Transistor BJT et Thyristor
Conception d’un Circuit à l’aide d’un Transistor BJT et d’un Thyristor
Vous travaillez sur la conception d’un circuit de commande pour un petit moteur DC dans un système d’automatisation domestique. Le moteur doit être contrôlé par un transistor bipolaire de jonction (BJT) et un thyristor. Le BJT est utilisé pour activer ou désactiver le moteur, et le thyristor pour contrôler la vitesse du moteur.
Données Fournies
Transistor BJT
- Type: NPN
- Tension de base-émetteur en conduite (\(V_{BE(on)}\)): 0.7V
- Gain en courant DC (\(\beta\)): 100
- Tension de collecteur-émetteur en saturation (\(V_{CE(sat)}\)): 0.2V
Thyristor
- Tension de maintien: 0.7V
- Courant de gâchette: 5mA
Moteur DC
- Tension nominale: 12V
- Courant nominal: 100mA
Alimentation
- Tension d’alimentation: 12V
Questions
1. Calcul de la Résistance de Base pour le BJT:
Calculez la valeur de la résistance de base (\(R_B\)) nécessaire pour que le transistor BJT puisse saturer lorsqu’il est en mode actif.
2. Dimensionnement du Circuit de Gâchette pour le Thyristor:
Déterminez la résistance nécessaire dans le circuit de gâchette pour activer le thyristor avec la tension d’alimentation donnée.
3. Analyse de Fonctionnement:
Expliquez brièvement comment le BJT et le thyristor interagissent dans ce circuit pour contrôler le moteur.
Correction : Transistor BJT et d’un Thyristor
1. Calcul de la Résistance de Base (\(R_B\)) pour le BJT
Pour faire saturer le transistor BJT en mode interrupteur, il faut fournir un courant de base (\(I_B\)) suffisant. Le courant collecteur (\(I_C\)) est déterminé par le courant nominal du moteur. Pour un transistor NPN, la relation entre le courant collecteur et le courant de base est donnée par :
\[ I_B = \frac{I_C}{\beta} \]
Une fois \(I_B\) connu, on peut déterminer la résistance de base (\(R_B\)) grâce à la loi d’Ohm en tenant compte de la chute de tension \(V_{BE(on)}\) lors de la conduction du transistor. La formule est :
\[ R_B = \frac{V_{\text{alimentation}} – V_{BE(on)}}{I_B} \]
Données
- Tension d’alimentation, \(V_{\text{alimentation}}\) = 12\,V
- Tension de base-émetteur en conduction, \(V_{BE(on)}\) = 0,7\,V
- Courant nominal du moteur (qui correspond à \(I_C\)) = 100\,mA
- Gain du transistor, \(\beta\) = 100
Calculs
1. Calcul du courant de base (\(I_B\)) :
\[ I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{100\,\text{mA}}{100} = 1\,\text{mA} \]
2. Calcul de la résistance de base (\(R_B\)) :
\[ R_B = \frac{12\,\text{V} – 0,7\,\text{V}}{1\,\text{mA}} \] \[ R_B = \frac{11,3\,\text{V}}{0,001\,\text{A}} \] \[ R_B = 11\,300\,\Omega \]
Résultat
La résistance de base nécessaire est 11 300 Ω (soit environ 11,3 kΩ).
2. Dimensionnement du Circuit de Gâchette pour le Thyristor
Pour activer le thyristor, il faut fournir un courant de gâchette (\(I_{GT}\)) suffisant par le biais d’une résistance placée dans le circuit de gâchette. La tension appliquée est celle de l’alimentation, et il existe une chute de tension à travers le thyristor, ici la tension de maintien.
La formule utilisée est également celle d’Ohm :
\[ R_G = \frac{V_{\text{alimentation}} – V_{\text{maintien}}}{I_{GT}} \]
Données
- Tension d’alimentation, \(V_{\text{alimentation}}\) = 12 V
- Tension de maintien du thyristor, \(V_{\text{maintien}}\) = 0,7 V
- Courant de gâchette requis, \(I_{GT}\) = 5 mA
Calculs
1. Calcul de la résistance de gâchette (\(R_G\)) :
\[ R_G = \frac{12\,\text{V} – 0,7\,\text{V}}{5\,\text{mA}} \] \[ R_G = \frac{11,3\,\text{V}}{0,005\,\text{A}} \] \[ R_G = 2260\,\Omega \]
Résultat
La résistance nécessaire dans le circuit de gâchette est 2260 Ω (soit environ 2,26 kΩ).
3. Analyse de Fonctionnement du Circuit
a) Rôle du Transistor BJT
- Fonctionnement en commutation :
Le transistor BJT (NPN) est utilisé comme interrupteur. Lorsqu’une tension est appliquée à sa base via la résistance \(R_B\), un courant de base (\(I_B\)) est induit. Ce courant permet au transistor de conduire en saturant, c’est-à-dire que la tension collecteur-émetteur chute à une faible valeur (\(V_{CE(sat)} \approx 0,2\,\text{V}\)), permettant ainsi au courant de circuler vers le moteur. - Calcul et application :
Le calcul de \(R_B\) permet de garantir que le courant de base est suffisant pour saturer le transistor et ainsi activer le moteur de façon efficace.
b) Rôle du Thyristor
- Fonctionnement de gâchette :
Le thyristor est un dispositif qui, une fois activé par un courant de gâchette, reste conducteur tant que le courant circulant dans le circuit reste au-dessus d’un certain seuil (la tension de maintien ici est de 0,7 V). Le circuit de gâchette, dimensionné avec la résistance \(R_G\), assure que le courant de gâchette (5 mA) est atteint pour activer le thyristor. - Contrôle de la vitesse du moteur :
En contrôlant le moment et la durée d’activation du thyristor, il est possible de moduler la puissance fournie au moteur, ce qui influence la vitesse de celui-ci. Une fois déclenché, le thyristor laisse passer le courant nécessaire pour le fonctionnement du moteur.
c) Interaction dans le Circuit
- Séquence de fonctionnement :
1. Activation du BJT :
Lorsque le circuit de commande envoie un signal, le courant de base circulant via la résistance \(R_B\) met le transistor en saturation. Le BJT agit alors comme un interrupteur fermé, permettant au courant de circuler vers le moteur.
2. Déclenchement du Thyristor :
Parallèlement, ou successivement, la résistance \(R_G\) assure que le courant de gâchette requis est fourni au thyristor. Une fois que ce courant (5 mA) est atteint, le thyristor se déclenche et reste en conduction tant que les conditions de maintien sont respectées.
3. Contrôle global :
Le BJT assure l’activation ou la coupure de l’alimentation du moteur, tandis que le thyristor, une fois déclenché, permet un contrôle plus précis de la conduction, influençant ainsi la vitesse du moteur par modulation de la puissance transmise.
Conclusion sur le Fonctionnement
La conception du circuit permet de combiner deux dispositifs de commutation :
- Le transistor BJT assure une commande rapide et efficace de l’alimentation du moteur.
- Le thyristor offre la possibilité d’un contrôle de puissance soutenu et modulable pour réguler la vitesse du moteur.
Transistor BJT et d’un Thyristor
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