Circuits de commutation bipolaires à transistors

Un transistor est un dispositif semi-conducteur qui peut amplifier, convertir et générer des signaux électriques. Le premier transistor bipolaire opérationnel a été inventé en 1947. Le matériau pour sa fabrication était le germanium. Et déjà en 1956, un transistor au silicium était né.

Un transistor bipolaire utilise deux types de porteurs de charge - les électrons et les trous, c'est pourquoi ces transistors sont appelés bipolaires. En plus des bipolaires, il existe des transistors unipolaires (champ) dans lesquels un seul type de support est utilisé - les électrons ou les trous. Cet article couvrira transistors bipolaires.

Longtemps transistors ils étaient principalement en germanium et avaient une structure p-n-p, ce qui s'expliquait par les capacités des technologies de l'époque. Mais les paramètres des transistors au germanium étaient instables, leur plus grand inconvénient est la basse température de fonctionnement - pas plus de 60 à 70 degrés Celsius. À des températures plus élevées, les transistors sont devenus incontrôlables, puis ont complètement échoué.

Au fil du temps, les transistors au silicium ont commencé à remplacer leurs homologues au germanium. Actuellement, ils sont principalement en silicium et sont utilisés, ce qui n'est pas surprenant. Après tout, les transistors et diodes au silicium (presque tous les types) restent opérationnels jusqu'à 150 ... 170 degrés. Les transistors au silicium sont également le "bourrage" de tous les circuits intégrés.

Les transistors sont à juste titre considérés comme l'une des grandes découvertes de l'humanité. Après avoir remplacé les lampes électroniques, ils les ont non seulement remplacées, mais ont fait une révolution dans l'électronique, surpris et choqué le monde. S'il n'y avait pas de transistors, alors de nombreux appareils et appareils modernes, si familiers et proches, n'auraient tout simplement pas vu le jour: imaginez, par exemple, un téléphone mobile avec des lampes électroniques! Pour plus d'informations sur l'historique des transistors, voir ici.

La plupart des transistors au silicium ont une structure n-p-n, ce qui s'explique également par la technologie de fabrication, bien qu'il existe des transistors au silicium du type p-n-p, mais ils sont légèrement plus petits que les structures n-p-n. De tels transistors sont utilisés dans le cadre de paires complémentaires (transistors de conductivité différente avec les mêmes paramètres électriques). Par exemple, KT315 et KT361, KT815 et KT814, et dans les étages de sortie du transistor UMZCH KT819 et KT818. Dans les amplificateurs importés, une puissante paire complémentaire de 2SA1943 et 2SC5200 est souvent utilisée.

Souvent, les transistors d'une structure p-n-p sont appelés transistors à conductivité directe, et les structures n-p-n sont des transistors inverses. Pour une raison quelconque, un tel nom ne se trouve presque jamais dans la littérature, mais dans le cercle des ingénieurs radio et des passionnés de radio, il est utilisé partout, tout le monde comprend immédiatement ce qui est en jeu. La figure 1 montre une structure schématique des transistors et leurs symboles graphiques.

Figure 1

En plus des différences de type de conductivité et de matériau, les transistors bipolaires sont classés par puissance et fréquence de fonctionnement. Si la puissance de dissipation sur le transistor ne dépasse pas 0,3 W, un tel transistor est considéré comme de faible puissance. Avec une puissance de 0,3 ... 3 W, le transistor est appelé transistor de puissance moyenne, et avec une puissance supérieure à 3 W, la puissance est considérée comme grande. Les transistors modernes sont capables de dissiper une puissance de plusieurs dizaines voire centaines de watts.

Les transistors n'amplifient pas aussi bien les signaux électriques: avec l'augmentation de la fréquence, le gain de l'étage du transistor chute et à une certaine fréquence il s'arrête complètement. Par conséquent, pour fonctionner dans une large gamme de fréquences, les transistors sont disponibles avec différentes propriétés de fréquence.

Selon la fréquence de fonctionnement, les transistors sont divisés en basses fréquences, - la fréquence de fonctionnement n'est pas supérieure à 3 MHz, la fréquence moyenne - 3 ... 30 MHz, la haute fréquence - plus de 30 MHz.Si la fréquence de fonctionnement dépasse 300 MHz, ce sont des transistors hyperfréquences.

En général, dans les livres de référence épais et sérieux, il y a plus de 100 paramètres différents de transistors, ce qui indique également un grand nombre de modèles. Et le nombre de transistors modernes est tel qu'ils ne peuvent plus être placés dans aucun répertoire. Et la gamme est en constante augmentation, ce qui nous permet de résoudre presque toutes les tâches définies par les développeurs.

Il existe de nombreux circuits à transistors (rappelez-vous juste le nombre d'équipements au moins domestiques) pour amplifier et convertir les signaux électriques, mais, avec toute la diversité, ces circuits sont constitués d'étages séparés, dont la base sont des transistors. Pour obtenir l'amplification de signal nécessaire, il est nécessaire d'utiliser plusieurs étages d'amplification, connectés en série. Pour comprendre le fonctionnement des étages d'amplification, vous devez vous familiariser avec les circuits de commutation à transistors.

Le transistor seul ne peut rien amplifier. Ses propriétés d'amplification sont que de petits changements dans le signal d'entrée (courant ou tension) entraînent des changements importants de tension ou de courant à la sortie de la cascade en raison de la dépense d'énergie d'une source externe. C'est cette propriété qui est largement utilisée dans les circuits analogiques - amplificateurs, télévision, radio, communication, etc.

Pour simplifier la présentation, nous considérerons ici des circuits sur transistors de structure n-p-n. Tout ce qui sera dit sur ces transistors s'applique également aux transistors p-n-p. Il suffit de changer la polarité des sources d'alimentation, condensateurs électrolytiques et diodesle cas échéant, pour obtenir un circuit de travail.

Circuits de commutation de transistors

Il existe trois schémas de ce type au total: un circuit avec un émetteur commun (OE), un circuit avec un collecteur commun (OK) et un circuit avec une base commune (OB). Tous ces schémas sont illustrés à la figure 2.

Figure 2

Mais avant de passer à l'examen de ces circuits, vous devez vous familiariser avec le fonctionnement du transistor en mode clé. Cette connaissance devrait faciliter la compréhension. opération de transistor en mode gain. Dans un certain sens, un schéma clé peut être considéré comme une sorte de schéma avec MA.

Fonctionnement du transistor en mode clé

Avant d'étudier le fonctionnement d'un transistor en mode amplification du signal, il convient de rappeler que les transistors sont souvent utilisés en mode clé.

Ce mode de fonctionnement du transistor est considéré depuis longtemps. Dans le numéro d'août 1959 du magazine Radio, un article de G. Lavrov «La triode des semi-conducteurs en mode clé» a été publié. L'auteur de l'article a suggéré régler la vitesse du moteur collecteur modification de la durée des impulsions dans l'enroulement de commande (OS). Maintenant, cette méthode de régulation est appelée PWM et est utilisée assez souvent. Le diagramme du journal de l'époque est illustré à la figure 3.

Figure 3

Mais le mode clé n'est pas utilisé uniquement dans les systèmes PWM. Souvent, un transistor active et désactive simplement quelque chose.

Dans ce cas, le relais peut être utilisé comme une charge: ils ont donné un signal d'entrée - le relais activé, non - le signal de relais désactivé. Au lieu de relais en mode clé, des ampoules sont souvent utilisées. Généralement, cela est fait pour indiquer: la lumière est allumée ou éteinte. Un diagramme d'une telle étape clé est illustré à la figure 4. Les étapes clés sont également utilisées pour travailler avec des LED ou des optocoupleurs.

Figure 4

Sur la figure, la cascade est contrôlée par un contact normal, bien qu'il puisse y avoir une puce numérique ou microcontrôleur. Ampoule automobile, celle-ci permet d'éclairer le tableau de bord de la "Lada". Il convient de noter que 5 V est utilisé pour le contrôle et que la tension commutée du collecteur est de 12 V.

Il n'y a rien d'étrange à cela, puisque les tensions ne jouent aucun rôle dans ce circuit, seuls les courants sont importants.Par conséquent, l'ampoule peut être d'au moins 220 V si le transistor est conçu pour fonctionner à de telles tensions. La tension de la source collectrice doit également correspondre à la tension de fonctionnement de la charge. À l'aide de telles cascades, la charge est connectée à des microcircuits ou microcontrôleurs numériques.

Dans ce schéma, le courant de base contrôle le courant du collecteur qui, en raison de l'énergie de l'alimentation, est plusieurs dizaines, voire centaines de fois (selon la charge du collecteur) que le courant de base. Il est facile de voir qu'une amplification du courant se produit. Lorsque le transistor est en mode clé, la valeur utilisée dans le calcul de la cascade est généralement appelée "gain de courant en mode grand signal" dans les ouvrages de référence, indiquée par la lettre β dans les ouvrages de référence. Il s'agit du rapport entre le courant du collecteur, déterminé par la charge, et le courant de base minimum possible. Sous la forme d'une formule mathématique, cela ressemble à ceci: β = Iк / Iб.

Pour la plupart des transistors modernes, le coefficient β il est assez grand, en règle générale, à partir de 50 et plus, par conséquent, lors du calcul de la phase clé, il peut être pris comme seulement 10. Même si le courant de base se révèle être plus grand que celui calculé, le transistor ne s'ouvrira plus de cela, alors c'est aussi un mode clé.

Pour allumer l'ampoule représentée sur la figure 3, Ib = Ik / β = 100mA / 10 = 10mA, c'est au moins. Avec une tension de commande de 5 V à la résistance de base Rb, moins la chute de tension dans la section BE, 5 V resteront - 0,6 V = 4,4 V. La résistance de la résistance de base est: 4,4 V / 10 mA = 440 Ohm. Une résistance avec une résistance de 430 ohms est sélectionnée dans la série standard. Une tension de 0,6 V est la tension à la jonction B - E, et ne doit pas être oubliée lors du calcul!

Pour s'assurer que la base du transistor ne reste pas "suspendue dans l'air" lorsque le contact de commande s'ouvre, la transition B - E est généralement shuntée par la résistance Rbe, qui ferme de manière fiable le transistor. Cette résistance ne doit pas être oubliée, bien que pour une raison quelconque, ce ne soit pas pour une raison quelconque, ce qui peut conduire à un faux fonctionnement de la cascade par interférence. En fait, tout le monde était au courant de cette résistance, mais pour une raison quelconque, ils ont oublié, et une fois de plus mis le pied sur le "râteau".

La valeur de cette résistance doit être telle que lorsque le contact s'ouvre, la tension à la base ne soit pas inférieure à 0,6 V, sinon la cascade sera incontrôlable, comme si la section B - E était simplement court-circuitée. En pratique, la résistance RBe est fixée à une valeur environ dix fois supérieure à RB. Mais même si la valeur Rb est de 10K, le circuit fonctionnera de manière assez fiable: les potentiels de base et d'émetteur seront égaux, ce qui conduira à la fermeture du transistor.

Une telle cascade de touches, si elle fonctionne, peut allumer l'ampoule à pleine chaleur ou l'éteindre complètement. Dans ce cas, le transistor peut être complètement ouvert (état de saturation) ou complètement fermé (état de coupure). Immédiatement, bien sûr, la conclusion suggère que, entre ces états «limites», il y a une telle chose quand l'ampoule brille complètement. Dans ce cas, le transistor est-il à moitié ouvert ou à moitié fermé? C’est comme dans le problème du remplissage du verre: l’optimiste voit le verre à moitié plein, tandis que le pessimiste le considère à moitié vide. Ce mode de fonctionnement du transistor est appelé amplificateur ou linéaire.

Fonctionnement du transistor en mode d'amplification du signal

Presque tous les équipements électroniques modernes sont constitués de microcircuits dans lesquels les transistors sont «cachés». Sélectionnez simplement le mode de fonctionnement de l'amplificateur opérationnel pour obtenir le gain ou la bande passante souhaité. Mais, malgré cela, les cascades sont souvent utilisées sur des transistors discrets ("lâches"), et donc, une compréhension du fonctionnement de l'étage amplificateur est simplement nécessaire.

L'inclusion la plus courante d'un transistor par rapport à OK et OB est un circuit d'émetteur commun (OE). La raison de cette prévalence est tout d'abord un gain élevé de tension et de courant.Le gain le plus élevé de la cascade OE est atteint lorsque la moitié de la tension de l'alimentation Epit / 2 chute à la charge du collecteur. En conséquence, la seconde moitié tombe sur la section K-E du transistor. Ceci est réalisé en configurant la cascade, qui sera décrite ci-dessous. Ce mode de gain est appelé classe A.

Lorsque vous allumez le transistor avec l'OE, le signal de sortie sur le collecteur est en opposition de phase avec l'entrée. Comme inconvénients, on peut noter que l'impédance d'entrée de l'OE est faible (pas plus de plusieurs centaines de ohms), et l'impédance de sortie est de l'ordre de dizaines de KOhms.

Si en mode clé, le transistor est caractérisé par un gain de courant en mode grand signal  βpuis en mode gain, le "gain courant en mode petit signal" est utilisé, noté dans les ouvrages de référence h21e. Cette désignation provient de la représentation d'un transistor sous la forme d'un dispositif à quatre bornes. La lettre «e» indique que les mesures ont été effectuées lorsque le transistor avec un émetteur commun a été mis sous tension.

Le coefficient h21e, en règle générale, est un peu plus grand que β, bien que dans les calculs, en première approximation, vous puissiez l'utiliser. Quoi qu'il en soit, la dispersion des paramètres β et h21e est si importante même pour un type de transistor que les calculs ne sont qu'approximatifs. Après de tels calculs, en règle générale, la configuration du circuit est requise.

Le gain du transistor dépend de l'épaisseur de la base, vous ne pouvez donc pas le changer. D'où la large diffusion du gain des transistors pris même dans un seul boîtier (lire un lot). Pour les transistors de faible puissance, ce coefficient varie entre 100 ... 1000 et pour les puissants 5 ... 200. Plus la base est mince, plus le rapport est élevé.

Le circuit de mise sous tension le plus simple pour un transistor OE est illustré à la figure 5. Il s'agit simplement d'une petite pièce de la figure 2, illustrée dans la deuxième partie de l'article. Ce circuit est appelé circuit à courant de base fixe.

Figure 5

Le schéma est extrêmement simple. Le signal d'entrée est fourni à la base du transistor par l'intermédiaire d'un condensateur d'isolement C1, et, étant amplifié, est retiré du collecteur du transistor par l'intermédiaire d'un condensateur C2. Le but des condensateurs est de protéger les circuits d'entrée de la composante constante du signal d'entrée (rappelez-vous simplement le microphone à charbon ou à électret) et de fournir la bande passante nécessaire de la cascade.

La résistance R2 est la charge du collecteur de la cascade et R1 fournit une polarisation constante à la base. En utilisant cette résistance, ils essaient de faire la tension du collecteur Epit / 2. Cette condition est appelée le point de fonctionnement du transistor, dans ce cas le gain de la cascade est maximum.

La résistance de la résistance R1 peut être déterminée approximativement par la formule simple R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1,8. Le coefficient 1,5 ... 1,8 est substitué en fonction de la tension d'alimentation: à basse tension (pas plus de 9V), la valeur du coefficient n'est pas supérieure à 1,5, et à partir de 50V, il approche 1,8 ... 2,0. Mais, en effet, la formule est si approximative que la résistance R1 doit le plus souvent être sélectionnée, sinon la valeur requise de Epit / 2 sur le collecteur ne sera pas obtenue.

La résistance de collecteur R2 est définie comme une condition du problème, car le courant de collecteur et l'amplification de la cascade dans son ensemble dépendent de son amplitude: plus la résistance de la résistance R2 est élevée, plus le gain est élevé. Mais il faut faire attention avec cette résistance, le courant du collecteur doit être inférieur au maximum autorisé pour ce type de transistor.

Le schéma est très simple, mais cette simplicité lui donne des propriétés négatives, et vous devez payer pour cette simplicité. Tout d'abord, l'amplification de la cascade dépend de l'instance spécifique du transistor: il a remplacé le transistor pendant la réparation, - sélectionnez à nouveau le décalage, sortez-le au point de fonctionnement.

Deuxièmement, à partir de la température ambiante, - avec l'augmentation de la température, le courant inverse du collecteur Ico augmente, ce qui entraîne une augmentation du courant du collecteur. Et où est donc la moitié de la tension d'alimentation du collecteur Epit / 2, le même point de fonctionnement? En conséquence, le transistor chauffe encore plus, après quoi il échoue.Pour se débarrasser de cette dépendance, ou du moins la minimiser, des éléments supplémentaires de rétroaction négative - OOS - sont introduits dans la cascade de transistors.

La figure 6 montre un circuit avec une tension de polarisation fixe.

Figure 6

Il semblerait que le diviseur de tension Rb-k, Rb-e fournisse le déplacement initial requis de la cascade, mais en fait une telle cascade présente tous les inconvénients d'un circuit à courant fixe. Ainsi, le circuit représenté n'est qu'une variation du circuit à courant fixe représenté sur la figure 5.

Schémas avec stabilisation thermique

La situation est un peu meilleure dans le cas de l'application des schémas illustrés à la figure 7.

Figure 7

Dans un circuit stabilisé par collecteur, la résistance de polarisation R1 est connectée non pas à la source d'alimentation, mais au collecteur du transistor. Dans ce cas, si la température augmente, le courant inverse augmente, le transistor s'ouvre plus fort, la tension du collecteur diminue. Cette diminution conduit à une diminution de la tension de polarisation fournie à la base par R1. Le transistor commence à se fermer, le courant du collecteur diminue à une valeur acceptable, la position du point de fonctionnement est rétablie.

Il est évident qu'une telle mesure de stabilisation conduit à une certaine diminution de l'amplification de la cascade, mais cela n'a pas d'importance. Le gain manquant est généralement ajouté en augmentant le nombre d'étages d'amplification. Mais un tel système de protection de l'environnement peut élargir considérablement la plage de températures de fonctionnement de la cascade.

Le circuit de la cascade avec stabilisation de l'émetteur est un peu plus compliqué. Les propriétés d'amplification de ces cascades restent inchangées dans une plage de températures encore plus large que dans le circuit stabilisé par collecteur. Et un autre avantage incontestable - lors du remplacement d'un transistor, vous n'avez pas à resélectionner les modes de fonctionnement en cascade.

La résistance d'émetteur R4, assurant une stabilisation de la température, réduit également le gain de la cascade. C'est pour le courant continu. Afin d'exclure l'influence de la résistance R4 sur l'amplification du courant alternatif, la résistance R4 est pontée par le condensateur Ce, qui est une résistance insignifiante pour le courant alternatif. Sa valeur est déterminée par la gamme de fréquences de l'amplificateur. Si ces fréquences se situent dans la gamme du son, alors la capacité du condensateur peut aller de plusieurs unités à des dizaines voire des centaines de microfarads. Pour les radiofréquences, c'est déjà des centièmes ou des millièmes, mais dans certains cas, le circuit fonctionne bien même sans ce condensateur.

Afin de mieux comprendre le fonctionnement de la stabilisation de l'émetteur, vous devez considérer le circuit de commutation d'un transistor avec un collecteur OK commun.

Le circuit de collecteur commun (OK) est représenté sur la figure 8. Ce circuit est une tranche de la figure 2, de la deuxième partie de l'article, où les trois circuits de commutation de transistors sont représentés.

Figure 8

La cascade est chargée par la résistance d'émetteur R2, le signal d'entrée est fourni par le condensateur C1 et le signal de sortie est supprimé par le condensateur C2. Ici, vous pouvez demander pourquoi ce schéma est appelé OK? En effet, si nous rappelons le circuit OE, il est clairement visible là que l'émetteur est connecté à un fil de circuit commun, par rapport auquel le signal d'entrée est fourni et le signal de sortie est pris.

Dans le circuit OK, le collecteur est simplement connecté à une source d'alimentation, et à première vue, il semble que cela n'a rien à voir avec le signal d'entrée et de sortie. Mais en fait, la source EMF (batterie de puissance) a une très petite résistance interne, pour un signal c'est presque un point, un même contact.

Plus en détail, le fonctionnement du circuit OK peut être vu sur la figure 9.

Figure 9

Il est connu que pour les transistors au silicium, la tension de la transition bi-e est comprise entre 0,5 et 0,7 V, vous pouvez donc la prendre en moyenne 0,6 V, si vous ne vous fixez pas l'objectif d'effectuer des calculs avec une précision de dixièmes de pour cent. Par conséquent, comme on peut le voir sur la figure 9, la tension de sortie sera toujours inférieure à la tension d'entrée de la valeur d'Ub-e, à savoir ces mêmes 0,6V.Contrairement au circuit d'origine, ce circuit n'inverse pas le signal d'entrée, il le répète simplement et le réduit même de 0,6 V. Ce circuit est également appelé émetteur suiveur. Pourquoi un tel schéma est-il nécessaire, quelle est son utilisation?

Le circuit OK amplifie le signal de courant h21e fois, ce qui signifie que l'impédance d'entrée du circuit est h21e fois supérieure à la résistance dans le circuit émetteur. En d'autres termes, sans crainte de brûler le transistor, vous pouvez appliquer une tension directement à la base (sans résistance de limitation). Prenez simplement la broche de base et connectez-la au bus d'alimentation + U.

Une impédance d'entrée élevée vous permet de connecter une source d'entrée à haute impédance (impédance complexe), telle qu'un capteur piézoélectrique. Si un tel capteur est connecté à la cascade selon le schéma OE, alors la faible impédance d'entrée de cette cascade "atterrit" simplement le signal de capteur - "la radio ne jouera pas".

Une caractéristique distinctive du circuit OK est que son courant de collecteur Ik dépend uniquement de la résistance de charge et de la tension de la source de signal d'entrée. Dans le même temps, les paramètres du transistor ne jouent aucun rôle. Ils disent à propos de ces circuits qu'ils sont couverts par un retour de tension à cent pour cent.

Comme le montre la figure 9, le courant dans la charge de l'émetteur (c'est le courant de l'émetteur) In = Ik + Ib. Compte tenu du fait que le courant de base Ib est négligeable par rapport au courant de collecteur Ik, nous pouvons supposer que le courant de charge est égal au courant de collecteur Iн = Iк. Le courant dans la charge sera (Uin - Ube) / Rн. Dans ce cas, nous supposons que Ube est connu et est toujours égal à 0,6V.

Il en résulte que le courant de collecteur Ik = (Uin - Ube) / Rn ne dépend que de la tension d'entrée et de la résistance de charge. La résistance de charge peut être modifiée dans de larges limites, cependant, il n'est pas nécessaire de particulièrement zélé. En effet, si au lieu de Rн nous mettons un clou - un centième, alors aucun transistor ne peut le supporter!

Le circuit OK permet de mesurer assez facilement le coefficient de transfert de courant statique h21e. La procédure à suivre est illustrée à la figure 10.

Figure 10

Tout d'abord, mesurez le courant de charge comme indiqué sur la figure 10a. Dans ce cas, la base du transistor n'a pas besoin d'être connectée n'importe où, comme indiqué sur la figure. Après cela, le courant de base est mesuré conformément à la figure 10b. Les mesures doivent dans les deux cas être effectuées dans les mêmes quantités: soit en ampères, soit en milliampères. La tension d'alimentation et la charge doivent rester inchangées dans les deux mesures. Pour connaître le coefficient statique de transfert de courant, il suffit de diviser le courant de charge par le courant de base: h21e ≈ In / IB.

Il convient de noter qu'avec une augmentation du courant de charge, h21e diminue légèrement, et avec une augmentation de la tension d'alimentation, il augmente. Les répéteurs d'émetteur sont souvent construits sur un circuit push-pull utilisant des paires de transistors complémentaires, ce qui permet d'augmenter la puissance de sortie de l'appareil. Un tel émetteur suiveur est illustré à la figure 11.

Figure 11.

Figure 12.

Mise sous tension des transistors selon un schéma avec une base OB commune

Un tel circuit ne fournit qu'un gain de tension, mais a de meilleures propriétés de fréquence par rapport au circuit OE: les mêmes transistors peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées. L'application principale du schéma OB est les amplificateurs d'antenne UHF. Un schéma de l'amplificateur d'antenne est illustré à la figure 12.