dans ce tutoriel sur les transistors, nous allons en apprendre davantage sur le fonctionnement d’un Transistor en tant que Commutateur. La commutation et L’Amplification sont les deux domaines d’applications des Transistors et le Transistor en tant que commutateur est la base de nombreux circuits numériques.
Outline
Introduction
en tant que l’un des dispositifs semi-conducteurs importants, le transistor a trouvé une utilisation dans d’énormes applications électroniques telles que les systèmes embarqués, les circuits numériques et les systèmes de contrôle., Dans les domaines numériques et analogiques, Les transistors sont largement utilisés pour différentes applications telles que l’amplification, les opérations logiques, la commutation, etc.
Cet article concentre principalement et donne une brève explication de l’application du transistor en tant que commutateur.
Le Transistor à jonction bipolaire ou simplement BJT est un dispositif semi-conducteur à trois couches, trois bornes et deux jonctions. Presque dans de nombreuses applications, ces transistors sont utilisés pour deux fonctions de base telles que la commutation et l’amplification.,
Le nom bipolaire indique que deux types de porteurs de charge sont impliqués dans le travail d’un BJT. Ces deux porteurs de charge sont des trous et des électrons où les trous sont les porteurs de charges positives et les électrons sont négatifs des porteurs de charge.
Le transistor a trois régions, à savoir la base, l’émetteur et le collecteur. L’émetteur est un terminal fortement dopé et émet des électrons dans la base. Le terminal de Base est légèrement dopé et transmet les électrons injectés par l’émetteur au collecteur., Le terminal collecteur est dopé de manière intermédiaire et recueille les électrons de la base. Ce collecteur est grand par rapport aux deux autres régions, il dissipe donc plus de chaleur.
Les BJT sont de deux types NPN et PNP, les deux fonctionnent de la même manière mais diffèrent en termes de polarité et de polarité d’alimentation. Dans le transistor PNP, entre deux matériaux de type P, un matériau de type N est pris en sandwich alors que dans le cas d’un transistor NPN, un matériau de type P est pris en sandwich entre deux matériaux de type N. Ces deux transistors peuvent être configurés en différents types comme l’émetteur commun, le collecteur commun et les configurations de base communes.,
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Modes de fonctionnement des Transistors
dépend des conditions de polarisation comme avant ou arrière, les transistors ont trois modes de fonctionnement principaux à savoir les régions de coupure, active et saturation.
Mode Actif
Dans ce mode, le transistor est généralement utilisé comme un amplificateur de courant. En mode actif, deux jonctions sont polarisées différemment, ce qui signifie que la jonction émetteur-base est polarisée vers l’avant, tandis que la jonction collecteur-base est polarisée vers l’arrière., Dans ce mode, le courant circule entre l’émetteur et le collecteur et la quantité de courant est proportionnelle au courant de base.
mode de coupure
dans ce mode, la jonction de base du collecteur et la jonction de base de l’émetteur sont polarisées en sens inverse. Ceci à son tour ne permet pas au courant de circuler du collecteur à l’émetteur lorsque la tension de base-émetteur est faible. Dans ce mode, l’appareil est complètement éteint, le courant traversant l’appareil étant nul.,
Mode Saturation
dans ce mode de fonctionnement, les jonctions de base de l’émetteur et de la base du collecteur sont polarisées vers l’avant. Le courant circule librement du collecteur à l’émetteur lorsque la tension de base-émetteur est élevée. Dans ce mode, l’appareil est entièrement allumé.
La figure ci-dessous montre les caractéristiques de sortie d’un Transistor BJT. Dans la figure ci-dessous, la région de coupure a les conditions de fonctionnement en tant que courant de sortie de collecteur nul, courant d’entrée de base nul et tension de collecteur maximale., Ces paramètres provoquent une couche de déplétion importante qui ne permet pas au courant de circuler à travers le transistor. Par conséquent, le transistor est complètement hors tension.
de même, dans la région de saturation, un transistor est polarisé de telle manière que le courant de base maximal est appliqué, ce qui entraîne un courant de collecteur maximal et une tension de collecteur-émetteur minimale. Cela fait que la couche d’épuisement devient petite et permet un flux de courant maximal à travers le transistor. Par conséquent, le transistor est entièrement en état.,
Par conséquent, à partir de la discussion ci-dessus, nous pouvons dire que les transistors peuvent fonctionner comme interrupteur à semi-conducteurs marche / arrêt en actionnant le transistor dans les régions de coupure et de saturation. Ce type d’application de commutation est utilisé pour contrôler les moteurs, les charges de lampe, les solénoïdes, etc.
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Transistor en tant que Commutateur
un transistor est utilisé pour l’opération de commutation pour l’ouverture ou la fermeture d’un circuit. Ce type de commutation à semi-conducteurs offre une fiabilité significative et un coût inférieur par rapport aux relais conventionnels.,
Les transistors NPN et PNP peuvent être utilisés comme commutateurs. Certaines des applications utilisent un transistor de puissance comme dispositif de commutation, à ce moment-là, il peut être nécessaire d’utiliser un autre transistor de niveau de signal pour piloter le transistor de puissance élevée.
Transistor NPN en tant que Commutateur
sur la base de la tension appliquée à la borne de base d’une opération de commutation de transistor est effectuée. Lorsqu’une tension suffisante (Vin > 0,7 V) est appliquée entre la base et l’émetteur, la tension collecteur-émetteur est approximativement égale à 0. Par conséquent, le transistor agit comme un court-circuit., Le courant collecteur VCC/Rc traverse le transistor.
de même, lorsqu’aucune tension ou tension nulle n’est appliquée à l’entrée, le transistor fonctionne dans la région de coupure et agit comme un circuit ouvert. Dans ce type de connexion de commutation, la charge (ici lampe à LED) est connectée à la sortie de commutation avec un point de référence. Ainsi, lorsque le transistor est allumé, le courant circule de la source à la terre à travers la charge.,
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exemple de Transistor NPN en tant que Commutateur
considérons l’exemple ci-dessous où la résistance de base Rb = 50 K ohm, la résistance du collecteur Rc = 0.7 k ohm, Vcc est 5V et A l’entrée de base un signal variant entre 0 et 5V est donné donc nous allons voir la sortie au niveau du collecteur en faisant varier le Vi à deux états soit 0 et 5V comme indiqué sur la figure.
Ic = Vcc/Rc lorsque VCE = 0
Ic = 5V/0.,7k ohms
Ic = 7.1 mA
Courant de Base Ib = Ic / β
Ib = 7.1 mA/125
Ib = 56.8 µA
Dans les calculs ci-dessus, la valeur maximale ou la valeur de crête du collecteur de courant dans le circuit est de 7.1 mA lorsque Vce est égal à zéro. Et le courant de base correspondant auquel le courant de collecteur circule est de 56,8 µA. Ainsi, il est clair que lorsque le courant de base est augmenté au-delà du micro ampère 56.8, le transistor entre en mode saturation.,
considérons le cas où zéro volt est appliqué à l’entrée. Cela provoque le zéro actuel de base et comme l’émetteur est mis à la terre, la jonction de base de l’émetteur n’est pas polarisée vers l’avant. Par conséquent, le transistor est en état OFF et la tension de sortie du collecteur est égale à 5V.
lorsque Vi = 0V, Ib = 0 et Ic =0,
Vc = Vcc – (IcRc)
= 5V – 0
= 5V
considérez que la tension d’entrée appliquée est de 5 volts, alors le courant de base peut être déterminé en appliquant la loi de tension de Kirchhoff.,
Lors de la Vi = 5V
Ib = (Vi – Vbe) / Rb
Pour le silicium du transistor Vbe = 0,7 V
Ainsi, Ib = (5V – 0,7 V)/ 50K ohms
= 86 µA qui est supérieur à 56,8 µA
par conséquent, le courant de base est supérieure à 56,8 micro ampère de courant, le transistor sera conduit à la saturation qui est quand 5V est appliqué à l’entrée. Ainsi, la sortie au niveau du collecteur devient approximativement nulle.,
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transistor PNP en tant que Commutateur
le transistor PNP fonctionne de la même manière que NPN pour une opération de commutation, mais le courant circule depuis la base. Ce type de commutation est utilisé pour les configurations de masse négatives. Pour le transistor PNP, la borne de base est toujours polarisée négativement par rapport à l’émetteur. Dans cette commutation, le courant de base circule lorsque la tension de base est plus négative. Simplement une basse tension ou une tension plus négative rend le transistor en court-circuit, sinon il sera ouvert en circuit ou à haute impédance.,
dans cette connexion, la charge est connectée à la sortie de commutation du transistor avec un point de référence. Lorsque le transistor est allumé, le courant circule de la source à travers le transistor vers la charge et enfin vers la terre.
exemple de Transistor PNP en tant que Commutateur
similaire au circuit de commutation à transistor NPN, L’entrée du circuit PNP est également à la base, mais l’émetteur est connecté à une tension constante et le collecteur est connecté à la terre à travers,
dans cette configuration, la base est toujours polarisée négativement par rapport à l’émetteur en connectant la base du côté négatif et l’émetteur du côté positif de l’alimentation d’entrée. Ainsi, la tension VBE est négative et la tension d’alimentation de l’émetteur par rapport au collecteur est positive ( VCE positive).
par conséquent, pour la conduction de transistor émetteur doit être plus positif par rapport à la fois collecteur et base. En d’autres termes, la base doit être plus négative par rapport à l’émetteur.,
pour calculer les courants de base et de collecteur, les expressions suivantes sont utilisées.
Ic = Ie – Ib
Ic = β. Ib
Ib = Ic/β
considérons l’exemple ci-dessus, que la charge nécessite un courant de 100 milli ampères et que le transistor a la valeur bêta de 100., Ensuite, le courant nécessaire pour la saturation du transistor est
base Minimum de courant = courant collecteur / β
= 100 mA / 100
= 1mA
par conséquent, lorsque le courant de base est de 1 mA, le transistor sera pleinement SUR. Mais pratiquement 30 pour cent de plus de courant est nécessaire pour la saturation garantie du transistor. Ainsi, dans cet exemple, le courant de base requis est de 1,3 mA.,
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exemples pratiques courants de Transistor comme interrupteur
Transistor pour commuter la LED
comme indiqué précédemment, le transistor peut être utilisé comme interrupteur. Le schéma ci-dessous montre comment un transistor est utilisé pour commuter la Diode électroluminescente (LED).
- lorsque le commutateur à la borne de base est ouvert, aucun courant ne traverse la base, de sorte que le transistor est à l’état de coupure. Par conséquent, le circuit agit comme un circuit ouvert et la LED s’éteint.,
- lorsque le commutateur est fermé, le courant de base commence à circuler à travers le transistor, puis conduit dans les résultats de saturation pour que la LED s’allume.
- des résistances sont placées pour limiter les courants à travers la base et la LED. Il est également possible de faire varier l’intensité de la LED en faisant varier la Résistance dans le trajet du courant de base.
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Transistor pour faire Fonctionner le Relais
Il est également possible de contrôler le fonctionnement des relais à l’aide d’un transistor., Avec un petit montage d’un transistor capable de dynamiser la bobine du relais, de sorte que la charge externe qui lui est connecté contrôlée.
- Considère le circuit ci-dessous pour connaître le fonctionnement d’un transistor pour alimenter la bobine de relais. L’entrée appliquée à la base provoque l’entraînement du transistor dans la région de saturation, ce qui entraîne en outre le circuit devient court-circuit. Ainsi, la bobine du relais est mise sous tension et les contacts du relais sont exploités.,
- dans les charges inductives, en particulier la commutation des moteurs et des inducteurs, la suppression soudaine de la puissance peut maintenir un potentiel élevé à travers la bobine. Cette haute tension peut causer des dommages considérables au circuit de repos. Par conséquent, nous devons utiliser la diode en parallèle avec la charge inductive pour protéger le circuit des tensions induites de la charge inductive.,
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Transistor pour entraîner le moteur
- un transistor peut également être utilisé pour piloter et réguler la vitesse du Moteur À COURANT CONTINU de manière unidirectionnelle en commutant le transistor à intervalles figure ci-dessous.
- comme mentionné ci-dessus, le Moteur À COURANT CONTINU est également une charge inductive, nous devons donc placer une diode en roue libre pour protéger le circuit.
- en commutant le transistor dans les régions de coupure et de saturation, nous pouvons allumer et éteindre le moteur à plusieurs reprises.,
- Il est également possible de réguler la vitesse du moteur de l’arrêt à la pleine vitesse en commutant le transistor à des fréquences variables. Nous pouvons obtenir la fréquence de commutation du dispositif de contrôle ou de L’IC comme le microcontrôleur.
