application de diode

5-1

5 Le transistor en commutationObjectifs dapprentissage :

1 5, et 9

But : Utiliser le transistor bipolairedans des applications de commande

But de latelier Dans cet atelier, vous ferez ltude du transistor dans des applications de commutation. Vous aurez tablir les caractristiques de fonctionnement optimales dun circuit de commande dun relais en utilisant des transistors NPN et PNP et vous raliserez ce circuit dans une application simple appele interface . Vous ferez aussi la vrification dun circuit de dtection tel quon en retrouve dans les aronefs.

quipement requis :

Multimtre numrique Source dalimentation Plaquette de montage Circuit numro 0010 Relais 12 VCC 1 x Rsistance: 100 , W 1 x Rsistance: 180 , W 1 x Rsistance: 220 , W 1 x Rsistance: 1 k, W 1 x Transistor 2N3904 1 x Transistor 2N3906 Circuit intgr 74LS00

Laboratoire 5

5-2 280-215-EM, Circuits daronefs semi-conducteurs I

5.0 Prparation individuelle.

Prparation individuelle :

1re semaine : Rvisez la section 4-5 de votre manuel. Rvisez aussi vos notes de cours sur la conception de circuits de commutation transistors bipolaires. Lisez le texte du laboratoire 5, sections 5.1 et 5.2 afin de prendre connaissance lavance des manipulations effectuer. Effectuez le calcul de la rsistance RB la section 5.1 (Conception, pages 5-3 et page 5-4). Recherchez sur lInternet la fiche technique du circuit 74LS00 fabriqu par la compagnie Texas Instruments (TI). Assurez-vous davoir en mains une copie de cette fiche technique lors de la priode de laboratoire.

5.0 Initiales du professeur :

2e semaine : Rvisez la section 4-8 de votre manuel. Lisez le texte du laboratoire 5, section 5.3 afin de prendre connaissance lavance des manipulations effectuer.

Le transistor bipolaire

5-3

5.1 Commande dun relais

Conception En supposant une valeur de CC gale 20, calculez la valeur de la rsistance RB permettant le fonctionnement du transistor en saturation lorsque la tension de commande est 12 V. Demandez votre professeur de vous fournir une rsistance RB de la valeur calcule.

IC=Vcc/Rc =12v/160=75 mA CC = Ic / Ib ,donc Ib= 0.075/20= 3.75 mA Rb=Vbb-700mV/Ib=12-700mV/3.75 mA=3.0k

Manipulations Montez le circuit de la page prcdente. Soyez trs attentifs raccorder la diode en respectant la polarit indique.

laide du multimtre, mesurez les tensions VB et VC lorsque la tension de commande (VBB) vaut 12 V puis lorsquelle vaut 0V.

VBB = 12 V VBB = 0 V VB = 865mV VB = 0V VC = 144mV VC = 12V

Laboratoire 5



5-5

partir des mesures effectues, calculez lintensit des courants IB

et IC lorsque la tension de commande (VBB) vaut 12 V puis lorsquelle vaut 0V.

VBB = 12 V VBB = 0 V IB = 3.71mA IB = 0A IC = 74mA IC = 0A

Explications

Pourquoi faut-il placer une diode en polarisation inverse en parallle avec la bobine du relais? . Pour limiter leffet de champ de la bobine et viter ainsi de produire de ltincelle

Lorsque les mesures sont compltes, demandez votre professeur de confirmer votre travail.

5.1.1 Initiales du professeur :

Conception En supposant une valeur de CC gale 20, calculez la valeur de la rsistance RB permettant le fonctionnement du transistor en saturation lorsque la tension de commande nest que 1 V. Demandez votre professeur de vous fournir une rsistance RB de la valeur calcule. IC sat =VCC/Rc =12/160=75 mA Ib=Ic sat /Bcc= .075/20=3.75 mA

VRB = VEN- VBE =1-0.7=0.3V

RB= VRB/IB=0.3/3.75mA=80

Laboratoire 5


Manipulations Remplacez la rsistance RB.

laide du multimtre, mesurez les tensions VB et VC lorsque la tension de commande (VBB) vaut 1 V puis lorsquelle vaut 0V.

VBB = 1 V VBB = 0 V VB = 727mV VB = 0 VC = 140mV VC = 12V partir des mesures effectues, calculez lintensit des courants IB

et IC lorsque la tension de commande (VBB) vaut 1 V puis lorsquelle vaut 0V.

VBB = 1 V VBB = 0 V IB = 3.4mA IB = 0 IC = 74mA IC = 0

Observations Comparez la valeur du courant IC dans les deux cas tudis et commentez.

Dans les 2 cas ou VBB(tension de commande) est gal 12volt ou 1 v (suprieur a 700 mV) , le transistor est fonctionnel , et on a un courant IC max (saturation) , Dans le cas ou Vbb =0 le transistor est non fonctionnel , il est en blocage (Ic=0)


5.1.2 Initiales du professeur :


5-7

5.2 Interface

Analyse Si on voulait commander le relais laide dune porte logique, le circuit

ci-dessous ne pourrait pas fonctionner. Expliquez pourquoi. Le courant de sortie la porte 3 est trs faible. En plus Il n y a pas assez de voltage dans la sortie (3) du 74LS00 en thorie entre 3.5-5V pour que le relais de 12 v enclenche et faire fonctionner le circuit.

Recherche Avec votre professeur, recherchez les caractristiques suivantes du circuit intgr 74LS00 dans la fiche technique que vous avez tlcharge sur lInternet :

Min Typ Max

Tension de sortie, niveau haut VOH : 2.7V 3.4V

Tension de sortie, niveau bas VOL : .35V 0.5V

Courant de sortie, niveau haut IOH: -0.4mA

Ce circuit ne peut pas fonctionner. Pourquoi ?

Laboratoire 5


Courant de sortie, niveau bas IOL : 8mA

Analyse Observez le circuit ci-dessous. Compte-tenu des caractristiques du circuit intgr 74LS00, ce circuit peut-il fonctionner adquatement? Justifiez votre rponse. Il n y a pas assez damprage dans la sortie (3) (porte logique) du 74LS00 pour que le relais enclenche. (Rb=80, Ib max = 0.4 mA(IOH) donc Vb =80*0.4mA= 32mV, cest insuffisant (inferieur a 700mV) pour faire fonctionner le transistor et de se fait le relais.


5-9

Laboratoire 5


Analyse Observez le circuit ci-dessous. Compte-tenu des caractristiques du circuit

intgr 74LS00, on a ajout un tage supplmentaire compos par le transistor 2N3906 et par le diviseur de tension trois rsistances.

Le circuit 74LS00 est command par un interrupteur. Lorsque linterrupteur est ouvert, la tension dentre est au niveau haut (env. 5 V) et la tension de sortie est au niveau bas (env. 0 V). Lorsque linterrupteur est ferm, la tension dentre est au niveau bas (env. 0 V) et la tension de sortie est au niveau haut (env. 5 V).

Lorsque le circuit 74LS00 prsente sa sortie un niveau bas, le transistor Q1 est satur. La tension lmetteur de Q1 est alors trs faible, ce qui entrane que la tension de la base de Q2 est aussi trop faible : Q2 est alors bloqu. Aucun courant ne circule dans le collecteur de Q2 et le relais reste au repos.

Lorsque le circuit 74LS00 prsente sa sortie un niveau haut, le transistor Q2 est bloqu. La tension lmetteur de Q1 est alors dtermine par le diviseur de tension trois rsistances. La tension de la base de Q2 est alors assez grande pour que Q2 soit satur. Le courant circule au travers la bobine du relais et dans le collecteur de Q2 et le relais est alors actif.

Manipulations Montez le circuit ci-dessus. Soyez trs attentifs raccorder la diode en respectant la polarit indique.


5-11

Manipulations laide du multimtre, mesurez les tensions VBQ1, VEQ1, VBQ2 et VCQ2 lorsque le niveau de sortie du circuit 74LS00 est bas et lorsquil est haut.

Sortie 74LS00 = bas Sortie 74LS00 = haut VBQ1 = 169mV VBQ1 = 4.33V VEQ1 = 916mV VEQ1 = 2.63V VBQ2 = 322mV VBQ2 = 876mV VCQ2 = 12V VCQ2 = 257mV



Laboratoire 5


Conception du

circuit Avec laide de votre professeur, vous allez revoir les tapes de la conception du circuit. Une fois que la topologie du circuit est dcide il faut trouver la valeur des rsistances qui composent le diviseur de tension. Nous savons que lorsque le circuit intgr 74LS00 prsente un niveau haut sa sortie, le transistor Q1 est bloqu et le transistor Q2 est satur. Dans cette condition, le circuit peut tre simplifi de la manire suivante :

La tension dalimentation du rseau de rsistances est 5 V de sorte que la tension du circuit simplifi (VTh) doit ncessairement tre infrieure 5 V. Choisissons une tension de 1 V puisque nous avons dj calcul cette condition : VTh = 1 V RTh = 80 Dans cette condition :

VTh =1V RTh =80

VTh =5 1V R12 =5 5 80 400

RTh = 80

R3 = 100 On a donc :

R3 = 100 et R12 = 400


5-13

Daprs la fiche technique, lorsque le circuit 74LS00 prsente sa sortie un niveau haut,

la tension peut tre aussi faible que 2,7 V (VOH min : cas le plus dfavorable). Nous devons nous assurer que le circuit pourra fonctionner dans cette condition. Lorsque le circuit 74LS00 prsente un niveau haut de 2,7 V sa sortie, Q1 doit tre bloqu. La tension VBE doit tre peu prs nulle de sorte que la tension de lmetteur de Q1 doit aussi tre denviron 2,7 V :

Pour que VTh reste gal 1 V, il faut que : VTh =,V

, V 1 V

R2 =170 On choisira une rsistance de _180 ._. Alors R1 vaudra :

R1 =400 180 = 220 On a donc :

R1 = 220 R2 = 180 R3 = 100

Laboratoire 5


Il faut vrifier que ces valeurs de rsistances permettent aussi un fonctionnement adquat lorsque le circuit 74LS00 prsente un niveau bas sa sortie. Daprs la fiche technique, lorsque le circuit 74LS00 prsente sa sortie un niveau bas, la tension peut tre aussi leve que 0,5 V (VOL max : cas le plus dfavorable). Le transistor Q1 doit alors tre satur. La tension VBE serait environ 0,7 V de sorte que la tension de lmetteur de Q1 serait gale 0,5 V + 0,7 V = 1,2 V.

La tension VTh serait alors : VTh =,V

,V 0,43 V

Ce qui serait assez faible pour que Q2 reste bloqu. Les valeurs trouves sont donc acceptables car elles garantissent la fiabilit du circuit

(fiabilit : fonctionnement adquat mme dans des conditions dfavorables).


5-15

5.3 Circuit de dtection

Schma du circuit 0010 :

Laboratoire 5


Schmas dimplantation :

Ct composants

Ct cuivre


5-17

Explications Un circuit semblable (seules les valeurs des rsistances ont t changes)

est expliqu partir de la page 221 de votre manuel.

Les interrupteurs magntiques de la zone 1 sont normalement ferms et nouvre que lors dune intrusion. Sil y a dtection dans la zone 1, linterrupteur magntique souvre lors dune intrusion (ouverture dune porte ou fentre) , la tension est coup a la base de Q1 ,Le transistor Q1 sera donc en blocage, le transistor Q2 sera en saturation , polariser par la tension de 12 v du VCC et le courant la base qui traverse R3 et R4 vers Q2, le courant au collecteur (Ic sat )qui traverse la bobine dclenche le relais ou alarme. Dans la situation inverse, il y a pas de dtection, Q1 est satur alors que Q2 est en blocage donc le relais ne reoit pas de courant (IC=0) donc il ne marchera pas .

Conception

avance Une rsistance de 1 M est place entre la base des transistors Q1, Q3 et Q5 et le commun. Aucune explication nest donne dans le manuel sur limportance de cette rsistance. Mais en relisant les pages 21 24 et les pages 185 et 186 de votre manuel, pouvez-vous expliquer le rle de cette rsistance ? Si (Ib = 0), on s'aperoit que le courant circulant dans le collecteur n'est pas nul, d des porteurs minoritaires qui passent de la base dans le collecteur. Ce courant est nomm ICEO

En place une rsistance la base on limite le courant de fuite dans le transistor (Collecteur, metteur), laccumulation dnergie dans (E, C) est nuisible pour la stabilit du circuit pour ce faire en place une rsistance de valeur importante entre le commun et la base qui va consommer le surplus de courant.

Laboratoire 5



5-19

Manipulations Vrifiez le fonctionnement du circuit. Lorsque la vrification est effectue, appelez votre professeur afin

de lui en faire la dmonstration. Vous aurez rpondre quelques questions de comprhension du circuit.


Laboratoire 5


Laboratoire 5

corrig 280-215-EM, Circuits daronefs semi-conducteurs I


corrig

Conception du

circuit laide de votre professeur, vous allez revoir les tapes de la conception du circuit. Une fois que la topologie du circuit est dcide il faut trouver la valeur des rsistances qui composent le diviseur de tension. Nous savons que lorsque le circuit intgr 74LS00 prsente un niveau haut sa sortie, le transistor Q1 est bloqu et le transistor Q2 est satur. Dans cette condition, le circuit peut tre simplifi de la manire suivante :

La tension dalimentation du rseau de rsistances est 5 V de sorte que la tension du circuit simplifi (VTh) doit ncessairement tre infrieure 5 V. Choisissons une tension de 1 V puisque nous avons dj calcul cette condition : VTh = 1 V RTh = 80 Dans cette condition :

5 1 V 80

5 1 V 5 5 80 400 400 400 80 400 80400 80 100 On a donc :

R3 = 100 et R12 = 400

Laboratoire 5

corrig 280-215-EM, Circuits daronefs semi-conducteurs I

Daprs la fiche technique, lorsque le circuit 74LS00 prsente sa sortie un niveau haut,

la tension peut tre aussi faible que 2,7 V (VOH min : cas le plus dfavorable). Nous devons nous assurer que le circuit pourra fonctionner dans cette condition. Lorsque le circuit 74LS00 prsente un niveau haut de 2,7 V sa sortie, Q1 doit tre bloqu. La tension VBE doit tre peu prs nulle de sorte que la tension de lmetteur de Q1 doit aussi tre denviron 2,7 V :

Pour que VTh reste gal 1 V, il faut que : 2,7 V

2,7 V 100 100 1 V

170 On choisira une rsistance de 180 . Alors R1 vaudra :

R1 = 400 180 = 220 On a donc :

R1 = 220 R2 = 180 R3 = 100


corrig

Il faut vrifier que ces valeurs de rsistances permettent aussi un fonctionnement adquat lorsque le circuit 74LS00 prsente un niveau bas sa sortie. Daprs la fiche technique, lorsque le circuit 74LS00 prsente sa sortie un niveau bas, la tension peut tre aussi leve que 0,5 V (VOL max : cas le plus dfavorable). Le transistor Q1 doit alors tre satur. La tension VBE serait environ 0,7 V de sorte que la tension de lmetteur de Q1 serait gale 0,5 V + 0,7 V = 1,2 V.

La tension VTh serait alors : 1,2 V

1,2 V 100 180 100 0,43V

Ce qui serait assez faible pour que Q2 reste bloqu. Les valeurs trouves sont donc acceptables car elles garantissent la fiabilit du circuit

(fiabilit : fonctionnement adquat mme dans des conditions dfavorables).

Documents

application de diode