Préambule
Commençons par une petite digression: qu'est-ce qui fait d'un générateur un générateur de courant au lieu d'un générateur de tension? Regardez les caractéristiques du VI: celui avec une tension principalement constante (presque horizontale dans le plan IV) sera appelé générateur de tension, celui avec un courant principalement constant (presque horizontal dans le plan VI) sera appelé générateur de courant.
(Photos prises sur le site Web des didacticiels électroniques)
En effet, l'accent est mis sur la quantité constante (la tension ou le courant fourni - tandis que l'autre quantité est variable en fonction de la charge et de la conformité du générateur). (Note 1)
Dans un appareil contrôlé, l'accent est mis sur la quantité variable. Compte tenu de la caractéristique d'entrée exponentielle, qui laisse Vbe presque constant, c'est le courant que vous aimeriez voir comme variable de contrôle. Ceci est une conséquence directe de la propagation des erreurs: lorsque vous avez une fonction raide, une petite erreur dans la quantité presque constante x se transformera en une erreur beaucoup plus grande dans la quantité q très variable (et vice versa).
Image tirée de "Une introduction à l'analyse des erreurs", Taylor et déformée pour s'adapter à l'objectif
L'essentiel est qu'il est plus facile de distinguer entre 10 e 40 uA (rapport 1 à 4) que de séparer 0,65 V et 0,67 V (rapport 1 à 1,03). (Remarque pour les esprits moins flexibles: comme les valeurs les plus extrêmes que j'ai utilisées avant cette édition, ce sont des valeurs composées destinées à montrer le contraste entre un changement perceptible dans ce que vous voulez voir comme variable de contrôle - le courant entrant dans la base - et le faible changement de la tension entre la base et l'émetteur).
La chose la plus simple
Vous pouvez voir pourquoi cela s'appelle le contrôle de courant en le poussant à ses limites en adoptant le modèle le plus simple pour un BJT, comme l'ont montré Chua, Desoer et Kuh dans leurs "Circuits linéaires et non linéaires": dans les images suivantes, toutes les diodes sont idéales ( la tension de seuil est nulle, tout comme la résistance série; ce sont des circuits parfaitement ouverts en polarisation inverse et des courts-circuits parfaits en polarisation directe).
E0 ajoute une tension de seuil à la caractéristique d'entrée, tandis que l'action du transistor est exprimée par ic = beta * ib. Notez que le générateur de courant contrôlé par courant. Voici les caractéristiques d'entrée et de sortie correspondantes
Assez simple, non? Vous pouvez cependant les comparer aux caractéristiques réelles et voir qu'elles leur ressemblent. Aussi simple soit-il, c'est un modèle légitime et peut être utilisé pour modéliser des circuits où, en changeant ib (vous ne pouvez pas changer Vbe dans ce modèle, car il est fixe), vous changez la valeur de Ic. Vous pouvez voir comment effectuer un changement ib en coupant la caractéristique d'entrée avec la ligne de charge d'entrée
En changeant E1 (ne fait pas partie du BJT), vous changez ib (partie du BJT). Ensuite, vous pouvez trouver la valeur de ic correspondant à cette valeur de ib, sélectionner la caractéristique de sortie correspondante et trouver la tension par intersection avec la ligne de charge de sortie.
Quelqu'un va sauter sur leur siège en criant " QUOI? Vous utilisez la bêta pour concevoir un amplificateur qui sera mis en production mondiale pour des applications nucléaires critiques? De plus, d'où pensez-vous que la bêta vient? De plus, ne savez-vous pas que la bêta peut changer autant que neuf millions de gazillions pour cent rien qu'en le regardant? "
Le fait est que pour un transistor donné, vous avez une valeur bêta raisonnablement définie (vous pouvez la mesurer à l'avance, donc peu importe si le lot de production présente une dispersion honteuse) et si vous n'allez pas trop loin, vous pouvez raisonnablement ignorer sa variation avec les autres paramètres électriques. Notez qu'il s'agit d'un modèle simplifié qui ne modélise pas les variations de bêta avec la température, le courant ou même la couleur des cheveux; c'est un modèle simplifié qui saisit l'essentiel de l'action des transistors, un peu comme le "transistor man" parfois injurié de The Art of Electronics.
Pouvez-vous trouver la fréquence de coupure du transistor de ce modèle? Nan. Pouvez-vous expliquer l'effet précoce avec ce modèle? Nan. Pouvez-vous expliquer la résistance différentielle de la jonction BE avec ce modèle? Nan. Pouvez-vous rendre compte de la production de paires de charges due au rayonnement? Nan. Pouvez-vous rendre compte de la quantification du second champ et de la flexion de l'espace-temps? Nan.
Est-ce à dire que ce modèle est complètement inutile? Nan. Le comportement extrêmement simplifié de ce modèle montre pourquoi de nombreux manuels indiquent que les BJT sont contrôlés en courant. La caractéristique d'entrée réelle ressemble à cette ligne verticale où vous ne pouvez faire varier que ib, et non vbe, dont la valeur est considérée comme fixe. (Et c'est pourquoi j'ai fait cette digression au début de cette réponse).
Vous voudrez peut-être comparer le modèle le plus simple pour un Mosfet: la page 151 de Chua en a un aussi.
Comme vous pouvez le voir, le courant de grille est fixe (à zéro pour être pédant), une condition double de celle montrée dans le BJT: la caractéristique d'entrée du VI est horizontale. Le seul contrôle que vous avez ici est au moyen de vgs. Est-ce à dire que nous nions l'existence de l'effet tunnel? Non, ce n'est qu'un modèle. Un modèle simplifié qui, entre autres, ne considère pas la tunnellisation mais parvient toujours à montrer pourquoi dans un MOSFET vous agissez sur la tension grille-source.
Jusqu'à présent, nous avons vu comment la relation (simplifiée) entre ib et ic peut être considérée comme un contrôle de ic au moyen de ib, via bêta. Mais on peut aussi utiliser alpha, pourquoi pas? Permettez-moi de citer, mot pour mot, un autre manuel qui considère les dispositifs contrôlés actuels des BJT: "Physique quantique de l'atome, des molécules, des solides, des noyaux et des particules 2e", par Eisberg et Resnick, p. 474 (à la page 475 est montrée une configuration de base commune):
L'idée de base de l'action du transistor est qu'un courant dans le circuit émetteur contrôle un courant dans le circuit collecteur. Plus de 90% du courant traversant l'émetteur, de sorte que les courants sont de même ampleur. Mais la tension aux bornes du collecteur de base peut être très supérieure à celle aux bornes de la connexion émetteur-base, car la première est polarisée en inverse, de sorte que la puissance de sortie dans le circuit du collecteur peut être très supérieure à la puissance absorbée dans le circuit d'émetteur. . Le transistor agit donc comme un amplificateur de puissance.
Ces deux messieurs ignorent-ils le rôle joué par la mécanique quantique dans la théorie des bandes des solides? N'ont-ils pas entendu parler des statistiques quantiques? Savent-ils même ce qu'est un trou (sans parler du tempco)? Auraient-ils pu oublier que l'application de tensions pouvait modifier les profils de niveau d'énergie attribués aux bandes de valence et de conduction? Je ne pense pas. Ils ont simplement choisi un modèle plus simple pour expliquer comment on peut interpréter l'action dite du transistor.
L'artiste Bruno Munari a dit un jour: " Compliquer c'est simple, simplifier c'est compliqué ... Tout le monde est capable de compliquer. Seuls quelques-uns peuvent simplifier ". Entre autres, Chua, Desoer, Kuh, Eisberg et Resnick ont choisi de simplifier.
Qui joue en base, d'abord?
Maintenant, revenons aux (presque) vrais transistors. Voici les premiers caractères vbe que j'ai créés après une recherche d'images Google :
Je ne sais pas si c'est réel, mais ça a l'air plausible. La chose à noter ici est que lorsque ib change considérablement, par 100s de pourcentages, vbe change par des quantités relativement petites, juste une poignée de pourcentages. Cela est dû à la relation exponentielle de la jonction BE. Supposons que vous souhaitiez utiliser ce BJT pour produire 10 mA les jours impairs et 15 mA les jours pairs. Vous avez un laboratoire allemand mesurant la bêta du transistor particulier dans votre main et il est sorti comme 250 sur la plage d'intérêt. Disons que vous avez un générateur de courant et de tension avec une précision de 10%.
Contrôle actuel : vous pouvez utiliser ic = beta ib pour trouver la valeur de ib que vous devez définir. Les valeurs nominales de 10 et 15 mA de ic nécessitent des valeurs nominales de 40 e 60 uA pour ib. Étant donné la précision de votre générateur de courant, vous vous attendez à voir les plages de courant suivantes en entrée et en sortie:
ib = 36-44 uA -> ic = 9-11 mA ib = 54-66 uA -> ic = 13,5-16,5 mA
Contrôle de tension : vous ne croyez pas à la bêta, vous devez donc spécifier une tension qui crée un vbe de ... Oui, de quoi? Allez le lire sur le graphique ci-dessus (mais vous devrez alors accepter la terrible relation ic = beta ib). Je suppose que vous devrez utiliser le modèle Ebers-Moll pour calculer les valeurs aux valeurs souhaitées pour ic. Mais disons que nous avons déterminé qu'il s'agit précisément de 0,65 et 0,67 V (tout comme j'ai utilisé une valeur précise pour la version bêta, ci-dessus) Lorsque nous essayons de définir ces valeurs précises, notre générateur précis de 10% fabriqué en Chine fournira les plages de tension suivantes
0,585 - 0,715 V -> retour à Ebers-Moll, pour calculer ic, ... dommage que l'incertitude soit exponentiée ...
0,603 - 0,737 V -> non, attendez, avant de calculer ...
... il semble que nous ayons déjà une superposition dans les plages de tension que nous fournissons: nous ne pourrons peut-être pas distinguer les jours pairs des jours impairs.
Je suppose qu'il vaut mieux avoir recours à la base de courant pour contrôler le courant du collecteur.
Avec le contrôle du courant, même si je permets une erreur de 10% sur la valeur mesurée de beta, je peux toujours (à peine, mais toujours) distinguer les deux gammes de courant (8.10-12.10 mA vs 12.15-18.15 mA) correspondant aux impairs et jours pairs.
Avec le contrôle de la tension, si vous ajoutez une erreur de 10% sur la valeur calculée (ou lue sur le diagramme) de la tension (et je suis généreux car cette erreur va être amplifiée), vous êtes déjà perdu dans l'incertitude. C'est la théorie de base de la propagation des erreurs.
Entracte
Ce message prend du temps, j'en reviendrai un autre pour ajouter quelque chose de plus. Permettez-moi d'aborder la question de la guerre de religion à laquelle vous avez pu assister. Qu'est-ce que ça signifie?
Les transistors sont des dispositifs à semi-conducteurs dont le fonctionnement interne doit être expliqué en utilisant les lois de la physique quantique. Étant donné la structure des bandes des niveaux d'énergie des porteurs électriques dans les solides, il est naturel de recourir aux niveaux d'énergie pour représenter le fonctionnement interne de ces appareils. L'énergie et le potentiel sont étroitement liés, de sorte que la plupart des modèles ont tendance à exprimer des quantités pertinentes en fonction des potentiels (différences). La raison pour laquelle j'ai écrit
Remarque: La dépendance à l'égard de Vbe indiquée dans le modèle Ebers-Moll n'implique pas une relation de cause à effet. C'est juste plus simple d'écrire les équations de cette façon. Personne ne vous interdit d'utiliser des fonctions inverses.
est que la tension et le courant sont également étroitement liés: ce sont des quantités couplées du type effort-flux, de sorte que, fondamentalement, vous ne pouvez pas en avoir un sans l'autre. C'est une question délicate cependant, et je suppose que l'on devrait également considérer ce que cela signifie de créer une différence de tension. N'est-il pas créé par le déplacement de charges (par réaction électrochimique dans une batterie, par interaction électromagnétique dans un générateur mécanique). Je soupçonne qu'au final, tous les appareils sont essentiellement contrôlés par la charge: vous déplacez les charges d'ici à là et obtenez un certain effet.
Je soupçonne que les croisés du `` contrôle de la tension '' supposent que leur homologue du `` contrôle du courant '' a appris l'électronique dans les livres de Forrest Mims et n'a jamais vu de livre sur la physique quantique, les semi-conducteurs ou les dispositifs à semi-conducteurs. Ils semblent ignorer la signification de variable de contrôle comme la variable que l'on choisit de régler pour actionner un contrôle. J'espère que la citation d'Eisberg & Resnick (deux physiciens «solides» si vous me permettez le jeu de mots) leur montrera que ce n'est pas le cas.
Remarque (1) Les courbes de générateur idéales ne sont que cela: idéales. Essayez d'imaginer une transition d'un générateur de tension idéal à un générateur de courant idéal passant par des générateurs de tension bons, moyens et moche, puis des générateurs de courant moche, moyens et bons.