Transistor en émetteur commun

[invite57627478]

Salut a tous !
Comme certains le savent peut-être, je suis en 1ere S, et je dois donc rendre un TPE après les vacances.
Le sujet que nous avons choisis est "Pourquoi les transistor/circuits intégrés ont remplacés les tubes électroniques ?"
Afin de répondre à cette question, nous réalisons un amplificateur de tension avec chaque composant, et nous mettons en évidence les avantages et inconvénients de chaque circuit (coût, qualité, etc...).
Nous en avons fini avec la triode et le circuit intégré, et il ne nous reste plus qu'a traiter le cas du transistor.
Mais là, on bloque un peu. Nous avons choisit d'étudier le montage en émetteur commun, mais on ne comprend pas le rôle de tous les composants.
Le schémas se trouve là : http://fr.wikipedia.org/wiki/Émetteur_commun
Voila ce que nous avons compris pour l'instant :
Le transistor est un amplificateur de courant, et grosso modo, Ic = Ib * gain
Or, on cherche un amplificateur de tension, donc on transforme les variations de courant en variation de tension, grâce a des resistance.
R1 et R2 forment un diviseur de tension qui permet de polariser le transistor, et d'avoir Vbe = 0.7V. Cela dit, on ne voit pas comment il transforme les variation de tension d'entrée en variation de courant. Et on ne sait pas non plus comment calculer R1 et R2 ...
Quant à Rc et Re, on ne comprend pas très bien leurs rôle non plus.
Bref, si quelqu'un pouvait nous expliquer pas à pas le role de chaque composant et comment les calculer, cela nous aiderait grandement !
Merci d'avance
-----

[calculair]

Bonjour,

Je pense que vous avez bien commencé votre analyse.

L'effet transistor est le gain en courant Ic/ib = environ 100 à 200

On negligera le courant ib qui se supperpose au courant collecteur ( au % prés )

La resistance Rc est la resistance de charge ( Resistance plaque pour un tube). C'est aux bornes de cette resistance que la tension de sortie apparait. Le condensateur Cout permet d'extraire cette tension en coupanta composante continue polarisant le collecteur

La resistance Re de l'emetteur permet de stabiliser en temperaturee transistor et assure une partie de la polarisation de l'emetteur. Si le condensateur Ce n'existe pas, le gain de l'etage seraità un poil prés Rc / Re puisque le courant collecteur = courant emetteur au courant de base prés.

Le condensateur Ce permet un decouplage de cette charge aux tensions variables ( Tu as la même chose quand tu decouples la reistance de cathode ). Le gain de l'etage est alors augmenté.

Les resistances R1 et R2 permet de fixer la tension de base en continue, disons que cette tension est de 3,6 V et que la tension emetteur base est de l'ordre de 0,6V, Si la resistance emetteur est de 1K, le courant qui traversera le transistor sera de 3mA

En fixant la resistance de collecteur à 5 K la chute de tension aux bornes se de 5K *3mA = 15 V

Si la tension d'alimentation est de 25 V la tension emetteur collecteur sera 25 -15 - 3 = 7 volts

Sans le condensateur de decouplage le gain sera de 5K /1K = 5

En presence du condensateur de decouplage avec un 1/CW trés petit, alors le gain dependra des caracteristiques internes transistor et il sera moins stable car ces caracteristisques dependent de la temperatures

[curieuxdenature]

Bonsoir

c'est un cours sur le fonctionnement du transistor que tu demandes là.
Difficile d'être succint.

Je vais séparer ça en 3 points.
1- la variation de courant à l'entrée (entre B et E) est liée à une variation de tension qui est approximatvement égale à 26 mV à chaque fois que Ibe double de valeur.
Si on table sur un gain en courant de 100 (pour simplifier) tu comprends qu'en choisissant une valeur correcte de Rc, on aura effectivement un gain en tension aussi.
Un exemple, on choisis Rc pour que la tension de repos à ses bornes soit la moitié de la tension d'alimentation, ex 5 Volts pour U = 10 Volts. Cette Rc a pour valeur 1000 ohms, le courant qui la traverse sera donc de 5 mA, ça coule de source.
Puisque le gain en courant est de 100 le courant Ibe sera de 50 µA.

Résultat des courses :
en entrée P= 50 µA * 26 mV
en sortie P = 5 mA * 5 V soit 5000 µA * 5000 mV
On a donc non seulement un gain en tension mais aussi un gain en puissance.
Voilà pour le rôle de Rc.

2- La jonction base-Emetteur est très sensible à la température, pour contrer cela on utilise un pont diviseur qui est traversé en moyenne par 10 fois le courant dérivé dans cette jonction. Couplé avec une resistance dans le pied de l'émetteur, on porte l'émetteur à une tension qui est en principe égale à 1 ou 2 dixiémes de la tension d'alim.
Pour rester dans l'exemple, U = 10 V, Ic= 5 mA donc on va choisir Re pour trouver 2 V à ses bornes, calcul simple : 2 V / 5 mA => 400 ohms, la valeur normalisée la plus proche est 390 ohms.

3- 50 µA est réclamé par la base pour ce fonctionnement.
Le pont divisieur est traversé par 10 fois ce courant.
Donc la branche du haut sera parcourue par 10 + 1 fois 50 µA
la branche du bas par 10 * 50 µA avec la précision connue qu'à ses bornes la tension doit être de 2 Volts + 0.7 V.
Reste plus qu'à calculer les valeurs de ce pont.
2.7 V / 500 µA => 5400 ohms pour la resistance du bas.
(10 V - 2.7 V) / 550 µA => 13 273 ohms pour la resistance du haut.

Valeurs à choisir parmis les normes, 5700 et 12 000.
Cela fait on peut recalculer exactement l'ensemble puisque tout bouge.

[invite57627478]

Bon alors j'ai compris certain points, mais il reste des zones d'ombres.
Voila ce que j'ai compris pour l'instant :
-Rc permet de transformer les variations de Ic=Ie en variation de tension : on a Vout = Ic*Rc = Béta*Ib*Rc. On choisis Rc de facon a avoir Uc = (1/2)*Ualim. Si Ualim = 10V (donc il faut que Uc=5V) et que l'on veut un courant de repos de 10mA, alors on aura Rc=5/0.01 = 500ohm
Pour Beta = 100 On a donc Vout = 5000*Ib Ca ne fais pas un peu beaucoup ??
-Re et Ce permettent une meilleure stabilité du gain du transistor, pour des raison qui m'échappent un peu... Quoiqu'il en soit, il faut que Ue soit a peu près égale a 1 dixieme de Ualim. Donc Re= 1/0.01 = 100ohm
Pour l'instant, au repos, on a donc :
Ualim = 10V, Uc = 5V, Ue = 1V et Ic=Ie=10mA
Il faudra donc avoir, au repos, pour un signal d'entrée de +/- 1V
Ub=Ue+0.6+Uentrée = 2.6V
Ib = Ic/béta = 0.01/10 = 0.1mA
Et voila là je suis bloqué, je ne vois pas comment calculer R1 et R2 avec ces valeurs (je suis ignorant mais nous n'avons pas encore aborder l'electronique au lycée )
Je n'ai pas compris non plus les histoires de 26mV ....
Si vous pouviez me réexpliquer ou alors si vous aviez de la documentation, merci de m'aider

[A voir en vidéo sur Futura]

[calculair]

Bonjour,

En reprenant vos valeurs de resistance Rc et Re et les tensions repos proposées pour le ciurant de 10 mA

Tension alimentation = 10 V
Tension collecteur= 5 V
Tension emetteur = 1V

Tension Collecteur emetteur = 4V

Il faut savoir que la tension min collecteur emetteur a saturation du transistor ne descendra pas en dessous 1,5 V environ, limitant ainsi l'excursion en tension de sortie.

Avec une tension de repos d'emettur de 1 V, la tension de base doit être fixée à environ 1V+ 0,6V = 1,6 V

Avec un gain de 100 le courant base est de 100 µA

Le pont de resistances de base doit fixer ce potentiel à1,6 V

Si àn prend un courant de pont de 10mA ( je prends un courant important pour negliger le courant ib

La resistance qui part du + 10V doit chuter la tension de 8,4V donc R1 = 840 Ohms
La résistance qui rejoint la base au moins doit avoir une valeur de 160 ohms ( chute de tension 1,6 V )

Effet de la regulation thermique de Re
Si sous l'effet de la chaleur le courant Ic augmente Ie augmente, tension d'emetteur augmente, la tension emetteur base diminue, cqui diminue Ib et donc Ic. Il y a donc un effet de regulation.

Sans le découplage par le condensateur Ce, le gain de cet etage est 5

Maintenant, il faut etudier la dynamique possible du signal en sortie.

Quand le tranistor est bloqué Ic = 0, Vc = 10V
Quand le transitor conduit au maximum , il faut compter 1,5V pour la tension emetteur collecteur et il reste 10V-1,5V = 8,5 V àpartir entre Re et Rc

8,5/6 * 5 = 7V environ pour Rc
La tension de collecteur descendraà 3V

La plage possible est donc de 10V à 3V c'est à dire +5 V par rapport au point de repos et - 2V par rapport au point de repos

On a fait quelques approximations pour simplifier les calculs, mais les ordres de grandurs sont là

Si on veut un fonctionnement lineaire il faudra limiter un peu l'excursion de tension de sortie

[calculair]

Un complement

Si on veut prendre des resistances de pont de base plus elevées, il faut faire le calcul du point de polarisation en tenant compte du courant de base

[curieuxdenature]

Bonjour
Jusque là tu as tout pigé, pas de problème.
On passe aux points suivants :

Pour Beta = 100 On a donc Vout = 5000*Ib Ca ne fais pas un peu beaucoup ??

La variation de tension de sortie n'est pas très linéaire par rapport à celle d'entrée, donc on limite l'excursion à quelques % de la tension présente aux bornes de Rc (sinon avec un 'oui' à l'entrée tu vas entendre 'non' à la sortie. )
Cela dit, comme tu as fixé un courant de repos de 10 mA, l'ampli BF fonctionnera bien si tu te limites à +/- 1 mA, ce n'est pas critique.
Partant de là, tu devras te contenter de +/- 10 µA de variation sur la base du transistor, c'est à dire +/- 10% de son intensité de repos.
Retiens bien ça.

Résultat : +/- 1 mA sur 500 ohms c'est +/- 0.5 V à la sortie, on a bien +/- 10% de la tension à ses bornes.
A l'entrée maintenant : 26 mV c'est une constante, indépendante du matériel (au silicium du moins)
Comme déjà dit, c'est à peu près la variation de tension qu'on observe pour que l'intensité de sortie passe du simple au double.
Mais ici, on se limite pour ne pas en arriver là, à cause de la distorsion que cela entrainerait.
Suis moi bien, +/-100 µA de courant de base -> +/-26 mV.
mais ici on a +/- 10µA ce qui entraine +/- 3 mV (à peu près, ça ne chie pas) pour une excursion en sortie de +/- 0.5 V soit 500 mV.
Gain en tension : 500/3 à des choupinettes près.
Gain en intensité : 100, ça on le savait déjà.

Et voila là je suis bloqué, je ne vois pas comment calculer R1 et R2 avec ces valeurs (je suis ignorant mais nous n'avons pas encore aborder l'electronique au lycée )

Relis bien mon post précédent, j'ai donné les étapes point par point.
Je te joins un exemple de calcul en reprenant tes données et en tablant sur une intensité dans le pont diviseur de 10 fois Ib.
N'hésite pas à prendre ta calculette pour comprendre.

Je n'ai pas compris non plus les histoires de 26mV ....
Si vous pouviez me réexpliquer ou alors si vous aviez de la documentation, merci de m'aider

Cela fait partie de la théorie des semiconducteurs et la valeur théorique est (k T) /q
avec q la charge électrique (1.6 10^-19 Coulombs)
k la constante de Boltzman (1.38 10^-23)
T la température en Kelvin (300 K = 27°C)

[invite57627478]

Merci a vous deux, je crois que j'ai compris !
Vous m'arretez si je me trompe (on prendra Ualim = 10V) :
- On choisit un courant de repos Ic=Ie par ex 10mA
- Grace a Rc on choisit une tension de repos pour Uc = 1/2 Ualim
Donc Rc = 5/0.01 = 500ohm
- On stabilise le fonctionnement du transistor avec Re, pour que Ue = 1/10 Ualim.
Donc Re = 1/0.01 = 100ohm
-Comme Ic = 10mA, et que le gain du transistor est 100, Ib=0.1mA. De plus il faut que Ube=0.6V. Comme Ue=1V, Ub=1.6V.
Là, il faut calculer les valeurs des résistances, j'ai compris comment il fallait faire, mais comment connais t'on l'intensité du courant qui circule dans le pont ?
-Grace au montage, au repos, Ue=5V et Uce = 4V
Uc = 1/5Ue et Ualim = Uce + Ue + Uc
Au maximum, avant que le transistor ne sature, on a Uce = 1.5V On alors :
Ualim - Uce = Uc + Ue
8.5 = Ue + 1/5 Ue
6/5 Ue = 8.5
Ue = 7.1 V On a aussi Uc=10-7.1-1.5=1.4V Là, le transistor est sensé se bloqué car Ub = 1V, donc Ubc<0.6V . Pourquoi le transistor ne se bloque pas ?
On a alors Ie = 7.1/500 = 14.2mA, donc Ib = 0.14mA.
Comme un variation de 26mV double de le courant Ibe, une variation de 26mV occasionne une variation de Ib de 0.1mA.
Donc pour un variation de 0.14mA, il y a une variation de
(26*0.14)/0.1 = 36.5mV
Donc une variation de 36.5mV en entrée occasionne une variation de 2.1V en sortie. Le gain en tension du montage est donc :
Us/Ue = 2.1/0.036 =58
Est ce que mon raisonnement est juste ? J'ai mis en gras les choses dont je ne suis pas sur, ou que je ne comprends pas .
Merci d'avance pour votre aide !

[invite03481543]

Bonjour,

pour le courant de pont on prend Ip=10*Ib
D'ailleurs l'image de simulation de curieuxdenature montre cela.
@+

[calculair]

Bonjour,

Le courant de base est evalié à Ic /gain = 10 mA /100 = 0,1 mA

Le courant du pont de base a eté choisit à 10mA, la resistance totale de ce pont est donc de 1 K ohms en negligeant le courant de base à 0,1mA ( 1%)

D'ou les valeurs des resistances de 160 ohms et 840 ohms

[calculair]

Bonjour,
La relation U alim = Ue + Uec + Uc exprime que la somme des potentiel entre les 2 poles de l"alimentaion est = à la tension d'alimentation. C'est donc toujours vrai.....

[calculair]

Bonjour,

Pas compris vos tensions de repos ( absence de signal sur la base )

Ue = 1V pour mo car 10mA dans la resistance Re de 100 ohms
Uc = 10V - Rc(10mA) = 5V
Uce = 10V -( Ue+ Uc ) = 10V - 6V = 4V

[invite57627478]

Donc en fait la tension de pont est choisie de manière arbitraire, le plus souvent avec Up = 10*Ic , c'est bien ca ?
J'ai remarqué une erreur dans mon dernier message, j'ai inversé Ue et Uc. Voici le message et la question, revus et corrigés :
Grace aux resistances, on a, au repos, Uc=5V, Ue=1V donc Uce = 4V
Ue = 1/5Uc et Ualim = Uce + Ue + Uc
Au maximum, avant que le transistor ne sature, on a Uce = 1.5V On alors :
Ualim - Uce = Uc + Ue
8.5 = Uc + 1/5 Uc
6/5 Uc = 8.5
Uc = 7.1 V On a aussi
Ue = 10-7.1-1.5 = 1.4V Normalement, le transistor est sensé se bloqué car comme Ub = 1V, on a Ubc<0.6V . Pourquoi le transistor ne se bloque pas ?
C'est, normalement, ma derniere question ^^

[curieuxdenature]

Bonjour

en emetteur commun Ie n'est pas égal à Ic (Ic=Ie-Ib)

pour le courant dans le pont, c'est simple, vu qu'on pose I=10 * Ib, on aura cette intensité dans la résistance du bas mais 11 * Ib dans celle du haut, forcément !

Pour les 26 mV, il ne faut pas se focaliser la dessus parce qu'avec cette valeur on dépasse déjà le régime linéaire de fonctionnement du transistor, pour une amplification audio correcte il faudra se contenter de bien moins que cette variation.

[calculair]

Bonjour

En prenant une tension de saturation de 1,5V

Ualim - Uce= 8,5 V
Cette tension se repartie proportionnellement sur les resistances Rc et Re

8,5 = 500 Ic + 100 Ic => Ic = 8,5 /600 = Ic = 14,17mA


La variation du courant collecteur est de 4,17 mA par rapport à la situation de repos

Pour un gain de 100 le courant de base serait 14,17 /100 = 0, 147mA

La tension Ue est 100 * 0,01417 = 1,417V
La tension Uce = 1,5 V ( valeur de saturation)
La tension UC = 10 - 500*0,01417 = 2,9 V



La tension de base passe de 1,6 V à environ 1,4 + 0,6 = 2V

Donc quand la tension de base passe de 1,6V à 2 V ( Variation +0,4V) la tension collecteur passe de 5V à 2,9 V ( variation - 2,1 V ) ( aux arrondies prés)

gain est bien de 5 en tension

[curieuxdenature]

Bonjour,

Le courant de base est evalié à Ic /gain = 10 mA /100 = 0,1 mA

Le courant du pont de base a eté choisit à 10mA, la resistance totale de ce pont est donc de 1 K ohms en negligeant le courant de base à 0,1mA ( 1%)

D'ou les valeurs des resistances de 160 ohms et 840 ohms

Bonjour

tu as peut-être déjà relevé l'erreur, dans le courant de pont on n'a pas 10 mais ~1 mA... c'est-à-dire 10 fois Ib (11 fois pour être précis dans Rb1 et 10 fois dans Rb2, et 1 fois va dans Ib c'est le but de la manoeuvre).

[curieuxdenature]

Donc quand la tension de base passe de 1,6V à 2 V ( Variation +0,4V) la tension collecteur passe de 5V à 2,9 V ( variation - 2,1 V ) ( aux arrondies prés)

gain est bien de 5 en tension

C'est bon, mais il faut préciser que c'est un gain en statique.
En dynamique, en amplification audio par exemple, le gain ne se calcule pas de cette façon.

Sinon, pour faire fonctionner le Tr en commutation, pas besoin de s'embeter avec un pont et une Re, à 0.8 V sur la base il est saturé, à 0.4 V il est bloqué.

[curieuxdenature]

Donc en fait la tension de pont est choisie de manière arbitraire, le plus souvent avec Up = 10*Ic , c'est bien ca ?
J'ai remarqué une erreur dans mon dernier message, j'ai inversé Ue et Uc. Voici le message et la question, revus et corrigés :
Grace aux resistances, on a, au repos, Uc=5V, Ue=1V donc Uce = 4V
Ue = 1/5Uc et Ualim = Uce + Ue + Uc
Au maximum, avant que le transistor ne sature, on a Uce = 1.5V On alors :
Ualim - Uce = Uc + Ue
8.5 = Uc + 1/5 Uc
6/5 Uc = 8.5
Uc = 7.1 V On a aussi
Ue = 10-7.1-1.5 = 1.4V Normalement, le transistor est sensé se bloqué car comme Ub = 1V, on a Ubc<0.6V . Pourquoi le transistor ne se bloque pas ?
C'est, normalement, ma derniere question ^^

C'est justement à cause de son autorégulation qu'on employe ce type de montage.
En fait tu raisonnes en terme de variation de courant continu, hors ce montage est conçu pour servir à des variations linéaires de courants alternatifs.
Avant que le transistor ne se bloque ou ne sature tu seras totalement en dehors des possibilités attendues par cet amplificateur.
Autrement dit, ce n'est pas le but de la manoeuvre.

[invite57627478]

Donc pour expliquer simplement le fonctionnement du transistor (pour mon TPE) il vaut mieux que j'utilise la relation Ub = Ue+0.6V .
Mais comment calculer le gain en amplification audio ?

[calculair]

Bonjour,

S le condensateur de decouplage Ce n'est pas installé, le gain en tension est de 5. C'est le rapport des resistanced Collecteur/ emetteur. Remarquér que la tension emetteur recopie la tension de base decallée de 0,6 V


Si le condensateur Ce est installé, le calcul sera plus complexe. Il sera necessaire de prendre en compte un schema en alternatif et l'impedance 1/Cw de ce condensateur. Par ailleurs il faudra tenir compte aussi de la resistance rb interne du transistor. Dans ce cas la linearite du gain sera moins grande, il faudra donc limiter l'excursion en tension, mais le gain sera significativement plus elevé. Il faudra aussi connaitre precisement le gain en courant du transistor. ( remarque ce gain ne fixait pas le gain en tension, dans une large mesure, lorsque le condensateur Ce n'est pas utilis)

[curieuxdenature]

Donc pour expliquer simplement le fonctionnement du transistor (pour mon TPE) il vaut mieux que j'utilise la relation Ub = Ue+0.6V .
Mais comment calculer le gain en amplification audio ?

Il y a 2 cas de figures.

le plus simple est de la calculer sans resistance de charge aux bornes de Rc.
le gain en tension est tout logiquement le gain en intensité (100) * par la valeur de Rc / par la valeur de l'impédance d'entrée.
soit en gros : Béta * Rc / h11e

h11e se calcule comme étant la variation de tension Base-Emetteur sur la variation de Ib. Là encore cela dépend du transistor mais en théorie on observe h11e(en ohms) = 39 * Ic (en mA)
dans notre exemple on trouvera donc environ G=130.
En réalité il faut tenir compte non pas de Rc mais de sa mise en // avec l'impédance de sortie du transistor, ce qui augmente le gain réel.
D'après la recopie d'écran que j'ai donnée plus haut on trouve un gain en tension de 173 à vide (soit 44.7 dB).

Si tu te demandes d'où vient le 39, c'est l'inverse de 0.026 V (les fameux 26 mV) à peu près.


L'autre cas, celui qui est demandé en pratique, consiste à placer une résistance au delà du condo de sortie, pour optimiser le montage on montre que cette charge(qui est parfois l'entrée d'un autre étage ampli) doit avoir la même valeur que Rc.
Adapté correctement, l'impédance de sortie est donc à diviser par 2.
Le gain en tension devient alors la moitié du gain à vide.

Maintenant, pour mémoire, il faut bien intégrer que ces paramètres sont dynamiques, l'impédance d'entrée n'est pas une constante par exemple, elle varie en rapport avec le courant Ib, ce qui complique pas mal les simulations en ingénierie. A l'école il y a de fortes chances qu'on ne demande jamais ce calcul, la valeur sera pratiquement toujours donnée dans l'énoncé du problème, par exemple on donnera Ze = 1 k, ce qui est une bonne moyenne pour des petits signaux.

Dans ce cas le calcul est simple G = béta * Zs / Ze.

avec Zs = Rc en // sur Ru (Res. utilisateur)
et la précision du résultat dépend de l'erreur d'appréciation de la valeur de Ze.