Le transistor 

Description :

Le transistor est un composant incontournable de l’électronique , en effet si vous lisez quelques revues informatiques , vous ne pouvez pas lire une seule page sur un nouveau circuit sans que l’on vous parles les milliards de transistors qu’il contient !

Je vais essayer de vous décrire ce composant électronique et ses utilisations sans pour autant passer par des formules mathématique compliqué , mais en essayant quand même de vous donner une idée assez précise de son utilité et surtout comment utiliser cette belle invention.

Tout d’abord il y a plusieurs types de transistor :  BIPOLAIRE , JFET , MOSFET , IGBT, ce sont les plus courants , il en existe d’autres mais ils restent anecdotiques.

De quoi s’agit t’il ?

et bien le transistor est un simple robinet , bon il ne vous donnera jamais d’eau celui la , mais des electrons , vous pouvez l’ouvrir , le fermer , le laisser a moitié ouvert , un robinet …

Voici les différents types de transistors

Le bipolaire :

Il se classe en deux type , le NPN et le PNP ils fonctionnent l’un a l’inverse de l’autre , le NPN étant quand meme le plus courant des deux sur les montages . Voici comment ils se schématisent

Le NPN :

Le PNP:

 

Le principe :

Pour le NPN : Vous injectez un courant dans la base ,et vous pouvez faire circuler un courant dans le sens Collecteur – Émetteur c’est tout ce que vous devez retenir !

Pour le PNP : C’est exactement l’inverse du NPN , vous faites sortir un courant de la base , vous pouvez faire circuler un courant dans le sens Émetteur – Collecteur .

Pour quoi faire ? 

Et bien l’idée , c’est que l’on puisse commander avec un courant très faible ( celui de la base ) un courant plus important ( celui qui circule entre Emetteur et collecteur ). Le principe est le meme pour tous les transistors , seul les noms de pattes change et la méthode de commande , mais sinon le principe reste toujours le meme !

Cas pratique :

Comme un dessin vaut toujours mieux qu’un grand discourt , voici comment ca se passe :

 

 

Ci-dessus , voici une utilisation de base , on injecte un courant dans la base via une alimentation de 5 volts au travers d’une resistance de 1k ohm . Ce courant permet la circulation d’un courant plus important venue d’une alimentation de 12 volts au travers d’une autre resistance de 1k ohm.

Mode saturation ou mode amplification ? 

Maintenant que nous venons de voir un type de montage du transistor , il faut se demander une chose , si on travail en mode saturé ( ou commutation ) ou si on travail en amplification .

Si on travail en mode amplification cela veut dire que le transistor n’est pas complètement ouvert. Si on injecte plus de courant dans la base , le courant circulant entre collecteur et émetteur pourra continuer a augmenter .

Dans le cas du mode saturé ( ou commutation ) c’est exactement l’inverse du cas précédent même si vous augmentez le courant de base ,le courant entre collecteur et émetteur restera le même , il est déjà au maximum . Dans ce cas , la tension entre collecteur et émetteur est proche de 0 volts , il se comporte comme un fil conducteur.

Maintenant , comment prévoir le mode de fonctionnement ?

Et bien , la aussi c’est assez facile , le constructeur du transistor nous donne un gain moyen de son transistor qu’il nome HFE , voici ce que vous pouvez trouver sur une doc constructeur ou  » DATASHEET  » ici celle d’un PN2222 , ou 2N2222 , célébrissime transistor que j’utilise de façon abondante . Il est rapide , pas cher et polyvalent en tension , bon c’est un petit transistor vous ne ferez pas de puissance avec , mais c’est pas toujours ceux dont on a besoin non plus .

 

Ci dessus le constructeur a prit la peine de tester pour vous son transistor dans différentes conditions ( il est quand même sympa ! ) et nous a reporter ses résultats concernant le gain (HFE) .On voit rapidement que  dans la colonne « MIN » le chiffre minimum est de 35 jusqu’à 300 dans la colonne « MAX« .

Il existe une relation entre le courant de base et le courant qui circule entre collecteur et émetteur , et c’est relation c’est justement le gain ( HFE ) elle s’écrit comme ca :

IC=HFE x IB

IC = courant collecteur en Ampere (ou courant collecteur émetteur c’est le meme de toute façon ).

HFE = c’est le gain de notre transistor et comme c’est seulement un ratio ( multiplicateur ) il n’a pas d’unité lui .

IB = Courant injecté dans la Base en Ampere .

Comment fait on le calcul ? 

Le mode commutation :

Vous souhaitez en sortie de votre transistor une fonction tout ou rien pour commander une bobine de relais par exemple . Il doit avoir 2 valeurs :

La premiere : il ne laisse pas passer de courant .

La deuxième : il laisse passer tout le courant .

Donc ne pas laisser passer de courant du tout , ça c’est simple , pas de courant de base . Laisser passer tout le courant ( ou saturer le transistor ) il va falloir utiliser notre relation :

Revenons sur notre schéma précédent et supposons maintenant que le transistor est fermé comme si c’était un contact entre collecteur et émetteur , on ferme donc ce contact et on calcule le courant sensé circuler entre collecteur et émetteur :

Loi d’ohm :

I=U/R=12/1000 = 12 mA ( 12 mili-Amperes)

On connais donc notre courant collecteur maximum on en déduit donc que :

IB=IC/HFE =12/35=0,35mA

Pourquoi j’utilise 35 et pas 300 ?

Parce que ce que donne le constructeur est un gain minimum , sous entendu il ne doit jamais être en dessous , par contre il peut être plus fort ( il le sera toujours ) donc en prenant le gain minimum je suis sûr que j’aurai injecté assez de courant pour que mon transistor soit saturé .

De façon pratique , vous n’aurez jamais la résistance correspondant a vos calculs . il faudra prendre la résistance la plus proche de valeur inférieur a vos calculs pour que le courant soit plutôt un peu plus élevé que prévu afin d’assurer le coup .

Revenons a notre courant de base , nous savons maintenant que nous devons injecter 0,4 mA ( j’ai arrondi au dessus ) pour pouvoir saturer notre transistor .Il y a une petite subtilité , il suffit de le savoir mais pour calculer notre résistance alors que nous passons par le transistor , nous devons connaitre la tension Base Émetteur , elle n’est pas nulle , mais égale a 0,6 V en moyenne .

Ça n’est pas très grave si vous l’oubliez a condition d’être large avec les valeurs que vous choisissez pour compenser . On assure juste pour que l’on obtienne l’effet recherché : La saturation du transistor !

Revenons sur nos 0,6 V , ils représentent un peu plus de 10% de nos 5 V ,10% que j’ai deja compensé en arrondissant a 0,4 mA le courant de base .Mais nous allons faire le calcule correctement :

On calcule d’abord la tension aux bornes de la resistance :

URB=U-VBE= 4,4V

U : Tension d’alimentation

VBE: Tension Base Emetteur

URB :tension au bornes de la resistance de Base

 

Puis la resistance elle meme : 

RB= URB/IB=4,4/0,0004= 11000 ohm

La valeur la plus proche est 10000 ohm ou 10k ohm ,la plus proche en dessous comme je vous l’ai expliqué au dessus . Sur notre schema on voit une resistance de 1k ohm , on se rend bien compte que dans un cas comme celui la le transistor est saturé a coup sur ! Petite parenthèse aussi , vous pouvez continuer a augmenter votre IB , mais comme vous vous en rendez compte ca n’a pas d’intérêt une fois la saturation obtenue , par contre sachez que que le courant de base s’ajoute dans votre transistor au courant Collecteur ( ou collecteur émetteur ) si il est petit il est négligeable , mais si il est grand il finira par augmenter la chauffe de votre transistor et la consommation de votre montage, vous avez donc intérêt a le garder plutôt faible.

 

Le mode amplification :

Dans le mode amplification on souhaite augmenter la taille du signal de l’entrée , en d’autres termes on veut à la sortie de notre système une image de notre signal d’entrée mais avec plus d’amplitude ( plus ample , plus grand , plus puissant en somme ) .Vous comprenez que l’on ne peut pas brancher un micro directement sur un haut parleur , car le courant électrique produit par le micro est très faible et donc insuffisant pour faire bouger la membrane d’un haut parleur .C’est pourquoi il nous faut l’amplifier afin qu’il devienne assez « costaud » pour pouvoir le faire .

Le montage :

Tout d’abord ce que nous savons sur ce montage :

• L’alimentation qui est un générateur continu de 5V .
• notre sortie qui est connectée entre le collecteur du transistor et l’alimentation , nous y avons connecté la resistance RS de 1K ohm .
• Le transistor est un NPN avec un Gain ( HFE ) de 100 .
• Le signal d’entrée , est un signal alternatif de 1V centré autour de 0 V.
• Nous rajoutons un condensateur entre le signal d’entrée et la resistance d’entrée R2 pour éliminer la composante continue qui pourrait venir s’ajouter a la tension du signal d’entrée , ainsi on est sur que seul la partie variable du signal sera inséré a la bas de notre transistor . Pour choisir sa valeur , il faudrait normalement faire un calcul , je sais pour ma part qu’avec 10uF j’en ai largement assez , mais en réalité plus vous avez besoin de courant pour votre base plus il faut que se condensateur soit grand , si il est plutôt surdimensionné , il sera alors largement capable de fournir le courant dont vous avez besoin pour votre base . Dans le cas contraire vous aurez un déficit de courant sur votre base qui se reportera sur votre sortie .

Ce que nous voulons :

Il est important de fixer ce que vous chercher a obtenir avant de faire des essais sinon vous allez tâtonner sans trop savoir comment vous y prendre et puis comme nous ne sommes pas a l’école , c’est a vous de fixer les valeur que vous voulez obtenir c’est chouette la liberté 🙂

Ce que je veux moi , c’est que mon signal varie autour des 2,5 Volts , au dessus quand il est positif , en dessous quand il est négatif . Je choisis cette valeur pour obtenir l’amplitude maximal possible en sortie , mais j’aurai pu en choisir une autre . Une autre valeur est celle de la resistance de sortie , je la connais évidement puisque je sais sur quoi je vais connecter mon signal amplifié ,donc ici une resistance de 1K ohm .

Cedon nous avons besoin c’est donc de positionner notre sortie (qui se situe au collecteur du transistor ) a 2,5 Volts au moment ou l’entrée est a 0 V , pour faire ca , nous allons devoir injecter un courant dans la base a vide pour que lorsqu’il n’y a aucune autre source pour notre base le courant soit au moins celui la .C’est a ca que sert notre resistance R1.

Comment calculer R1 :

Nous souhaitons donc 2,5v au niveau du collecteur , ce qui signifie que nous aurons , également 2,5v sur la resistance RS , on peut donc aisément calculer le courant qui circule dans RS avec notre loi d’ohm

Irs = Urs /Rrs = 2,5/1000 =2,5 mA

Maintenant il va nous être facile de calculer le courant qui doit circuler dans R1 pour cette valeur :

Irs =HFE x IR1 -> iR1 = Irs/HFE=25 micro A

Pour calculer R1 il va falloir connaitre la tension a ses bornes , on remarque que la maille qui amène la tension jusqu’a la masse ne contient que la jonction Base émetteur , et on connait la tension a ses bornes , elle est de 0,6V. Il y a également l’autre partie venant de notre signal d’entrée , mais comme on y a mit un condensateur aucun courant continu ne peut le traverser , nous n’avons pas besoin d’en tenir compte .

R1=UR1/IR1 = (VCC-VBE)/IR1 = (5-0,6)/25 uA = 4,4/0,000025 = 176K ohm

Dans la pratique a moins d’utiliser des resistances de precision , il vous sera difficile d’avoir cette valeur , ajuster au mieux avec plusieurs resistance en série , a vous de voir si c’est plus intéressant d’être un peu au dessus de 2,5 V ou un peu en dessous .

Calculons R2 maintenant :

Nous savons que notre signal d’entrée varie de -1 Volt a +1 Volt , le condensateur en régime alternatif se comporte comme un court circuit , en réalité ce n’est qu’une impression , il s’agit seulement d’un jeu de transfert de charges sur les plaques ,qui donne cette impression . Il faut également tenir un peu compte de la fréquence , plus la fréquence est élevée plus il est  » Passant  » , lorsque vous calculer la résistance de base mettez vous dans les plus mauvaises conditions afin d’approcher au mieux la bonne valeur . En pratique , calculez la grossièrement et ajustez la si besoin , parce qu’une partie de nos postulats de démarrage ne sont pas tout a fait juste , Vbe par exemple , le gain , la fréquence , la valeur réelle de vos résistances … , l’idée ici est d’approchez au mieux .

Revenons a R2 :

Comme nous sommes en régime variable , il ne faut plus penser en valeurs fixes mais en variations . Nous calculons R2 pour qu’elle ajoute 25uA a 1 V ou pour qu’elle retranche 25uA a -1V , ça nous donne une variation de 50uA sous une tension qui varie de +1 V a -1V a laquelle on doit retirer les 0,6 V de VBE dans un lorsque l’on est dans la partie positive , et l’ajouter dans la partie négative ce qui s’annule , la variation de tension reste égale a 2 V.

R2=du/di ( variation de tension / variation de courant ) = 2V/50uA=40 Kohm

Biensur , a tester et a ajuster au besoin comme je vous l’avait dit plus haut l’idée est d’approcher la valeur pour que vous ayez un montage qui fonctionne bien

Il existe beaucoup de montages a transistors il faut les connaitre au moins de vu et connaitre leurs fonctions , c’est très utile lorsque l’on a une carte électronique entre les mains pour comprendre ce que les gens qui l’on fabriqué on voulu faire .