ISSLg - Cours d'électronique - Électronique (ELO)
Les transistors bipolaires - le montage push-pull

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 Ce montage est utilisé dans les étages de sortie pour appliquer des tensions analogiques alternatives sur une charge nécessitant un certain courant. Il repose sur deux montages émetteur-suiveur avec un NPN pour l'alternance positive et un PNP pour l'alternance négative. Il nécessite une alimentation symétrique +Vcc GND -Vcc (ex : +12V 0V -12V).
NB : Il peut également être utilisé en alimentation simple, mais alors il faut mettre un gros électrochimique en série (+2200µF) avec la charge et il ne fonctionne alors qu'avec des signaux alternatifs.

Montage push-pull non polarisé

Si Vin>+0.7V alors Q1 est passant et Vout = Vin - 0.7V (alternance positive)
Si Vin<-0.7V alors Q2 est passant et Vout = Vin + 0.7V (alternance négative)
Une distorsion de cross-over se produit lorsque -0.7V<Vin<+0.7V car alors Q1 & Q2 sont bloquants et Vout = 0V


Montage push-pull polarisé

Ce montage est typiquement utilisé dans les circuits intégrés (ex : ampli-op) pour supprimer le cross-over : D1 et D2 permettent de polariser respectivement Q1 et Q2 en portant leur base à respectivement +0.7V et -0.7V. Des résistances de faible valeur peuvent être mise en série avec les émetteurs de Q1 et Q2 pour éviter un emballement thermique...

Avec cette polarisation : Vout = Vin.


Montage push-pull polarisé et protégé
Voici un étage de sortie typique d'un amplificateur audio.

RV1 = 10k ; D1=D2=1N4148 ; Q3=Q5=BC547 ; Q4=BC557

Q1 & Q2 sont des transistors de puissance (souvent des Darlingtons ou des EMOSFET), ils sont protégés contre les sur-courants par Q3 & Q4 commandés via les résistances de shunt R1 & R2 (voir protection). D1 & D2 interdisent aux jonctions base-collecteur de Q3 & Q4 d'être passantes durant respectivement l'alternance négative et positive.
RV1 & Q5 permettent d'ajuster la tension appliquée aux bases de Q1 & Q2 pour leur courant de polarisation afin de supprimer le cross-over. Q5 doit être en contact thermique avec Q1 & Q2 pour suivre leurs variations de Vbe avec l'échauffement du radiateur.
Cet étage est généralement piloté par des miroirs de courant (Iin+ & Iin-) venant d'un différentiel d'entrée.

Mise en service de ce montage : il faut mettre la pin2 (curseur) de RV1 sur sa pin1 avant la mise sous tension. À la mise sous tension, il faut placer un voltmètre DC sur une des 2 résistances de shunt R1 ou R2, et ensuite on fait tourner lentement la pin2 (curseur) de RV1 vers sa pin3, jusqu'à ce qu'une tension de quelques dizaines de mV apparaisse sur le voltmètre, signe que les transistors Q1 & Q2 deviennent passants. Faire fonctionner l'ampli et retoucher une dernière fois ce montage avec le radiateur à température (réglage à chaud).

Choix des transistors de puissance :
Les transistors Q1 & Q2 doivent pouvoir supporter
        un courant : Icmax = Vcc / Rload 
        et une tension de : Vcemax = 2 * Vcc

Circuit de protection :
Calcul des résistances de shunt R1 & R2
        R1 = R2 = 0.5V / Icmax

Amplitude, puissance, radiateur :
L'amplitude de sortie maximale du signal de sortie :
        Vomax = Vcc - Vcemin
        où Vcemin est la tension minimale entre Collecteur et Emetteur pour éviter la saturation des transistors de sortie
        Transistor simple : Vcemin = 1.5V
        Darlington : Vcemin = 3V
        EMOSFET : Vcemin = 2 * Vgsth
Puissance de crête (souvent exprimée en Watt peak) :
        Ppeak = Vomax² / Rload
Puissance maximale (souvent exprimée en Watt rms) d'une sinusoïde d'amplitude Vomax :
        Pmax = Vomax² / (2*Rload)
Les transistors de puissance Q1 & Q2 sont montés sur un radiateur pour les refroidir.
La puissance thermique (exprimée en Watt) maximale à évacuer (lorsque Vin = Vcc/2) :
        Pth = Vcc² / (4*Rload)

Caractéristiques :
       Gain en tension (vo / vi) :    Av = 1                         (nombre sans unité).
       Gain en courant ( io / ii) :      Ai = β+1                      (nombre sans unité).
       Impédance d'entrée (vi / ii) :  Zi = (β+1) * Rload      (en Ω)
       Bande passante : fmin = 0Hz  &   fmax = voir datasheet des transistors Q1 & Q2 utilisés.
NB1 : Pour le β (Hfe) prendre celui du PNP qui est généralement le plus faible.
NB2 : souvent fmax est trop grand, on le réduit en mettant des condensateurs (par exemple de 100pF) entre Base et Collecteur de Q1 et Q2.
          dans ce cas fmax = 1 / (2 * pi * Rx * Cbc)
                où Rx est l'impédance interne du générateur de signaux connecté à l'entrée
                où Cbc est la capacité entre base et collecteur

Exemple 1 :
Dimensionnement et caractéristiques d'un ampli avec des résistances de shunt R1=R2=0.33Ω et une charge Rload=8Ω :
        Imax = 0.5V / Rshunt = 0.5V / 0.33Ω = 1.5A
        Vcc = Rload * Imax = 8Ω * 1.5A = 12V
Choix des transistors Q1 et Q2 devant supporter 1.5A et 24V (voir Transistors du labo) :
        NPN : Q1 = BD241     Hfe = 80
        PNP : Q2 = BD242     Hfe = 50
Amplitude, puissance et radiateur :
        Vomax = Vcc - Vcemin = 12V - 1.5V = 10.5V
        Ppeak = 10.5² / 8 = 13.8Wpk
        Pmax = 10.5² / (2 * 8) = 6.9Wrms
        Prévoir un radiateur de : Pth = 12² / (4 * 8) = 4.5W
        Si Q1 et Q2 sont montés sur un radiateur pouvant dissiper 10°C/W : l'échauffement de Q1 & Q2 sera de 10°C/W * 4.5W = 45°C de plus que l'air ambiant.
Caractéristiques :
        Av = 1
        Ai = 50+1 = 51
        Zi = 51 * 8 = 408Ω       
        fmin=0Hz  &  fmax=1MHz

Exemple 2 :
Qu'est-ce que je peux faire comme amplificateur audio avec une alimentation +40V 0V -40V et des DBV64B et BDV65B ?
Je vais voir les caractéristiques des Q2=BDV64B et Q1=BDV65B, ce sont des Darlingtons 100V et 10A avec Hfe=1000.
Ils sont bien compatibles avec mon alimentation : Vcemax = 2 * Vcc = 2 * 40V = 80V < 100V
Rload = Vcc / Imax = 40V / 10A = 4Ω, je peux donc utiliser des haut-parleurs de 4Ω (ou encore 2 haut-parleurs de 8Ω en parallèle).
Calcul des résistances de shunt (protection) :
        R1=R2= 0.5V / Imax = 0.5V / 10A = 0.05Ω
Amplitude, puissance et radiateur :
        Vomax = Vcc - Vcemin = 40V - 3V = 37V
        Ppeak = 37² / 4 = 342Wpk
        Pmax = 37² / (2 * 4) = 171Wrms
        Prévoir un radiateur de : Pth = 40² / (4 * 4) = 100W       => Radiateur aluminium anodisé de 0.5°C/W  (élévation de 50°C)
Caractéristiques :
        Av = 1
        Ai = 1000
        Zi = 1000 * 4 = 4kΩ       
        fmin=0Hz  &  fmax=?
Auteur : Marc PHILIPPOT - Version du 27/05/2020