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Technique - Polarisation


Nous allons maintenant nous attaquer à la polarisation des transistors. C'est souvent très simple mais également souvent très incompris voire ignoré de bon nombre de radioamateurs. Voyons de quoi il en retourne.
Nécessité de la polarisation :

1 - Notre transistor, pour fonctionner, a besoin d'être "polarisé". Cela signifie qu'on doit appliquer sur ses connections les tensions correctes et en amplitude et en polarité pour qu'il effectue la fonction qu'on lui demande.
Quand nous parlons de polarisation, nous parlons uniquement de tensions continues, et ce sont ces tensions continues qui vont permettre le fonctionnement correct en alternatif. Quand nous utiliserons la fonction amplification par exemple, nous appliquerons un signal alternatif à l'entrée et nous le récupérerons agrandi à la sortie, ceci ne sera possible que si les tensions continues sont présentes.

2 - La polarisation va nous permettre de régler le transistor dans sa fonction amplification de manière à ce que le signal de sortie soit rigoureusement (ou presque) identique au signal d'entrée (attention j'ai dit identique, c'est à dire qu'il a la même allure, je n'ai pas dit la même amplitude!). Si c'est le cas on dira que notre transistor amplifie linéairement. Or pour atteindre cet objectif (la linéarité) nous  devrons positionner notre transistor sur sa droite de charge très précisément, c'est la polarisation qui nous le permettra. Passons à la pratique.

Première polarisation et la plus simple : la polarisation fixe (ou de base)

La première des polarisations.
Habituons nous à cette nouvelle représentation schématique qui sera définitive.
Le rail supérieur représente la tension positive d'alimentation notée Vcc, le rail inférieur représente la référence du 0V, c'est à dire la masse.
Dans ce type de montage il est impossible de stabiliser le courant de repos  (le courant permanent qui circule du collecteur vers la masse) de manière définitive, la moindre variation de température entraîne une augmentation de b et du courant. Aussi utilisera t-on ce type de polarisation pour faire fonctionner le transistor en tout ou rien, càd en commutation.

polar1.gif (1735 octets)

Base à la masse, la jonction base-émetteur n'est pas polarisée, le transistor est bloqué et aucun courant ne circule, Vce est égal à la tension d'alimentation.

Base au plus par l'intermédiaire d'une résistance, la jonction base-émetteur est polarisée, le courant Ic atteint le courant de saturation, Vce est très proche de VCC.

Deuxième méthode plus évoluée, la polarisation par réaction d'émetteur :

Le plus gros problème contre lequel nous devons lutter pour polariser correctement un transistor utilisé en amplificateur linéaire est la variation du gain en courant b avec les variations de température. Le moindre petit courant circulant dans le transistor entraîne un échauffement, de plus le transistor vit dans un environnement. Toute variation de température entraîne une variation de b, cette variation se traduit par généralement une augmentation du courant IC (si la température croît naturellement). Cette variation de IC entraîne une variation de Vce puisque la chute de tension aux bornes de la résistance de collecteur est proportionnelle à IC. Tout ceci conduit au déplacement du point de repos P du transistor.

polar2.gif (1830 octets)

l'idéal serait de trouver un système permettant d'annuler ces variations, voire de les compenser.
Deus ex machina, la résistance d'émetteur.
Suivez le guide :
A partir du montage ci-contre supposons que pour une raison quelconque, le courant Ic croisse. Le courant Ie (Ie = Ic + Ib) va croître également.
la chute de tension aux bornes de la résistance RE va augmenter puisque Vre= Re * Ie
Regardons ce qu'il advient de la tension Vbe (tension de la jonction Base-Emetteur).
Côté base, pas de changement, la tension est constante. En revanche si nous mesurons la tension Emetteur par rapport à la masse, nous constatons que celle-ci croît (normal Vre= Re * Ie). Ceci implique que le tension Vbe diminue. La tension de polarisation de la jonction  Vbe diminuant, le courant Ib décroît, ce qui fait décroître le courant IC. CQFD !
Vous pouvez imaginez une variation en sens inverse, vous constaterez alors qu'une diminution de IC provoque une diminution de Vre soit une augmentation de la polarisation de la jonction Vbe soit une augmentation de IB soit une augmentation de IC.

Important :

Nous venons de voir le rôle capital de la résistance d'émetteur, ceci sera une constante et vous la retrouverez dans pratiquement toutes les polarisations
Passons à la pratique:

Rappelons que la tension d'alimentation = Vcc et que nous pourrons assimiler Ic à Ie tant la différence entre ces courants est minime (Ib près)
calculons IC.
Nous pouvons écrire la relation suivante :

Vcc - ( Rc.Ic + Vce + Re.Ie) = 0
regardez le schéma c'est simple.

polar3.gif (2249 octets)

Après réarrangement il vient :
        Vcc - Vce
Ic = ___________
         Rc + Re

Voyons ce que cela donne sur la droite de charge, en prenant pour déterminer cette droite nos deux points habituels, à savoir quand Ic = 0 ce qui détermine le point de blocage du transistor et quand Ic n'est plus limité que par les résistances du circuit ce qui détermine le point de saturation quand Vce=0Il vient :
pour Ic=0 nous avons Vcc =  Vce
pour Vce=0 Ic=  Vcc/ Rc + Re. Traçons :

polar4.gif (3104 octets)

Nous avons parlé du courant de saturation du transistor. C'est une notion importante qu'il convient de bien comprendre. Si nous faisons croître le courant Ic dans notre transistor en augmentant le courant Ib et ce par le biais de la polarisation de la jonction Base-Emetteur, nous constatons que les chutes de tension aux bornes de Re et Rc croissent, c'est une simple application de la loi d'Ohm.
(VRc = Rc.Ic et VRe =  Re.Ie)
Il arrive un moment (regardez le schéma) où la tension Vce devient pratiquement nulle. Le transistor ne pourra pas fournir plus de courant. Ce point s'appelle point de saturation. Remarquez bien que ce point est atteint par le fait de la valeur des résistances qui produisent une chute de tension. Ce sont les éléments extérieurs au transistor qui dictent ce point. Vous comprendrez ultérieurement, quand nous étudierons l'amplification l'importance de ce point.
Voyons ce qui se passe côté base du transistor :

Calculons les tensions (en regardant le schéma pour nous aider) côté base.
Nous pouvons écrire :
Vcc - (Rb.Ib +Vbe + Re.Ie) = 0
Nous savons que Ic est sensiblement égal à Ie et que
b Ib = Ic
Nous  pouvons écrire  que Ic =
       Vcc - Vbe
Ic =  _________
        Re + (Rb/
b)
Ceci montre que le gain en courant du transistor
b intervient encore, certes de manière partielle mais encore significativement dans la détermination du courant collecteur.


Avantages et inconvénients de cette méthode de polarisation : Nous avons obtenu une meilleure stabilisation de notre point de repos sur la droite de charge, toutefois ceci n'est pas tout à fait satisfaisant car une grande variation du gain en courant du transistor entraîne encore trop de variation du courant IC.
Ce n'est pas encore le montage idéal.
Exercice d'application :
Supposons le gain en courant b de ce transistor = 100.
On demande de calculer le courant Ic.
Appliquons la formule suivante
      Vcc - Vbe
Ic =  _________
        Re + (Rb/
b)
ce qui donne :
         12 - 0,7
Ic  = _________________ = 8,7 mA
        100 + (120000/100)

polar10.gif (2001 octets)


Troisième méthode,   la polarisation automatique :
On la retrouve assez souvent car elle est économe en composants et fournit de bons résultats.

polar5.gif (1833 octets)

Quoi de neuf ?
La résistance de base Rb est prise après RC.
Que se passe t-il si
b varie ?
b augmente (supposons-le), donc le courant Ic augmente. Quand Ic croît, la chute de tension Rc.Ic augmente également diminuant par là même la tension aux bornes de Rb ce qui provoque une diminution de IB donc une diminution de Ic. Bref ça régule.
Calculons les tensions (en regardant le schéma pour nous aider) côté base.
Nous pouvons écrire :
Vcc - ( Rc (Ic+Ib) + Rb . Ib + Vbe) =0
Nous savons que Ic est sensiblement égal à Ie et que
b Ib = Ic
Nous  pouvons écrire  que Ic =
       Vcc - Vbe
Ic =  _________
        Rc + (Rb/
b)
Nous retrouvons la même équation que pour la polarisation précédente. Toutefois si mentalement nous réduisons Rc a 0, ce qui revient à mettre un strap, nous constatons que la tension  entre base et masse sera de l'ordre de 0.6-0.7V, soit la tension de jonction Vbe. C'est ce qui explique qu'on ne puisse pas saturer le transistor dans ce type de montage, Vce ne pouvant jamais descendre sous 0.7 V.
Dans ce type de montage, pour stabiliser le point de fonctionnement R au milieu de la droite de charge, nous appliquerons la  relation suivante :

 
Rb =   b . Rc

Le courant IC sera déterminé par

            Vcc - Vbe
Ic =
_____________
            Rc +  ( Rb/
b)

Avantages et inconvénients de cette méthode de polarisation : Notre point de repos R est mieux stabilisé, mais on constate encore que le gain en courant du transistor intervient dans le réglage du courant de repos. Ce montage évite la saturation du transistor
Exercice d'application :

On suppose b égal à 100.
On demande de calculer Rb pour un courant de 10mA.
Nous savons que :

        Vcc - Vbe
Ic =  _________
        Rc + (Rb/
b)
transformons ceci de manière à extraire Rb.

Ic . (Rc + (Rb/b)) = Vcc-Vbe

polar11.gif (1797 octets)

                        Vcc - Vbe              Rb                  Vcc - Vbe
Rc + (Rb/
b) = _____________ ;        ___         =   ____________   -    Rc
                            Ic                      
b                         Ic

                       Vcc - Vbe
Rb =    
b  x  ____________  - Rc
                         Ic
   
et numériquement :    100 x     12-0,7
                                          ________   -  100 = 103000
W
                                             0,01

Quatrième méthode, la reine des polarisations , la polarisation par pont diviseur :

Voilà la bête !
C'est le  montage le plus classique, on le retrouve partout. Cette fois la tension polarisant la base est fournie par un pont diviseur formé par deux résistances, l'émetteur voit une résistance Re (revoyez plus haut l'importance de cette résistance sur l'effet régulateur), le collecteur est chargé par une résistance Rc.
Dans ce montage, le courant de repos est TOTALEMENT indépendant du gain en courant
b du transistor

polar6.gif (2032 octets)

Examinons le pont diviseur R1-R2:

Vous vous souvenez qu'il existe deux méthodes de calcul pour déterminer la tension au point commun des résistances.
1- la première consiste à calculer le courant qui circule dans R1+R2 puis à multiplier ce courant par R2, on obtient ainsi la chute de tension aux bornes de R2.
2- la seconde plus simple et élégante consiste à déterminer la proportionnalité R1/R2 et à multiplier par la tension appliquée, en pratique on se souviendra :
               R2
V = _________   .  Vcc
           R1 + R2
Il n' y rien de magique, nous avons déjà vu cela avec la loi d'Ohm et Norton, d'ailleurs c'est la méthode la plus rapide et la plus simple pour déterminer la valeur de la tension issue d'un pont diviseur.

Bon, nous avons une tension fixe et stable Vb sur la base de notre transistor. A votre avis, quelle est la valeur de la tension de l'émetteur ? Retenez cela :

Ve = Vb -Vbe

Les tensions notées Ve, Vb, sont les tensions mesurées sur l'électrode considérée du transistor par rapport à la masse
Nous avons affaire à une  jonction, qui comme vous le savez produit quel que soit le courant qui la traverse une chute de tension de 0.7 V. Ce sera une constante.
Calculons le courant d'émetteur ( ce qui revient à calculer le courant de collecteur ).
C'est très simple et désormais devant ce type de montage, en quelques secondes vous serez capable de déterminer le courant collecteur.
              Ve           
Ie =  _______________               
              Re

                                         
ou
           Vb -
Vbe
Ie = _____________
               Re

Nous retiendrons, et nous le graverons au-dessus de notre lit en lettres d'or

C'est la résistance d'émetteur qui règle le courant de collecteur


Comment est-ce possible allez-vous demander ?
Regardez, nous avons sur la base une tension dictée par le pont diviseur R1/R2.
Sur l'émetteur, nous retrouvons cette tension diminuée de Vbe soit inférieure de 0,7V (c'est une diode).
Le courant Ie = Ic + Ib, négligeons Ib qui est de toute façon très petit, on peut approximativement dire que Ic=Ie.
Appliquons la loi d'Ohm pour la résistance d'émetteur :
Le courant qui traverse Re sera égal à la tension à ses bornes divisée par la valeur de sa résistance, donc
Ie = Ure / Re soit
Ie = Ve / Re
C'est bien Re qui règle le courant de collecteur.
polar7.gif (2702 octets)


Quelques règles simples à respecter sur ce type de montage :
Ce n'est pas très scientifique et s'apparente plus à des recettes de cuisines toutefois respectez ceci : - La chute de tension aux bornes de Re pour avoir une bonne stabilisation doit être d'au moins 1 V avec les tensions  d'alimentation usuelles.
- Le courant dans le pont de base doit être au moins 5 fois supérieur au courant de base. Si ce n'était pas le cas, le courant de base ferait trop chuter la tension Vb.



Nous allons voir grâce à un exemple comme l'analyse sur un tel montage est facile.

polar8.gif (1880 octets)

Voici notre montage. Précisons que les valeurs de résistances ne sont pas standards. La tension d'alimentation est de 10V.
Nous allons nous attacher à calculer toutes les tensions et tous les courants de ce montage.
1 - calculons la tension délivrée par le pont résistif R1.R2 Nous savons que
              R2
Vb =     _______ . Vcc
              R1 + R2

ce qui donne
             7
Vb =    ________ x 10   = 7V
             10
2 - calculons la tension présente sur l'émetteur du transistor Ve = Vb - Vbe
Ve = 7 - 0,7 = 6,3 V
3 - calculons le courant d'émetteur qui sera égal au courant collecteur Ie =  Ure / Re
Ie =  Ve / Re
Ie =  6,3 / 6300 = 1 mA
Le courant collecteur étant à Ib près égal à Ie
4 - calculons la chute de tension aux bornes de la résistance de collecteur U = Rc . Ic
On prendra Ic =Ie
Urc = 1000 X 0.001 = 1V
5 - calculons Vce Vce= Vcc - Rc.Ic - Re.Ie
Vce = 10 - 1 - 6.3 = 2,7 V
6 - notre point de repos est positionné  comme suit Ic = 1 mA
Vce = 2.7V
7 - dessinons notre droite de charge en déterminant les deux points caractéristiques Equation globale de collecteur :
Vcc - (Rc.Ic + Vce + Re.Ie) = 0

Courant de saturation
Quand Vce =0, Ic =  Vcc/ (Rc + Re)
Ic pour Vce=0 = 10/ 7300 = 1.37mA

Quand Ic = 0 Vce =Vcc soit 10V
polar9.gif (3107 octets)
Et la voici. Nous pouvons immédiatement constater que notre transistor n'est pas idéalement polarisé et qu'il serait souhaitable de faire descendre le point de repos sur la droite de charge de manière à ce que celui-ci soit positionné au milieu de celle-ci.
Nous pouvons réaliser ce prodige de différentes manières, la plus simple consiste à augmenter la valeur de Re de manière à diminuer le courant IC. On pourrait également recalculer le pont diviseur pour obtenir le même résultat.


Pour conclure ce chapitre sur la polarisation, retenez ce qui suit.

Quand vous serez devant un montage  récalcitrant, et si vous avez affaire à la classique polarisation par pont diviseur, commencez par mesurer la tension aux bornes de la résistance d'émetteur.
Deux cas :

- Il n'y a rien et le transistor ne débite pas, cherchez pourquoi (manque tension, transistor HS etc)
- Vous lisez une tension, alors divisez la par la résistance d'émetteur, vous aurez plus qu'une bonne idée du courant qui circule.

En amplification de puissance , vous verrez un autre système de polarisation (a priori), car on ne pourra plus se permettre de perdre de la puissance dans différentes résistances. Sachez toutefois que le principe restera le même, et que l'objectif final sera toujours de linéariser l'amplification du transistor. Dans quelques cas bien particuliers, nous éviterons l'amplification linéaire, mais ceci est une autre histoire et nous y reviendrons.