Opération en mode actif (BJT)
Lorsqu'un transistor est à l'état complètement éteint (comme un interrupteur ouvert), on dit qu'il est coupure . Inversement, lorsqu'il est entièrement conducteur entre l'émetteur et le collecteur (en faisant passer autant de courant à travers le collecteur que l'alimentation et la charge du collecteur le permettent), il est dit saturé . Ce sont les deux modes de fonctionnement exploré jusqu'à présent en utilisant le transistor comme interrupteur.
Cependant, les transistors bipolaires ne doivent pas être limités à ces deux modes de fonctionnement extrêmes. Comme nous l'avons appris dans la section précédente, le courant de base "ouvre une porte" pour une quantité limitée de courant à travers le collecteur. Si cette limite pour le courant contrôlé est supérieure à zéro mais inférieure au maximum autorisé par le circuit d'alimentation et de charge, le transistor "étranglera" le courant de collecteur dans un mode quelque part entre la coupure et la saturation. Ce mode de fonctionnement est appelé actif .
Coupe, saturation et mode actif
Une analogie automobile pour le transistor le fonctionnement est le suivant :
Mode de coupure - est la condition d'absence de force motrice générée par les pièces mécaniques de la voiture pour la faire bouger. En mode coupure, le frein est engagé (courant de base nul), empêchant le mouvement (courant collecteur).
Mode actif - est l'automobile roulant à une vitesse constante et contrôlée (courant de collecteur constant et contrôlé) comme dicté par le conducteur.
S turation - l'automobile monte une pente raide qui l'empêche d'aller aussi vite que le conducteur le souhaite. En d'autres termes, une automobile « saturée » est une automobile avec la pédale d'accélérateur enfoncée (le courant de base demande plus de courant de collecteur que ne peut en fournir le circuit d'alimentation/de charge). Mettons en place un circuit pour la simulation SPICE afin de démontrer ce qui se passe lorsqu'un transistor est dans son mode de fonctionnement actif. (Figure ci-dessous)
Circuit de simulation SPICE « mode actif » et netlist.
« Q » est la désignation de lettre standard pour un transistor dans un schéma, tout comme « R » pour une résistance et « C » pour un condensateur. Dans ce circuit, nous avons un transistor NPN alimenté par une batterie (V1) et contrôlé par le courant via une source de courant (I1).
Une source de courant est un appareil qui produit une quantité spécifique de courant, générant autant ou aussi peu de tension à ses bornes pour garantir que la quantité exacte de courant la traverse. Les sources de courant sont notoirement difficiles à trouver dans la nature (contrairement aux sources de tension, qui tentent en revanche de maintenir une tension constante, produisant autant ou aussi peu de courant dans l'accomplissement de cette tâche), mais peuvent être simulées avec une petite collection de composants électroniques . Comme nous sommes sur le point de le voir, les transistors eux-mêmes ont tendance à imiter le comportement à courant constant d'une source de courant dans leur capacité à réguler courant à une valeur fixe.
Dans la simulation SPICE, nous allons définir la source de courant (I1) à une valeur constante de 20 µA, puis faire varier la source de tension (V1) sur une plage de 0 à 2 volts et surveiller la quantité de courant qui la traverse. La batterie "factice" (Vampèremètre) dans la figure ci-dessus avec sa sortie de 0 volt sert simplement à fournir à SPICE un élément de circuit pour la mesure du courant.
Une tension de collecteur de balayage 0 à 2 V avec un courant de base constant à 20 µA produit un courant de collecteur constant de 2 mA dans la région de saturation.
Le courant de base constant de 20 µA définit une limite de courant de collecteur de 2 mA, exactement 100 fois plus. Remarquez à quel point la courbe est plate (Figure ci-dessus) pour le courant de collecteur sur la plage de tension de batterie de 0 à 2 volts. La seule exception à ce tracé sans particularité est au tout début, où la batterie passe de 0 volt à 0,25 volt. Là, le courant du collecteur augmente rapidement de 0 ampères à sa limite de 2 mA.
Voyons ce qui se passe si l'on fait varier la tension de la batterie sur une plage plus large, cette fois de 0 à 50 volts. Nous maintiendrons le courant de base stable à 20 µA. (Figure ci-dessous)
La tension de balayage du collecteur de 0 à 50 V avec un courant de base constant à 20 µA donne un courant de collecteur constant de 2 mA.
Même résultat ! Le courant de collecteur dans la figure ci-dessus reste stable à 2 mA, bien que la tension de la batterie (v1) varie de 0 à 50 volts. Il semblerait d'après notre simulation que la tension collecteur-émetteur a peu d'effet sur le courant de collecteur, sauf à des niveaux très bas (juste au-dessus de 0 volt). Le transistor agit comme un régulateur de courant, permettant exactement 2 mA à travers le collecteur et pas plus.
Voyons maintenant ce qui se passe si nous augmentons le courant de contrôle (I1) de 20 µA à 75 µA, en balayant à nouveau la tension de la batterie (V1) de 0 à 50 volts et en traçant le courant du collecteur sur la figure ci-dessous.
La tension du collecteur de balayage 0 à 50 V (.dc v1 0 50 2) avec un courant de base constant à 75 µA donne un courant de collecteur constant de 7,5 mA. D'autres courbes sont générées par balayage de courant (i1 15u 75u 15u) dans la déclaration d'analyse DC (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).
Sans surprise, SPICE nous donne un tracé similaire :une ligne plate, restant stable cette fois à 7,5 mA, exactement 100 fois le courant de base, sur la plage de tensions de batterie allant d'un peu plus de 0 volt à 50 volts. Il semble que le courant de base soit le facteur décisif pour le courant de collecteur, la tension de la batterie V1 n'étant pas pertinente tant qu'elle est au-dessus d'un certain niveau minimum.
Cette relation tension/courant est totalement différente de ce que nous avons l'habitude de voir à travers une résistance. Avec une résistance, le courant augmente linéairement à mesure que la tension à ses bornes augmente. Ici, avec un transistor, le courant de l'émetteur au collecteur reste limité à une valeur maximale fixe, quelle que soit l'augmentation de la tension aux bornes de l'émetteur et du collecteur.
Il est souvent utile de superposer plusieurs graphes courant/tension collecteur pour différents courants de base sur le même graphe comme dans la figure ci-dessous. Une collection de courbes comme celle-ci - une courbe tracée pour chaque niveau distinct de courant de base - pour un transistor particulier est appelée les courbes caractéristiques du transistor. :
Courant collecteur par rapport à la tension collecteur-émetteur pour divers courants de base.
Chaque courbe du graphique reflète le courant de collecteur du transistor, tracé sur une plage de tensions collecteur-émetteur, pour une quantité donnée de courant de base. Étant donné qu'un transistor a tendance à agir comme un régulateur de courant, limitant le courant de collecteur à une proportion définie par le courant de base, il est utile d'exprimer cette proportion en tant que mesure de performance standard d'un transistor. Plus précisément, le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base est connu sous le nom de Bêta rapport (symbolisé par la lettre grecque β) :
Parfois, le rapport β est désigné par « h fe ," une étiquette utilisée dans une branche de l'analyse mathématique des semi-conducteurs connue sous le nom de « paramètres hybrides ” qui s'efforce d'obtenir des prédictions précises des performances des transistors avec des équations détaillées. Les variables de paramètres hybrides sont nombreuses, mais chacune est étiquetée avec la lettre générale "h" et un indice spécifique. La variable « hfe » n'est qu'une autre façon (normalisée) d'exprimer le rapport du courant de collecteur au courant de base et est interchangeable avec « β ». Le rapport est sans unité.
β pour tout transistor est déterminé par sa conception :il ne peut pas être modifié après fabrication. Il est rare d'avoir deux transistors de même conception qui correspondent exactement en raison des variables physiques affectant β. Si une conception de circuit repose sur des rapports β égaux entre plusieurs transistors, des « ensembles appariés » de transistors peuvent être achetés moyennant des frais supplémentaires. Cependant, il est généralement considéré comme une mauvaise pratique de conception de concevoir des circuits avec de telles dépendances.
Le d'un transistor ne reste pas stable pour toutes les conditions de fonctionnement . Pour un transistor réel, le rapport peut varier d'un facteur supérieur à 3 dans ses limites de courant de fonctionnement. Par exemple, un transistor avec un annoncé de 50 peut être testé avec des rapports Ic/Ib aussi bas que 30 et aussi élevés que 100, selon la quantité de courant de collecteur, la température du transistor et la fréquence du signal amplifié, entre autres facteurs. Pour les besoins du didacticiel, il suffit de supposer une constante pour tout transistor donné ; réalisez que la vraie vie n'est pas si simple !
Parfois, il est utile pour la compréhension de « modéliser » des composants électroniques complexes avec une collection de composants plus simples et mieux compris. Le modèle de la figure ci-dessous est utilisé dans de nombreux textes d'introduction à l'électronique.
Modèle de transistor à diode-résistance élémentaire.
Ce modèle moule le transistor comme une combinaison de diode et de rhéostat (résistance variable). Le courant traversant la diode base-émetteur contrôle la résistance du rhéostat collecteur-émetteur (comme l'implique la ligne pointillée reliant les deux composants), contrôlant ainsi le courant du collecteur. Un transistor NPN est modélisé dans la figure illustrée, mais un transistor PNP ne serait que légèrement différent (seule la diode base-émetteur serait inversée).
Ce modèle réussit à illustrer le concept de base de l'amplification des transistors :comment le signal de courant de base peut exercer un contrôle sur le courant de collecteur. Cependant, le modèle communique mal la notion d'une quantité définie de résistance collecteur-émetteur pour une quantité donnée de courant de base. Si cela était vrai, le transistor ne régulerait pas courant de collecteur comme le montrent les courbes caractéristiques. Au lieu que les courbes de courant collecteur s'aplatissent après leur brève augmentation à mesure que la tension collecteur-émetteur augmente, le courant collecteur serait directement proportionnel à la tension collecteur-émetteur, augmentant régulièrement en ligne droite sur le graphique.
Un meilleur modèle de transistor, souvent vu dans les manuels plus avancés, est illustré dans la figure ci-dessous.
Modèle de source de courant du transistor.
Il projette le transistor comme une combinaison d'une diode et d'une source de courant, la sortie de la source de courant étant réglée à un multiple (rapport β) du courant de base. Ce modèle est beaucoup plus précis pour décrire les véritables caractéristiques d'entrée/sortie d'un transistor :le courant de base établit une certaine quantité de courant de collecteur , plutôt qu'une certaine quantité de résistance collecteur-émetteur comme le premier modèle l'implique. Aussi, ce modèle est privilégié lors de la réalisation d'analyses de réseau sur des circuits à transistors, la source de courant étant une composante théorique bien comprise. Malheureusement, l'utilisation d'une source de courant pour modéliser le comportement de contrôle du courant du transistor peut être trompeuse :en aucun cas le transistor n'agira comme une source d'énergie électrique. La source de courant ne modélise pas le fait que sa source d'énergie est une alimentation externe, semblable à un amplificateur.
AVIS :
- On dit qu'un transistor est actif mode s'il fonctionne quelque part entre complètement activé (saturé) et complètement désactivé (coupure).
- Le courant de base régule le courant du collecteur. En réguler , nous voulons dire qu'il ne peut exister plus de courant de collecteur que ce qui est autorisé par le courant de base.
- Le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base est appelé « Beta » (β) ou « hfe ».
- Les rapports β sont différents pour chaque transistor, et
- β changements pour différentes conditions de fonctionnement.
FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :
- Fiche de travail sur les transistors à jonction bipolaire en mode actif
Technologie industrielle