Rappel sur le fonctionnement du transistor en commutation

Historique

Le professeur Heinrich Rudolf Hertz fit une expérience en en 1888 prouvant l’existence réelle des ondes électromagnétiques prédites par Maxwell. Hertz réalise un oscillateur à l’aide d’une bobine et d’un condensateur composé de deux sphères. Les oscillations du courant électrique dans ce dispositif sont à l’origine d’une onde qu’il détecte avec un petit résonateur composé d’un anneau métallique presque refermé. Le courant créé par l’onde dans cette antenne provoque une étincelle. Figure I.1 : Principe de l’oscillateur Pour mieux comprendre l’origine des oscillations parasites qui se produisent spontanément dans les amplificateurs à très fort gain, Abraham et Bloch réalisent un circuit simplifié, où les couplages entre lampes successives sont renforcés, et qui va les conduire au multivibrateur.

En 1917, Abraham et Bloch inventent le multivibrateur, oscillateur électronique d’un type nouveau, qui aura de multiples applications, parce qu’il permet de produire un grand nombre de fréquences fN multiples de sa fréquence de base f0 (fN = Nf0, où N est un nombre entier) ; et aussi parce que sa fréquence de base f0 peut être facilement « synchronisée » sur la fréquence fréf d’un oscillateur de référence, en sorte que f0 = fréf .Ils utilisent ces multivibrateurs pour inventer une nouvelle méthode de mesure des fréquences par comparaison de multiples et de sous-multiples – méthode toujours actuelle. Les compteurs de fréquence, couramment utilisés dans nos laboratoires, sont les descendants directs des ancêtres imaginés par Abraham et Bloch ; avec les lasers, nous appliquons aujourd’hui les mêmes méthodes aux fréquences des ondes lumineuses. L’ondemètre, qu’ils construisent pour la télégraphie militaire en 1918, permet de mesurer les longueurs d’onde λ=ℓ/c des émetteurs radio avec une précision inégalée (la fréquence était alors inusitée dans le langage courant) ; et il porte cette étiquette, digne de la tradition militaire : « Longueurs d’ondes rectifiées, 1918 ».

Principe de fonctionnement

Pour simplifier notre étude, on va se limiter à examiner ce qui se passe pendant une période quelconque du signal d’excitation, sachant qu’il se reproduit périodiquement. Voici la forme de signal qu’on obtient aux borne du condensateur avec un signal d’entrée rectangulaire: Figure II.2 : Allure du signal de sortie.

Pendant la première demi-période c’est-à-dire que le signale est au nivaux haut :Le condensateur est soumis à une tension positive V0. Des charges circulent provenant du générateur à travers la résistance R pour être stockées dans le condensateur. Le condensateur se charge en accumulant de l’énergie. La rapidité avec laquelle il se charge dépend de sa capacité C et du courant qui circule et donc de R. On peut donc en déduire raisonnablement que la charge sera d’autant plus rapide que R est petite (le courant sera plus grand) et C plus petite aussi (moins de charges à accumuler pour « remplir » le condensateur). Un autre facteur limitant la charge est la durée pendant laquelle la tension d’alimentation est positive, c’est à dire la durée du créneau positif. La charge complète ou incomplète du condensateur dépend donc aussi de la fréquence du signal d’excitation.

Pendant la seconde demi-période c’est-à-dire que le signal est au nivaux bas : Le condensateur est soumis à une tension négative -V0. Il se décharge à travers la résistance R et perd de l’énergie. Le condensateur se décharge en fournissant de l’énergie au reste du circuit.

La rapidité avec laquelle le condensateur se décharge dépend essentiellement de sa capacité et de Résistance à travers laquelle il se décharge. On peut donc en déduire tout aussi raisonnablement que la décharge sera d’autant plus rapide que R est petite (le courant sera plus grand) et C plus petite aussi (moins de charges à évacuer pour « vider » le condensateur).

Les astables à transistors Figure II.4 : Astables à transistor La sortie de T2 est reliée à l’entrée de T1 par une liaison capacitive et réciproquement. Les résistances des collecteurs sont beaucoup plus faibles que les résistances des bases. On suppose que T1 se sature : son potentiel de collecteur passe brutalement de U à 0. Le potentiel de base de T2 passe de 0,6V à (0,6V − U) car la charge du condensateur C1 n’a pas le temps de varier pendant la transition. Ceci bloque T2 dont le potentiel de collecteur tend vers U car C2 se charge rapidement avec la constante de temps τ2 = RC2×C2 à travers la charge de T2 et la jonction base-émetteur de T1.Le potentiel de base de T1 reste positif ce qui maintient la saturation. Pendant le même temps, le condensateur C1 se charge avec la constante de temps τ1 = RB2.C2 à travers RB2 et l’espace collecteur-émetteur de T1 : le potentiel de base de T2 croît de (0,6V−U) à 0,6V avec la constante de temps RB2.C1. Lorsque VB2 atteint le seuil de conduction de la jonction base-émetteur, le transistor T2 se sature et le système bascule dans son autre état : la diminution du potentiel de collecteur de T2 induit (via C2) une tension négative sur la base de T1 qui se bloque … Le circuit oscille en permanence entre ces deux états. L’évolution des potentiels sur les électrodes des transistors en fonction du temps.Un calcul simple montre que la valeur approchée de la période du multivibrateur est égale à : T = 0,7(RB2×C1 + RB1×C2).

Une bascule de Schmitt, aussi appelée trigger de Schmitt ou bascule à seuil. Figure II.6 : La bascule de schmitt C’est une bascule à trois entrées V, SB et SH et une sortie Q. Contrairement aux autres bascules, qui sont commandées en appliquant des signaux logiques à leurs entrées, la bascule de Schmitt est conçue pour être pilotée par une tension analogique, c’est-à-dire qui peut prendre n’importe quelle valeur (dans l’intervalle 0 – Vcc afin de ne pas dégrader le circuit). Les entrées SB et SH (seuil bas, seuil haut, ce dernier étant à un potentiel supérieur à SB) sont maintenues à des potentiels fixes ; ceci peut se faire par exemple grâce à un diviseur de tension composé de 3 résistances placées en série entre Vcc et la masse ; SH et SB sont reliés aux points intermédiaires du diviseur. Le fonctionnement de cette bascule est le suivant :

•supposons qu’au départ, V soit au niveau bas 0 ; Q est alors à 0 ;

•quand V augmente, Q reste à 0 jusqu’à ce que V dépasse SH ; à ce moment, Q passe à 1 ;

•Q reste à 1 jusqu’au moment où V devient inférieur à SB ; à ce moment, Q passe à 0;

•Q reste à 0 jusqu’à ce que V repasse au-dessus de SH.

II.6.2 Principe de fonctionnement : Il utilise le fait qu’il existe un temps de propagation T pour chaque inverseur. Le chronogramme ci dessous permet d’en comprendre le fonctionnement. Quand le signal au point VI (ou V3) passe du niveau L au niveau H, il apparaît clairement que la sortie correspondante bascule après un laps de temps égal à T. Il en est ainsi pour les trois inverseurs. L’entrée VI rebascule donc après 3 T. La période du signal vaut 6 T. Ce circuit permet d’obtenir un oscillateur à fréquence élevée car les temps de propagation T sont relativement courts. Si l’on veut réduire la fréquence d’oscillation, il suffit d’ajouter d’autres inverseurs. Leur nombre doit rester impair. Si n est le nombre d’inverseurs, la fréquence d’oscillation vaut 1 / 2n T. Avec ce montage, la stabilité est toujours fonction de la tension d’alimentation, de la température et de la charge située à sa sortie, donc du circuit logique qu’il doit piloter. Il est possible d’améliorer ce montage en y intégrant trois composants passifs comme le montre le circuit ci-dessous : Figure II.16 Astable à 3 inverseurs A l’instant t0, la sortie S est au niveau L et l’entrée de l’inverseur 1 est au niveau H.

Le potentiel du point V1 va donc décroître et dès que ce potentiel atteint le seuil de basculement de l’inverseur 1, soit pour Vcc / 2, les trois inverseurs vont basculer en chaîne. La sortie de l’inverseur 2 passe du niveau H au niveau L à l’instant t1 soit une chute de tension de -Vcc et le point V1 se retrouve au potentiel (Vcc / 2) -Vcc = -Vcc / 2. Or, la sortie est passée au niveau H, donc le potentiel de ce point V1 va croître jusqu’à + Vcc / 2 (instant t2) où les trois inverseurs vont commuter simultanément. Le point V1 se retrouve (Vcc / 2) + Vcc = 3 / 2 Vcc. Finalement, on assiste à une série de charges et de décharges du condensateur C et chaque fois que le point V1 franchit le seuil de basculement de l’inverseur 1, l’état de la sortie change. A titre indicatif, la fréquence d’oscillation est donnée par la formule : Cet oscillateur est insensible aux variations de la tension d’alimentation Vcc et sa stabilité en fréquence est d’autant meilleure que sa fréquence est basse. En effet, la fréquence dépend principalement des trois composants R1, R2,C.

Principe de fonctionnement

La fréquence d’oscillation est donnée par la formule La valeur de la résistance R2 doit être au moins dix fois supérieure à celle de R1.Par ailleurs, les valeurs de C et de R1 ne doivent pas être trop faibles, car l’inverseur 2 ne peut fournir un courant en sortie très élevé. . Il est toujours possible de mettre une résistance R1 variable. Ceci permet d’ajuster la fréquence de sortie de l’oscillateur. Il est également possible de faire varier le rapport cyclique du signal rectangulaire par le circuit amélioré ci-dessous : Figure II.19 : Astable à 2 inverseurs avec fréquence variable A l’instant t1, la sortie S est au niveau L et le point A au niveau H. Le point B est alors au potentiel -Vcc / 2, comme nous le verrons à la fin de ce raisonnement, Vcc étant la tension d’alimentation du montage. Le condensateur C se décharge donc à travers la diode D2 et une partie du potentiomètre P1 puisque le point A est au potentiel + Vcc et le point B au potentiel -Vcc / 2.A l’instant t2, le condensateur C est complètement déchargé. Le point B est au potentiel 0 volt. Le potentiel du point B continue d’augmenter puisque le point A est toujours au potentiel + Vcc.

Le condensateur C se charge maintenant à travers la même diode D2 jusqu’à l’instant t3. De l’instant t1 à l’instant t3, seule la diode D2 conduit, la diode D1 étant polarisée en inverse. C’est le même courant IL qui décharge dans un premier temps le condensateur C puis le charge dans un deuxième temps. A l’instant t3, le point B est au potentiel + Vcc / 2, donc l’inverseur 1 bascule ainsi que l’inverseur 2. Le point A passe au potentiel 0 et la sortie S au potentiel + Vcc. Le potentiel de la sortie S a augmenté instantanément de + Vcc, donc le potentiel du point B fait de même et passe ainsi à + 3 / 2 Vcc. De l’instant t3 à t5, les mêmes phénomènes que ceux décrits ci-dessus se reproduisent ; mais cette fois-ci, c’est la diode D1 qui conduit et la diode D2 qui est polarisée en inverse. De t3 à t4, le condensateur C se décharge, puis de t4 à t5, C se charge. Quand le potentiel du point B arrive au seuil de basculement de l’inverseur + Vcc / 2, les deux inverseurs basculent. La sortie S qui se trouvait à + Vcc passe au potentiel 0 volt, soit un front négatif de – Vcc qui est transmis intégralement au point B par le condensateur C. Ce point B qui était à un potentiel de + Vcc / 2 passe donc à : . Nous sommes revenus au point de départ de notre explication et un nouveau cycle peut recommencer. En faisant varier la position du curseur du potentiomètre P1, les constantes de temps de charge et de décharge de C (celle relative à la période t3 – t1 et celle relative à la période t5 – t3) varient. Ainsi, le rapport cyclique varie.