Configuration d’un Transistor Bipolaire NPN

(Note : La flèche définit l’émetteur et le flux de courant conventionnel, « sortant » pour un transistor bipolaire NPN.)

La construction et les tensions des terminaux pour un transistor bipolaire NPN sont illustrées ci-dessus. La tension entre la Base et l’Émetteur (V_BE) est positive à la Base et négative à l’Émetteur car, pour un transistor NPN, le terminal de la Base est toujours positif par rapport à l’Émetteur. La tension d’alimentation du Collecteur doit également être plus positive par rapport à l’Émetteur (V_CE).

Par conséquent, pour qu’un transistor bipolaire NPN fonctionne correctement, le Collecteur doit toujours être plus positif par rapport aux terminaux de la Base et de l’Émetteur.

Connexion du Transistor NPN

Ensuite, les sources de tension sont connectées à un transistor NPN comme indiqué. Le Collecteur est connecté à la tension d’alimentation V_CC via la résistance de charge, R_L qui sert également à limiter le courant maximal circulant dans le dispositif.

La tension d’alimentation de la base V_B est connectée à la résistance de base R_B, qui est de nouveau utilisée pour limiter le courant maximal de la Base.

Dans un transistor NPN, c’est le mouvement des porteurs de charge négatifs (électrons) à travers la région de la Base qui constitue l’action du transistor, ces électrons mobiles fournissant le lien entre les circuits du Collecteur et de l’Émetteur. Ce lien entre les circuits d’entrée et de sortie est la caractéristique principale de l’action du transistor car les propriétés amplificatrices des transistors viennent du contrôle que la Base exerce sur le courant Collecteur-Émetteur.

Nous pouvons donc voir que le transistor est un dispositif commandé par le courant (modèle bêta) et qu’un grand courant (Ic) circule librement à travers le dispositif entre les terminaux du collecteur et de l’émetteur lorsque le transistor est commuté « complètement ON ». Cependant, cela n’arrive que lorsqu’un petit courant de polarisation (Ib) circule dans le terminal de base du transistor à ce moment-là, permettant ainsi à la Base d’agir comme une sorte d’entrée de contrôle de courant.

Le courant dans un transistor bipolaire NPN est le rapport de ces deux courants (Ic/Ib), appelé Gain de Courant DC du dispositif et symbolisé par hfe ou de nos jours Beta ( β ).

La valeur de β peut aller jusqu’à 200 pour les transistors standard, et c’est ce grand rapport entre Ic et Ib qui rend le transistor bipolaire NPN un dispositif amplificateur utile lorsqu’il est utilisé dans sa région active car Ib fournit l’entrée et Ic fournit la sortie. Notez que Beta n’a pas d’unités car c’est un ratio.

De plus, le gain de courant du transistor entre le terminal Collecteur et le terminal Émetteur, Ic/Ie, est appelé Alpha ( α ) et est une fonction du transistor lui-même (électrons se diffusant à travers la jonction).

Relation entre α et β dans un Transistor NPN

En combinant les deux paramètres α et β, nous pouvons produire deux expressions mathématiques qui donnent la relation entre les différents courants circulant dans le transistor.

Les valeurs de Beta varient d’environ 20 pour les transistors de puissance à courant élevé à plus de 1000 pour les transistors bipolaires de faible puissance à haute fréquence. La valeur de Beta pour la plupart des transistors NPN standard peut être trouvée dans les fiches techniques des fabricants mais varie généralement entre 50 et 200.

L’équation ci-dessus pour Beta peut également être réarrangée pour faire de Ic le sujet, et avec un courant de base nul (Ib = 0), le courant collecteur résultant Ic sera également nul, ( β*0).

Notez également que lorsque le courant de base est élevé, le courant collecteur correspondant sera également élevé, ce qui permet au courant de base de contrôler le courant collecteur. L’une des propriétés les plus importantes du transistor à jonction bipolaire est qu’un petit courant de base peut contrôler un courant collecteur beaucoup plus grand. Considérons l’exemple suivant.

Exemple de Transistor NPN No1

Un transistor bipolaire NPN a un gain de courant DC (Beta) de 200. Calculez le courant de base Ib nécessaire pour commuter une charge résistive de 4mA.

Donc, β = 200, Ic = 4mA et Ib = 20µA.

Un autre point à retenir concernant les transistors bipolaires NPN. La tension collecteur (Vc) doit être plus grande et positive par rapport à la tension émetteur (Ve) pour permettre au courant de circuler à travers le transistor entre les jonctions collecteur-émetteur. Il existe également une chute de tension entre la Base et le terminal Émetteur d’environ 0,7V (une chute de tension de diode) pour les dispositifs en silicium car les caractéristiques d’entrée d’un transistor NPN sont d’une diode polarisée en direct.

Par conséquent, la tension de base (Vbe) d’un transistor NPN doit être supérieure à cette 0,7V sinon le transistor ne conduira pas avec le courant de base donné comme.

Où :   Ib est le courant de base, Vb est la tension de polarisation de la base, Vbe est la chute de tension base-émetteur (0,7v) et Rb est la résistance d’entrée de la base. En augmentant Ib, Vbe augmente lentement jusqu’à 0,7V mais Ic augmente de manière exponentielle.

Exemple de Transistor NPN No2

Un transistor NPN a une tension de polarisation CC de base, Vb de 10v et une résistance d’entrée de base, Rb de 100kΩ. Quelle sera la valeur du courant de base dans le transistor ?

Donc, Ib = 93µA.

La Configuration Émetteur Commun.

En plus d’être utilisé comme un commutateur à semi-conducteur pour allumer ou éteindre des courants de charge en contrôlant le signal de la Base au transistor dans ses régions de saturation ou de coupure, les transistors bipolaires NPN peuvent également être utilisés dans leur région active pour produire un circuit qui amplifiera tout petit signal AC appliqué à son terminal Base avec l’Émetteur à la terre.

Si une tension de polarisation CC appropriée est d’abord appliquée au terminal de la Base du transistor, permettant ainsi à celui-ci de toujours fonctionner dans sa région active linéaire, un circuit amplificateur inversé appelé amplificateur à émetteur commun à étage unique est produit.

Une telle configuration d’Amplificateur à Émetteur Commun d’un transistor NPN est appelée amplificateur de Classe A. L’opération d’un amplificateur de Classe A est telle que le terminal de la Base du transistor est polarisé de façon à polariser directement la jonction de la Base et de l’Émetteur.

Le résultat est que le transistor fonctionne toujours à mi-chemin entre ses régions de coupure et de saturation, permettant ainsi à l’amplificateur transistor de reproduire fidèlement les demi-onde positives et négatives de tout signal d’entrée AC superposé à cette tension de polarisation CC.

Sans cette « tension de polarisation », seule une moitié du signal d’entrée serait amplifiée. Cette configuration d’amplificateur à émetteur commun utilisant un transistor NPN a de nombreuses applications mais est couramment utilisée dans les circuits audio tels que les préamplificateurs et les étages d’amplificateurs de puissance.

En référence à la configuration de l’émetteur commun illustrée ci-dessous, une famille de courbes connues sous le nom de Courbes de Caractéristiques de Sortie, relie le courant de collecteur de sortie (Ic) à la tension de collecteur (Vce) lorsque différentes valeurs de courant de base (Ib) sont appliquées. Les courbes de caractéristiques de sortie sont appliquées au transistor pour les transistors ayant la même valeur de β.

Une « ligne de charge DC » peut également être tracée sur les courbes de caractéristiques de sortie pour montrer tous les points de fonctionnement possibles lorsque différentes valeurs de courant de base sont appliquées. Il est nécessaire de définir correctement la valeur initiale de Vce pour permettre à la tension de sortie de varier à la fois vers le haut et vers le bas lors de l’amplification des signaux d’entrée AC, et cela s’appelle définir le point de fonctionnement ou Point Quiescent, Q-point pour faire court, comme illustré ci-dessous.

Circuit Amplificateur à Émetteur Commun à Étages Uniques

Cours de Caractéristiques de Sortie d’un Transistor Bipolaire Typique

Le facteur le plus important à noter est l’effet de Vce sur le courant collecteur Ic lorsque Vce est supérieur à environ 1,0 volt. Nous pouvons voir que Ic est largement unaffected par les changements dans Vce au-dessus de cette valeur et est presque entièrement contrôlé par le courant de base, Ib. Quand cela se produit, nous pouvons alors dire que le circuit de sortie représente celui d’une « Source de Courant Constant ».

Il peut également être vu à partir du circuit de l’émetteur commun ci-dessus que le courant de l’émetteur Ie est la somme du courant collecteur, Ic et du courant de base, Ib, ajoutés ensemble donc nous pouvons également dire que Ie = Ic + Ib pour la configuration de l’émetteur commun (CE).

En utilisant les courbes de caractéristiques de sortie dans notre exemple ci-dessus et également la loi d’Ohm, le courant circulant à travers la résistance de charge, (R_L), est égal au courant collecteur, Ic entrant dans le transistor, ce qui correspond à la tension d’alimentation, (Vcc) moins la chute de tension entre les terminaux collecteur et émetteur, (Vce) et est donné comme suit :

De plus, une ligne droite représentant la Ligne de Charge Dynamique du transistor peut être tracée directement sur le graphique des courbes ci-dessus à partir du point de « Saturation » (A) lorsque Vce = 0 jusqu’au point de « Coupure » (B) lorsque Ic = 0 donnant ainsi le « Point de Fonctionnement » ou Q-point du transistor. Ces deux points sont reliés par une ligne droite et toute position le long de cette ligne représente la « Région Active » du transistor. La position réelle de la ligne de charge sur les courbes de caractéristiques peut être calculée comme suit :

Ainsi, les courbes de caractéristiques collecteur ou de sortie pour les Transistors NPN à Émetteur Commun peuvent être utilisées pour prédire le courant de collecteur, Ic, lorsque la tension Vce et le courant de base Ib sont donnés. Une ligne de charge peut également être construite sur les courbes pour déterminer un Point de Fonctionnement ou Q-point adéquat qui peut être défini par l’ajustement du courant de base. La pente de cette ligne de charge est égale à l’inverse de la résistance de charge donnée comme : -1/R_L.

Nous pouvons donc définir un transistor NPN comme étant normalement « OFF », mais un petit courant d’entrée et une petite tension positive à sa Base (B) par rapport à son Émetteur (E) l’allumera « ON », permettant ainsi à un courant Collecteur-Émetteur beaucoup plus important de circuler. Les transistors NPN conduisent lorsque Vc est beaucoup plus grand que Ve.

Dans le prochain tutoriel sur les transistors bipolaires, nous examinerons la forme opposée ou complémentaire du transistor NPN appelé transistor PNP et montrerons que le transistor PNP a des caractéristiques très similaires à celles du transistor bipolaire NPN, à l’exception des polarités (ou polarisations) des directions de courant et de tension qui sont inversées.