Généralités sur les transistors.

Estivalet jean françois.
version 2.2, 20-03-2023

Sommaire

1. Introduction
- 1.1. Quelques exemples d’applications.
- 1.2. Différentes familles de transistors.
2. Transistors bipolaires.
3. Le transistor MOS.
4. Montages Types
- 4.1. Level shifter.
5. Transistor IGBT
6. Sources.

1. Introduction

Les transistors sont des composants électroniques utilisés comme interrupteur commandé, amplificateur, stabilisateur de tension, modulateur de signal …

Exemple : ici le transistor va remplir la même fonction qu’un relais mais de façon statique (sans pièce mobile)

Figure 1. Avec un transistor bipolaire bloqué.

Figure 2. Avec un transistor bipolaire saturé.

Figure 3. Avec un transistor MOS.

1.1. Quelques exemples d’applications.

Figure 4. Régulateur de tension.

Figure 5. Générateur de courant.

Figure 6. Amplificateur audio.

Figure 7. Oscillateur à quartz.

Figure 8. Oscillateur (astable).

Dans de nombreux projets à base de carte Arduino, il est souvent nécessaire pour commander une partie opérative de travailler avec des courants et tensions que la carte arduino seule ne peut pas gérer. Voici un exemple d’adaptation de puissance pour des LED de haute intensité.

Figure 9. Adaptation pour LED de puissance.

1.2. Différentes familles de transistors.

Figure 10. Familles de transistor.

2. Transistors bipolaires.

2.1. En vidéos.

Vous allez suivre ces quelques vidéos pour vous familliariser avec le composant. Prenez des notes et posez vos questions au professeur:

Jonction PN - Fonctionnement simplifié de la diode et des semi-conducteurs

L’effet Transistor. Principe de fonctionnement du transistor bipolaire NPN

L’effet Transistor. Animation en anglais.

Bipolaire, équations et modèle.

L’effet Transistor, une autre explication.

2.2. Représentations.

Le transistor bipolaire est un composant électronique de la famille des transistors. Ce composant est basé sur 2 jonctions PN, qui peuvent soit être placées pour former une jonction NPN ou PNP.

Le transistor bipolaire peut se représenter sur un schéma électronique avec un symbole d’un composant à 3 pattes, composé des bornes suivantes :

B : Base
C : Collecteur
E : Émetteur

2.2.1. Boitier et brochage d’un transistor :

Le brochage du transistor varie selon le type de boitier. On trouve essentiellement les boitiers ci-dessous :

2.2.2. Caractéristiques d’un transistor.

Les constructeurs donnent en général les valeurs ci-dessous à ne pas dépasser afin d’éviter la détérioration du transistor :

VCE0 ou VMAX : Tension collecteur/emetteur maximale
VBEO: Tension base/emetteur maxi
ICmax : Courant maximal dans le collecteur
Pmax : Puissance maximale que peut dissiper le transistor (avec P = VCE.IC)

2.2.3. Mise en service du transistor.

La mise en service du transistor s’appelle la polarisation du transitor

Figure 11. Schéma de principe.

Les résistances Rb et Rc permettent le réglage des courants Ib et Ic.

Relations entre les courants:

La loi des nœuds permet d’écrire la relation 1 :

relation 1.

\$I_E =I_C+I_B\$

D’autre part il existe une relation entre courant de base et courant collecteur due à l’effet transistor. Cette relation s’écrit :

\$I_C =beta .I_B\$

avec β= gain en courant du transistor.

Ce coefficient β est souvent noté Hfe dans les catalogues constructeurs. Il est parfois aussi appelé coefficient d’amplification statique en courant.

En régle générale β varie de 30 à 300 avec pour valeur courante :

Example 1. Valeurs de β

Transistors dit "Petit signaux" :100 < β < 300
Transistors dit de "Puissance" : 30 < β < 100

De la relation 1, peut alors s’écrire :

\$I_E =beta .I_B + I_B " soit " I_E =(beta+1) .I_B\$

Si β.I_B est grand devant I_B (ce qui est le cas pour les transistors "Petits signaux") on peut alors écrire :

\$beta + 1 = beta " et " I_E =I_C\$

2.3. Régimes de fonctionnements.

Dans les vidéos précédentes, on vous a expliqué que la base du transistor bipolaire permet de commander le passage du courant à travers le composant selon deux modes:

Régime de saturation (transistor en commutation) : dans cet état le transistor possède 2 états : bloqué ou passant. Il a le même fonctionnement qu’un interrupteur ou un relais. On parle parfois de "relais statique", car c’est un interrupteur fonctionnant sans bouger.

Figure 12. Avec un transistor bipolaire bloqué.

Figure 13. Avec un transistor bipolaire saturé.

Régime linéaire : ce régime permet de laisser plus ou moins passer le courant à travers le transistor. Il est utilisé majoritairement dans l’amplification des signaux électroniques.

2.4. Le transistor en commutation.

Le schéma ci-dessous va nous permettre de montrer l’analogie entre un relais classique et un transistor en mode commutation.

Figure 14. Principe du relais statique.

2.5. TD

Démarche pour configurer un transistor en commutation.

Pour qu’un transistor soit saturé (on dit également “passant”), il faut que le courant Ib soit supérieur ou égal à Ib sat fourni par la documentation constructeur.

Pour calculer Ib, il faut d’abord connaitre le courant Ic nécessaire pour piloter la charge et s’assurer que le Ib ainsi calculé soit suffisant pour obtenir un Vce proche de 0V.

Voici une méthode pour dimensionner un transistor bipolaire en commutation:

Supposer le transistor saturé; Vce = Vce sat ≈ 0V.
On calcule le courant Icsat, en utilisant une maille côté sortie (passant par l’émetteur et collecteur.
On cherche la valeur du β du transistor (ou hfe) dans la documentation.
On prend toujours la valeur minimum du β.
on calcule la valeur de Ibsat avec la formule suivante:

\$I_(Bsat) = (I_(Csat)) / beta_min\$
Calculer la valeur de Ib avec “k”: coefficient de sécurité (ou de sursaturation) qui est utilisé pour être sûr que le transistor est bien saturé. Souvent la valeur de “k” est comprise entre 2 et 5.. On peut vérifier dans la documentation que pour ce Ibsat, le Vce est nul.

\$I_B >= K.I_(Bsat)\$
Calculer la valeur de Rb en utilisant une loi des mailles sur la maille d’entrée. Prendre un Vbe=0.7V si non fourni.

2.5.1. TD 1.

Un capteur de position délivre une tension « e » positive. Cette tension doit être « adaptée » pour piloter en tout ou rien une charge qui se comporte comme une résistance R_C=500Ω alimentée sous 12V .

Dans ce but, on propose de mettre en œuvre le montage ci-dessous.

Le transistor utilisé possède les caractéristiques suivantes :

V_BE0 = 0.6V
V_BEsat = 1.2V
50 < β < 300
V_CEsat ≈ 0

Suivre la démarche précedente sur votre propre document et vérifier vos réponses avec le questionnaire ci-dessous.

Cocher la ou les bonnes réponses.

Déterminer l’intervalle des valeurs de « e » pour lesquelles le transistor est bloqué. :
1. e = 0V
2. e < 0.6V
3. e= 12V

Lorsque e = 5V, on souhaite que le transistor soit saturé avec un coefficient de sursaturation supérieur ou égal à 2. Calculer le courant de base nécessaire ainsi que la valeur maximum de Rb.
1. Ibmin > 2mA et Rb<10kΩ
2. Ibmin > 0.96mA et Rb<3960Ω
3. Ibmin > 0.2mA et Rb<1kΩ

Un peu d’aide

2.5.2. TD 2.

Commande d’une lampe L1 de puissance 3W fonctionnant sous 12V. Le signal de commande est un signal de “0V” ou de “+12V”. Un interrupteur est utilsé pour réaliser cette fonction. Cahier des charges:

Ve = 0V → la lampe est allumée.
Ve = +12V → la lampe est éteinte.
La valeur de l’amplification en courant du transistor est: βmini = 80.
La tension Vbe sat est de 0,65V.
k = 2

Cocher la ou les bonnes réponses.

Déterminer si le transistor Q1 est bloqué ou saturé quand SW1 est en position haute. :
1. Bloqué
2. Saturé

Calculer la valeur de Icsat.
1. Icsat = 2mA et Rb<10kΩ
2. Icsat = 0.25mA et Rb<3960Ω
3. Icsat = 0.25A et Rb<1kΩ
Calculer la valeur de Ibsat.
1. Ibsat = 3.1mA
2. Ibsat = 0.31A
3. Ibsat = 310mA
Calculer la valeur de R1.
1. R1 = 2.2kΩ
2. R1 = 1.8kΩ
3. R1 = 1.5kΩ

2.6. Une pause vidéo.

Nous allons voir dans cette vidéo comment un transistor en commutation peut commander un relais, mais en respectant une précaution indispensable!

Visualisez les vidéos suivantes pour en savoir plus:

Cours en vidéo commande d’un relais par un transistor en commutation.
La diode de roue libre, aspect théorique.

2.7. Exercices.

Exercices transistors bipolaires.

3. Le transistor MOS.

3.1. Introduction.

Pendant plusieurs années, le transistor bipolaire a prédominé sur le transistor MOS jusqu’à l’apparition du procédé de silicium planaire, dans les années 60, qui a permis d’assembler plusieurs transistors sur un même substrat.

Aujourd’hui le transistor MOS constitue, par sa simplicité de fabrication et ses performances, l’élément de base des circuits intégrés.

3.2. Le transistor MOS dans le monde numérique.

Pour des applications numériques, il fonctionne comme un interrupteur commandé par la Grille et permettant au courant de passer de la Source vers le Drain. Il est soit en mode ON (le courant circule de la Source vers le Drain) soit en mode OFF (aucun courant ne circule dans le transistor). Il existe deux types de transistors : le NMOS et le PMOS.

Les deux transistors fonctionnent de manière complémentaire :

le transistor NMOS est ON (passant) si sa Grille est au niveau logique haut (1) ;
le transistor PMOS est ON si sa Grille est au niveau logique bas (0).

La technologie CMOS (Complementary MOS) est aujourd’hui la plus répandue, en particulier pour la conception de circuits numériques. Elle se caractérise par l’utilisation, sur un même substrat de silicium, de transistors NMOS et PMOS assemblés de manière complémentaire.

3.3. Le transistor à effet de champ MOSFET.

3.4. Découverte en vidéo:

Transistor MOSFET Principe de fonctionnement.

Animation 3D principe de fonctionnement MOSFET.

Animation 3D, comparaison MOS et bipolaire.

Cours d’introduction au transistor MOS.

Principe de fonctionnement interne du transistor MOS.

3.5. L’essentiel.

Le MOSFET est un transistor qui se pilote en tension, alors que le bipolaire est un transistor qui se pilote en courant.

Figure 15. Schéma MOSFET canal N et Canal P

contrairement aux transistors bipolaires, où la flèche représentait le sens conventionnel de circulation du courant, ici sur les symboles de ces mosfets, la petite flèche du côté de la Grille indique le sens de circulation des électrons ou sens réel du courant.

Bien qu’une broche ait été nommée « Source », elle ne signifie pas pour autant que le courant entre par là. C’est même d’ailleurs l’inverse, en fonctionnement « normal », car le courant entre par le drain, pour sortir vers la source. Ne vous laissez donc pas abuser par ce langage !

3.5.1. Principales valeurs caractéristiques (Vgs, Vgsth, Vds, Rdson, …)

La tension grille-source (Vgs)

La tension nommée Vgs correspond à la différence de potentiel entre la Grille et la Source. C’est l’une des principales caractéristiques des transistors Mosfet. Parce que c’est elle qui va conditionner l’état du transistor, à savoir : passant ou bloqué.

À noter que cette tension Vgs sera :

Positive dans le cas d’un mosfet à canal N
Négative dans le cas d’un mosfet à canal P

vous n’aurez pas besoin d’une alimentation fournissant une tension négative pour utiliser un mosfet de type P. Car le signe « – », dans le cas d’un P-mosfet, apparaît du fait qu’on branche le mosfet « en sens inverse » (le Drain à la place de la Source, et vice-versa, si vous voulez). Ainsi, on note une tension négative au même titre qu’on pourrait lire une tension négative en branchant un multimètre à l’envers (le + à la place du -, et le – à la place du +).

si la tension Vgs est nulle (égale à 0 volt), alors le transistor canal N ou P sera bloqué !

La tension Vgsth (Vgs « threshold »), seuil de conduction des mosfets

il existe un seuil de basculement, pour passer d’un état à l’autre. Cette tension de basculement s’appelle tout simplement Vgsth, pour Vgs threshold (« threshold » voulant dire « seuil » en anglais).

Bien entendu, cette valeur est toujours fournie par le fabricant, dans la doc constructeur. Mais contrairement à ce qu’on pourrait croire, il s’agit plus d’une « plage de tension », plutôt qu’un seuil de tension très précis. Du coup, pour être certain que son mosfet soit vraiment bloqué, ou vraiment passant, il faudra choisir une tension Vgs en dehors de cette " plage"

Exemple:modèle BUZ11

Figure 16. Vgs de la documentation du MOSFET BUZ11

Ce qu’on voit dans ce tableau, pour ce mosfet modèle BUZ11, c’est qu’il faudra une tension :

Vgs < 2,1 volts, pour que le transistor soit bloqué
Vgs > 4 volts, pour que le transistor soit passant

On évitera bien évidemment d’appliquer une tension Vgs située entre ces deux valeurs, car on ne pourrait dire avec certitude dans quel état serait le transistor !

Le courant de drain Id.

L’intensité max que peut admettre un mosfet est indiqué dans son datasheet, le plus souvent dans la partie « Absolute Maximum Ratings ».

Par exemple, pour le mosfet type BUZ11, le fabricant donne Idmax = 30A, pour Tc=30°C. Il faudra donc toujours veiller à ce que le courant que vous souhaitez faire passer au travers soit toujours inférieur à cette valeur.

Bien entendu, cette valeur Idmax n’est pas fixe, car dépendant de la température du mosfet en lui-même (c’est pourquoi cette valeur est donnée à une température donnée). D’ailleurs, voici un réseau de caractéristiques qui illustre bien ce courant maximale admissible, qui descend au fur et à mesure que le mosfet chauffe (extrait du datasheet du BUZ11) :

Figure 17. Courant Idmax fonction de la température.

Du coup, gardez bien à l’esprit que le courant maxi indiqué par les fabricants n’est valable qu’à une température donnée. Et que si, par exemple, vous enfermez ce mosfet dans une jolie boite en plastique, sa température va inévitablement s’élever, et donc, abaisser la limite de courant maxi admissible.

Faites bien attention à cela, sinon vous risquez de détruire votre mosfet, sans vraiment comprendre pourquoi!

La résistance Rdson.

Autre valeur incontournable : Rdson. En fait, il s’agit de la résistance équivalente entre le Drain et la Source, lorsque qu’un mosfet est à l’état passant.

Cette valeur de référence est toujours indiquée en début de datasheet, par les fabricants. Et grâce à elle, on peut déterminer 2 autre valeurs, par simple calcul :

La tension Vds : celle-ci sera égale à Rdson x Id (loi d’ohm)
La puissance dissipée par le mosfet (échauffement), qui sera égale à Rdson x Id² (P = R * i²)

D’ailleurs, plus Rdson sera élevé, et plus le mosfet va chauffer. C’est pourquoi on privilégie très souvent les mosfets ayant le plus petit Rdson possible, lorsqu’on travaille en commutation, avec des courants importants. C’est pourquoi Rdson est si important à considérer, notamment pour savoir si le mosfet aura besoin d’un dissipateur thermique ou non, et si oui, de quelle « dimension ».

Plus le mosfet sera chaud, et plus Rdson va augmentée, contribuant à augmenter la température du transistor. Cette emballement thermique peut entrainer la destruction du mosfet.

Vous comprenez l’importance d’un dissipateur thermique selon la configuration de votre montage.

La tension Drain-Source (Vds).

La tension Vds est la différence de potentiel entre le Drain et la Source.

Cette valeur est très importante, surtout lorsqu’on travaille en commutation.

Car dans ce cas, on cherche à avoir un interrupteur le plus parfait possible, c’est-à-dire un mosfet ayant une chute de tension la plus faible qui soit à ses bornes. Or, cette tension Vds est fonction de deux paramètres importants

Vgs, la tension de pilotage du mosfet.
Et Id, le courant qu’on va faire passer entre le Drain et la Source

les constructeurs fournissent toujours un réseau de caractéristique avec Vds, Vgs, et Id, afin de pouvoir déterminer la valeur de l’un, quand on a les deux autres.

Voici par exemple celui du BUZ11, un mosfet canal N :

Figure 18. Caractéristique Id fonction de Vds et Vgs.

pour avoir un Vds le plus petit possible, il faut que :

Vgs soit le plus grand possible
Et Id soit le plus petit possible

3.5.2. Les deux modes de fonctionnement : en zone ohmique, ou, en régime de saturation

Le mosfet en zone ohmique (zone linéaire)

On dit qu’un mosfet est en zone ohmique, ou en zone linéaire, lorsque sa caractéristique de sortie Id est quasi proportionnelle à sa tension Vds. Cela se repère très facilement sur un diagramme Vds en fonction de Vgs et Id, tel que celui-ci (zone bleutée) :

Figure 19. Zone ohmique.

Dans ce mode de fonctionnement, on notera que :

Vds est plutôt petit
Id peut, quant à lui, adopter une large gamme de valeurs (de 0 à beaucoup d’ampères)

D’ailleurs, du fait que la tension Vds soit petite, la « zone ohmique » correspond au mode de fonctionnement privilégié, pour transformer son mosfet en interrupteur tout ou rien. Car la chute de tension à ses bornes sera minimale, et par conséquent, l’échauffement sera lui aussi limité. Ainsi, on sera proche d’un « interrupteur parfait ».

Le mosfet en régime de saturation.

On dit qu’un mosfet est en régime de saturation, lorsque son courant Id est fixe, ou quasi invariant, et ce, quelle que soit la tension Vds. C’est d’ailleurs ce qu’illustre le graphe suivant, qui montre Id en fonction de Vgs et Vds (zone colorée en bleu)

Figure 20. Zone source de courant.

Ici, on remarque que pour un Vgs donné, le courant Id sera toujours le même. Et ce, quelles que soient les valeurs prises par Vds (dans la zone bleue, j’entends). Ainsi, dans ce mode, le mosfet se comporte tout simplement comme une source de courant.

Par exemple, d’après le graphe du dessus, on aura :

Id = 5A, si Vgs = 3 volts
Id = 10A, si Vgs = 4 volts

Par contre, du fait que Vds peut prendre des valeurs assez élevées, la puissance à dissiper par le mosfet risque d’être vraiment élevée elle-aussi, ce qui peut nécessiter un important dispositif de dissipation thermique, dans certains cas.

Ce mode n’est pas le plus utilisé.

3.6. Comment transformer un mosfet en interrupteur tout ou rien ?

Pour transformer un mosfet en interrupteur « parfait », il faudra que sa tension Vds soit la plus faible possible. Et pour cela, il faudra être le plus « en bas à gauche » du réseau de caractéristiques suivant :

Figure 21. mode TOR

En regardant attentivement ce graphe, on remarque que pour obtenir une tension Vds la plus faible possible, il faut :

Avoir un Vgs le plus grand possible (dans la limite de Vgsmax, bien entendu)
Et avoir un courant traversant le mosfet (Id) le plus faible possible également

Comme application nous allons étudier le montage suivant :

Figure 22. Montage d’étude

Il s’agit en fait d’un simple mosfet, avec une résistance branchée sur son Drain, et pilotée au niveau de la grille via un commutateur, permettant de faire passer la tension Vgs de 0 à 10V.

On retrouve donc principalement :

Une alimentation 0-10V
Un transistor mosfet, ici modèle BS170
Une résistance de charge faisant 47 ohms (3 watts min, pour bien dissiper la chaleur)
Un interrupteur inverseur, permettant de faire passer Vgs de 0 à +10 volts

Au travers de cet exemple, nous allons essayer de trouver dans quel mode se trouve le transistor, lorsque Vgs=+10V (en zone ohmique ? en régime de saturation de courant ?).

Ensuite, nous estimerons la tension Vds.

Enfin, nous déterminerons si ce mosfet aura besoin d’un dissipateur thermique ou non, pour fonctionner en continu. Et si oui, de quelle taille.

Quel est le régime de fonctionnement de ce mosfet ?

Pour déterminer dans quel mode se trouve le mosfet quand Vgs = +10V, on va se servir du réseau de caractéristiques Id, fonction de Vds et Vgs. Voici le diagramme qu’on trouve dans le datasheet du mosfet BS170, fourni par le fabricant :

Figure 23. BS170

Pour trouver le point de fonctionnement du mosfet (Vds/Vgs/Id), il va falloir tracer une droite de charge sur ce graphique, afin de trouver une intersection avec ces courbes.

Or, on a déjà une info importante, dans l’énoncé de l’exercice, car on sait déjà quelle courbe prendre en compte ici, puisque Vgs fera 10 volts.

À présent, il s’agit de tracer cette fameuse « droite de charge », pour trouver une intersection entre celle-ci et la courbe Vgs=10V.

Ici, on va placer 2 points sur ce graphe, afin de tracer cette ligne. Ces deux points seront calculés, suivant les hypothèses suivantes :

Hypothèse 1 : Vds=0 (tension « tout à gauche » du graphe ci-dessus, sur l’axe horizontal Vds). Dans ce cas, on peut calculer Id avec la loi d’ohm aux bornes de la résistance
```
=> Id = (Vcc – Vds) / R = (10v – 0v) / 47 ohms = 0.212 A (nous appellerons ceci le « Point 1 »)
```
Hypothèse 2 : Vds=5V (tension « tout à droite » du graphe ci-dessus, sur l’axe horizontal Vds). Dans ce cas, on peut calculer Id avec la loi d’ohm aux bornes de la résistance
```
=> Id = (Vcc – Vds) / R = (10v – 5v) / 47 ohms = 0.106 A (nous appellerons cela le « Point 2 »)
```

En plaçant ces deux points sur le graphe ci-dessus, et en traçant une droite qui passe par ces 2 points (c’est la fameuse « droite de charge »), on obtient le graphe ci-dessous :

Figure 24. Droite charge hypothèses.

Figure 25. Droite charge.

Et à l’intersection de cette droite de charge (en rouge sur le graphe) et la courbe « Vgs = 10V », on trouve un point de fonctionnement de notre montage. On s’aperçoit d’ailleurs clairement qu’on est en « zone ohmique ».

On peut d’ailleurs estimer graphiquement Vds, en redescendant à la verticale du point d’intersection : la valeur de Vds est d’environ 0,25 volts.

Ensuite, on peut calculer le courant Id « réel », traversant le mosfet, en appliquant tout simplement la loi d’ohm, aux bornes de la résistance R.

Id = U~R~ / R = (Vcc – Vds) / R = (10v – 0.25v) / 47 = 0.207 A.

On peut même calculer la valeur de Rdson, dans ces conditions, grâce à la loi d’ohm et aux valeurs trouvées précédemment.

Ainsi, Rdson vaudra :

Vds / Id = 0.25v / 0.207a = 1.21 ohms

Ce qui correspond d’ailleurs exactement à ce qu’indique le datasheet du BS170, qui donne un Rdson typique à 1,2 ohms.

En conclusion on peut dire que :

Le mosfet fonctionne en Zone Ohmique
Vds vaudra 0,25 V
Id vaudra 0,207 A
Et Rdson vaudra 1,21 ohms

Y’a-t-il besoin d’ajouter un dissipateur thermique sur le mosfet, dans ce cas ?

Pour savoir si un mosfet a besoin d’un dissipateur thermique ou pas, il va falloir comparer deux choses :

La puissance que le mosfet aura à dissiper en utilisation continue (à calculer, avec les valeurs trouvées précédemment)
Et la puissance dissipable par le mosfet lui-même, à l’air libre, sans dissipateur (valeur indiquée par le fabricant dans son datasheet)

Tout d’abord, commençons par calculer la puissance dissipée par le mosfet ci-dessus.

Pour rappel, on avait trouvé un Vds = 0.25 V, et un Id = 0.207 A.

Avec la formule P = u x i, on trouve une puissance à dissiper égale à :

P = 0.25*0.207 = 0.05 W (soit 50 mW).

D’autre part, avec la documentation constructeur, on retrouve la puissance maximum dissipable par ce mosfet :

Figure 26. Caractéristiques thermiques.

Dans ce tableau, on peut noter que le mosfet peut dissiper jusqu’à 830 mW à température ambiante, sans dissipateur.

Or, comme nous aurons que 50 mW à dissiper, ce mosfet n’aura pas besoin de dissipateur thermique.

3.7. TD MOSFET en commutation.

3.7.1. Exercice 1

En regardant attentivement ce graphe, on remarque que pour obtenir une tension Vds la plus faible possible, il faut :

Avoir un Vgs le plus grand possible (dans la limite de Vgsmax, bien entendu)
Et avoir un courant traversant le mosfet (Id) le plus faible possible également

D’après le graphique ci-dessus, quelle tension Vgs faut-il prendre, pour avoir une chute de tension Vds inférieure à 1 volts, tout en faisant passer un courant de 10 A dans le drain ? :
1. Vgs=0V
2. Vgs=3V
3. Vgs=4V
Correction

Bien entendu, pour avoir un interrupteur quasi parfait, il faudrait que Vds soit plus proche de 0 volts encore.

Et dans ce cas, il faudrait passer sur un mosfet plus performant que celui-là, car sous 10 ampères, on n’obtiendra rien de mieux ici.

Il existe de très nombreux modèles de mosfets, et pour un peu toutes les situations !

Il s’agira donc de sélectionner LE mosfet le plus adapté à ses besoins, et ne pas se contenter d’un « mosfet connu ».

Surtout, ne prenez pas à la légère cette tension Vds, car plus elle sera grande, et plus il y aura d’échauffement . Et même avec une tension de 1V seulement entre le drain et la source, on peut parfaitement claquer un mosfet s’il n’y a pas de dissipateur de chaleur adéquat.
Calculer Rdson, la principale caractéristique des mosfets, afin de trouver rapidement un modèle qui n’aura qu’une chute de tension Vds de 0,2 volt sous 10A ?
1. Rdson = 0.2 ohms
2. Rdson = 2 ohms
3. Rdson = 0.02 ohms

Correction

il suffit d’appliquer la loi d’ohm.

Ainsi, si Vds vaut 0,2V et Id vaut 10A, alors Rdson vaudra 0,2v / 10a, soit 0,02 ohm (d’après la loi d’ohm R = U / i).

Il ne vous restera plus qu’à chercher un mosfet ayant un Rdson inférieur ou égal à 0,02 ohms, parmi tous les mosfets en vente chez un revendeur

3.7.2. Exercice 2

On souhaite alimenter une charge de R=22Ω en commutation. La tension d’alimentation est de Vcc=5V et Ve peut prendre les valeurs de 0V et 5V.

Après avoir rédigé votre démarche sur le document réponse, vérifier vos résultats au fur et à mesure avec le questionnaire suivant:

Quelle est le type du transistor? :
1. MOS canalP
2. MOS canalN
3. NPN
En utilisant le modèle bloqué du transistor MOS précédent, Indiquez pour quelle condition sur Ve le transistor est bloqué. Consulter la documentation du BS170. Data sheet BS170
1. Ve > Vgsth=0.8V
2. Ve = 0V
3. Ve < Vgsth=0.8V

Pour Ve=5V relever dans la documentation la valeur de Idmax? :
1. Idmax = 0.42mA
2. Idmax = 0.45A
3. Idmax = 0.65A
Quelle est la valeur de Id dans le cas d'un transistor idéal en saturation (Vds=0V)? :
1. Id = 0.2mA
2. Id = 0.45A
3. Id = 0.227A
Dans quelle zone de fonctionnement du transistor on se situe?
1. En zone bloquée
2. En zone de saturation.
3. En zone ohmique
Rechercher le point de fonctionnement de ce montage, en traçant la droite de charge sur la courbe constructeur. Prendre 2 points caractéristiques pour Vds et Id et remplacez les dans l'équation de la maille de sortie précédente.
1. Id=0.2A Vds=0.55V
2. Id=0.2A Vds=0.37V
3. Id=0.227A Vds=0.05V
Calculer la puissance dissipée en conduction continue..
1. P=0.11W Vds=0.55V
2. P=0.075W Vds=0.37V
3. P=0.2W Vds=0.05V
Vérifier dans la documentation du BF170 que les valeurs de puissance et de courant en continu sont compatibles avec les valeurs maximales.
1. Vrai pour P seulement
2. Vrai pour Id seulement
3. Vrai pour les deux grandeurs

3.8. Exercices:

Exercices de synthèse.

3.9. Remarques générales

3.9.1. Les capacités d’entrée et de sortie des mosfet (Ciss, Coss, et Crss).

Comme n’importe quel transistor, un mosfet n’est pas parfait. On peut même le modéliser en représentant 3 condensateurs reliés à chacune de ses broches, deux à deux (drain-source, source-grille, grille-drain).

On obtient d’ailleurs un modèle équivalent, ressemblant à cela :

Ces capacités, nommées Ciss, Coss, et Crss, sont données par le fabricant, dans sa documentation (datasheet).

Mais pourquoi est-ce aussi important de prendre ces condensateurs en considération ?

Parce que dans certains cas, comme en commutation rapide (pilotage en PWM par exemple), ces condensateurs pourtant « insignifiants » à la base, deviennent prépondérants.

Ainsi, on ne peut pas les mettre de côté, car ils vont influencer le comportement du mosfet, d’une manière ou d’une autre lorsqu’on monte en fréquence.

C’est pourquoi on peut voir apparaître des résistances d’entrée sur la grille des mosfets, alors que ceux-ci sont « censés » avoir un courant de grille nul.

Cela peut d’ailleurs sembler contradictoire, mais en fait, tout s’explique de par la présence de ces condensateurs. Du coup, si on prend en compte la capacité d’entrée des mosfets, il faut impérativement mettre en place une résistance avant la grille, afin de limiter les courants de commutation !

En pratique, la résistance d’entrée à mettre avant la grille n’est donc vraiment nécessaire que lorsqu’on travaille en commutation rapide

4. Montages Types

4.1. Level shifter.

Level shifter.

5. Transistor IGBT

Transistor IGBT - Constitution et principe de fonctionnement.

6. Sources.

Transistor bipolaire:
Transistor MOS.

Version 2.2
Last updated 2024-03-03 16:17:24 +0100