Collecteur Ouvert vs Drain Ouvert

transistors-snip Quelle est la différence entre le Pmod OD1 et le Pmod OC1? Quelle est la différence entre une sortie de drain ouvert et une sortie de collecteur ouvert? Quelle est la différence entre un MOSFET (transistor à effet de champ à oxyde métallique) et un BJT (transistor à jonction bipolaire)? Il s’avère que ce sont tous essentiellement la même question! Cependant, cela peut prendre un certain temps pour arriver à cette réalisation, surtout si vous êtes nouveau dans la compréhension des différentes technologies de transistors disponibles. Pour arriver à la réponse, nous allons commencer par la dernière version de la question et revenir sur la première.

Un bref aperçu des transistors

BJT et MOSFET sont deux types de transistors différents. Ils ont des fonctions similaires, mais des caractéristiques différentes. En termes de fonctionnalité, ils peuvent à la fois être utilisés comme amplificateurs ou commutateurs. En tant qu’amplificateurs, ils absorbent un petit courant à une extrémité et produisent un courant beaucoup plus important à l’autre extrémité. Ceci est particulièrement utile dans les circuits analogiques où les transistors constituent la base de composants tels que des amplificateurs opérationnels.

En tant qu’interrupteurs, un petit courant traversant une partie du transistor peut allumer un courant plus important traversant une autre partie de celui-ci. En d’autres termes, le transistor peut être dans deux états distincts et représenter deux valeurs différentes ; 0 ou 1, bloqué ou passant. Ceci est particulièrement utile dans les circuits numériques et est à la base du fonctionnement de toutes les puces informatiques.

Tous les transistors sont en silicium, un élément chimique électriquement neutre défini comme un semi-conducteur, ce qui signifie qu’il n’est ni un grand conducteur d’électricité ni un grand isolant. Ce qui est si utile à propos du silicium, c’est que son comportement peut être modifié de manière connue en ajoutant des impuretés, par un processus appelé « dopage. »Si le silicium est dopé avec certains produits chimiques, il gagne des électrons « libres » supplémentaires et peut plus facilement transporter un courant électrique. Ce type de silicium est appelé type n, ou type négatif.

Le contraire peut également être fait, créant un type p, ou type positif, qui a moins d’électrons libres et est souvent décrit comme ayant des trous où les électrons devraient être. On notera cependant qu’aucun silicium de type n ou de type p n’est chargé électriquement. Par conséquent, ils peuvent être assemblés et les électrons et les trous ne commenceront pas à traverser la jonction n-p jusqu’à ce qu’un courant électrique (BJT) ou une tension (MOSFET) soit appliqué. Différentes configurations de silicium de type n et de type p sont à l’origine de la différence entre les BJT et les MOSFET.

BJTs

Les transistors à jonction bipolaire (BJT) sont des dispositifs à courant et sont disponibles en deux types, NPN et PNP. Comme leur nom l’indique, les BJT NPN ont deux couches de silicium de type n entourant une couche de silicium de type p (et vice-versa pour le PNP). Chaque couche a un nom spécifique: l’émetteur, la base et le collecteur. Voir Figure 1.

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Figure 1. Deux configurations différentes de transistors à jonction bipolaire (BJT).

Les principes de fonctionnement de chaque type de BJT sont presque identiques; la différence fonctionnelle réside principalement dans la polarisation des jonctions. Par exemple, lorsqu’une polarisation positive est appliquée à la base d’un transistor NPN, le dispositif est allumé et le courant circule de l’émetteur vers le collecteur. Également connu sous le nom de commutateur côté bas, l’émetteur se connecte à GND et le collecteur se connecte à la charge. En revanche, lorsque la polarisation négative (ou 0v / GND) est appliquée à la base d’un transistor PNP, le dispositif est allumé et le courant circule du collecteur à l’émetteur, dans le sens opposé d’un dispositif NPN. Également appelé interrupteur côté haut, l’émetteur se connecte à l’alimentation en tension et le collecteur se connecte à la charge.

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Figure 2. Image d’un BJT, avec des contacts étiquetés E pour l’émetteur, B pour la base et C pour le collecteur.

En termes d’avantages et d’inconvénients, les BJT sont pratiques pour piloter des LED de faible puissance et des appareils similaires à partir de microcontrôleurs courants qui ne peuvent éteindre qu’une tension CONTINUE de 5 V, tels que chipKIT et Arduino. Les MOSFET de niveau logique peuvent être utilisés de la même manière mais sont généralement plus chers et plus difficiles à trouver que les MOSFET standard, qui nécessitent 10 V ou plus pour s’allumer. Les BJT commutent également plus rapidement que les MOSFET, ils sont donc bons pour les applications à haute fréquence, mais ils sont moins économes en énergie et ne sont donc pas toujours un excellent choix pour les applications alimentées par batterie où la charge est variable.

Pour plus d’informations sur la théorie derrière les BJT, voir ce lien, et pour une animation éclairante, allez ici.

MOSFET

Les transistors à effet de champ à oxyde métallique (MOSFET) sont des dispositifs pilotés par tension et sont comme des BJT en ce sens qu’ils ont trois bornes différentes: la source (analogue à l’émetteur), le drain (analogue au collecteur) et la grille (analogue à la base). De même que les BJT, les MOSFET sont composés de silicium de type n et de type p, mais ils sont disposés de manière légèrement différente. Voir Figure 3.

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Figure 3. Configuration des sections de type n et de type p d’un MOSFET.

Il existe plusieurs sous-catégories de MOSFET, mais les deux que je mentionnerai ici sont le canal N et le canal P. La différence entre les deux réside dans la tension appliquée et le type de support de charge responsable du flux de courant. Pour un MOSFET à canal N, la source est connectée à la masse et le dispositif est activé en appliquant une tension positive à la grille. Cela crée un champ électrique, un « effet de champ », et permet aux électrons de circuler dans un canal mince de la source au drain. Pour un MOSFET à canal P, la source est connectée à Vcc et l’appareil est activé en connectant la grille à la masse. Ici, les trous, au lieu des électrons, sont le porteur de charge. Les MOSFET de type N sont les plus couramment utilisés.

Remarque: Comme un seul type de charge (électron ou trou) traverse un MOSFET, ce sont des transistors « unipolaires » par opposition aux BJT qui permettent aux deux types de charge de se déplacer à travers les jonctions NP/PN.

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Figure 4. MOSFET montrant les bornes de source, de drain et de grille, par opposition aux bornes d’émetteur, de collecteur et de base d’un BJT.

En termes d’avantages et d’inconvénients, les MOSFET ont une impédance d’entrée infiniment élevée, ce qui les rend utiles dans les amplificateurs de puissance. Ils sont également plus économes en énergie que les BJT et plus tolérants à la chaleur. Bien que les BJT puissent commuter plus rapidement, les MOSFET sont encore assez rapides pour des applications inférieures à 1 Mhz et sont le transistor le plus couramment utilisé aujourd’hui. En général, vous pouvez penser à une impédance d’entrée élevée et à une faible consommation d’énergie = MOSFET, à un fonctionnement à très haute fréquence et à une capacité d’entraînement à courant élevé = BJT.

Pour plus d’informations sur les MOSFET, consultez cet article.

Quelle est la différence entre une sortie de drain ouvert et une sortie de collecteur ouvert?

Après avoir lu les sections ci-dessus, je suis sûr que vous pouvez deviner la réponse à cette version de la question. Si vous disiez que la différence est MOSFET vs BJT, vous auriez raison! Une broche de sortie à drain ouvert ou à collecteur ouvert est simplement une broche entraînée par un seul transistor, respectivement MOSFET ou BJT. En termes d’utilisations, la réponse reflète la discussion ci-dessus concernant les avantages et les inconvénients des MOSFET et des BJT eux-mêmes. Bien sûr, ils peuvent également être combinés ensemble pour créer des circuits très intéressants tirant parti des forces de chacun.

Quelle est la différence entre le Pmod OD1 et le Pmod OC1?

Enfin, nous en sommes à la dernière forme de la question, et encore une fois, la réponse est maintenant évidente. Le Pmod OD1 est un module de sortie de drain ouvert avec quatre broches de sortie de drain ouvert, chacune entraînée par un MOSFET à canal N. Le Pmod OC1 est un module à collecteur ouvert avec quatre broches de sortie à collecteur ouvert, chacune entraînée par un BJT NPN. Les deux modules sont utilisés pour couler un courant plus élevé que ce que les broches de votre FPGA ou microcontrôleur Digilent peuvent atteindre.

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Figure 5. Pmod OD1 à gauche et Pmod OC1 à droite.

Le Pmod OC1 a été conçu pour piloter des appareils à courant légèrement plus élevé à 200 mA, tels qu’une petite lampe ou un relais, et a un indice ESD plus élevé que le Pmod OD1. Par conséquent, il est particulièrement robuste et adapté aux étudiants apprenant à utiliser ce circuit. Il est évalué jusqu’à 20 V. Le Pmod OD1 comprend des bornes à vis sur chaque broche et a été conçu spécifiquement pour entraîner des moteurs pas à pas. Cependant, il pourrait également être utilisé pour de nombreuses autres applications à courant élevé jusqu’à 3 A. Il est évalué jusqu’à 40 V.

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