Transistor en tant qu’interrupteur

Lorsqu’ils sont utilisés comme amplificateurs de signaux alternatifs, la tension de polarisation de la base des transistors est appliquée de manière à ce qu’ils fonctionnent toujours dans leur région “active”, c’est-à-dire que la partie linéaire des courbes de caractéristiques de sortie est utilisée. Cependant, les transistors bipolaires de type NPN et PNP peuvent être utilisés comme interrupteurs à état solide de type “ON/OFF” en polarisant la borne de base des transistors différemment, faisant fonctionner le transistor comme un interrupteur.

Les interrupteurs à état solide sont l’une des principales applications de l’utilisation de transistors pour activer un courant continu “ON” ou “OFF”. Certains dispositifs de sortie, tels que les LED, n’exigent que quelques milliampères à des tensions de courant continu à niveau logique et peuvent donc être pilotés directement par la sortie d’une porte logique. Cependant, des dispositifs de haute puissance tels que des moteurs, des solénoïdes ou des lampes nécessitent souvent plus de puissance que celle fournie par une porte logique ordinaire, c’est pourquoi des interrupteurs à transistors sont utilisés.

Si le circuit utilise le Transistor Bipolaire comme Interrupteur, alors la polarisation du transistor, que ce soit NPN ou PNP, est arrangée pour faire fonctionner le transistor des deux côtés des courbes de caractéristiques “I-V” que nous avons vues précédemment.

Les zones de fonctionnement d’un interrupteur à transistor sont connues sous le nom de Zone de Saturation et de Zone de Coupure. Cela signifie que nous pouvons ignorer la polarisation du point de fonctionnement Q et le circuit diviseur de tension nécessaires pour l’amplification, et utiliser le transistor comme interrupteur en le faisant passer d’un état “complètement OFF” (coupé) à un état “complètement ON” (saturé) comme montré ci-dessous.

Zones de Fonctionnement

La zone colorée en rose en bas des courbes représente la zone “Coupure” tandis que la zone bleue à gauche représente la zone de “Saturation” du transistor. Ces deux zones des transistors sont définies comme suit :

1. Zone de Coupure

Dans cette zone, les conditions de fonctionnement du transistor sont un courant de base d’entrée nul (I_B), un courant de collecteur de sortie nul (I_C) et une tension de collecteur maximale (V_CE) qui entraîne une grande zone de déplétion et aucun courant ne circule à travers le dispositif. Par conséquent, le transistor est coupé “complètement OFF”.

Caractéristiques de Coupure

• La base et l’entrée sont mises à la terre (0v) • La tension Base-Émetteur VBE < 0.7v • La jonction Base-Émetteur est polarisée inversement • La jonction Base-Collecteur est polarisée inversement • Le transistor est “complètement OFF” (zone de coupure) • Aucun courant de collecteur ne circule (IC = 0) • VOUT = VCE = VCC = “1” • Le transistor fonctionne comme un “interrupteur ouvert”

Nous pouvons donc définir la “zone de coupure” ou le “mode OFF” lorsque nous utilisons un transistor bipolaire comme interrupteur comme étant, les deux jonctions polarisées en inverse, V_B < 0.7v et I_C = 0. Pour un transistor PNP, le potentiel de l’Émetteur doit être négatif par rapport à la Base.

2. Zone de Saturation

Dans cette zone, le transistor est polarisé de telle manière que le maximum de courant de base est appliqué, entraînant un maximum de courant de collecteur, ce qui réduit au minimum la chute de tension collecteur-émetteur, réduisant ainsi la zone de déplétion au maximum et permettant un courant maximal à travers le transistor. Par conséquent, le transistor est “complètement ON”.

Caractéristiques de Saturation

• L’entrée et la Base sont connectées à VCC • La tension Base-Émetteur VBE > 0.7v • La jonction Base-Émetteur est polarisée directement • La jonction Base-Collecteur est polarisée directement • Le transistor est “complètement ON” (zone de saturation) • Le courant maximum du collecteur circule (IC = Vcc/RL) • VCE = 0 (saturation idéale) • VOUT = VCE = “0” • Le transistor fonctionne comme un “interrupteur fermé”

Nous pouvons donc définir la “zone de saturation” ou le “mode ON” lorsque nous utilisons un transistor bipolaire comme interrupteur comme. Les deux jonctions polarisées directement, V_B > 0.7v et I_C = Maximum. Pour un transistor PNP, le potentiel de l’Émetteur doit être positif par rapport à la Base.

Le transistor fonctionne alors comme un interrupteur à un pôle à un jet (SPST). Avec un signal nul appliqué à la Base du transistor, il est “OFF” agissant comme un interrupteur ouvert et aucun courant de collecteur ne circule. Avec un signal positif appliqué à la Base du transistor, il est “ON” agissant comme un interrupteur fermé, permettant un courant maximal dans le circuit.

Le moyen le plus simple de contrôler des quantités modérées à élevées de puissance consiste à utiliser le transistor avec une sortie collecteur ouverte et à connecter directement la borne Émetteur du transistor à la terre. Lorsqu’il est utilisé de cette manière, la sortie à collecteur ouvert du transistor peut alors “dégrader” une tension fournie de manière externe à la terre, contrôlant ainsi toute charge connectée.

Un exemple d’un transistor NPN en tant qu’interrupteur contrôlant un relais est donné ci-dessous. Avec des charges inductives telles que des relais ou des solénoïdes, une diode de roue libre est placée à travers la charge pour dissiper l’EMF inverse généré par la charge inductive lorsque le transistor bascule “OFF” ce qui protège le transistor de dommages. Si la charge est d’une nature très haute courant ou tension, comme des moteurs, des chauffages, etc., alors le courant de charge peut être contrôlé via un relais approprié comme montré.

Circuit de Commutation de Transistor NPN de Base

Le circuit ressemble à celui du circuit Émetteur Commun que nous avons examiné dans les tutoriels précédents. La différence cette fois est qu’il faut faire basculer le transistor complètement “OFF” (coupé) ou complètement “ON” (saturé).

Un interrupteur à transistor idéal aurait une résistance de circuit infinie entre le Collecteur et l’Émetteur lorsqu’il est “complètement OFF”, ce qui résulte en un courant nul circulant à travers lui, et une résistance nulle entre le Collecteur et l’Émetteur lorsqu’il est “complètement ON”, entraînant un écoulement maximal de courant.

En pratique, lorsque le transistor est “OFF”, de petits courants de fuite circulent à travers le transistor et lorsqu’il est complètement “ON”, l’appareil a une faible valeur de résistance causant une petite tension de saturation (V_CE) à travers lui. Bien que le transistor ne soit pas un interrupteur parfait, dans les régions de coupure et de saturation, la puissance dissipée par le transistor est à son minimum.

Pour que le courant de Base circule, la borne d’entrée de la Base doit être rendue plus positive que l’Émetteur en l’augmentant au-dessus des 0.7 volts nécessaires pour un dispositif en silicium. En variant cette tension Base-Émetteur V_BE, le courant de Base est également modifié, ce qui contrôle à son tour le montant du courant de Collecteur circulant à travers le transistor comme discuté précédemment.

Lorsque le courant maximum de collecteur circule, on dit que le transistor est Saturé. La valeur de la résistance de Base détermine combien de voltage d’entrée est requis et le courant de Base correspondant pour faire passer le transistor entièrement “ON”.

Transistor comme Un Interrupteur Exemple N°1

En utilisant les valeurs de transistor des tutoriels précédents de : β = 200, Ic = 4mA et Ib = 20uA, trouvez la valeur de la résistance de Base (Rb) requise pour passer la charge complètement “ON” lorsque le voltage de la borne d’entrée dépasse 2.5v.

La valeur préférée la plus basse suivante est : 82kΩ, cela garantit que l’interrupteur à transistor est toujours saturé.

Transistor comme Un Interrupteur Exemple N°2

Encore une fois en utilisant les mêmes valeurs, trouvez le minimum de courant de Base requis pour faire tourner le transistor “complètement ON” (saturé) pour une charge qui nécessite 200mA de courant lorsque la tension d’entrée est augmentée à 5.0V. Calculez également la nouvelle valeur de Rb.

Courant de Base du transistor :

Résistance de Base du transistor :

Les interrupteurs à transistor sont utilisés pour une variété d’applications telles que l’interface de dispositifs à courant élevé ou à haute tension comme des moteurs, des relais ou des lampes avec des circuits intégrés numériques ou des portes logiques comme les portes AND ou OR.

Ici, la sortie d’une porte logique digitale est seulement +5v mais le dispositif à contrôler peut nécessiter une alimentation de 12 voire 24 volts. Ou la charge telle qu’un moteur CC peut avoir besoin d’avoir sa vitesse contrôlée à l’aide d’une série d’impulsions (Modulation de Largeur d’Impulsion). Les interrupteurs à transistor nous permettront de faire cela plus rapidement et plus facilement qu’avec des interrupteurs mécaniques conventionnels.

Interrupteur à Transistor Digital Logique

La résistance de base, Rb est requise pour limiter le courant de sortie de la porte logique.

Interrupteur à Transistor PNP

Nous pouvons également utiliser les transistors PNP comme interrupteurs, la différence cette fois-ci est que la charge est connectée à la terre (0v) et que le transistor PNP connecte l’alimentation à celle-ci. Pour faire fonctionner le transistor PNP comme un interrupteur “ON”, la borne de Base est connectée à la terre ou à zéro volts (LOW) comme montré.

Circuit de Commutation du Transistor PNP

Les équations pour calculer la résistance de base, le courant de collecteur et les tensions sont exactement les mêmes que pour l’interrupteur à transistor NPN précédent. La différence cette fois-ci est que nous commutons l’alimentation avec un transistor PNP (fournissant le courant) au lieu de commutation à la terre avec un transistor NPN (absorbant le courant).

Interrupteur à Transistor Darlington

Parfois, le gain de courant continu du transistor bipolaire est trop faible pour commuter directement le courant ou la tension de la charge, c’est pourquoi plusieurs transistors de commutation sont utilisés. Ici, un petit transistor d’entrée est utilisé pour activer “ON” ou “OFF” un transistor de sortie beaucoup plus grand.

Pour maximiser le gain de signal, les deux transistors sont connectés dans une “Configuration de Compounding de Gain Complémentaire” ou ce que l’on appelle plus communément une “Configuration Darlington” où le facteur d’amplification est le produit des deux transistors individuels.

Les Transistors Darlington contiennent simplement deux transistors bipolaires de type NPN ou PNP reliés entre eux de manière à ce que le gain de courant du premier transistor soit multiplié par celui du gain de courant du second transistor, produisant ainsi un dispositif qui agit comme un seul transistor avec un gain de courant très élevé pour un courant de base beaucoup plus petit.

Le gain de courant global Beta (β) ou hfe d’un dispositif Darlington est le produit des gains individuels des deux transistors et est donné par :

Ainsi, les transistors Darlington avec des valeurs de β très élevées et des courants de collecteur élevés sont possibles par rapport à un interrupteur à transistor unique. Par exemple, si le premier transistor d’entrée a un gain de courant de 100 et que le second transistor de commutation a un gain de courant de 50 alors le gain de courant total sera 100 * 50 = 5000.

Par exemple, si notre courant de charge ci-dessus est 200mA, alors le courant de base de darlington est seulement 200mA/5000 = 40uA. Une énorme réduction par rapport au précédent 1mA pour un unique transistor.

Un exemple des deux types de configurations de transistor Darlington de base est donné ci-dessous.

Configurations de Transistor Darlington

La configuration d’interrupteur à transistor Darlington NPN ci-dessus montre les collecteurs des deux transistors connectés ensemble avec l’émetteur du premier transistor relié à la base du second transistor, donc le courant d’émetteur du premier transistor devient le courant de base du second transistor le mettant “ON”.

Le premier ou “transistor d’entrée” reçoit le signal d’entrée à sa base. Ce transistor l’amplifie comme d’habitude et l’utilise pour piloter le second transistor de sortie plus grand. Le second transistor amplifie à son tour le signal résultant en un gain de courant très élevé. L’une des principales caractéristiques des Transistors Darlington est leur haut gain de courant par rapport aux transistors bipolaires uniques.

En plus de ses capacités de commutation élevées en courant et en tension, un autre avantage d’un “Interrupteur à Transistor Darlington” est sa grande rapidité de commutation, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans des circuits d’onduleurs, des circuits d’éclairage et des applications de contrôle de moteur CC ou de moteur pas à pas.

Une différence à considérer lors de l’utilisation des transistors Darlington par rapport aux types bipolaires uniques conventionnels lors de l’utilisation du transistor comme interrupteur est que la tension d’entrée Base-Émetteur (V_BE) doit être plus élevée à environ 1.4v pour les dispositifs en silicium, en raison de la connexion série des deux jonctions PN.

Résumé du Transistor comme Interruptions

Puis pour résumer lorsque l’on utilise un Transistor comme Interrupteur, les conditions suivantes s’appliquent :

• Les interrupteurs à transistor peuvent être utilisés pour activer et contrôler des lampes, des relais ou même des moteurs.
• Lors de l’utilisation du transistor bipolaire comme interrupteur, il doit être soit “complètement OFF” soit “complètement ON”.
• Les transistors qui sont complètement “ON” sont dits dans leur région Saturation.
• Les transistors qui sont complètement “OFF” sont dits dans leur région Coupure.
• Lors de l’utilisation du transistor comme interrupteur, un petit courant de base contrôle un courant de charge de collecteur beaucoup plus grand.
• Lors de l’utilisation des transistors pour commuter des charges inductives telles que des relais et des solénoïdes, une “Diode de Flywheel” est utilisée.
• Lorsque de grands courants ou tensions doivent être commandés, les Transistors Darlington peuvent être utilisés.

Dans le prochain tutoriel sur les Transistors, nous examinerons le fonctionnement du transistor à effet de champ à jonction couramment appelé JFET. Nous tracerons également les courbes caractéristiques de sortie habituellement associées aux circuits amplificateurs JFET en fonction de la tension de Source par rapport à la tension de Gate.