Les sorties à collecteur ouvert sont très utiles pour commuter des charges incompatibles, mais peuvent nécessiter une résistance de tirage (pull-up) ou de rappel (pull-down) pour garantir le bon fonctionnement de la commutation.
Sorties à Collecteur Ouvert
Les sorties à collecteur ouvert sont de plus en plus courantes dans la conception de circuits numériques, des amplificateurs opérationnels et les applications de type microcontrôleur (Arduino), que ce soit pour l’interface avec d’autres circuits ou pour alimenter des charges à courant élevé comme des lampes indicatrices et des relais qui peuvent être incompatibles avec les caractéristiques électriques du circuit de contrôle. Mais que signifie “collecteur ouvert” et comment peut-on l’utiliser dans nos conceptions de circuits ?
Nous savons d’après nos tutoriels précédents qu’un transistor bipolaire à jonction, qu’il soit de type NPN ou PNP, est un dispositif à trois terminaux. Ces trois terminaux sont identifiés comme étant l’Émetteur, la Base, et le Collecteur.
Nous pouvons utiliser les transistors bipolaires pour fonctionner comme un Amplificateur, c’est-à-dire que le signal de sortie a une plus grande amplitude que le signal d’entrée, ou plus communément, comme un interrupteur électronique “ON/OFF” à état solide.
Comme le transistor bipolaire à jonction (BJT) est un dispositif à trois terminaux, il peut être configuré et opéré dans l’un des trois modes de commutation différents. Ceux-ci étant Base Commune (CB), Émetteur Commun (CE), et Collecteur Commun (CC).
La configuration “Émetteur Commun” est de loin la configuration de transistor la plus courante lorsqu’elle est utilisée pour l’amplification (région active) ou la commutation (régions de coupure ou de saturation). C’est donc la configuration de transistor que nous allons examiner ici dans ce tutoriel sur les sorties à collecteur ouvert.
Configuration Émetteur Commun
Dans cette configuration d’émetteur commun à étage unique, une résistance est connectée entre le terminal collecteur du transistor et le rail d’alimentation positif, VCC. Le signal d’entrée est appliqué entre la base et la jonction émetteur du transistor, avec le terminal de l’émetteur connecté directement à la terre. D’où le terme descriptif “émetteur commun”, (CE).
Le courant de polarisation, IB nécessaire pour activer le transistor est directement alimenté à la base du transistor NPN via la résistance de base RB, avec le signal de sortie, qui est déphasé de 180o par rapport au signal d’entrée, prélevé entre les terminaux collecteur et émetteur.
Cela permet de contrôler le courant collecteur du transistor entre zéro (coupure) et une certaine valeur maximale (saturation). C’est l’arrangement standard pour la configuration d’émetteur commun, soit polarisé pour fonctionner comme un amplificateur de classe A ou comme un interrupteur logique ON/OFF.
Le problème ici est que le transistor et sa résistance de charge collecteur sont liés ensemble à un même voltage d’alimentation commun. La résistance de collecteur, RC, est utilisée ici pour permettre au voltage des collecteurs, VC, de changer de valeur en fonction d’un signal d’entrée appliqué au terminal de base du transistor, permettant ainsi au transistor de produire un signal de sortie amplifié. Car sans RC, la tension sur le terminal collecteur serait toujours égale à la tension d’alimentation.
Comme mentionné précédemment, un transistor bipolaire à jonction peut être opérationnel entre ses régions de coupure et de saturation lorsque VBE est bien inférieur à 0,7 volts (courant de base nul), ou bien lorsqu’il est bien supérieur à 0,7 volts (courant de base maximal) respectivement.
De cette façon, le transistor bipolaire NPN peut être utilisé comme un interrupteur électronique effectuant une opération d’inversion, car lorsque le transistor est “OFF”, son terminal collecteur, et donc VCE, est “HAUT” au niveau de VCC, et lorsqu’il est “ON”, (conducteur) la sortie prise à travers VCE sera “BAISSE”, ce qui représente les conditions de commutation opposées si l’on souhaite contrôler un relais, un solénoïde ou une lampe, par exemple.
Une manière de surmonter cette inversion de l’état de commutation des transistors est de retirer complètement la résistance de collecteur, RC, et de rendre le terminal collecteur du transistor disponible pour être connecté à une charge externe. Ce type de configuration produit ce qu’on appelle couramment une configuration de sortie à collecteur ouvert.
Sortie à Collecteur Ouvert NPN
Lorsqu’un transistor bipolaire NPN est utilisé dans une configuration de Collecteur Ouvert (OC ou o/c), il est opéré entre étant complètement ALLUMÉ ou complètement ÉTEINT, agissant ainsi comme un interrupteur électronique à état solide.
C’est-à-dire qu’avec aucune tension de polarisation de base appliquée, le transistor sera complètement ÉTEINT, et lorsque l’une tension de polarisation de base appropriée est appliquée, le transistor sera complètement ALLUMÉ. Donc, lorsque le transistor est utilisé entre ses régions de coupure (ÉTEINT) et de saturation (ALLUMÉ), il ne fonctionne pas comme un appareil amplificateur comme il le ferait s’il était contrôlé dans sa région active.
La commutation du transistor entre la coupure et la saturation permet aux sorties de collecteur ouvert de piloter des charges connectées externes qui nécessitent des tensions et/ou des courants plus élevés que ceux autorisés par la précédente configuration d’émetteur commun. La seule limite est la tension et/ou les valeurs de courant maximales admissibles du transistor de commutation réel.
Ensuite, l’avantage des sorties à collecteur ouvert est que toute tension de commutation de sortie peut être obtenue simplement en tirant le terminal collecteur vers l’alimentation positive comme auparavant, ou en alimentant la charge à partir d’un rail d’alimentation séparé. Par exemple, vous pourriez vouloir alimenter une lampe ou un relais à faible courant qui nécessite une alimentation de +12 volts à partir de la sortie d’une porte logique à +5 volts ou d’une broche de sortie Arduino, Raspberry-Pi.
Cependant, l’inconvénient est que lors de l’utilisation de sorties à collecteur ouvert pour commuter des signaux numériques, des portes ou des entrées de circuits électroniques, une résistance de tirage externe est généralement requise, car le terminal collecteur du transistor n’a pas de capacité de sortie. Cela est dû au fait que pour un transistor NPN, il ne peut tirer la sortie qu’à la terre (0V) lorsqu’il est energisé; il ne peut pas la renvoyer ou la pousser à nouveau HAUTE lorsqu’il est en état OFF.
Lorsque non energisé, la sortie doit être ramenée HAUTE à nouveau en utilisant une “résistance de tirage” externe reliée entre son terminal collecteur et la tension d’alimentation pour éviter que le terminal de collecteur ouvert ne fluctue entre HAUT (+V) et BAS (0V) lorsque le transistor est ÉTEINT.
La valeur de cette résistance de tirage n’est pas critique et dépendra en partie de la valeur de courant de charge requise à la sortie, avec des valeurs résistives variant de quelques centaines à quelques milliers d’ohms étant typiques. Ainsi, pour un transistor bipolaire NPN, ses sorties à collecteur ouvert sont des sorties de dissipation de courant uniquement.
Circuit de Transistor à Collecteur Ouvert
L’image ci-dessus montre l’agencement typique d’un circuit de commutation à collecteur ouvert qui est utile pour piloter des dispositifs électromécaniques ainsi que de nombreuses autres applications de commutation. Le circuit de commande de base du transistor NPN pourrait être n’importe quel circuit analogique ou numérique approprié. Le collecteur du transistor est connecté à la charge à commuter, avec le terminal de l’émetteur du transistor connecté directement à la terre.
Pour une sortie à collecteur ouvert de type NPN, lorsqu’un signal de contrôle est appliqué à la base du transistor, il s’allume et la sortie, qui est connectée au terminal collecteur, est tirée vers le potentiel de terre par les jonctions conductrices du transistor maintenant energisant la charge connectée et l’allumant. Ainsi, le transistor commute et passe le courant de charge, IL, qui est déterminé en utilisant la loi d’Ohm comme suit :
Lorsque la commande positive de la base du transistor est retirée (ÉTEINT), le transistor NPN cesse de conduire et la charge, qui pourrait être une bobine de relais, un solénoïde, un petit moteur CC, une lampe, etc., est déenergisée et s’éteint également. Ensuite, le transistor de sortie peut servir à contrôler une charge connectée de manière externe alors que l’action de commutation de dissipation de courant du collecteur ouvert du transistor NPN agit comme un circuit ouvert (ÉTEINT) ou un court-circuit (ALLUMÉ).
L’avantage ici est que la charge du collecteur n’a pas besoin d’être connectée au même potentiel de tension que le circuit de commande du transistor, car elle pourrait utiliser un potentiel de tension inférieur ou supérieur, par exemple 12 volts, ou 30 volts CC.
Aussi, le même circuit numérique ou analogique simple peut être utilisé pour commuter de nombreuses charges différentes en changeant simplement le transistor de sortie. Par exemple, 6 VDC à 10mA (transistor 2N3904), ou 40 VDC à 3 ampères (transistor 2N3506), ou même utiliser un transistor Darlington à collecteur ouvert.
Exemple de Sortie à Collecteur Ouvert No1
Un pin de sortie numérique à +5 volts d’une carte Arduino est requis pour alimenter un relais électromécanique dans le cadre d’un projet scolaire. Si la bobine du relais est notée à 12 VDC, 100Ω et qu’un transistor NPN utilisé dans sa configuration à collecteur ouvert a un gain de courant (Beta) de 50, calculez la résistance de base requise pour faire fonctionner la bobine du relais.
Le courant à travers la bobine peut être calculé en utilisant la loi d’Ohm comme suit : I = V/R
Ainsi, pour un transistor NPN avec un gain de courant DC de 50, un courant de base de 2,4 mA est requis, en négligeant la tension de saturation collecteur-émetteur, (VCE(sat)) d’environ 0,2 volts. Rappelez-vous qu’un gain de courant DC d’un transistor est sa spécification de combien de courant de base est nécessaire pour produire le courant de collecteur résultant.
La chute de tension à travers la jonction base-émetteur (VBE) lorsque le transistor est complètement ALLUMÉ sera de 0,7 volts. Ainsi la valeur de la résistance de base, RB requise est calculée comme suit :
Ensuite, le circuit de transistor à collecteur ouvert serait :
Circuit à Collecteur Ouvert
Alors que le circuit de transistor à collecteur ouvert NPN produit une sortie de “dissipation de courant”, c’est-à-dire que le terminal de collecteur ouvert du transistor NPN tirera le courant à terre (0V), un transistor de type PNP peut également être utilisé dans une configuration de collecteur ouvert pour produire ce qu’on appelle une sortie de “source de courant”.
Sortie à Collecteur Ouvert PNP
Nous avons vu ci-dessus que la caractéristique principale d’une sortie à collecteur ouvert est que le signal de charge est activement “tiré vers le bas” vers le niveau de terre par l’action de commutation du transistor bipolaire NPN lorsqu’il est complètement ALLUMÉ, et tiré passivement vers le haut à nouveau lorsqu’il est ÉTEINT, produisant une sortie de dissipation de courant.
Mais nous pouvons créer la condition de commutation opposée en utilisant la sortie à collecteur ouvert d’un transistor bipolaire PNP pour commuter activement sa sortie vers un rail de tension d’alimentation et utiliser une résistance de “tirage vers le bas” connectée externement pour tirer passivement la sortie vers le bas à nouveau lorsqu’elle est ÉTEINTE.
Pour une sortie à collecteur ouvert de type PNP, il est uniquement possible pour le transistor de commuter la sortie HAUT vers le rail d’alimentation, donc son terminal de sortie doit être tiré passivement “BAISSE” à nouveau par une résistance de “tirage vers le bas” connectée externement comme montré.
Circuit de Transistor PNP à Collecteur Ouvert
Nous pouvons donc voir qu’une configuration de sortie à collecteur ouvert de type NPN ou PNP peut seulement tirer activement sa sortie vers le bas à terre, ou vers le haut à un rail d’alimentation (selon le type de transistor) lorsqu’il est ALLUMÉ, mais son terminal collecteur doit être tiré vers le haut ou vers le bas passivement par l’utilisation d’une résistance de tirage ou de rappel connectée à son terminal de sortie si la charge connectée n’est pas capable de le faire. Le type de transistor de sortie utilisé, et donc son action de commutation, produit soit une condition de dissipation de courant, soit une condition de source de courant.
En plus d’utiliser des transistors bipolaires dans leur configuration à collecteur ouvert, il est également possible d’utiliser des MOSFETs à canal N et P en mode d’amélioration ou IGBTs dans leur configuration de drain ouvert.
Contrairement au transistor bipolaire à jonction (BJT), qui nécessite un courant de base pour entraîner le transistor dans la saturation, le MOSFET normalement ouvert (amélioration) nécessite une tension appropriée appliquée à son terminal de grille (G). Le terminal source (S) du MOSFET est connecté directement à la terre ou au rail d’alimentation, tandis que le terminal drain ouvert (D) est connecté à la charge externe.
L’utilisation des MOSFETs (ou IGBTs) en tant que dispositifs de drain ouvert (OD) suit les mêmes exigences que pour les sorties à collecteur ouvert (OC) lors de l’alimentation en charges de puissance, ou de charges connectées à une alimentation de tension plus élevée, en ce sens que l’utilisation de résistances de tirage ou de rappel s’applique. La seule différence étant la capacité thermique de canal des MOSFETs et la protection contre les tensions statiques.
Configuration MOSFET d’Amélioration à Drain Ouvert
Résumé du Tutoriel
Nous avons vu ici dans ce tutoriel sur les sorties à collecteur ouvert qu’elles peuvent fournir une sortie de dissipation de courant ou de source de courant selon le type de transistor bipolaire utilisé, de type NPN ou PNP.
Quand un transistor de type NPN est dans son état “ON”, il fournira ou “décapera” un chemin vers la terre. Lorsqu’il est dans l’état “OFF”, son terminal de sortie peut flotter à moins que la sortie à collecteur ouvert ne soit connectée via une résistance de tirage au voltage positif d’alimentation.
Inversement, pour un transistor de type PNP. Lorsqu’il est dans son état “ON”, il fournira ou “source” un chemin depuis le rail d’alimentation. Lorsqu’il est dans l’état “OFF”, son terminal de sortie peut flotter à moins que la sortie à collecteur ouvert ne soit connectée via une résistance de tirage vers le bas à la terre (0V).
L’avantage des sorties à collecteur ouvert, ou des sorties de drain ouvert est que la charge à commuter ou à contrôler peut être connectée à une alimentation qui est indépendante, et/ou différente de la tension d’alimentation utilisée par le circuit de contrôle, et qu’elles peuvent “décaper” ou “source” une tension fournie extérieurement selon que c’est vers la terre ou vers la source. La seule limite est les valeurs maximales admissibles de tension et de courant du transistor de commutation de sortie ou du MOSFET.