Le gain est désigné par la lettre bêta (ß), et dans les datasheet par Hfe ou h21.
- Ic = ß * Ib donc Ib = Ic / ß.
- Ie = Ic + Ib (Ib étant négligeable par rapport à Ic), on peut dire sans trop d' erreur que Ie=Ic.
- Quand le transistor est saturé (il conduit), la tension entre émetteur et collecteur est très faible.
- Nicolas, je continue.
Jusqu'à maintenant, tu as vu le transistor travailler en commutation (tout ou rien), un peu comme un interrupteur. Cette utilisation est d'amplifier un courant continu appliqué sur sa base. Ce n'est pas sa seule application. Il peut également amplifier un signal alternatif, que ce soit de la basse fréquence ou de la haute fréquence. Un assemblage en cascade de plusieurs transistors peut ainsi amplifier jusqu'à 100000 fois et plus le signal. Pour ce faire, il y a trois montages fondamentaux, Émetteur commun, Collecteur commun, Base commune. Chaque montage à ses spécificités.
Montages fondamentaux du transistor :
Jusqu'à maintenant, tu as vu le transistor travailler en commutation (tout ou rien), un peu comme un interrupteur. Cette utilisation est d'amplifier un courant continu appliqué sur sa base. Ce n'est pas sa seule application. Il peut également amplifier un signal alternatif, que ce soit de la basse fréquence ou de la haute fréquence. Un assemblage en cascade de plusieurs transistors peut ainsi amplifier jusqu'à 100000 fois et plus le signal. Pour ce faire, il y a trois montages fondamentaux, Émetteur commun, Collecteur commun, Base commune. Chaque montage à ses spécificités.
Montages fondamentaux du transistor :
Quatre résistances polarisent le transistor, c'est le meilleur. Mais on peut utiliser aussi seulement deux résistances pour un fonctionnement correct.
1- Montage émetteur commun : L'entrée se fait sur la base et la sortie sur le collecteur. L'impédance (résistance virtuelle) d'entrée est de quelques Kilos, elle dépend pour beaucoup aux résistances Rb1-Rb2. L'impédance de sortie dépend de la résistance Rc.
La phase du signal de sortie est inversée. Le gain est élevé. C'est le montage que l'on prendra en BF pour amplifier le signal.
2- Montage collecteur commun : L'entrée se fait sur la base et la sortie sur l'émetteur. L'impédance d'entrée est plus élevée que le montage émetteur commun. Par contre, l'impédance de sortie est basse. Le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée. Ce montage n'a pas de gain. On l'emploie souvent comme adaptateur d'impédance.
3- Montage base commune : L'entrée se fait sur l'émetteur et la sortie se fait sur le collecteur. L'entrée est a basse impédance, la sortie à moyenne impédance. Le signal de sortie est en phase. Ce montage présente un gain élevé. Ce montage est surtout utilisé en HF.
Amplification d'un signal alternatif :
- J'entends par alternatif de la musique par exemple. En effet, la musique ou la parole est un signal alternatif modulé en amplitude et en fréquence.
- Voici en quoi cela ressemble :
La phase du signal de sortie est inversée. Le gain est élevé. C'est le montage que l'on prendra en BF pour amplifier le signal.
2- Montage collecteur commun : L'entrée se fait sur la base et la sortie sur l'émetteur. L'impédance d'entrée est plus élevée que le montage émetteur commun. Par contre, l'impédance de sortie est basse. Le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée. Ce montage n'a pas de gain. On l'emploie souvent comme adaptateur d'impédance.
3- Montage base commune : L'entrée se fait sur l'émetteur et la sortie se fait sur le collecteur. L'entrée est a basse impédance, la sortie à moyenne impédance. Le signal de sortie est en phase. Ce montage présente un gain élevé. Ce montage est surtout utilisé en HF.
Amplification d'un signal alternatif :
- J'entends par alternatif de la musique par exemple. En effet, la musique ou la parole est un signal alternatif modulé en amplitude et en fréquence.
- Voici en quoi cela ressemble :
- Je prends comme exemple un préampli alimenté en 9 V. L'amplitude maximale théorique que peut atteindre le signal est de 9 V crête à crête. Si je veux que le signal soit amplifié sans écrêtage, il faut que cette amplification se fasse à la moitié des 9 V, soit 4,5 V. Autrement, il y a un écrêtage du signal, soit en haut, soit en bas. Les résistances sont calculées en tenant compte de cet impératif.
- Regardes la figure "Mesure C-E". Si la résistance Re à 1 V à ses bornes, il ne reste comme excursion 9-1= 8 V. C'est cette tension qui doit être divisée par 2, soit 4 V. La mesure de cette tension doit se faire entre Collecteur et Émetteur et non pas entre Collecteur et masse. Si la tension est mesurée par rapport à la masse, elle est de 5 V.
- Regardes la figure "Mesure C-E". Si la résistance Re à 1 V à ses bornes, il ne reste comme excursion 9-1= 8 V. C'est cette tension qui doit être divisée par 2, soit 4 V. La mesure de cette tension doit se faire entre Collecteur et Émetteur et non pas entre Collecteur et masse. Si la tension est mesurée par rapport à la masse, elle est de 5 V.
Bonne polarisation
Mauvaise polarisation
Mauvaise polarisation
-- Une mauvaise polarisation entraîne de la distorsion. Si c'est un pré-ampli micro, le problème ne se pose pas, le signal de sortie n'atteindra jamais les 8 volts crête à crête. Mais il y a des montages où ce problème se posera. Si tel est le cas, il faudra procéder avec plusieurs transistors. Par exemple pour un gain total de 120, mettre par exemple deux transistors amplifiant l'un 10, l'autre 12 fois.
On évite ainsi un écrêtage dissymétrique du signal, et on limite aussi le bruit de fond du transistor. En effet plus le transistor amplifie, plus l'agitation des électrons augmente, par exemple en Hi-fi cela génère un bruit de souffle dans les enceintes.
On évite une auto-oscillation du transistor ce qui arrive parfois. Cette oscillation haute fréquence, inaudible donc difficile à détecter sans oscilloscope, entraîne une surchauffe du transistor.
Exemple de polarisation d'un transistor:
- Nicolas, on aborde ici le sujet épineux qu'est la polarisation des transistors. Vaste sujet, générant de nombreux maux de tête, voir des céphalées chroniques persistantes. Bien des livres et des pages internet abordent le sujet. Il va sans dire que le lecteur lambda hallucine devant les équations développées à longueur de page. Nicolas si cela te tente, tu vas ICI
- *¶¬?? Ce que c'est, que ça que c'est ?
- Hé oui Nicolas, hé oui... Il m'a même été rapporté qu'un retraité voulant s'y instruire, de dépit, il s'est mis à la chopine, non sans avoir mis la mémé et le chat dehors. Mais rassures toi, on va faire plus simple...
- Montage émetteur commun.
On évite ainsi un écrêtage dissymétrique du signal, et on limite aussi le bruit de fond du transistor. En effet plus le transistor amplifie, plus l'agitation des électrons augmente, par exemple en Hi-fi cela génère un bruit de souffle dans les enceintes.
On évite une auto-oscillation du transistor ce qui arrive parfois. Cette oscillation haute fréquence, inaudible donc difficile à détecter sans oscilloscope, entraîne une surchauffe du transistor.
Pour un minimum de distorsion ne pas faire travailler les transistors à leurs limites maximales.
Exemple de polarisation d'un transistor:
- Nicolas, on aborde ici le sujet épineux qu'est la polarisation des transistors. Vaste sujet, générant de nombreux maux de tête, voir des céphalées chroniques persistantes. Bien des livres et des pages internet abordent le sujet. Il va sans dire que le lecteur lambda hallucine devant les équations développées à longueur de page. Nicolas si cela te tente, tu vas ICI
- *¶¬?? Ce que c'est, que ça que c'est ?
- Hé oui Nicolas, hé oui... Il m'a même été rapporté qu'un retraité voulant s'y instruire, de dépit, il s'est mis à la chopine, non sans avoir mis la mémé et le chat dehors. Mais rassures toi, on va faire plus simple...
- Montage émetteur commun.
Polarisation à deux résistances : Figure 1
- Tous les calculs sont faits en partant d'une tension de 9 V et avec un transistor X ayant un gain moyen de 150 fois pour Ic=10mA.
Tout d’abord, la résistance Rx est une résistance "fictive". Elle représente la "charge" en sortie du transistor, qui peut être l'impédance du circuit suivant, ou tout simplement une résistance réelle ou un potentiomètre.
- On commence par calculer RC. Pour ce faire, on se fixe un courant de repos Ic ici 10 mA. Ce courant de repos peut aller de quelques µA à quelques milliampères. Dans les amplificateurs Hifi, on choisit un courant IC plutôt faible, pour des raisons de bruit intrinsèque du transistor. On se fixe également la tension de repos Uc, qui sera égale à U/2 comme vu plus haut donc 4,5 V. (Pour un signal de faible amplitude à l'entrée,on peut bien sûr abaisser cette tension de repos, les calculs sont à faire en conséquence)
Calcul de RC: Avec un gain (ß) moyen de 150 Fois.
RC = Uc/Ic d'où 4,5V/0,010= 450 Ω (R=U/I)
Calcul de RB: On sait que Ib = Ic/gain (ß) d'où 0,010/150= 0,000066 A.
On se souvient que la base est toujours positive de 0,7 V par rapport à l'émetteur (voir plus haut). Donc différence de potentiel sur RB= 9V-0,7V= 8,3V. RB = 8,3/0,000066 = 124,6 K. Ce qui donne en valeur de résistance normalisée. RC= 470 Ω et RB 120 K
Ce montage présente peu d'intérêt, il est sous influence de la dérive thermique (le gain du transistor change en fonction de la température). À savoir aussi que le gain d'un transistor varie beaucoup d'un transistor à l'autre. Le point de fonctionnement se trouve donc changé d'un transistor à l'autre. Ce genre de polarisation est juste bon pour un pré-ampli micro vite fait.
La courbe de réponse avec les résistances calculées va de 20 Hz à plus de 100 kHz pour un gain de 40 dB (100 fois).
- Polarisation à deux résistances : Figure 1B
Voilà qui est mieux comme polarisation, elle est dite "par contre réaction du collecteur". Le montage est compensé en température.
Pour ce qui est du calcul de RB, celle-ci n'est plus au 9 V de l'alimentation, mais câblé sur le collecteur du transistor. Sa valeur se calcule à partir de U/2 = 4,5 V. Différence de potentiel sur RB = 4,5-0,7=3,8 V. RB= 3,8/0,000066 = 57 K. RC= 470 Ω. Le gain du montage est aussi de 40 dB environ.
- Polarisation à 3 résistances : Figure 2
- Voilà qui est beaucoup mieux comme polarisation, elle est dite "par contre réaction de l'émetteur". La dérive thermique est compensée par la résistance RE. Pour les calculs, je prends le gain moyen d'un transistor = 150, Rx= 10K, tension alimentation U= 9 V.
La résistance RE doit être au minimum 5 fois plus faible que la résistance de charge (Rx). Si je veux une amplification de 20 fois, et sachant que pour ce genre de polarisation le gain du montage est d'environ Rc/Re.
On a vu que la tension collecteur doit être d'environ U/2= 4,5 V.
Calcul de RC : RC= Rx /5 = 2000 Ω, normalisée 2200 Ω
Calcul de RE : RE = RC/20 = 110 Ω, normalisée 120 Ω
Intensité Ic= 4,5/(2200+120)= 0,0020 (I=U/R). Ib= 0,0020/150= 0,000013 A
On sait que Ib = Ic/Gain . Pour connaître la tension présente sur la base, il nous faut connaître la tension sur RE. U RE= 120*0,0020A= 0,24Volts (U=R*I). On en déduit que Ubase= 0,24+0,7= 0,94V. (La base est positive par rapport à l'émetteur de 0,7V)
Tension aux bornes de Rb= 9-0,94= 8 V
Calcul de RB1 : U RB1= 8V / 0,000013A= 615 K. Valeurs normalisées des résistances = RE= 120 Ω - RC= 2,2K - RB1= 620 K. Avec les résistances ainsi calculées et la sortie chargée par 10K (Rx), le gain est de 24 dB, soit 16 fois environ au lieu des 20 souhaités. (Figure 4)
- Courbe de réponse du montage: (Cliquer pour agrandir)
Tout d’abord, la résistance Rx est une résistance "fictive". Elle représente la "charge" en sortie du transistor, qui peut être l'impédance du circuit suivant, ou tout simplement une résistance réelle ou un potentiomètre.
- On commence par calculer RC. Pour ce faire, on se fixe un courant de repos Ic ici 10 mA. Ce courant de repos peut aller de quelques µA à quelques milliampères. Dans les amplificateurs Hifi, on choisit un courant IC plutôt faible, pour des raisons de bruit intrinsèque du transistor. On se fixe également la tension de repos Uc, qui sera égale à U/2 comme vu plus haut donc 4,5 V. (Pour un signal de faible amplitude à l'entrée,on peut bien sûr abaisser cette tension de repos, les calculs sont à faire en conséquence)
Calcul de RC: Avec un gain (ß) moyen de 150 Fois.
RC = Uc/Ic d'où 4,5V/0,010= 450 Ω (R=U/I)
Calcul de RB: On sait que Ib = Ic/gain (ß) d'où 0,010/150= 0,000066 A.
On se souvient que la base est toujours positive de 0,7 V par rapport à l'émetteur (voir plus haut). Donc différence de potentiel sur RB= 9V-0,7V= 8,3V. RB = 8,3/0,000066 = 124,6 K. Ce qui donne en valeur de résistance normalisée. RC= 470 Ω et RB 120 K
Ce montage présente peu d'intérêt, il est sous influence de la dérive thermique (le gain du transistor change en fonction de la température). À savoir aussi que le gain d'un transistor varie beaucoup d'un transistor à l'autre. Le point de fonctionnement se trouve donc changé d'un transistor à l'autre. Ce genre de polarisation est juste bon pour un pré-ampli micro vite fait.
La courbe de réponse avec les résistances calculées va de 20 Hz à plus de 100 kHz pour un gain de 40 dB (100 fois).
- Polarisation à deux résistances : Figure 1B
Voilà qui est mieux comme polarisation, elle est dite "par contre réaction du collecteur". Le montage est compensé en température.
Pour ce qui est du calcul de RB, celle-ci n'est plus au 9 V de l'alimentation, mais câblé sur le collecteur du transistor. Sa valeur se calcule à partir de U/2 = 4,5 V. Différence de potentiel sur RB = 4,5-0,7=3,8 V. RB= 3,8/0,000066 = 57 K. RC= 470 Ω. Le gain du montage est aussi de 40 dB environ.
- Polarisation à 3 résistances : Figure 2
- Voilà qui est beaucoup mieux comme polarisation, elle est dite "par contre réaction de l'émetteur". La dérive thermique est compensée par la résistance RE. Pour les calculs, je prends le gain moyen d'un transistor = 150, Rx= 10K, tension alimentation U= 9 V.
La résistance RE doit être au minimum 5 fois plus faible que la résistance de charge (Rx). Si je veux une amplification de 20 fois, et sachant que pour ce genre de polarisation le gain du montage est d'environ Rc/Re.
On a vu que la tension collecteur doit être d'environ U/2= 4,5 V.
Calcul de RC : RC= Rx /5 = 2000 Ω, normalisée 2200 Ω
Calcul de RE : RE = RC/20 = 110 Ω, normalisée 120 Ω
Intensité Ic= 4,5/(2200+120)= 0,0020 (I=U/R). Ib= 0,0020/150= 0,000013 A
On sait que Ib = Ic/Gain . Pour connaître la tension présente sur la base, il nous faut connaître la tension sur RE. U RE= 120*0,0020A= 0,24Volts (U=R*I). On en déduit que Ubase= 0,24+0,7= 0,94V. (La base est positive par rapport à l'émetteur de 0,7V)
Tension aux bornes de Rb= 9-0,94= 8 V
Calcul de RB1 : U RB1= 8V / 0,000013A= 615 K. Valeurs normalisées des résistances = RE= 120 Ω - RC= 2,2K - RB1= 620 K. Avec les résistances ainsi calculées et la sortie chargée par 10K (Rx), le gain est de 24 dB, soit 16 fois environ au lieu des 20 souhaités. (Figure 4)
- Courbe de réponse du montage: (Cliquer pour agrandir)
Figure 6 :
- Si l'on juge le gain insuffisant, il est possible de l'augmenter en insérant en parallèle sur RE un ajustable et une capacité. Ce condensateur ne perturbe en rien la polarisation du transistor vu qu'une capacité ne conduit pas les tensions continues. Par contre, elle entre en action dès la présence d'un signal alternatif à l'entrée.- C'est la réactance capacitive du condensateur qui est mis en parallèle sur RE, elle va pour ainsi dire court-circuiter en alternatif RE, d'où une augmentation du gain du montage. Le gain allant ainsi de 20 à 42 décibels (28 décibels en position médiane) Figure 5.
Sur l'oscillogramme (figure 6 (droite)), tu remarques Nicolas le déphasage (180°) de la sortie par rapport à l'entrée, remarques aussi l'amplification. En Haut (rouge) l'amplitude est de 20 mV crête à crête, en bas (vert) l'amplitude est de 500 mV crête à crête.
- Le condensateur C4 limite les ardeurs en haute fréquence du transistor à 100 kHz environ. Ceci est visible sur la courbe de réponse. (Figure 6 (gauche)).
Valeur des composants RE= 120Ω - RC= 2,2K - RB1= 560 K - RV1= 100 Ω - C1= 10µ - C2= 220µ - C3= 10µ - C4= 220pF - Potentiomètre 10 K.
- Polarisation à quatre résistances : Figure A
Cette configuration est le mieux, pour calculer les composants, je me fixe des paramètres.
- Si l'on juge le gain insuffisant, il est possible de l'augmenter en insérant en parallèle sur RE un ajustable et une capacité. Ce condensateur ne perturbe en rien la polarisation du transistor vu qu'une capacité ne conduit pas les tensions continues. Par contre, elle entre en action dès la présence d'un signal alternatif à l'entrée.- C'est la réactance capacitive du condensateur qui est mis en parallèle sur RE, elle va pour ainsi dire court-circuiter en alternatif RE, d'où une augmentation du gain du montage. Le gain allant ainsi de 20 à 42 décibels (28 décibels en position médiane) Figure 5.
Sur l'oscillogramme (figure 6 (droite)), tu remarques Nicolas le déphasage (180°) de la sortie par rapport à l'entrée, remarques aussi l'amplification. En Haut (rouge) l'amplitude est de 20 mV crête à crête, en bas (vert) l'amplitude est de 500 mV crête à crête.
- Le condensateur C4 limite les ardeurs en haute fréquence du transistor à 100 kHz environ. Ceci est visible sur la courbe de réponse. (Figure 6 (gauche)).
Valeur des composants RE= 120Ω - RC= 2,2K - RB1= 560 K - RV1= 100 Ω - C1= 10µ - C2= 220µ - C3= 10µ - C4= 220pF - Potentiomètre 10 K.
- Polarisation à quatre résistances : Figure A
Cette configuration est le mieux, pour calculer les composants, je me fixe des paramètres.
1- Le courant collecteur Ic= 0,002A. Ib sera donc de Ic/Béta= 0,000008A
2- Une tension émetteur de 1 V.
3- Tension d'alimentation U= 9 V.
4 - Le transistor est un BC 549B. Son béta est estimé à 250.
- Rappelle-toi Nicolas, que Ic=Ie (environ). Tu te souviens également que le collecteur doit être à la tension U/2. Vu la chute de tension dans Re il reste U= 9-1= 8V Volts disponibles. (Pour un signal de faible amplitude à l'entrée,on peut bien sûr abaisser cette tension de repos, les calculs sont à faire en conséquence)
Calcul de Rc : Rc= (8/2) / 0,002= 2K
Calcul de Rb2 : Pour le calcul de cette résistance, on prend Ib*10 soit 0,00008 A.
Tu te souviens Nicolas que Ub= Ue + 0,7 V, soit 1 + 0,7= 1,7 V (la base est supérieure de 0,7 V par rapport à l'émetteur).
Donc Rb2= 1,7/0,00008= 21,250 K
Rb1= (9/0,00008) - Rb2 = 91,250 K. ((9/0,00008) est la résistance totale du pont résistif RB1+Rb2 qui est égal à U/I ).
- Impédance d'entrée du montage : Zin= Rb1//Rb2//h11= 3,6 K environ.
(h11 est appelé aussi hie dans certains datasheet, ce terme indique la résistance d'entrée du transistor, elle est donc exprimée en KΩ. Cette résistance varie en fonction de la polarisation du transistor, ainsi que de la fréquence du signal). Voir datasheet BC 107 et du 2N2222 par exemple. (format PDF).
À savoir également que tous les datasheet ne donnent pas cette indication.
Le montage a été testé en réel et avec le simulateur TINA. Les tensions calculées par TINA sont proches des calculs ci-dessus. Le gain est de 24 dB, défini par R3-C3. La capacité C4 limite les hautes fréquences à 120 Khz environ.
Les condensateurs C1 et C2 sont des condensateurs de liaison, ils n'interviennent pas dans les calculs. Ne laissant passer que le signal alternatif, ils isolent le montage d'éventuelles composantes continues susceptibles de se trouver à l'entrée comme à sa sortie et pouvant le perturber. Voir le montage suivant où C1 isole le transistor de la tension continue alimentant le micro à électret. Ils évitent aussi de perturber les étages suivants des composantes continues propres au montage.
- Les capacités C1 et C2 devront être dimensionnées en fonction de la fréquence de coupure voulue. En effet, on peut assimiler l'impédance d'entrée à une résistance. Elles forment donc un filtre passe haut. Une capacité de faible valeur limite donc les basses fréquences.
Valeur normalisée des résistances Rc= 2,2 K Re= 470 Ω Rb2= 22 K Rb1= 91 K. Les tensions indiquées sont calculées avec ces résistances.
Calcul de Re : Re= 1/0,002= 500Ω (R=U/I)
Un petit logiciel bien sympa, TransistoAmp est disponible dans la page des exécutables. La preuve ce petit préampli micro présenté ici, réalisé avec ce logiciel.
- Les données rentrées dans ce logiciel sont. Gain 20 - 9 V - Z In= 50K - Z Out = 2K - Résistances série E24, transistor BC 548C
Cliquer pour agrandir
Figure 7
Figure 8
- Cette polarisation est la meilleure. On remarque la similitude des montages Figure 7 et Figure 5. La base est polarisée par RB1 et RB2. Le condensateur C3 est en parallèle sur R4 via R5 et R6. Le gain est donc réglable en fonction de l'inverseur de 32 et 38 dB (40 dB sans R5 ). Ce préamplificateur utilise un micro à électret. Ce genre de micro a besoin d'une tension continue pour fonctionner. La valeur de la résistance de polarisation est d'environ 10 K pour 12 V. On peut mettre qu'une seule résistance, mais ici, j'ai mis deux résistances d'égales valeurs, un condensateur de filtrage est ajouté, afin de limiter le bruit de l'alimentation.
- Montage collecteur commun: Figure 9
- Pour rappel, l'entrée se fait sur la base et la sortie sur l'émetteur. L'impédance d'entrée est plus élevée que le montage émetteur commun. Par contre, l'impédance de sortie est très basse. Le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée. Ce montage n'a pas de gain. On l'emploie souvent comme adaptateur d'impédance.
- Toujours avec le logiciel TransistorAmp, on peut calculer les composants sans se dilater la rate.
- Montage collecteur commun: Figure 9
- Pour rappel, l'entrée se fait sur la base et la sortie sur l'émetteur. L'impédance d'entrée est plus élevée que le montage émetteur commun. Par contre, l'impédance de sortie est très basse. Le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée. Ce montage n'a pas de gain. On l'emploie souvent comme adaptateur d'impédance.
- Toujours avec le logiciel TransistorAmp, on peut calculer les composants sans se dilater la rate.
Figure 9
Figure 10
Voici figure 10, un préampli réalisé avec TransistorAmp. Ce préampli reprend le schéma de la figure 7, auquel est ajouté T2 monté en collecteur commun.
Afin de ne pas claquer un transistor, voici les valeurs limites du transistor à ne pas dépasser.
Paramètres importants du transistor.
Hfe: Indique le rapport entre le courant collecteur et base. Le béta (gain) sont pratiquement identiques au Hfe.
h11: où hie: Indique la résistance d'entrée du transistor.
Ft: C'est la fréquence de coupure (fréquence maximale) que peut passer le transistor.
Les lettres A-B-C marquées sur les transistors correspondent au gain (ß). C est le gain maximum garanti.
- Tu vois Nicolas, que cela n'est pas sorcier de polariser un transistor, un peu de logique, une calculatrice et une bonne compréhension du fonctionnement du transistor suffit.
- Il ne faut pas rechercher à trouver sur un montage exactement les tensions calculées sur le papier, en effet il y a les tolérances des composants qui influent, le gain du transistor aussi, qui lui varie parfois considérablement.
Voilà Nicolas, pour ce qui est du transistor, un aperçu qui devrait t'aider.
Divers préamplificateurs à transistors _ Caractéristique et équivalence des transistors Caractéristique des transistors
Afin de ne pas claquer un transistor, voici les valeurs limites du transistor à ne pas dépasser.
1. Ic: Courant collecteur.
2. Vce: Tension maximale Collecteur-Émetteur.
3. Ptot: Puissance maximale qu'il peut dissiper à une température de 25°. Voir exemple de calcul.
4. Vcb: Tension maximale entre collecteur et base.
5. Veb: Tension maximale inverse entre base et émetteur.
6. Est mortelle une inversion de polarité, un dépassement de la tension émetteur-collecteur (Vce), un dépassement de la température (Ptot).
Paramètres importants du transistor.
Hfe: Indique le rapport entre le courant collecteur et base. Le béta (gain) sont pratiquement identiques au Hfe.
h11: où hie: Indique la résistance d'entrée du transistor.
Ft: C'est la fréquence de coupure (fréquence maximale) que peut passer le transistor.
Les lettres A-B-C marquées sur les transistors correspondent au gain (ß). C est le gain maximum garanti.
- Tu vois Nicolas, que cela n'est pas sorcier de polariser un transistor, un peu de logique, une calculatrice et une bonne compréhension du fonctionnement du transistor suffit.
- Il ne faut pas rechercher à trouver sur un montage exactement les tensions calculées sur le papier, en effet il y a les tolérances des composants qui influent, le gain du transistor aussi, qui lui varie parfois considérablement.
Voilà Nicolas, pour ce qui est du transistor, un aperçu qui devrait t'aider.
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