Applications pratiques

Le transistor bipolaire

Un transistor peut être utilisé dans une variété de configurations de circuits de base différentes, cette section présente un bref résumé des plus importantes d'entre elles.

Notez que bien que tous les circuits soient représentés en utilisant des types de transistors npn, ils peuvent être utilisés avec des types pnp en changeant simplement les polarités des circuits, etc.

DIODE ET CIRCUITS DE COMMUTATION

La jonction base-émetteur ou base-collecteur d'un transistor au silicium peut être utilisée comme une simple diode ou un redresseur, ou comme une diode Zener en l'utilisant dans la polarité appropriée.

La figure 7 montre deux manières alternatives d'utiliser un transistor npn comme simple diode qui convertit une forme d'onde d'entrée rectangulaire couplée en courant alternatif en une sortie rectangulaire qui oscille entre zéro et une valeur de tension positive, c'est-à-dire qui « fixe » le signal de sortie au point de référence zéro volt via la jonction base-émetteur interne du transistor ou la jonction base-collecteur « diode ».

FIGURE 7. Circuit de diode de serrage, utilisant un transistor npn comme diode.

La figure 8 montre un transistor npn utilisé comme diode Zener qui convertit une tension d'alimentation non régulée en une sortie régulée à valeur fixe avec une valeur typique comprise entre 5 V et 10 V, en fonction du transistor individuel.

FIGURE 8. Un transistor utilisé comme diode Zener.

Seule la jonction base-émetteur polarisée en inverse du transistor convient pour une utilisation dans cette application.

Si la jonction base-collecteur polarisée en inverse est utilisée, la valeur Zener augmente généralement dans la plage 30 V-100 V et le transistor peut s'autodétruire (en raison d'une surchauffe) à des niveaux de courant Zener assez faibles.

La figure 9 montre un transistor utilisé comme simple interrupteur électronique ou inverseur numérique.

FIGURE 9. Commutateur à transistor ou inverseur numérique.

Sa base est pilotée (via R ) par une entrée numérique qui est soit à zéro volt, soit à une valeur positive, et la charge R est connectée entre le collecteur et le rail d'alimentation positif.

Lorsque la tension d'entrée est nulle, le transistor est coupé et aucun courant ne circule à travers la charge, de sorte que la pleine tension d'alimentation apparaît entre le collecteur et l'émetteur.

Lorsque l'entrée est élevée, le commutateur à transistor est complètement activé (saturé) et un courant maximum circule dans la charge, et seulement quelques centaines de millivolts sont développés entre le collecteur et l'émetteur.

La tension de sortie est donc une forme inversée du signal d'entrée.

Le circuit de base de la figure 9 est destiné à être utilisé comme un simple commutateur numérique ou un inverseur, pilotant une charge purement résistive.

Il peut être utilisé comme interrupteur électronique qui pilote une bobine de relais ou une autre charge hautement inductive (telle qu'un moteur à courant continu) en le connectant comme indiqué sur la figure 10, dans laquelle les diodes D1 et D2 protègent le transistor d'une coupure de grande valeur. EMFs inverse induit par la charge inductive au moment de la coupure de courant.

FIGURE 10. Commutateur à transistor (inverseur numérique) pilotant une bobine de relais (ou autre charge inductive).

CIRCUITS AMPLIFICATEURS LINÉAIRES

Un transistor peut être utilisé comme amplificateur linéaire de courant ou de tension en introduisant un courant de polarisation approprié dans sa base, puis en appliquant le signal d'entrée entre une paire de bornes appropriée.

Le transistor peut, dans ce cas, être utilisé dans l'un des trois modes de fonctionnement de base, chacun offrant un ensemble unique de caractéristiques.

Ces trois modes sont appelés « émetteur commun » (Figure 11), « base commune » (Figure 12) et « collecteur commun » (Figures 13 et 14).

Dans le circuit à émetteur commun (représenté sous une forme très basique sur la figure 11), la charge résistive R est câblée entre le collecteur du transistor et la ligne d'alimentation positive, et un courant de polarisation est introduit dans la base via la résistance R, dont la valeur est choisi pour régler le collecteur à une valeur de demi-tension de repos (pour fournir des oscillations maximales du signal de sortie sans distorsion).

FIGURE 11. Amplificateur linéaire à émetteur commun.

Le signal d'entrée est appliqué entre la base du transistor et l'émetteur via le condensateur C, et le signal de sortie (qui est inversé en phase par rapport à l'entrée) est pris entre le collecteur et l'émetteur. Ce circuit donne une impédance d'entrée de valeur moyenne et un gain de tension global assez élevé.

Dans le circuit à base commune de la figure 12, la base est polarisée via R et est découplée en courant alternatif (ou mise à la terre en courant alternatif) via le condensateur C.

FIGURE 12. Amplificateur linéaire à base commune.

Le signal d'entrée est effectivement appliqué entre l'émetteur et la base via C1, et le signal de sortie amplifié mais non inversé est effectivement prélevé entre le collecteur et la base. Ce circuit présente un bon gain de tension, un gain de courant proche de l'unité et une très faible impédance d'entrée.

Dans le circuit collecteur commun CC de la figure 13, le collecteur est court-circuité avec le rail d'alimentation positif à faible impédance et se trouve donc effectivement au niveau d'impédance de « masse virtuelle ».

FIGURE 13. Amplificateur linéaire à collecteur commun CC ou suiveur de tension.

Le signal d'entrée est appliqué entre la base et la masse (collecteur virtuel) et la sortie non inversée est prise entre l'émetteur et la masse (collecteur virtuel).

Ce circuit donne un gain de tension global proche de l'unité et sa sortie « suit » le signal d'entrée. Il est ainsi appelé suiveur de tension continue (ou émetteur-suiveur) et possède une impédance d'entrée très élevée (égale au produit des valeurs R et h_fe).

Noter que le circuit ci-dessus peut être modifié pour une utilisation en courant alternatif en polarisant simplement le transistor à la moitié des volts d'alimentation et en couplant le signal d'entrée en courant alternatif à la base, comme le montre le circuit de base de la figure 14, dans lequel le diviseur de potentiel R1-R2 fournit la polarisation à demi-tension d'alimentation.

FIGURE 14. Amplificateur à collecteur commun CA ou suiveur de tension.

Le tableau de la figure 15 résume les performances des trois configurations d'amplificateur de base.

FIGURE 15. Performances comparatives des trois configurations de circuits de base.

Ainsi, l'amplificateur à collecteur commun donne un gain de tension global proche de l'unité et une impédance d'entrée élevée, tandis que les amplificateurs à émetteur commun et à base commune donnent tous deux des valeurs élevées de gain de tension, mais ont des valeurs d'impédance d'entrée moyennes à faibles.

L'AMPLIFICATEUR DIFFÉRENTIEL

La figure 16 montre — sous sa forme de base — comment une paire d'amplificateurs du type de base de la figure 11 peut être couplée ensemble pour former un ampli « différentiel » ou une « paire à longue queue » qui produit un signal de sortie proportionnel à la différence entre les deux signaux d’entrée.

FIGURE 16. Amplificateur différentiel ou paire à longue queue.

Dans ce cas, Q1 et Q2 partagent une résistance d'émetteur commune (la « queue »), et le circuit est polarisé (via R1-R2 et R3-R4) de sorte que les deux transistors laissent passer des courants de collecteur identiques (donnant ainsi une différence nulle entre les deux transistors, deux tensions de collecteur) dans des conditions de repos avec entrée nulle.

Si, dans le circuit ci-dessus, une tension d'entrée croissante est appliquée à l'entrée d'un seul transistor, elle fait chuter la tension de sortie de ce transistor et (en raison de l'action de couplage de l'émetteur) fait augmenter la tension de sortie de l'autre transistor d'une quantité similaire, donnant ainsi une tension de sortie différentielle importante entre les deux collecteurs.

En revanche, si des signaux identiques sont appliqués aux entrées des deux transistors, les deux collecteurs se déplaceront de quantités identiques et le circuit produira ainsi un signal de sortie différentiel nul.

Le circuit produit donc un signal de sortie proportionnel à la différence entre les deux signaux d'entrée.

LA CONNEXION DARLINGTON

L'impédance d'entrée du circuit émetteur-suiveur de la figure 13 est égale au produit de R et des valeurs h du transistor.

Si une impédance d'entrée ultra-élevée est souhaitée, elle peut être obtenue en remplaçant le transistor unique par une paire de transistors connectés dans le circuit « Darlington » ou configuration Super-Alpha, comme le montre la figure 17.

FIGURE 17. Émetteur suiveur Darlington ou Super-Alpha DC.

Ici, le courant d'émetteur du transistor d'entrée alimente directement la base du transistor de sortie, et la paire agit comme un seul transistor avec une valeur h globale égale au produit des deux valeurs h_fe individuelles, c'est-à-dire que si chaque transistor a une valeur h de 100, la paire agit comme un seul transistor avec un h de 10 000 et le circuit global présente une impédance d'entrée de 10 000 x R .

CIRCUITS MULTIVIBRATEURS

Un multivibrateur est, essentiellement, un circuit numérique à deux états qui peut être commuté de l'état de sortie haut à l'état de sortie bas, ou vice versa, via un signal de déclenchement qui peut être dérivé d'une source externe ou via un signal automatique ou mécanisme de synchronisation déclenché.

Les transistors peuvent être utilisés dans quatre types de base de circuits multivibrateurs, comme le montrent les figures 18 à 21.

Le circuit de la figure 18 est un simple multivibrateur bistable à couplage croisé, déclenché manuellement, dans lequel la polarisation de base de chaque transistor est dérivée du collecteur de l'autre, de sorte qu'un transistor s'éteint automatiquement lorsque l'autre s'allume, et vice-versa. versa.

FIGURE 18. Multivibrateur bistable à déclenchement manuel.

Ainsi, la sortie peut être réduite en désactivant brièvement Q2 via S2, raccourcissant ainsi le chemin base-émetteur de Q2.

Lorsque Q2 désactive l'entraînement de la base d'alimentation R2-R4 vers la base Q1, le circuit se verrouille automatiquement dans cet état jusqu'à ce que Q1 soit également désactivé via S1, auquel cas la sortie se verrouille à nouveau dans l'état haut, et ainsi de suite.

La figure 19 montre - sous sa forme de base - un multivibrateur monostable ou un circuit générateur d'impulsions monostable.

FIGURE 19. Multivibrateur monostable à déclenchement manuel.

Sa sortie (du collecteur Q1) est normalement faible, puisque Q1 est normalement polarisé via R5, mais passe à l'état haut pendant une période prédéfinie (déterminée par les valeurs des composants C1-R5) si Q1 est brièvement éteint en fermant momentanément le bouton-poussoir l'interrupteur « Démarrer » S1.

La période de synchronisation monostable réelle commence lorsque le bouton-poussoir « Démarrer » est relâché et a une période (P) d'environ 0,7 x C1 x R5, où P est en µS, C en µF et R en kohms.

La figure 20 montre un multivibrateur astable, ou générateur d'onde carrée à fonctionnement libre, dans lequel les périodes d'activation et de désactivation de l'onde carrée sont déterminées par les valeurs des composants C1-R4 et C2-R3.

FIGURE 20. Multivibrateur astable ou générateur d'ondes carrées à fonctionnement libre.

Fondamentalement, ce circuit agit comme une paire de circuits monostables à couplage croisé, qui se déclenchent automatiquement de manière séquentielle.

Si les périodes de synchronisation C1-R4 et C2-R3 sont identiques, le circuit génère une forme d'onde de sortie carrée libre.

Si les deux périodes de synchronisation ne sont pas identiques, le circuit génère une forme d'onde de sortie asymétrique.

Enfin, la figure 21 montre un circuit de base de déclenchement de Schmitt ou de convertisseur de forme d'onde sinusoïdale à carrée. L'action du circuit ici est telle que Q2 passe brusquement de l'état « activé » à l'état « désactivé », ou vice versa, lorsque la base Q1 passe au-dessus ou en dessous des niveaux de tension « de déclenchement » prédéterminés.

FIGURE 21. Déclencheur de Schmitt ou convertisseur de forme d'onde sinusoïdale à carré.

Si l’entrée du circuit est alimentée par une entrée sinusoïdale d’amplitude raisonnable, le circuit génère ainsi une forme d’onde de sortie d’onde carrée sympathique.