Dans quels modes un transistor bipolaire peut-il fonctionner ? Transistors bipolaires

En fonction de la tension aux bornes, le transistor peut être dans les modes principaux suivants :

• Mode coupure ;
• Mode actif ;
• Mode saturation.

En plus de ces modes, il existe également un mode inverse, très rarement utilisé.

Mode coupure

Lorsque la tension entre la base et l'émetteur est inférieure à 0,6 V - 0,7 V, la jonction p-n entre la base et l'émetteur est fermée. Dans cet état, le transistor n'a pratiquement aucun courant de base. En conséquence, il n’y aura pas non plus de courant de collecteur, puisqu’il n’y a pas d’électrons libres dans la base prêts à se déplacer vers la tension du collecteur. Il s'avère que le transistor est verrouillé, et on dit qu'il est en mode coupure.

Mode actif

En mode actif, une tension suffisante pour provoquer l'ouverture de la jonction p-n entre la base et l'émetteur est appliquée à la base. Des courants de base et de collecteur apparaissent. Le courant du collecteur est égal au courant de base multiplié par le gain. Autrement dit, le mode actif est le mode de fonctionnement normal du transistor utilisé pour l'amplification.

Mode saturation

Si vous augmentez le courant de base, il peut arriver un moment où le courant du collecteur cesse d'augmenter, car le transistor s'ouvrira complètement et le courant sera déterminé uniquement par la tension de la source d'alimentation et la résistance de charge dans le circuit collecteur. Le transistor atteint la saturation. En mode saturation, le courant du collecteur sera le maximum pouvant être fourni par la source d'alimentation à une résistance de charge donnée, et ne dépendra pas du courant de base. Dans cet état, le transistor n'est pas capable d'amplifier le signal, car le courant du collecteur ne répond pas aux changements du courant de base. En mode saturation, la conductivité du transistor est maximale, et il est plus adapté à la fonction d'un interrupteur (interrupteur) à l'état « passant ». De même, en mode coupure, la conductivité du transistor est minimale, ce qui correspond à l'interrupteur à l'état bloqué. Tous ces modes peuvent être expliqués à l'aide des caractéristiques de sortie du transistor.

Considérons un étage d'amplification sur un transistor connecté dans un circuit avec un émetteur commun (Fig. 4.14). Lorsque le signal d'entrée change, le courant de base Ib change. Le courant collecteur Ik varie proportionnellement au courant de base :

Iк = β je b. (4.5.1)

Riz. 4.14. Schéma de l'étage amplificateur (dessin réalisé par les auteurs)

La modification du courant du collecteur peut être retracée par les caractéristiques de sortie du transistor (Fig. 4.15). Sur l'axe des abscisses nous tracerons un segment égal à E K - la tension de la source d'alimentation du circuit collecteur, et sur l'axe des ordonnées nous tracerons un segment correspondant au courant maximum possible dans le circuit de cette source :

I à max = E à /R à (4.5.2)

Entre ces points, nous traçons une ligne droite, appelée ligne de charge et décrite par l'équation :

I k = (E k - U k e)/R k (4.5.3)

Où U CE est la tension entre le collecteur et l'émetteur du transistor ; R K - résistance de charge dans le circuit collecteur.

Riz. 4.15. Modes de fonctionnement d'un transistor bipolaire (dessin réalisé par les auteurs)

De (4.5.3) il résulte que

Rk = Ek/Ik max = tanα. (4.5.4)

Et par conséquent, la pente de la ligne de charge est déterminée par la résistance R K. De la Fig. 4.15, il s'ensuit qu'en fonction du courant de base Ib circulant dans le circuit d'entrée du transistor, le point de fonctionnement du transistor, qui détermine son courant et sa tension de collecteur U CE, se déplacera le long de la ligne de charge depuis la position la plus basse (point 1 , déterminé par l'intersection de la ligne de charge avec la caractéristique de sortie à I b =0), jusqu'au point 2, déterminé par l'intersection de la ligne de charge avec la section initiale fortement croissante des caractéristiques de sortie.

La zone située entre l'axe des abscisses et la caractéristique de sortie initiale correspondant à I b = 0 est appelée zone de coupure et se caractérise par le fait que les deux transitions du transistor - émetteur et collecteur - sont polarisées en sens inverse. Le courant du collecteur dans ce cas représente le courant inverse de la jonction du collecteur - I K0, qui est très faible et donc presque toute la tension de la source d'alimentation E K chute entre l'émetteur et le collecteur du transistor fermé :

U ke ≈ E ke.

Et la chute de tension aux bornes de la charge est très faible et égale à :

U Rк = I к0 Rк (4.5.5)

On dit que dans ce cas le transistor fonctionne en mode coupure. Étant donné que dans ce mode, le courant circulant à travers la charge est extrêmement faible et que presque toute la tension de la source d'alimentation est appliquée au transistor fermé, alors dans ce mode, le transistor peut être représenté comme un interrupteur ouvert.

Si nous augmentons maintenant le courant de base I b, alors le point de fonctionnement se déplacera le long de la ligne de charge jusqu'à atteindre le point 2. Le courant de base correspondant à la caractéristique passant par le point 2 est appelé courant de base de saturation I b us. Ici, le transistor entre en mode saturation et une nouvelle augmentation du courant de base n'entraînera pas une augmentation du courant du collecteur I K. La zone entre l'axe des ordonnées et la section fortement changeante des caractéristiques de sortie est appelée zone de saturation. Dans ce cas, les deux jonctions du transistor sont polarisées en direct ; Le courant du collecteur atteint sa valeur maximale et est presque égal au courant maximum de la source d'alimentation du collecteur :

I k max ≈ I à nous (4.5.6)

et la tension entre le collecteur et l'émetteur d'un transistor ouvert s'avère très faible. Ainsi, en mode saturation, le transistor peut être représenté comme un interrupteur fermé.

La position intermédiaire du point de fonctionnement entre la zone de coupure et la zone de saturation détermine le fonctionnement du transistor en mode amplification, et la région où il se situe est appelée région active. Lorsque vous travaillez dans cette zone, la jonction émetteur est polarisée dans le sens direct et la jonction collecteur est polarisée dans la direction opposée (Petrovich V.P., 2008).

Tout d'abord, rappelons quel type de conductivité sont les transistors bipolaires. Ceux qui ont lu les articles précédents, je pense, se souviennent que les transistors sont en conductivité NPN :

et conductivité PNP

Principe de fonctionnement du transistor PNP

Regardons cette image :

Ici, nous voyons un tuyau à travers lequel l’eau s’écoule de bas en haut sous haute pression. Pour le moment, le tuyau est fermé par une vanne rouge et il n’y a donc pas de débit d’eau.

Mais dès que nous retirons la vanne, en tirant légèrement sur le levier vert, la vanne rouge est tirée vers l'arrière et un jet d'eau rapide traverse le tuyau de bas en haut.

Mais ensuite, nous relâchons à nouveau le levier vert, et le ressort bleu ramène le volet dans sa position d'origine et bloque le passage de l'eau.

Autrement dit, nous avons rapproché la vanne un peu plus près de nous et l'eau a coulé dans le tuyau avec un jet fou. Un transistor PNP se comporte presque exactement de la même manière.Si vous imaginez ce tuyau comme un transistor, alors ses conclusions ressembleront à ceci :

Cela signifie que pour que le courant passe de l'émetteur au collecteur (et vous vous souvenez que le courant doit circuler là où pointe la flèche de l'émetteur)

nous devons nous assurer que depuis la base s'est écoulé actuel, ou pour le dire en langage amateur, fournir moins d'énergie à la base(« tirez » la tension sur vous-même).

Expérience pratique

Eh bien, menons l'expérience tant attendue. Pour ce faire, prenons le transistor KT814B, qui est une paire complémentaire du transistor KT815B.

Pour ceux qui n'ont pas bien lu les articles précédents, je voudrais vous rappeler que couple gratuit pour quelqu'un de transistor - c'est un transistor avec exactement les mêmes caractéristiques et paramètres, MAIS il a simplement autre conductivité. Cela signifie que nous avons le transistor KT815 inverse conductivité, c'est-à-dire NPN et KT814 droit conductivité, c'est-à-dire PNP. L'inverse est également vrai : pour le transistor KT814, la paire complémentaire est le transistor KT815. En bref, des frères jumeaux miroir.

Le transistor KT814B est un transistor PNP :

Voici son brochage :

Afin de montrer le principe de son fonctionnement, nous allons l'assembler selon un circuit à émetteur commun (CE) :

En fait, l’ensemble du schéma ressemble à ceci :

Les fils crocodiles bleus proviennent de l'alimentation Chauve-souris1, et les deux autres fils avec des crocodiles, noir et rouge, de l'alimentation Chauve-souris2.

Donc, pour que le système fonctionne, nous le définissons sur Chauve-souris2 tension pour alimenter une ampoule à incandescence. Puisque notre ampoule est de 6 Volts, nous la réglons sur 6 Volts.

Sur l'alimentation Chauve-souris1 ajoutez soigneusement la tension à partir de zéro jusqu'à ce que la lumière à incandescence s'allume. Et maintenant à une tension de 0,6 Volts

notre ampoule s'est allumée

C'est-à-dire que le transistor s'est « ouvert » et qu'un courant électrique a parcouru le circuit émetteur-collecteur, ce qui a fait brûler notre ampoule. La tension d'ouverture est la chute de tension aux bornes de la base-émetteur. Comme vous vous en souvenez, pour les transistors au silicium (et notre transistor KT814B est en silicium, cela est indiqué par la lettre « K » au début de son nom), cette valeur est comprise entre 0,5 et 0,7 Volt. Autrement dit, pour "ouvrir" le transistor, il suffit d'appliquer une tension supérieure à 0,5-0,7 Volts à la base-émetteur.

Circuits de connexion pour transistors NPN et PNP

Alors, regardez les deux diagrammes et trouvez la différence. A gauche se trouve le transistor NPN KT815B dans un circuit avec un OE, et à droite se trouve le KT814B selon le même schéma de raccordement :

Alors, quelle est la difference? Oui à la polarité de l'alimentation ! Et maintenant, nous pouvons dire avec certitude que le transistor de conduction PNP s'ouvre avec un "moins", puisque nous appliquons un "moins" à la base, et le transistor de conduction NPN s'ouvre avec un "plus".

Un transistor PNP est un dispositif électronique, en un certain sens l'inverse d'un transistor NPN. Dans ce type de conception de transistor, ses jonctions PN sont ouvertes par des tensions de polarité inverse par rapport au type NPN. Dans le symbole de l'appareil, la flèche, qui détermine également la sortie de l'émetteur, pointe cette fois à l'intérieur du symbole du transistor.

Conception de l'appareil

Le circuit de conception d'un transistor de type PNP se compose de deux régions de matériau semi-conducteur de type p de chaque côté d'une région de matériau de type n, comme le montre la figure ci-dessous.

La flèche identifie l'émetteur et le sens généralement accepté de son courant ("vers l'intérieur" pour un transistor PNP).

Le transistor PNP a des caractéristiques très similaires à son homologue bipolaire NPN, sauf que les sens des courants et les polarités de tension sont inversés pour l'un des trois schémas de connexion possibles : base commune, émetteur commun et collecteur commun.

Les principales différences entre les deux types de transistors bipolaires

La principale différence entre eux est que les trous sont les principaux porteurs de courant pour les transistors PNP, les transistors NPN ont des électrons à ce titre. Par conséquent, les polarités des tensions alimentant le transistor sont inversées et son courant d’entrée circule depuis la base. En revanche, avec un transistor NPN, le courant de base y circule, comme indiqué ci-dessous dans le schéma de circuit permettant de connecter les deux types de dispositifs avec une base commune et un émetteur commun.

Le principe de fonctionnement d'un transistor de type PNP est basé sur l'utilisation d'un courant de base faible (comme le type NPN) et d'une tension de polarisation de base négative (contrairement au type NPN) pour contrôler un courant émetteur-collecteur beaucoup plus important. Autrement dit, pour un transistor PNP, l'émetteur est plus positif par rapport à la base et également par rapport au collecteur.

Regardons les différences entre le type PNP dans le schéma de connexion avec une base commune

En effet, on constate que le courant collecteur IC (dans le cas d'un transistor NPN) circule depuis la borne positive de la batterie B2, traverse la borne collecteur, y pénètre et doit ensuite sortir par la borne de base pour revenir à la borne de base. borne négative de la batterie. De la même manière, en regardant le circuit émetteur, vous pouvez voir comment son courant provenant de la borne positive de la batterie B1 pénètre dans le transistor via la borne de base puis pénètre dans l'émetteur.

Ainsi, le courant de collecteur IC et le courant d'émetteur I E traversent la borne de base. Puisqu'ils circulent le long de leurs circuits dans des directions opposées, le courant de base résultant est égal à leur différence et est très faible, puisque IC est légèrement inférieur à I E. Mais comme ce dernier est encore plus grand, le sens de circulation du courant de différence (courant de base) coïncide avec I E, et donc un transistor bipolaire de type PNP a un courant circulant hors de la base, et un transistor de type NPN a un courant entrant. actuel.

Différences entre le type PNP en utilisant l'exemple d'un circuit de connexion avec un émetteur commun

Dans ce nouveau circuit, la jonction base-émetteur PN est polarisée par la tension de la batterie B1 et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse par la tension de la batterie B2. La borne émetteur est ainsi commune aux circuits base et collecteur.

Le courant total de l'émetteur est donné par la somme de deux courants I C et I B ; traversant le terminal émetteur dans un sens. Ainsi, nous avons I E = I C + I B.

Dans ce circuit, le courant de base I B « se détache » simplement du courant d'émetteur I E, en coïncidant également avec lui dans sa direction. Dans ce cas, un transistor de type PNP a toujours un courant circulant depuis la base I B, et un transistor de type NPN a un courant entrant.

Dans le troisième des circuits de commutation à transistors connus, à collecteur commun, la situation est exactement la même. Par conséquent, nous ne le présentons pas afin de gagner de la place et du temps pour les lecteurs.

Transistor PNP : connexion des sources de tension

La source de tension base-émetteur (V BE) est connectée négativement à la base et positive à l'émetteur car le transistor PNP fonctionne lorsque la base est polarisée négativement par rapport à l'émetteur.

La tension d'alimentation de l'émetteur est également positive par rapport au collecteur (V CE). Ainsi, avec un transistor de type PNP, la borne de l'émetteur est toujours plus positive par rapport à la base et au collecteur.

Les sources de tension sont connectées au transistor PNP comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Cette fois, le collecteur est connecté à la tension d'alimentation VCC via une résistance de charge, R L, qui limite le courant maximum circulant à travers l'appareil. Une tension de base VB, qui le polarise négativement par rapport à l'émetteur, lui est appliquée via une résistance RB, qui est à nouveau utilisée pour limiter le courant de base maximum.

Fonctionnement d'un étage à transistor PNP

Ainsi, pour faire circuler le courant de base dans un transistor PNP, la base doit être plus négative que l'émetteur (le courant doit quitter la base) d'environ 0,7 volt pour un dispositif au silicium ou de 0,3 volt pour un dispositif au germanium. Les formules utilisées pour calculer la résistance de base, le courant de base ou le courant de collecteur sont les mêmes que celles utilisées pour un transistor NPN équivalent et sont présentées ci-dessous.

Nous voyons que la différence fondamentale entre un transistor NPN et un transistor PNP réside dans la polarisation correcte des jonctions pn, puisque les sens des courants et les polarités des tensions qu'ils contiennent sont toujours opposés. Ainsi, pour le circuit ci-dessus : I C = I E - I B, puisque le courant doit provenir de la base.

Généralement, un transistor PNP peut être remplacé par un transistor NPN dans la plupart des circuits électroniques, la seule différence étant la polarité de la tension et le sens du courant. De tels transistors peuvent également être utilisés comme dispositifs de commutation, et un exemple de commutateur à transistor PNP est présenté ci-dessous.

Caractéristiques des transistors

Les caractéristiques de sortie d'un transistor PNP sont très similaires à celles d'un transistor NPN équivalent, sauf qu'ils sont tournés de 180° pour permettre l'inversion de polarité des tensions et des courants (les courants de base et de collecteur d'un transistor PNP sont négatifs). De même, pour trouver les points de fonctionnement d'un transistor PNP, sa ligne de charge dynamique peut être représentée dans le troisième quart du système de coordonnées cartésiennes.

Les caractéristiques typiques du transistor PNP 2N3906 sont présentées dans la figure ci-dessous.

Paires de transistors dans les étages amplificateurs

Vous vous demandez peut-être quelle est la raison d'utiliser des transistors PNP alors qu'il existe de nombreux transistors NPN disponibles qui peuvent être utilisés comme amplificateurs ou commutateurs statiques ? Cependant, disposer de deux types différents de transistors – NPN et PNP – offre de grands avantages lors de la conception de circuits amplificateurs de puissance. Ces amplificateurs utilisent des paires de transistors « complémentaires » ou « appariées » (représentant un transistor PNP et un transistor NPN connectés ensemble, comme le montre la figure ci-dessous) dans l'étage de sortie.

Deux transistors NPN et PNP correspondants de caractéristiques similaires, identiques entre eux, sont dits complémentaires. Par exemple, TIP3055 (type NPN) et TIP2955 (type PNP) sont un bon exemple de transistors de puissance complémentaires en silicium. Ils ont tous deux un gain de courant continu β=I C /I B adapté à 10 % près et un courant de collecteur élevé d'environ 15 A, ce qui les rend idéaux pour le contrôle de moteur ou les applications robotiques.

De plus, les amplificateurs de classe B utilisent des paires de transistors appariées dans leurs étages de puissance de sortie. Dans ceux-ci, le transistor NPN ne conduit que la demi-onde positive du signal et le transistor PNP ne conduit que sa moitié négative.

Cela permet à l'amplificateur de transmettre la puissance requise à travers le haut-parleur dans les deux sens à une puissance et une impédance données. De ce fait, le courant de sortie, qui est généralement de l'ordre de plusieurs ampères, est réparti uniformément entre les deux transistors complémentaires.

Paires de transistors dans les circuits de commande de moteurs électriques

Ils sont également utilisés dans les circuits de commande en pont en H pour moteurs à courant continu réversibles, qui permettent de réguler le courant traversant le moteur de manière uniforme dans les deux sens de rotation.

Le circuit en pont en H ci-dessus est ainsi appelé parce que la configuration de base de ses quatre commutateurs à transistor ressemble à la lettre « H » avec le moteur situé sur la ligne transversale. Le pont en H à transistors est probablement l’un des types de circuits de commande de moteur à courant continu réversible les plus couramment utilisés. Il utilise des paires « complémentaires » de transistors NPN et PNP dans chaque branche pour agir comme interrupteurs pour contrôler le moteur.

L'entrée de commande A permet au moteur de fonctionner dans un sens, tandis que l'entrée B est utilisée pour la rotation inverse.

Par exemple, lorsque le transistor TR1 est passant et TR2 est bloqué, l'entrée A est connectée à la tension d'alimentation (+Vcc), et si le transistor TR3 est bloqué et TR4 est passant, alors l'entrée B est connectée à 0 volt (GND). Par conséquent, le moteur tournera dans un sens, correspondant au potentiel positif de l’entrée A et au potentiel négatif de l’entrée B.

Si les états des commutateurs sont modifiés de sorte que TR1 est désactivé, TR2 est activé, TR3 est activé et TR4 est désactivé, le courant du moteur circulera dans la direction opposée, provoquant son inversion.

En utilisant des niveaux logiques opposés "1" ou "0" sur les entrées A et B, vous pouvez contrôler le sens de rotation du moteur.

Déterminer le type de transistors

Tout transistor bipolaire peut être considéré comme constitué essentiellement de deux diodes connectées dos à dos.

On peut utiliser cette analogie pour déterminer si un transistor est de type PNP ou NPN en testant sa résistance entre ses trois bornes. En testant chaque paire d'entre eux dans les deux sens à l'aide d'un multimètre, après six mesures nous obtenons le résultat suivant :

1. Émetteur - Base. Ces fils doivent agir comme une diode normale et conduire le courant uniquement dans un seul sens.

2.Collectionneur - Socle. Ces fils doivent également agir comme une diode normale et conduire le courant uniquement dans un seul sens.

3. Émetteur - Collecteur. Ces conclusions ne doivent être tirées dans aucune direction.

Valeurs de résistance de transition des transistors des deux types

Nous pouvons ensuite déterminer que le transistor PNP est sain et fermé. Un petit courant de sortie et une tension négative à sa base (B) par rapport à son émetteur (E) l'ouvriront et permettront à beaucoup plus de courant émetteur-collecteur de circuler. Les transistors PNP conduisent à un potentiel d'émetteur positif. En d’autres termes, un transistor bipolaire PNP ne conduira que si les bornes de base et de collecteur sont négatives par rapport à l’émetteur.

Transistor bipolaire- un dispositif électronique à semi-conducteur, un des types de transistors, conçu pour amplifier, générer et convertir des signaux électriques. Le transistor s'appelle bipolaire, puisque deux types de porteurs de charge participent simultanément au fonctionnement de l'appareil - électrons Et des trous. C'est en cela qu'il diffère de unipolaire(à effet de champ), dans lequel un seul type de porteur de charge est impliqué.

Le principe de fonctionnement des deux types de transistors est similaire au fonctionnement d'un robinet d'eau qui régule le débit d'eau, seul un flux d'électrons traverse le transistor. Dans les transistors bipolaires, deux courants traversent l'appareil : le courant principal « grand » et le « petit » courant de commande. La puissance actuelle principale dépend de la puissance de commande. Avec les transistors à effet de champ, un seul courant traverse le dispositif dont la puissance dépend du champ électromagnétique. Dans cet article, nous examinerons de plus près le fonctionnement d'un transistor bipolaire.

Conception de transistor bipolaire.

Un transistor bipolaire est constitué de trois couches semi-conductrices et de deux jonctions PN. Les transistors PNP et NPN se distinguent par le type d'alternance de conductivité des trous et des électrons. C'est semblable à deux diodes connectées face à face ou vice versa.

Un transistor bipolaire possède trois contacts (électrodes). Le contact sortant de la couche centrale est appelé base. Les électrodes extrêmes sont appelées collectionneur Et émetteur (collectionneur Et émetteur). La couche de base est très fine par rapport au collecteur et à l'émetteur. De plus, les régions semi-conductrices situées aux bords du transistor sont asymétriques. La couche semi-conductrice côté collecteur est légèrement plus épaisse que celle côté émetteur. Ceci est nécessaire au bon fonctionnement du transistor.

Considérons les processus physiques se produisant lors du fonctionnement d'un transistor bipolaire. Prenons le modèle NPN comme exemple. Le principe de fonctionnement d'un transistor PNP est similaire, seule la polarité de la tension entre le collecteur et l'émetteur sera opposée.

Comme déjà mentionné dans l'article sur les types de conductivité dans les semi-conducteurs, les substances de type P contiennent des ions chargés positivement - des trous. La substance de type N est saturée d’électrons chargés négativement. Dans un transistor, la concentration d’électrons dans la région N dépasse largement la concentration de trous dans la région P.

Connectons une source de tension entre le collecteur et l'émetteur V CE (V CE). Sous son action, les électrons de la partie supérieure N commenceront à être attirés vers le plus et à se rassembler près du collecteur. Cependant, le courant ne pourra pas circuler car le champ électrique de la source de tension n’atteint pas l’émetteur. Ceci est évité par une épaisse couche de semi-conducteur collecteur plus une couche de semi-conducteur de base.

Connectons maintenant la tension entre la base et l'émetteur V BE , mais nettement inférieure à V CE (pour les transistors en silicium, le minimum requis V BE est de 0,6 V). Comme la couche P est très fine, plus une source de tension connectée à la base, elle pourra « atteindre » avec son champ électrique la région N de l'émetteur. Sous son influence, les électrons seront dirigés vers la base. Certains d’entre eux commenceront à combler les trous qui s’y trouvent (recombinent). L’autre partie ne trouvera pas de trou libre, car la concentration de trous dans la base est bien inférieure à la concentration d’électrons dans l’émetteur.

En conséquence, la couche centrale de la base s’enrichit en électrons libres. La plupart d’entre eux iront vers le collecteur, car la tension y est beaucoup plus élevée. Ceci est également facilité par la très faible épaisseur de la couche centrale. Une partie des électrons, bien que beaucoup plus petite, circulera toujours vers le côté positif de la base.

En conséquence, nous obtenons deux courants : un petit - de la base à l'émetteur I BE, et un grand - du collecteur à l'émetteur I CE.

Si vous augmentez la tension à la base, encore plus d'électrons s'accumuleront dans la couche P. En conséquence, le courant de base augmentera légèrement et le courant du collecteur augmentera considérablement. Ainsi, avec un léger changement du courant de base I B , le courant du collecteur I change considérablement S. C'est ce qui se passe. amplification du signal dans un transistor bipolaire. Le rapport entre le courant du collecteur I C et le courant de base I B est appelé gain de courant. Désigné β , hfe ou h21e, en fonction des spécificités des calculs effectués avec le transistor.

L'amplificateur à transistor bipolaire le plus simple

Considérons plus en détail le principe d'amplification du signal dans le plan électrique à l'aide de l'exemple d'un circuit. Permettez-moi de faire une réserve à l'avance sur le fait que ce schéma n'est pas tout à fait correct. Personne ne connecte une source de tension continue directement à une source alternative. Mais dans ce cas, il sera plus facile et plus clair de comprendre le mécanisme d'amplification lui-même à l'aide d'un transistor bipolaire. De plus, la technique de calcul elle-même dans l'exemple ci-dessous est quelque peu simplifiée.

1.Description des principaux éléments du circuit

Disons donc que nous avons un transistor avec un gain de 200 (β = 200). Du côté du collecteur, nous connecterons une source d’alimentation 20V relativement puissante, grâce à l’énergie de laquelle se produira l’amplification. À partir de la base du transistor, nous connectons une faible source d'alimentation 2V. Nous y connecterons en série une source de tension alternative sous forme d'onde sinusoïdale, avec une amplitude d'oscillation de 0,1V. Ce sera un signal qui devra être amplifié. La résistance Rb près de la base est nécessaire pour limiter le courant provenant de la source de signal, qui a généralement une faible puissance.

2. Calcul du courant d'entrée de base I b

Calculons maintenant le courant de base I b. Puisqu'il s'agit de tension alternative, nous devons calculer deux valeurs de courant - à la tension maximale (V max) et au minimum (V min). Appelons respectivement ces valeurs actuelles - I bmax et I bmin.

De plus, afin de calculer le courant de base, vous devez connaître la tension base-émetteur V BE. Il existe une jonction PN entre la base et l'émetteur. Il s'avère que le courant de base « rencontre » la diode semi-conductrice sur son chemin. La tension à laquelle une diode semi-conductrice commence à conduire est d'environ 0,6 V. Nous n'entrerons pas dans les détails des caractéristiques courant-tension de la diode et, pour simplifier les calculs, nous prendrons un modèle approximatif selon lequel la tension sur la diode conductrice de courant est toujours de 0,6 V. Cela signifie que la tension entre la base et l'émetteur est V BE = 0,6 V. Et comme l'émetteur est connecté à la terre (V E = 0), la tension de la base à la terre est également de 0,6 V (V B = 0,6 V).

Calculons I bmax et I bmin en utilisant la loi d'Ohm :

2. Calcul du courant de sortie du collecteur I C

Désormais, connaissant le gain (β = 200), vous pouvez facilement calculer les valeurs maximales et minimales du courant du collecteur (I cmax et I cmin).

3. Calcul de la tension de sortie V out

Le courant du collecteur traverse la résistance Rc, que nous avons déjà calculée. Il reste à substituer les valeurs :

4. Analyse des résultats

Comme le montrent les résultats, V Cmax s'est avéré être inférieur à V Cmin. Cela est dû au fait que la tension aux bornes de la résistance V Rc est soustraite de la tension d'alimentation VCC. Cependant, dans la plupart des cas, cela n'a pas d'importance, puisque nous nous intéressons à la composante variable du signal - l'amplitude, qui est passée de 0,1 V à 1 V. La fréquence et la forme sinusoïdale du signal n'ont pas changé. Bien entendu, le rapport V out / V in dix fois est loin d'être le meilleur indicateur pour un amplificateur, mais il est tout à fait approprié pour illustrer le processus d'amplification.

Résumons donc le principe de fonctionnement d'un amplificateur basé sur un transistor bipolaire. Un courant I b traverse la base, transportant des composantes constantes et variables. Une composante constante est nécessaire pour que la jonction PN entre la base et l'émetteur commence à conduire - « s'ouvre ». La composante variable est en fait le signal lui-même (information utile). Le courant collecteur-émetteur à l’intérieur du transistor est le résultat du courant de base multiplié par le gain β. À son tour, la tension aux bornes de la résistance Rc au-dessus du collecteur est le résultat de la multiplication du courant amplifié du collecteur par la valeur de la résistance.

Ainsi, la broche de sortie V reçoit un signal avec une amplitude d'oscillation accrue, mais avec la même forme et la même fréquence. Il est important de souligner que le transistor prend de l'énergie pour l'amplification de l'alimentation VCC. Si la tension d'alimentation est insuffisante, le transistor ne pourra pas fonctionner pleinement et le signal de sortie risque d'être déformé.

Modes de fonctionnement d'un transistor bipolaire

Conformément aux niveaux de tension sur les électrodes du transistor, il existe quatre modes de fonctionnement :

• Mode coupure.
• Mode actif.
• Mode saturation.
• Mode inverse.

Mode coupure

Lorsque la tension base-émetteur est inférieure à 0,6 V - 0,7 V, la jonction PN entre la base et l'émetteur est fermée. Dans cet état, le transistor n'a pas de courant de base. En conséquence, il n’y aura pas non plus de courant de collecteur, puisqu’il n’y a pas d’électrons libres dans la base prêts à se déplacer vers la tension du collecteur. Il s'avère que le transistor est pour ainsi dire verrouillé, et ils disent qu'il est en mode de coupure.

Mode actif

DANS mode actif La tension à la base est suffisante pour que la jonction PN entre la base et l'émetteur s'ouvre. Dans cet état, le transistor a des courants de base et de collecteur. Le courant du collecteur est égal au courant de base multiplié par le gain. Autrement dit, le mode actif est le mode de fonctionnement normal du transistor utilisé pour l'amplification.

Mode saturation

Parfois, le courant de base peut être trop élevé. En conséquence, la puissance d’alimentation n’est tout simplement pas suffisante pour fournir un courant de collecteur d’une telle ampleur qui correspondrait au gain du transistor. En mode saturation, le courant du collecteur sera le maximum que l'alimentation peut fournir et ne dépendra pas du courant de base. Dans cet état, le transistor n'est pas capable d'amplifier le signal, car le courant du collecteur ne répond pas aux changements du courant de base.

En mode saturation, la conductivité du transistor est maximale, et il est plus adapté à la fonction d'un interrupteur (interrupteur) à l'état « passant ». De même, en mode coupure, la conductivité du transistor est minimale, ce qui correspond à l'interrupteur à l'état bloqué.

Mode inverse

Dans ce mode, le collecteur et l'émetteur changent de rôle : la jonction collecteur PN est polarisée dans le sens direct et la jonction émetteur est polarisée dans le sens opposé. En conséquence, le courant circule de la base vers le collecteur. La région semi-conductrice du collecteur est asymétrique par rapport à l'émetteur et le gain en mode inverse est inférieur à celui du mode actif normal. Le transistor est conçu de manière à fonctionner le plus efficacement possible en mode actif. Le transistor n'est donc pratiquement pas utilisé en mode inverse.

Paramètres de base d'un transistor bipolaire.

Gain actuel– rapport entre le courant du collecteur I C et le courant de base I B. Désigné β , hfe ou h21e, en fonction des spécificités des calculs effectués avec des transistors.

β est une valeur constante pour un transistor et dépend de la structure physique du dispositif. Un gain élevé est calculé en centaines d'unités, un gain faible en dizaines. Pour deux transistors distincts du même type, même s’ils étaient « voisins du pipeline » lors de la production, β peut être légèrement différent. Cette caractéristique d’un transistor bipolaire est peut-être la plus importante. Si d'autres paramètres de l'appareil peuvent souvent être négligés dans les calculs, alors le gain de courant est presque impossible.

Impédance d'entrée– résistance dans le transistor qui « rencontre » le courant de base. Désigné Rin (R dans). Plus il est grand, meilleures sont les caractéristiques d'amplification de l'appareil, car du côté de la base se trouve généralement une source de signal faible, qui doit consommer le moins de courant possible. L'option idéale est lorsque l'impédance d'entrée est infinie.

L'entrée R pour un transistor bipolaire moyen est de plusieurs centaines de KΩ (kilo-ohm). Ici, le transistor bipolaire perd beaucoup face au transistor à effet de champ, où la résistance d'entrée atteint des centaines de GΩ (gigaohms).

Conductivité de sortie- conductivité du transistor entre le collecteur et l'émetteur. Plus la conductance de sortie est grande, plus le courant collecteur-émetteur pourra traverser le transistor avec moins de puissance.

De plus, avec une augmentation de la conductivité de sortie (ou une diminution de la résistance de sortie), la charge maximale que l'amplificateur peut supporter avec des pertes insignifiantes du gain global augmente. Par exemple, si un transistor à faible conductivité de sortie amplifie le signal 100 fois sans charge, alors lorsqu'une charge de 1 KΩ est connectée, elle n'amplifiera déjà que 50 fois. Un transistor avec le même gain mais une conductance de sortie plus élevée aura une chute de gain plus faible. L'option idéale est lorsque la conductivité de sortie est infinie (ou la résistance de sortie R out = 0 (R out = 0)).

Dans cet article, nous avons discuté d'un paramètre de transistor aussi important que le coefficient bêta (β) . Mais il existe un autre paramètre intéressant dans le transistor. En soi, il est insignifiant, mais il peut faire beaucoup d'affaires ! C’est comme un caillou qui rentre dans la chaussure d’un athlète : il semble petit, mais il provoque des désagréments lors de la course. Alors, comment ce « caillou » interfère-t-il avec le transistor ? Découvrons-le...

Connexion directe et inversée de la jonction PN

On s'en souvient, un transistor est constitué de trois semi-conducteurs. , que nous appelons base-émetteur jonction émetteur, et la transition base-collecteur est transition collecteur.

Puisque dans ce cas nous avons un transistor NPN, cela signifie que le courant va circuler du collecteur vers l'émetteur, à condition d'ouvrir la base en lui appliquant une tension de plus de 0,6 Volts (enfin, pour que le transistor s'ouvre) .

Prenons hypothétiquement un couteau très fin et découpons l'émetteur directement le long de la jonction PN. Nous finirons par obtenir quelque chose comme ceci :

Arrêt! Avons-nous une diode ? Oui, c'est lui ! Rappelez-vous, dans l'article caractéristique courant-tension (CVC), nous avons regardé le CVC de la diode :

Sur le côté droit de la caractéristique courant-tension, nous voyons comment la branche du graphique s'est envolée très fortement. Dans ce cas, nous avons appliqué une tension constante à la diode comme ceci, c'est-à-dire qu'elle était connexion directe de la diode.

La diode faisait passer le courant électrique à travers elle-même. Nous avons même mené des expériences avec connexion directe et inverse de la diode. Ceux qui ne s’en souviennent pas peuvent le lire.

Mais si tu changes la polarité

alors notre diode ne laissera pas passer le courant. On nous a toujours enseigné cela, et il y a du vrai là-dedans, mais... notre monde n'est pas idéal).

Comment fonctionne une jonction PN ? Nous l'avons imaginé comme un entonnoir. Alors pour ce dessin

notre entonnoir sera renversé vers le ruisseau

La direction de l’écoulement de l’eau est la direction du mouvement du courant électrique. L'entonnoir est la diode. Mais l’eau qui s’est écoulée par le col étroit de l’entonnoir ? Comment peut-on l’appeler ? Et ça s'appelle courant inverse de la jonction PN (je reviens).

Que pensez-vous que si vous augmentez la vitesse d'écoulement de l'eau, la quantité d'eau qui passe à travers le col étroit de l'entonnoir augmentera-t-elle ? Certainement! Cela signifie que si vous ajoutez de la tension Tu arr., alors le courant inverse augmentera J'arrive., c’est ce que nous voyons sur le côté gauche du graphique de la caractéristique courant-tension de la diode :

Mais jusqu’où peut-on augmenter la vitesse d’écoulement de l’eau ? S'il est très grand, notre entonnoir ne tiendra pas, les murs se fissureront et il volera en morceaux, non ? Par conséquent, pour chaque diode, vous pouvez trouver un paramètre tel que U rev.max, dont le dépassement pour une diode équivaut à la mort.

Par exemple, pour la diode D226B :

U rev.max= 500 Volts, et l'impulsion inverse maximale Tu arr. imp.max= 600 Volts. Mais gardez à l’esprit que les circuits électroniques sont conçus, comme on dit, « avec une marge de 30 % ». Et même si dans le circuit la tension inverse sur la diode est de 490 Volts, alors une diode pouvant supporter plus de 600 Volts sera installée dans le circuit. Il vaut mieux ne pas jouer avec les valeurs critiques). La tension inverse d’impulsion est une surtension soudaine pouvant atteindre une amplitude allant jusqu’à 600 volts. Mais ici aussi, il vaut mieux prendre avec une petite marge.

Alors... pourquoi est-ce que je parle de diode et de diode... C'est comme si nous étudiions les transistors. Mais quoi qu’on en dise, une diode est un élément de base pour construire un transistor. Donc, si nous appliquons une tension inverse à la jonction du collecteur, alors un courant inverse circulera à travers la jonction, comme dans une diode ? Exactement. Et ce paramètre dans un transistor s'appelle . Nous le désignons comme Je KBO, parmi la bourgeoisie - Je CBO. Représente "courant entre collecteur et base, avec émetteur ouvert". En gros, la jambe émettrice ne s'accroche nulle part et pend dans les airs.

Pour mesurer le courant inverse du collecteur, il suffit d'assembler ces circuits simples :

Pour transistor NPN pour transistor PNP

Pour les transistors au silicium, le courant du collecteur inverse est inférieur à 1 µA, pour les transistors au germanium : 1-30 µA. Comme je ne mesure qu'à partir de 10 µA, et que je n'ai pas de transistors au germanium sous la main, je ne pourrai pas réaliser cette expérience, puisque la résolution de l'appareil ne le permet pas.

Nous n'avons toujours pas répondu à la question : pourquoi le courant inverse des collecteurs est-il si important et est-il répertorié dans les ouvrages de référence ? Le fait est que pendant le fonctionnement, le transistor dissipe une certaine puissance dans l'espace, ce qui signifie qu'il chauffe. Le courant inverse du collecteur dépend fortement de la température et double sa valeur tous les 10 degrés Celsius. Non, mais qu'est-ce qui ne va pas ? Laissez-le grandir, cela ne semble déranger personne.

Effet du courant de collecteur inverse

Le fait est que dans certains circuits de commutation, une partie de ce courant traverse la jonction de l'émetteur. Et comme nous nous en souvenons, le courant de base traverse la jonction de l'émetteur. Plus le courant de commande (courant de base) est élevé, plus le courant contrôlé (courant de collecteur) est élevé. Nous en avons discuté dans l'article. Par conséquent, le moindre changement dans le courant de base entraîne une modification importante du courant du collecteur et l'ensemble du circuit commence à ne pas fonctionner correctement.

Comment lutter contre le courant de collecteur inverse

Cela signifie que l’ennemi le plus important du transistor est la température. Comment les développeurs d’équipements radio-électroniques (REA) le combattent-ils ?

– utiliser des transistors dans lesquels le courant inverse du collecteur a une très faible valeur. Il s'agit bien entendu de transistors en silicium. Un petit indice - le marquage des transistors au silicium commence par les lettres « KT », ce qui signifie À ceinture T transistor.

– l'utilisation de circuits minimisant le courant inverse du collecteur.

Le courant du collecteur inverse est un paramètre important du transistor. Il est indiqué dans la fiche technique de chaque transistor. Dans les circuits utilisés dans des conditions de température extrêmes, le courant de retour du collecteur jouera un rôle très important. Par conséquent, si vous assemblez un circuit qui n'utilise pas de radiateur ni de ventilateur, il est bien sûr préférable de prendre des transistors avec un courant de collecteur inverse minimal.