Un traceur de courbe pour transistors, FET, thyristors, etc. 4ème partie : La droite de charge dans les transistors.

L’appareil de mesure présenté précédemment permet de visualiser à l’écran de tout oscilloscope les courbes caractéristiques des transistors NPN ou PNP, des FET et même des thyristors et triacs. La quatrième partie va vous apprendre à tracer la droite de charge servant à trouver le point de repos du transistor et à savoir ce qui arrive quand on applique à l’entrée un signal dépassant l’amplitude maximale autorisée.


Nous continuons la description du traceur de courbe en sachant déjà comment calculer les valeurs des résistances à utiliser dans un étage amplificateur et le moment est venu de vous expliquer comment on peut trouver le point de repos et tracer la droite de charge à partir des sept courbes.
Le point de repos est la position dans laquelle le transistor se trouve quand il est polarisé comme il convient par ses quatre résistances (voir figure 1) et quand aucun signal n’est appliqué sur son entrée.
Si vous voulez savoir à l’aide de quels éléments calculer ce point de repos, voici un résumé de la marche à suivre :
1 - Il est tout d’abord nécessaire de trouver les sept courbes du transistor comme les parties précédentes vous ont appris à le faire.
2 - Les sept courbes étant obtenues, choisissez une tension de collecteur égale à la moitié de la Vcc et, comme nous avons choisi une Vcc de 10 V dans l’exemple de la figure 2, la moitié fait 5 V.
3 - Sur la ligne horizontale de la Vcc, allez chercher le cinquième carreau correspondant à 5 V (voir figure 2) et, de ce point, traçons une ligne verticale jusqu’à ce qu’elle coupe la quatrième courbe, ce qui détermine un point de concours.
4 - De ce point, tracez une ligne horizontale vers la gauche allant couper la ligne verticale du courant de collecteur sur une valeur qui, dans l’exemple de la figure 2, correspond à 1,4 mA.
5 - Connaissant le courant de collecteur, égal à 1,4 mA, vous pouvez trouver la valeur des résistances R3 + R4 avec la formule :

ohm R3 + R4 = (Vcc : 2) : mA x 1 000

vous obtenez donc une valeur de :
R3 + R4 = (10 : 2) : 1,4 x 1 000 = 3 571 ohms

6 - Dans la partie précédente, nous avons décidé de prendre pour R3 3,3 kilohms et pour R4 150 ohms (voir figure 1), même si en additionnant les deux valeurs nous obtenons un total de 3,450 kilohms au lieu de 3,571 kilohms et ce parce qu’il est nécessaire de choisir des valeurs normalisées.
7 - Vous devez maintenant calculer le courant maximum que le collecteur peut consommer avec une R3 de 3,3 kilohms et une R4 de 150 ohms, grâce à cette formule simple :
mA collecteur = Vcc : (R3 + R4) x 1 000

ce qui fait avec notre exemple :
10 : (3 300 + 150) x 1 000 = 2,898 mA arrondis à 2,9 mA

8 - Vous pouvez alors rechercher sur la ligne horizontale de la tension de collecteur la valeur Vcc correspondant à 10 V.
En partant de ce point, tracez une diagonale passant par le point de repos précédemment choisi, correspondant à une tension de collecteur de 5 V et à un courant de collecteur de 1,4 mA.
Prolongez cette diagonale jusqu’à ce qu’elle coupe la ligne verticale de courant de collecteur (voir figure 2), précisément en correspondance avec les 2,9 mA précédemment calculés.
9 - Cette diagonale, nommée droite de charge, vous permet d’évaluer la variation du courant et de la tension de collecteur en fonction de l’amplitude du signal appliqué sur la base du transistor.
Comme le montre la figure 2, de cette droite de charge, vous pouvez déduire que, lorsque sur la base du transistor aucun signal n’est appliqué, le collecteur consomme un courant de 1,4 mA, correspondant au courant de repos.

Si l’on applique un signal sur la base
Ayant déjà calculé les résistances du circuit de polarisation selon la règle :
V collecteur = Vcc : 2

nous pouvons affirmer que, le transistor étant alimenté avec une tension de 10 V, sur le collecteur se trouve une tension de 10 : 2 = 5 V.
Voyons maintenant quelles variations de tension on trouve sur le collecteur du transistor quand sur la base un signal, évidemment sinusoïdal, est appliqué.
En appliquant ce signal sinusoïdal sur la base, nous modifions automatiquement le courant de polarisation, lequel augmente ou diminue en fonction de l’amplitude du signal, ainsi que la tension de collecteur par conséquent.
Ainsi, quand arrive la demi-onde positive du signal sinusoïdal sur l’entrée du transistor, le courant de base qui, en position de repos, est de l’ordre de 4 μA, augmente vers 6 μA et, par conséquent, le courant de collecteur augmente de 1,4 mA vers 2,2 mA.
Comme le courant de collecteur augmente, la tension aux extrémités de R3, en série avec le collecteur, augmente automatiquement et la tension de collecteur diminue par conséquent.
En effet, si nous regardons le tracé de couleur rouge sur la figure 3, nous voyons que les 5 V de la tension de repos diminuent vers 2,5 V.
Quand arrive la demi-onde négative du signal sinusoïdal sur l’entrée du transistor, le courant de base qui, en position de repos, est de l’ordre de 4 μA, diminue automatiquement vers 2 μA et, par conséquent, le courant de collecteur diminue de 1,4 mA à environ 0,7 mA.
Comme le courant de collecteur diminue, la tension aux extrémités de R3, en série avec le collecteur, diminue automatiquement et la tension de collecteur augmente par conséquent.
En effet, si nous regardons le tracé de couleur rouge sur la figure 3, nous voyons que les 5 V de la tension de repos augmentent jusqu’à 7,5 V.
Comme vous le voyez, le signal sinusoïdal appliqué sur la base du transistor sort du collecteur amplifié, mais déphasé de 180°.
La polarité du signal est donc inversée et par conséquent les demi-ondes positives deviennent demi-ondes négatives.

Figure 1 : Schéma électrique du préamplificateur pris comme exemple pour calculer les valeurs des résistances de polarisation en utilisant une tension Vcc de 10 V.
Les électrolytiques C1 et C2 empêchent la tension présente sur la base et sur le collecteur de se décharger à la masse.
R1 = 220 kΩ
R2 = 22 kΩ
R3 = 3,3 kΩ
R4 = 150 Ω
C1 = 10 μF électrolytique
C2 = 10 μF électrolytique
TR1 = NPN


Figure 2 : Pour trouver le point de repos d’un transistor, tracez sa droite de charge puis, sur la valeur Vcc : 2, tracez une ligne verticale jusqu’à ce qu’elle coupe la quatrième trace. En traçant à partir de ce point une ligne horizontale vers la gauche, vous pouvez déterminer le courant de collecteur.

Figure 3 : Si on applique sur la base un signal sinusoïdal (la sinusoïde bleue à droite), on note que son courant augmente en correspondance de la demi-onde positive et diminue en face de la demi-onde négative.
De ce fait, la tension de collecteur diminue de 5 V, tension de repos, à 2,5 V en présence de la demi-onde positive et augmente à 7,5 V en présence de la demionde négative.


Figure 4 : Si le point de repos se déplaçait de 5 V, tension requise, à 3,8 V, à cause de la tolérance des résistances de polarisation, la seule différence perceptible serait la variation de la tension de collecteur qui diminuerait à 1,3 V en présence de la demi-onde positive et augmenterait à 6,3 V en présence de la demi-onde négative. Comme vous le voyez, le signal amplifié n’est pas distordu.

Figure 5 : Si le point de repos se déplaçait de 5 V, tension requise à 6,25 V, toujours à cause de la tolérance des résistances de polarisation, la seule différence perceptible serait la variation de la tension de collecteur qui diminuerait à 3,75 V en présence de la demie onde positive et augmenterait à 8,75 V en présence de la demie onde négative. Ici aussi, le signal amplifié est impeccable.

Figure 6 : Si on applique sur la base d’un transistor un signal sinusoïdal (la sinusoïde bleue à droite) dont l’amplitude dépasse la valeur maximale autorisée, on note que les extrémités sortent de la droite de charge et par conséquent le signal amplifié sort du collecteur écrêté aux deux extrémités. Pour résoudre ce problème, vous devez seulement atténuer l’amplitude du signal BF ou calculer l’étage pour un gain plus faible.

Figure 7 : Si on applique sur la base d’un transistor ayant le point de repos déplacé sur 3,8 V, comme le montre la figure 4, un signal sinusoïdal (la sinusoïde bleue à droite) dont l’amplitude dépasse la valeur maximale autorisée, le signal amplifié sort du collecteur écrêté seulement sur les demi-ondes négatives. Pour résoudre ce problème, vous devez recalculer le gain du transistor pour une valeur plus faible.

Figure 8 : Si on applique sur la base d’un transistor ayant le point de repos déplacé sur 6,25 V, comme le montre la figure 5, un signal sinusoïdal (la sinusoïde bleue à droite) dont l’amplitude dépasse la valeur maximale autorisée, le signal amplifié sort du collecteur écrêté seulement sur les demi-ondes positives. Pour résoudre ce problème, vous devez, là encore, recalculer le gain du transistor pour une valeur plus faible.

Le point de repos du transistor
On peut lire partout que le point de repos d’un transistor doit se trouver, pour un amplificateur classe A, toujours à la moitié de la tension Vcc.
Donc, si nous alimentons un transistor avec une Vcc de 10 V, nous devons le polariser de façon à détecter entre le collecteur et la masse une tension égale à :
10 : 2 = 5 V

Si nous alimentons le même transistor avec une Vcc de 12 V, nous devons le polariser de façon à détecter entre le collecteur et la masse une tension égale à :
12 : 2 = 6 V

Si nous alimentons le transistor avec une Vcc supérieure, 18 V par exemple, nous devons le polariser de façon à détecter entre le collecteur et la masse une tension égale à :
18 : 2 = 9 V

Pour être un peu pinailleur, disons que la tension de collecteur devrait être calculée avec la formule :
(Vcc : 2) + VR4

car la moitié de Vcc devrait toujours être détectée entre collecteur et émetteur, mais on dédaigne généralement cette précision en laissant tomber le tension VR4 pour faire plus simple. En effet, quand on fait les calculs pour trouver les valeurs de R1, R2, R3 et R4, on obtient toujours des valeurs ohmiques ne correspondant pas aux valeurs normalisées du commerce.
Si nos calculs nous donnent une valeur de 9,350 kilohms, non normalisée, nous devons choisir la valeur normalisée immédiatement inférieure de 8,2 kilohms ou immédiatement supérieure de 10 kilohms.
Si en revanche nos calculs nous donnent une valeur de 13,853 kilohms, non normalisée, nous devons choisir la valeur normalisée immédiatement inférieure de 10 kilohms ou immédiatement supérieure de 15 kilohms.
Ce choix pourrait poser des problèmes à un débutant, indécis sur la valeur la plus appropriée à prendre pour concevoir son étage préamplificateur.
Mais, nous pouvons lui assurer qu’en utilisant des valeurs normalisées inférieures ou supérieures à celles calculées, aucune conséquence regrettable ne s’ensuivra : ce que nous allons démontrer dans les paragraphes qui vont suivre.

Le point de repos déplacé
En utilisant des valeurs normalisées de résistances, toujours différentes des valeurs calculées, dans un circuit de polarisation, nous provoquons inévitablement un déplacement du point de repos du transistor. Toutefois, même si nous ne parvenons jamais à nous positionner exactement sur la valeur Vcc : 2, cela n’est en aucune façon un problème, à condition que nous ayons respecté, au cours de la conception, un critère bien précis.
Souvenez-vous (article précédent), quand nous avons calculé les résistances du circuit de polarisation du transistor, nous avons recommandé de ne pas exagérer la valeur du gain en tension du circuit. En effet, bien que nous disposions d’un transistor à hFE plutôt élevé (plusieurs centaines), nous avions volontairement dimensionné R3 et R4 de façon à limiter le gain en tension à seulement 22.
Cette précaution nous permet de garder toujours une marge de sécurité plus que suffisante pour que le signal sorte du collecteur sans aucune distorsion.

Le point de repos déplacé vers le bas
Précisons que nous considérons le point de repos déplacé vers le bas quand la tension de collecteur diminue. Si, comme le montre la figure 4, le point de repos, au lieu de tomber pile sur 5 V (valeur correspondant à un exemple de Vcc de 10 V), tombe sur 3,8 V, nous ne détecterons que les variations suivantes :
1 - Le courant de base augmente de 4 à 5 μA et par conséquent le courant de collecteur aussi passe de 1,4 à 1,8 mA.
2 - Si nous appliquons sur la base un signal sinusoïdal, automatiquement nous modifions le courant de polarisation, lequel augmente jusqu’à 7 μA environ pour les demi-ondes positives et diminue jusqu’à 3 μA environ pour les demi-ondes négatives.
3 - Le courant de base du transistor variant, la tension de collecteur varie aussi automatiquement et donc, si nous regardons le tracé bleu, figure 4, nous voyons qu’en l’absence de signal sur le collecteur nous obtenons une tension de 3,8 V, laquelle tombe à environ 1,3 V en présence des demi-ondes positives et monte à environ 6,3 V en présence des demi-ondes négatives.

Le point de repos déplacé vers le haut
Précisons que nous considérons le point de repos déplacé vers le haut quand la tension de collecteur augmente.
Si, comme le montre la figure 5, le point de repos, au lieu de tomber pile sur 5 V (valeur correspondant à un exemple de Vcc de 10 V), tombe sur 6,25 V, nous ne détecterons que les variations suivantes :
1 - Le courant de base diminue de 4 à 3 μA et par conséquent le courant de collecteur aussi passe de 1,4 à 1,05 mA.
2 - Si nous appliquons sur la base un signal sinusoïdal, automatiquement nous modifions le courant de polarisation, lequel augmente jusqu’à 5 μA environ pour les demi-ondes positives et diminue jusqu’à 1 μA environ pour les demi-ondes négatives.
3 - Le courant de base du transistor variant, la tension de collecteur varie aussi automatiquement et donc, si nous regardons le tracé bleu, figure 5, nous voyons qu’en l’absence de signal sur le collecteur nous obtenons une tension de 6,25 V, laquelle tombe à environ 3,75 V en présence des demi-ondes positives et monte à environ 8,75 V en présence des demi-ondes négatives.

Le signal à appliquer sur la base
Comme nous l’avons démontré avec les exemples des figures 4 et 5, même si le point de repos de déplace vers le haut ou vers le bas, le signal amplifié ne subit aucune distorsion, à condition que le signal que nous appliquons sur la base reste dans la fourchette des valeurs calculées. Pour déterminer la valeur maximale du signal d’entrée, nous utilisons la formule :
Max signal entrée = (Vcc x 0,8) : gain


Note : nous avons écrit (Vcc x 0,8) parce qu’ainsi le signal de sortie ne subit aucune distorsion.

Étant donné que dans notre exemple nous avons une Vcc de 10 V et que nous faisons amplifier 22 fois l’étage amplificateur de la figure 2 (nous vous avons expliqué déjà que le gain se calcule = R3 : R4), le signal maximum que nous pouvons appliquer sur la base du transistor ne doit pas dépasser :
(10 x 0,8) : 22 = 0,36 Vpp

Si nous appliquons à l’entrée un signal dépassant cette limite maximale, la sinusoïde que nous prélèverons en sortie sera écrêtée en correspondance des deux demies ondes, comme le montre la figure 6. Si, en revanche, le point de repos est déplacé beaucoup vers le bas, les demi-ondes négatives seront écrêtées, comme le montre la figure 7, alors que s’il est déplacé beaucoup vers le haut, les demi-ondes positives seront écrêtées, comme le montre la figure 8.

Si le signal d’entrée est trop fort
Si nous obtenons à la sortie du transistor des sinusoïdes écrêtées, cela signifie que le signal que nous appliquons sur la base du transistor amplificateur dépasse la valeur maximale autorisée. Pour résoudre ce problème, nous pouvons réduire l’amplitude du signal d’entrée au moyen d’un trimmer, ou bien recalculer le gain du transistor.
Supposons un signal d’amplitude 0,7 V appliqué à l’entrée d’un étage de gain 22, nous prélèverons en sortie un signal devant atteindre :
0,7 x 22 = 15,4 V

Or cela n’arrivera pas car, si le signal dépasse la valeur de la Vcc d’alimentation, soit 10 V, il est automatiquement écrêté. Pour calculer le gain d’un étage amplificateur alimenté avec une Vcc de 10 V en mesure d’accepter un signal d’entrée de 0,7 V, nous devons utiliser la formule :
Gain = (Vcc x 0,8) : signal entrée
Dans notre exemple :
(10 x 0,8) : 0,7 = 11,4

et donc notre étage amplificateur ne pourra pas avoir un gain supérieur à 11,4 et, pour obtenir cette valeur, il suffit de diviser la valeur de R3 par le gain de façon à trouver la valeur de R4 à appliquer sur l’émetteur :
3 300 : 11,4 = 289 ohms pour R4

Étant donné que cette valeur n’est pas normalisée, nous prendrons 280 ohms et, avec cette valeur, notre étage aura un gain de :
3 300 : 280 = 11,78


Conclusion et à suivre
Cet article vous a appris jusqu’ici à trouver les courbes d’un transistor.
Nous continuerons avec les thyristors, les triacs et enfin les FET. Auparavant précisons que tous les exemples de calcul que nous avons étudiés ensemble valent aussi bien pour les transistors NPN que pour les PNP.

1ère partie : L’analyse théorique.
2ème partie : La réalisation pratique.
3ème partie : Le mode d’utilisation (1er volet : Transistors NPN et PNP).
3ème partie : Le mode d’utilisation (2ème volet : Gain et polarisation des transistors).
5ème partie : Tester les triacs et les thyristors.
6ème partie et fin : Tester les FET et les MOSFET.

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