Nous avons souvent, dans ces pages, illustré des systèmes de commutations par des interrupteurs.En pratique, il bien évident que ceux-ci sont remplacés par des transistors. Dans ce cas nous les utiliserons en commutation. Les transistors sont utilisés :
- En commutation
- En amplificafication
Un transistor est constitué de 3 tranches de silicium (ou germanium), chaque fois polarisées. On trouve des transistors PNP et NPN dans le cas de transistors bipolaires. Actuellement, les transistors sont souvent de type "Mos". Malgré des vitesses de commutation plus faible (moins rapides), ils consomment moins.
La base sert de contrôle. Dans le cas d'un transistor NPN, la tension est appliquée au collecteur. Si l'on injecte par la base une faible tension (et donc un courant), la zone P est chargée, permettant le courant passe du collecteur vers l'émetteur. Dans le cas des transistors PnP, les tensions sont inversées. Si on permet le passage de courant du transistor vers la base (mise à la masse par exemple), le courant est autorisé de l'émetteur vers le collecteur. Selon la tension appliquée à la base, le passage de courant collecteur – émetteur sera plus ou moins important.
Dans le schémas suivant, un transistor NPN est utilisé en interrupteur, c'est pratiquement le seul utilisé dans l'électronique informatique. Une tension de 0,5v appliquée sur la base va permettre le passage du courant du collecteur vers l'émetteur, transformant la tension de sortie à une valeur nulle. Ce schémas est la sortie d'un circuit électronique logique de type TTL 74LSLe collecteur est relié au 5V de l'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance. Si l'on applique aucune tension sur la base, le transistor bloque le courant, et la sortie passe à la tension de 5 V. Par contre, si par l'intermédiaire de Rb (1000 ohm), nous appliquons sur la base une tension de 5V en entrée, le courant passe à travers le transistor, mettant la sortie à la masse (tension 0), sauf une légère tension résiduelle d'environ 0,5 V.En cas de panne d'un transistor, veuillez utiliser le transistor adéquat. En effet, chaque transistor est caractérisé par des tensions maximales, gain, … il existe des tables d'équivalences.Le transistor est constitutué de deux jonctions dopées. Par construction, la jonction collecteur-base est de volume et de surface plus importante que la jonction émetteur-base.
B.Les transistors à effet de champ (FET ou MOS-FET) en amplificationIE = Courant d'émetteurIC = Courant de collecteurIB = Courant de baseIE = IC + IBLe courant collecteur n'existe que si un courant base-émetteur circule. Physiquement : Sans entrer, en détail, dans la constitition d'une jonction ; disons que la jonction base-émetteur polarisée en direct autorise le passage du courant de base (sens conventionnel) .En conséqence, des électrons sont injectés de l'émetteur vers la bases.La base est mince et faiblement dopée, ce qui autorise très peu de combinaisons électrons-trous. Les électrons exédentaires sont aspirés par le champs électrique à travers la jonction collecteur-base.IC est donc un courant de fuite de la jonction collecteur-base (polarisée en inverse).La notion de gain en courant sous-entend que l'on agira sur IB (entrée) pour recuellir la réaction de IC (sortie).Nous pouvons, sachant que IC = ß IB , représenter un transistor suivant les caractéristiques ci-dessous :Caractéristiques d'ENTREE :Caractéristiques de SORTIERb = résistance de baseRc = résistance de charge (lampe, relais..etc)Il s'agit, afin d'établir la saturation du transistor, d'obtenir une tension entre collecteur-émetteur (Vce) s'approchant de 0V (en pratique 0,2V). Nous devons donc tenir compte de l'amplification du transistor choisi (son ß) . Pour calculer le courant collecteur (Ic) nous allons considérer un Vce = 0V (cas de saturation). Nous avons donc (à 0,2V près) que notre Ic =+Vcc/RcPour connaître quel doit -être le courant de base nécéssaire à la saturation du transistor il nous suffit d'établir la relation :Nous connaissons le courant qui traverse Rb, si nous cherchons la valeur de cette résistance il nous faut la tension à ses bornes ...Sachant que la jonction base-émetteur d'un transistor chute environ 0,7V, la tension sur Rb sera à 0,7V près (Vbe), la tension +VCC .Le calcul de Rb serait donc :Rb=(+Vcc-Vbe)/IbLe transistor fonctionne en " tout ou rien ", si l'on choisi un transistor ayant un béta (ß) suffisamment important, un faible courant de base peut le saturer .on ne veut plus saturer le transistor mais on cherche à contrôler le gain (en tension) du montage.
- Pour un montage amplificateur à transistor, l'électrode reliée à la borne commune donne le nom au montage. Nous parlons d'un montage émetteur commun EC, base commune BC ou collecteur commun CC. Chacun de ces montages à ses caractéristiques propres.
- Pour reconnaître le nom du montage dans un schéma, il faut repérer de quelle manière le signal est appliqué et quelle est l'électrode reliée, directement ou par découplage, à la masse. Le schéma équivalent AC confirme à l'évidence le type de montage utilisé.
- Le procédé pour l'obtention du schéma équivalent AC est décrit sur les pages du site d'introduction à l'électronique "A3 Modélisation - schémas équivalents". Ci-dessous un exemple de trois circuits possédant une même alimentation en courant continu DC (= même polarisation)
- L'analyse en courants continus de ces trois montages permet de mettre en évidence qu'il s'agit de la même polarisation appelée polarisation classique ou par diviseur de tension de base. Les procédés de calculs sont donnés dans l'annexe C3.1.
- L'analyse en courants alternatifs met en évidence le rôle des condensateurs de liaisons et de découplage représentés ci-dessus par des condensateurs polarisés. Les procédés de calculs sont donnés dans l'annexe C3.2.
- Le calcul des fréquences limites des montages amplificateurs à transistors sont développés dans l'annexe C3.3.
- Pour les trois montages amplificateurs à transistors fondamentaux, nous pouvons accepter le tableau récapitulatif suivant:
- Gain AU
- Gain AI
- Gain AP
- Grand
- Grand
- Très grand
- Grand
- env. 1
- Grand
- env. 1
- Grand
- Moyen
- Impédance ZE
- Impédance ZS
- Moyenne
- Grande
- Petite
- Très grande
- Grande
- Petite
- * amplificateur
universel
- * ampli HF
- * oscillateur
- * élévateur
d'impédance
- * oscillateur
- * amplificateur
de courant- * abaisseur
d'impédanceIl est possible de rencontrer, dans certaines documentations, des caractéristiques de transistors exprimés en paramètres h, utilisés anciennement. Le tableau ci-dessous la signification de ces paramètres.
- Les transistors à effet de champ à jontion : J - FET
- Les transistors à effet de champ à couche d'oxyde de silicium : MOS - FET
Il n'est peut-être pas inutile de préciser ici qu'un bon praticien professionnel a besoin de connaître "par coeur" les indications suivies de l'astérisque * pour une pratique efficace du dépannage des circuits électroniques.2.Une grande diversité
- Transistors FET à CANAL N
- J-FET MOS-FET à appauvrissement MOS-FET à enrichissement
- Transistors FET à CANAL P
- J-FET MOS-FET à appauvrissement MOS-FET à enrichissement
Tous ces transistors ont un DRAIN, une SOURCE, une GRILLE et un CANAL plus ou moins conducteur.
Nous verrons plus loin que la tension grille-source UGS commande le courant de drain IDS.
Le principe technologique qui constitue ces transistors est pour tous le même. Les transistors FET sont bel et bien des éléments où la notion de transfert est présente. Une tension d’entrée commande un courant de sortie. Autrement dit, un courant important est commandé par une tension grâce aux effets des champs électriques existants à l'intérieur du transistor FET.
Les symboles sont représentatifs de leur construction, et donnent une indication sur la polarité des tensions nécessaires au fonctionnement des transistors FET.- Au contraire des transistors bipolaires conventionnels (PNP et NPN), ces transistors à effet de champ assurent la conduction du courant de drain par un canal plus ou moins conducteur composé d'un seul types de porteurs de charges mobiles (voir page du site Introduction à l'électronique / Théorie des semi-conducteurs ). Nous pouvons dire que ce sont des transistors unipolaires.
- La variation de la conductibilité du canal est obtenue par l'action du champ électrique provoqué par la polarisation de la grille, ou plus exactement par la tension de commande grille-source UGS. Ce qui signifie qu'aucun courant ne circule entre grille et source. La grille est même isolée du canal dans le cas des transistors MOS.Par exemple, nous voyons le principe de fabrication d'un transistor MOSFET à enrichissement, canal N. Sur un barreau de silicium P, deux zones N sont diffusées pour former le drain et la source. Le barreau P forme également un condensateur avec la grille dont le diélectrique est la couche d'oxyde.
Ces transistors sont surtout connus par leurs abréviations. Nous rencontrons actuellement une dizaine de technologies, donc de types de fabrication, différentes. Parmis tous les transistors FET existants, nous citerons les types ci-dessous.
3.Du côté technologique
Lorsque la grille est rendue positive par rapport à le source, les électrons du barreau sont attirés dans la zone située entre le drain et la source. Par cet artifice, un canal de type N est créé entre la source et le drain. Si une tension est appliquée entre le drain et la source, un courant de drain ID circulera.4.Caractéristiques des FET
En variant la tension de commande UGS, la densité des électrons dans le canal change. Ce qui signifie que le courant de drain varie ou que la résistance de passage du drain est modifiée, ce qui revient au même.
Tous les transistors FET reposent sur le même principe de fonctionnement. Une tension de commande UGS entraîne un champ électrique qui modifie la conduction du canal conducteur. Nous pouvons deviner qu'un transistor à enrichissement canal P sera constitué avec des zones de dopage inversées par rapport au dessin ci-dessus.
De toute évidence, la polarité des alimentations de chaque transistor FET sera dépendante de sa fabrication. Cela se remarque sur les réseaux caractéristiques des différents FET (voir plus loin l'extrait du data-book).
Pour la maintenance, il est utile de savoir qu'un transistor FET à jonction ne supporte un courant direct grille-source très faible. Généralement, la mesure de la jonction grille-source à l'aide d'un ohmètre à aiguille conventionnel suffit à détruire le J-FET.
Quant au MOS-FET, ils sont sensibles aux décharges électrostatiques. Bien qu'actuellement des systèmes de protections sont intégrés, un technicien peut se trouver à un potentiel statique suffisant pour détruire le MOS-FET uniquement par le toucher, lors d'un remplacement par exemple.
Il découle de leur fabrication certaines propriétés électriques utiles pour l’utilisation des FET.
1. Pratiquement aucun courant de commande IGS @ 0A (de l'ordre du pico ampère). En effet, la grille est isolé du canal conducteur. Ce qui signifie que l'impédance d'entrée est élevée et que la puissance de commande nécessaire est très faible.
2. Le courant de drain ID est dépendant de la tension de commande UGS. La relation entre le courant IDet la tension UGS représente ce que nous appelons la fonction de transfert, noté
En fait, la relation entre le courant de drain ID et la tension de commande UGS est quadratique, et nous pouvons accepter la relation suivante:ID = f (UGS).
Beaucoup de fabricants donne IDSS et UGS BLOCAGE ce qui permet, avec cette formule, de calculer le courant ID pour toute tension UGS.Cette relation est valable pour les J-FET et les MOS-FET à appauvrissement.
Pour les MOS-FET à enrichissement, les fabricants nous donnent facilement les valeurs du courant de drain ID (passant) pour une tension UGS (passant) .
Dans ce circuit, aucun courant ne traverse RG ce qui entraîne que la tension VDS se retrouve vers la grille et de ce fait
UGS = UDS. Dans ce cas, nous pouvons appliquer la relation:
5.Extraits d'un DATA BOOK
Les extraits d'un data-book ci-dessous nous renseignent entre autre sur la polarité de commande de chaque FET ainsi que sur le courant ID circulant lorsque UGS vaut 0V.
Dans la pratique de maintenance, il est souvent utile d'estimer la valeur des tensions (ou potentiels) aux bornes d'un FET, afin d'en déceler un éventuel dysfonctionnement.
Cliquer sur le bouton droit de la souris pour afficher l'agrandissement de l'image.6.Les montages à transistors FET
L'utilisation des transistors à effet de champ est immense. Nous les rencontrons utilisés en amplifications petits signaux (HF,BF), en amplification de puissance (HF,BF), en commutation et en technique intégrée.
Toutefois, les exemples d'utilisations choisis ci-dessous vont permettre au lecteur de se faire une idée sur le genre de circuits que nous pouvons rencontrer dans les appareils de l’électronique grand public. Nous y avons indiqués parfois quelques formules permettant de déterminer les tensions et courants présents dans le montage.
a) Les circuits de polarisation
Nous rappelons ici que la polarisation consiste à alimenter en tensions et courants continus de manière à amener les éléments actifs au point de repos Q.
b) les FET en commutation
Les transistors MOS sont souvent utilisés en technique intégrée grâce à leur grande rapidité de commutation. Il n'est pas rare de rencontrer des circuits intégrés numériques fabriqués en technique MOS.
c) Les FET en amplification
Le signal qui transite dans les montages amplificateurs à FET, comme pour les transistors bipolaires, représente des petites variations des tensions et courants autour du point derepos Q.
Le cas ci-contre du MOS-FET le démontre bien. La polarisation nulle entraîne un courant de drain de repos IDQ, et le signal fait varier ce courant.
Pour l'exemple du montage J-FET ci-dessous, la valeur de RS détermine la valeur du courant de repos IDQ au croisement de la caractéristique ID = f (UGS). Dans ce montage, UGS est égal à -UDS (car IG @ 0A). Nous pouvons tracer sur la caractéristique une droite partant de l'origine et représentant 1/RS. Le croisement avec la caractéristique du J-FET nous donne le point de repos Q.
Les variations autour du point Q, correspondent à une variation qui s'effectuerait sur la tengeante de la caractéristique. Dans ce cas, nous pouvons utiliser la relation
Dans cette relation, gm représente la trans-conductance du J-FET. En réalité, les fabricants donne une valeur maximale de la transconductance (lorsque UGS = 0V), notée gm0. De là, nous pouvons accepter les deux relations suivantes:
Formules valables pour le montage du J-FET ci-dessus.
De plus, ce qui intéresse souvent le dépanneur c'est de connaître la modification en amplitude du signal entre l'entrée et la sortie du montage.
Le signal qui transite dans les montages amplificateurs à FET, comme pour les transistors bipolaires, représente des petites variations des tensions et courants autour du point de repos Q.Nous verrons plus loin dans l'étude des montages amplificateurs à transistors que le gain en tension Au dépend fortement de la valeur des résistances du circuit drain - source RD et RS.
Les exemples de montages amplificateurs qui suivent donnent un échantillon de ce que nous pouvons renconter. Le dernier schéma présenté est un amplificateur audio complet dont "l'étage final" est réalisé avec deux transistors FET, schéma présenté dans la revue élector du mois de décembre 1993.
Le cas ci-contre du MOS-FET le démontre bien. La polarisation nulle entraîne un courant de drain de repos IDQ, et le signal fait varier ce courant.
La variation du courant de drain est récupérée en variation de tension aux bornes de la résistance de drain RD.
A l'image des montages à transistors bipolaires, le schéma équivalent AC d'un montage à FET permet de déterminer ses caractéristiques. Nous rencontrons des montages Drain commun, grille commune ou source commune.
Le grand avantage de ces transistors réside dans le fait qu'aucun courant de grille n'est consommé, ce qui donne une impédance d'entrée très élevée (RG valant facilement quelques méghoms). Le gain en tension vaut approximativement AU @ RD / RS et l'impédance de sortie prend la valeur de RD.
L'exemple du montage ci-dessous est un amplificateur audio complet dont "l'étage final" est réalisé avec deux transistors MOS-FET, schéma présenté dans la revue ELECTOR du mois de décembre 1993.
C.Aspect des Transistors
Boîtiers petits signaux
|  |  |
Domaines :
|
Etages basses fréquences, vidéos, oscillateurs, commande, drivers.
|
Etages basses - moyennes - hautes fréquences, vidéo.
|
Composants:
|
Transistors NPN-PNP, J-FET, MOS-FET,Darlington.
|
Transistors NPN-PNP, J-FET, MOS-FET.
|
Boîtiers grands signaux
|  |  |
Domaines :
|
Alimentation, étages amplification de puissance, commutation de puissance, étages de sorties.
|
Alimentation, étages amplification de puissance, commutation de puissance, étages de sorties.
|
Composants:
|
|
Régulateurs intégrés, transistorsNPN-PNP, J-FET, MOS-FET, Darlington,THY.
|
| |
Aspect:
|
Noirs, de dimensions variables et petites. Les indications sont présentent sur la face rectiligne. Parfois un code de couleurs est utilisé.
|
Précautions:
|
|
Spécifications typiques:
|
|
Boîtiers courants :
|
TO18 - TO92 - TO39
|
| |
Aspect :
|
Le boîtier métallique comporte souvent un ergot qui indique l'émetteur pour les transistors npn-pnp. La 4ème connexion est reliée au boîtier et permet le blindage.
|
Précautions :
|
Il vaut mieux vérifier à chaque fois le type de composant et le brochage du boîtier.
Les transistors J-FET ne supportent pas la mesure ohmique avec un instrument à aiguille.
|
Spécifications typiques:
|
|
Boîtiers courants :
|
TO39 - TO92
|
Boîtiers grands signaux
| |
Aspect :
|
La partie métallique du boîtier est pratiquement toujours reliée au collecteur pour les transistors.
|
Précautions :
|
Les courants importants et les grandes tensions inverses que supportent ces composants exigent d'être minutieux lors des mesures. Un très bref court-circuit peut vite être destructeur.
Il faut veiller au bons contacts électriques et thermiques du composant.
|
Spécifications typiques:
|
|
Boîtiers courants :
|
SOT93 - SOT193 - TO220 - TO126 - TO218
|
| |
Aspect :
|
Le boîtier métallique est toujours une connexion du composant. Pour les transistors, c'est le collecteur.
|
Précautions :
|
Les courants importants et les grandes tensions inverses que supportent ces composants exigent d'être minutieux lors des mesures. Un très bref court-circuit peut vite être destructeur.
Il faut veiller au bons contacts électriques et thermiques du composant.
|
Spécifications typiques:
|
|
Boîtiers courants :
|
TO3 -
|
Publier un commentaire
Blogger Facebook