L'électronique de zéro
Last updated on Friday, March 8, 2013
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Got it!

Le transistor en régime de saturation

Le transistor est sans aucun doute le composant qui a révolutionné l'histoire de l'électronique. Ce n'est pas par hasard que ses inventeurs (les américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Téléphone) ont reçu le prix Nobel de Physique en 1956. Grâce au transistor, la technologie a considérablement évolué et ce, dans de très nombreux domaines très différents. Si bien que l'on en trouve de partout ! :o

Aujourd'hui, il existe toute une panoplie de transistors dont le comportement est plus ou moins complexe. Dans ce chapitre, nous débuterons par un transistor qui est relativement simple à comprendre. C'est par celui-là que tout électronicien qui se vaut commence son apprentissage. ;)

Présentation

Suite au chapitre sur les semi-conducteurs, nous allons voir ce qu'est un transistor et la "relation" qu'il a avec les diodes. Puis nous verrons dans quel but il a été inventé et son fonctionnement. Enfin, nous nous pencherons vers ses utilisations plus poussées.

Le transistor

Qu'est-ce qu'un transistor ?

Avant tout, voilà la photo d'un transistor :

Image utilisateur

Cette photo est celle d'un transistor quelconque. Comme vous pouvez le constater, c'est un composant électronique, certes, mais, et c'est le seul que l'on a vu jusqu'à présent, il possède 3 pattes ! Pourquoi trois ? Nous répondrons à cette question dès que nous verrons son fonctionnement.

Il faut savoir que le transistor est un composant actif, le premier que l'on découvre ! :-° Il n'est pas symétrique et est linéaire, mais seulement sur une plage de fonctionnement. Nous verrons que cette caractéristique linéaire est altérée en fonction de certains facteurs.

Les rôles du transistor

Tout au long de ce cours, nous avons eu à faire face à certains problèmes lorsqu'il était question de réaliser un montage, aussi simple soit-il : comment le réaliser, quelles solutions entreprendre, comment l'améliorer.

Retenons plusieurs problèmes évoqués :

  • Lors de notre découverte du résistor, nous avons vu comment diviser une tension (pont diviseur de tension). Cependant, l'utilisation de ce montage n'est guère envisageable lorsqu'il s'agit d'alimenter un montage ayant un fort besoin en courant. D'autant plus que la tension en sortie du pont diviseur chute quand le courant augmente. Nous allons voir comment faire avec un transistor pour améliorer ce montage.

  • Dans un autre cas : comment adapter la tension provenant d'un autre circuit que celui utilisé ? Par exemple, un capteur, qui délivre une tension inférieure au Volt, est connecté à un montage qui est commandé en 5V. Sans faire quelque chose pour que cela fonctionne, ce n'est pas possible. Néanmoins si on adapte la tension de sortie du capteur, vers une tension plus appropriée pour le montage, alors cela devient réalisable et ce, avec un transistor pour amplifier le signal délivré par le capteur.

D'une façon plus générale, le transistor peut faire les choses suivantes : amplifier une grandeur électrique (tension, courant, puissance) ; commander une grandeur électrique ou un signal.

Diversité des transistors

Eh oui ! Le titre implique qu'il existe plusieurs types différents de transistors. Rassurez-vous, on ne va pas tous les étudier. Ce serait trop long et fastidieux, sachant que même un livre regroupant un minimum de 1000 pages, ne suffirait pas à détailler complètement le fonctionnement des transistors d'un seul type ! :waw:

Tiens, parlons-en des types !

Chez les transistors, de manière générale, on distingue deux caractéristiques : leur type et leur technologie.

Qu'est-ce que c'est exactement ?

  • Le type: c'est la famille auquel appartient le transistor. Il existe 4 grandes familles, qui sont : les transistors bipolaires, les transistors à effet de champ, les transistors uni-jonction et les transistors hybrides (qui allient en eux deux types de transistors).

  • La technologie: pour chaque famille de transistor, il existe une ou plusieurs technologies différentes. On retrouve les technologies NPN et PNP pour les transistors bipolaires ; les technologies CMOS et FET pour les transistors à effet de champ ; enfin, la technologie IGBT chez les transistors hybrides

Voilà donc un aperçu de ce qui vous attend pour la suite. :diable:

Le transistor bipolaire

Avant de nous lancer tête baissée dans l'apprentissage du fonctionnement du transistor bipolaire, je vous propose d'abord de voir quelle relation il entretient avec les diodes.

Technologie NPN

Le titre est assez parlant je trouve, pas vous ?

Le transistor à technologie bipolaire est fabriqué à partir des mêmes propriétés physiques du semi-conducteur utilisé pour les diodes. On retrouve donc notre jonction PN, à laquelle on adjoint un nouveau pôle de type P pour les transistors PNP ; de type N pour les transistors NPN.

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Figure 1 : technologie NPN d'un transistor bipolaire

Voilà donc la relation qu'il a avec les diodes, et plus généralement, les semi-conducteurs.

Symbole

Étant donné que le transistor possède trois pattes, il en va de même pour son symbole :

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Figure 2 : symbole du transistor NPN

Fonction des bornes

Afin de repérer clairement les bornes du transistor, ses inventeurs on donné un nom bien particulier pour chacune de ces pattes :

Le collecteur: C'est par le collecteur que les courants vont entrer dans le transistor. Cependant, et ce n'est pas rare, on peut récupérer le signal de sortie sur le collecteur. Nous verrons cela plus loin.

La base: La base joue un rôle déterminant pour le transistor. Car c'est elle qui commande le passage du courant à travers le transistor.

L'émetteur: Les courants de base et de collecteur qui entrent dans le transistor ont besoin de sortir de celui-ci, sinon il y a problème ! L'émetteur a été inventé pour ça. C'est donc par lui que sortent les courants provenant de la base et du collecteur. On récupère là aussi le signal de sortie.

Emplacement des bornes

Sur ce schéma j'ai rassemblé le nom des broches correspondantes avec le type de jonction :

Image utilisateur

Et pour le symbole :

Image utilisateur

Quelques remarques :

  • Le collecteur est toujours connecté avec une jonction N, dans un transistor NPN

  • Il en va de même pour l'émetteur

  • La base, quant à elle, est connectée à la jonction P du transistor NPN

Les différents fonctionnements

Pour corser un peu les choses, il existe plusieurs façons d'utiliser un transistor ! Ou plus exactement, le transistor peut fonctionner dans deux régimes différents:

  • Régime de saturation : dans ce régime, le transistor peut avoir deux états : un état "bloqué" ou un état "passant" (ou "saturé"). On parle de saturation lorsque le transistor est à l'état passant, c'est à dire lorsque le courant traverse le transistor du collecteur vers l'émetteur. Inversement, il est dit bloqué lorsque le courant ne le traverse plus.

  • Régime linéaire : différent du régime de saturation, le régime linéaire nous donne la possibilité d'avoir une infinité d'états du transistor. Le passage du courant entre le collecteur et l'émetteur peut donc prendre les valeurs suivantes : un tout petit peu passant, un peu plus passant, un peu passant, moyennement passant, passant, un peu plus passant, passant beaucoup, passant très beaucoup, ... Vous l'aurez compris, il y en a beaucoup ! :p

Dans un premier temps, nous nous concentrerons sur le régime de saturation qui est le plus facile à assimiler. Le régime linéaire sera aborder ensuite.

Régime de saturation

Ce régime est assez simple à comprendre, c'est pourquoi c'est par celui-là que nous commençons. :)

Fonctionnement en régime de saturation

Pour comprendre le fonctionnement du transistor dans ce fameux régime, il suffit de deux schémas avec le même montage mais un état différent de l'interrupteur : ouvert et fermé.

C'est un montage simple constitué de trois composants et d'une source d'alimentation ; l'interrupteur est pour l'instant ouvert :

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Figure 3 : La base du transistor n'est pas alimentée, l'ampoule ne s'allume pas

Lorsque l'on ferme l'interrupteur :

Image utilisateur

Figure 4 : La base est alimentée, le transistor allume l'ampoule

Ce montage fonctionne dans la réalité, mais pourquoi ?

Les états du transistor

Cette expérience montre que le transistor peut prendre deux états : ou il laisse passer le courant dans l'ampoule, ou il ne le laisse pas passer. On parle alors, dans ce régime uniquement, des états du transistor.

  • Un état bloqué: dans cet état, le transistor ne conduit pas : le passage du courant entre son collecteur et son émetteur est impossible. Il bloque le courant, d'où son nom.

  • Un état saturé ou passant: le transistor est en état de conduction. Le courant passe entre le collecteur et l'émetteur du transistor.

Fonctionnement

Plus haut, j'ai présenté les bornes du transistor. Je vous ai dit que la base du transistor jouait un grand rôle dans son fonctionnement. En effet, le transistor n'aurait aucun intérêt sans sa base.

Nous pouvons retenir ceci de l'analyse du montage :

  • Lorsque l'interrupteur est ouvert (c'est-à-dire qu'il coupe le circuit), il n'y a pas de courant sur la base du transistor. Et lorsqu'il n'y a pas de courant qui arrive sur la base du transistor, il n'y a pas de courant qui circule entre le collecteur et l'émetteur du transistor.

  • A l'inverse, dès que l'on ferme l'interrupteur, le courant peut circuler dans la base du transistor ce qui a pour effet de rendre possible le passage du courant entre le collecteur et l'émetteur du transistor.

Cela nous amène à dire la chose suivante: l'intensité du courant qui arrive sur la base du transistor influence l'intensité du courant qui traverse le transistor.

Courant de base

Ha ! Ha ! Oui, mais comment ? :pirate:

Lorsqu'il y a un courant inexistant ou très faible sur la base du transistor, celui-ci ne conduit pas et est donc à l'état bloqué. En revanche, lorsque le courant est suffisant (mais pas trop fort, sinon le transistor grille :o ) il conduit et est donc à l'état saturé. Par conséquent, l'ampoule de notre montage peut s'éclairer en toute harmonie. :)

Le courant de base doit être positif (pour que le transistor conduise) ou nul (pour qu'il se bloque).

0 < I_b

Un courant nul correspond à l'état bloqué du transistor.

Et où va le courant de base ?

Excellente question ! Le courant de base est en fait additionné au courant collecteur. Cette union nous amène à un résultat qui n'est autre que I_E. D'où la formule :

I_E = I_B + I_C

Mais bien souvent, le courant de base est insignifiant par rapport au courant collecteur. On simplifie donc la formule précédente comme ceci :

I_E \approx I_C

Protection du transistor

S'il y a bien un point à ne négliger en aucun cas, c'est bien celui-ci : protéger un transistor. Vous le remarquez, j'ai mis des résistances sur la base et le collecteur du transistor. Et bien ce sont ces résistances qui vont protéger le transistor contre les courants trop élevés.

En effet, le transistor peut supporter un courant maximal qu'il ne faut pas dépasser. De son collecteur vers son émetteur, le courant maximum peut être de l'ordre du milliampère pour certains transistors allant jusqu'à la dizaine d'ampères pour d'autres. En revanche, pour la base, le courant est de l'ordre du microampère jusqu'à environ la dizaine de milliampères. Chaque transistor possède ses propres caractéristiques qui sont données dans le document constructeur* associé.

Utilité du montage

Il est vrai que vu comme ça, le montage ne sert à rien, non ? o_O

Oui, de cette sorte, le présent montage est "inutile" car il suffirait de simplement mettre l'interrupteur en série avec l'ampoule pour obtenir un résultat identique.

Mais prenons un exemple avec ce montage :

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Figure 5 : commande de puissance avec un transistor

Imaginons que, dans ce montage, le capteur génère en sortie une tension de 10V lorsqu'il reçoit une grandeur physique spécifique, et une tension nulle lorsqu'il ne capte rien. Cette tension de sortie va commander la base du transistor. Ce même transistor, qui fonctionne en régime de saturation, va commander à son tour une ampoule. Par conséquent, quand le montage sera sous tension, à l'instant où le capteur se déclenchera, le transistor passera à l'état passant et l'ampoule s'allumera.

C'est donc là toute la subtilité du montage ! :o De cette manière, on peut fabriquer un capteur qui détecte la présence ou non d'une personne dans une pièce en déclenchant la lumière.

Je reste sceptique tout de même, pourquoi ne met on pas l'ampoule directement en sortie du capteur ?

En général, les capteurs, au sens brut, n'ont pas pour mission d'alimenter directement le circuit que l'on veut commander. Certains capteurs même, ne fournissent aucune tension en sortie ! Par exemple les capteurs dont la résistance varie avec la température ou l'humidité. Après, bien évidemment, pour exploiter ces dernier, il faudra leur joindre une tension. Cela dit, ils ne pourront pas non plus commander directement un montage. Il faut dans tous les cas adapter la grandeur physique délivrée par un capteur !

Reprenons le précédent montage. Si je lui enlève le transistor et que je branche directement l'ampoule :

Image utilisateur

Figure 6 : alimentation de l'ampoule en sortie du capteur -
la puissance nécessaire à l'ampoule pour s'allumer n'est pas suffisante en sortie du capteur

Le capteur ne va pas fournir assez de puissance pour qu'elle s'éclaire. D'autres capteurs vont peut-être pouvoir fournir assez de courant pour une seule ampoule, mais si je mets une centaine d'ampoules, le courant sera insuffisant et aucune des ampoules ne s'éclairera !

Dès lors que nous utiliserons un transistor, ce dernier va amplifier le courant du capteur pour en fournir assez pour les 100 ampoules à alimenter !

Nous entrons, par cette propriété, dans le régime linéaire...

Conclusion

Brève conclusion pour voir ce que l'on a appris jusqu'à présent.

Le transistor, en régime de saturation, se comporte comme un interrupteur commandé par un courant sur sa base. Il peut donc traiter des signaux électriques pour exécuter les ordres suivants : devenir passant ou bloqué.

État bloqué

État saturé

Image utilisateurImage utilisateur

schéma équivalent du
transistor à l'état bloqué

Image utilisateurImage utilisateur

schéma équivalent du
transistor à l'état saturé

Finalement, on retiendra que le transistor est commandé par son entrée et commande sa sortie. On peut donc le diviser en deux parties : une partie commande et une partie puissance (sans oublier l'alimentation ;) ).

Image utilisateur

Figure 7 : utilisation générale des transistors

Le transistor PNP

Nous finissons ce chapitre par les transistors PNP. Rassurez-vous, il plus facile de comprendre leur fonctionnement maintenant que vous savez utiliser les transistors NPN.

Différences NPN / PNP

Rappelez-vous de la structure interne d'un transistor NPN. Il y a dedans une parcelle de silicium dopée en deux endroits pour réaliser les jonctions P et N. Et bien dans le transistor PNP il y a exactement la même chose, à l'inverse qu'il y a deux jonctions P et une jonction N.

Image utilisateur

........

Image utilisateur

Transistor NPN et PNP (respectivement)

Utilité

Dans certains montages, un transistor PNP peut résoudre bien des problèmes et simplifier les schémas.

Fonctionnement

Le fonctionnement est rigoureusement identique que celui des NPN, sauf que le courant de base doit être différent. En effet, la base est reliée à une jonction de type N, contrairement aux NPN où la base est reliée à une jonction de type P. Voyons comment on polarise un PNP avec le schéma suivant :

Image utilisateur

Figure 8 : utilisation du transistor PNP

Lorsque l'interrupteur est ouvert, il n'y a pas de courant sur la base du transistor, qui par conséquent ne conduit pas.

Dès que l'on ferme l'interrupteur, le courant peut alors passer (atténué par la résistance de protection), ce qui permet au transistor d'être passant.

Courant de base

Le courant doit être nul (le transistor se bloque) ou négatif pour que celui-ci fonctionne convenablement. Tout comme les NPN, le courant de base ne doit pas être supérieur à une certaine intensité, ce qui aurait pour effet de le faire griller.

I_b < 0

Un courant nul correspond à un transistor bloqué.

Protection

Il en est de même que pour les NPN, le transistor doit être protégé par des résistances sur sa base et son collecteur, sous peine de le voir griller !

Bien que ce chapitre soit facile, vous ne savez guère utiliser le transistor plus loin qu'un interrupteur. C'est pourquoi j'ai décidé de vous expliquer dans le prochain chapitre le fonctionnement du transistor bipolaire en régime linéaire.

Waouuu ! Que je suis généreux :-° :lol:

J'espère que ce cours vous a plu et qu'il vous sera bénéfique, car il n'est pas terminé et d'autres parties verront le jour. Sachez que si vous avez la moindre question ou le moindre doute sur quelque chose, n'hésitez pas à en parler sur le forum dédié.

Je vous invite également à poster des commentaires pour laisser une trace de votre opinion sur le tutoriel (j'attends des commentaires constructifs, qu'ils soient positifs ou négatifs).

En tout cas, je vous dis à bientôt et faites de beaux montages ! :)

Remerciements :

  • A tous ceux qui soutiennent le projet

  • A vous, amis zéro

  • A Spacefox pour l'aide qu'il m'a apportée lors du refus de validation de la première version du cours

  • A Thunderseb pour le reste

  • A mewtow qui aura rédigé une partie du tuto, mais qui malheureusement nous quitte à cause d'un manque de temps

  • A tth7, idem que mewtow

  • A Astalaseven qui est notre correcteur de fautes

  • Et aux rédacteurs avec lesquels je travaille

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