les transistors

LES TRANSISTORS
Le transistor... élément de base de l'électronique. Il commande, amplifie, bref,
c'est le "cerveau" de tout montage. Vous ne trouverez pas un montage
électronique digne de ce nom qui n'a pas de transistor, soit sous forme de
circuit intégré, soit seul, comme sur la photo ci-dessus.
Qu'est ce qu'un transistor ?
Comment est-ce fait ? Quel est le schéma du transistor ?
A quoi sert un transistor ?
Comment choisir son transistor ?
Y-a-t-il différents types de transistor ?
Qu'est ce qu'un transistor ?
Le transistor est donc l'élément de base de l'électronique.
Il est constitué de 3 broches: l'émetteur (E), le collecteur (C) et, au milieu, la base (B).
Attention ! Quand je dis que la base est au milieu, c'est qu'elle est au milieu sur le schéma et
dans la constitution du transistor, mais pas toujours dans le brochage... (quand vous achetez
un transistor, la base peut être la broche de droite ou celle de gauche).
Grosso modo, on peut dire qu'un courant passera du collecteur à l'émetteur -ou de l'émetteur
au collecteur selon le type de transistor- si un courant arrive sur la base...
Comment est-ce fait ? Quel est le schéma du transistor ?
Vous souvenez-vous de la diode ? Ce composant est constitué d'une couche P (positif) et
d'une couche N (négatif).
Sur un transistor, on va rajouter
une autre couche P ou N. On
aura donc un empilement de
couches, soit dans l'ordre NPN,
soit dans l'ordre PNP, d'où le
nom de "transistor NPN" ou
"transistor PNP" dont vous avez
peut-être entendu parler...
D'où le schéma du transistor
NPN et PNP, où B est la base,
C le collecteur et E l'émetteur.
La flèche indique à la fois l'émetteur et le sens du courant dans l'émetteur, et donc, par
conséquent, le type de transistor: NPN si la flèche est vers l'extérieur, le courant sort de
l'émetteur; ou PNP si la flèche est vers l'intérieur: le courant entre par l'émetteur...
Mais attention ! L'ordre d'empilement
des couches change tout !
Dans le cas du NPN, le courant passe
du collecteur vers l'émetteur si un
courant est appliqué à la base sous une
tension de 0,6 Volts par rapport à
l'émetteur, tandis que dans un PNP, le
courant passera de l'émetteur vers le
collecteur si un courant est appliqué à la
base sous une tension de -0,6 Volts par
rapport à l'émetteur...
Concrètement, si vous avez un
transistor NPN, en branchant le fil
rouge du voltmètre sur la base et le fil
noir sur l'émetteur, vous devrez lire 0,6
Volts au moins pour que le courant
passe dans le sens collecteur - émetteur.
(schéma de droite)
Mais si vous avez un PNP, en branchant
de la même manière (fils rouge sur la
base et fil noir sur l'émetteur) vous
devrez lire -0,6 volts pour que le
courant passe dans le sens émetteur collecteur. (schéma de gauche)
ATTENTION: Remarquez que j'ai mis
des résistances... Pourquoi ?
Parce que si je n'en avais pas mis, on
aurait pu croire que le fil noir du
voltmètre était relié directement à la
masse (schéma de droite) ou
directement au "+" de l'alimentation
(schéma de gauche). Ce qui n'est pas le
cas: il faut mesurer bien directement
aux bornes du transistor…
Comment ça marche ?
On a donc un empilement des couches: PNP ou NPN (rappel: P est la couche ou il manque
des électrons, celle qui est chagée positivement, alors que N est la couche négative: il y a des
électrons en trop.)
La couche du milieu (N dans un PNP et P dans un NPN) est très petite par rapport aux deux
autres couche: Posez un crayon (couche du mileu) sur votre bureau, vous aurez une idée du
rapport d'épaisseur qui existe entre la couche du milieu est les couches externes.
Donc, la couche du milieu (qui correspond à la base du transistor) est très peu épaisse.
Résultat: l'émetteur et le collecteur du transistor sont, certes, séparés par la base, mais très,
très proche.
En temps normal, on à un état d'équilibre, mais un équilibre très fragile, comme une bille que
l'on arrive à mettre en équilibre sur un pic.
Il suffit alors d'une toute petite impulsion (le courant qui arrive sur la base), pour que
l'équilibre soit rompu, et alors, PAF ! Les électrons qui étaient sur le collecteur s'engouffrent
dans l'émetteur (pour un NPN). Les électrons veulent tous passer de l'autre coté: on a donc un
courant important.
Si on résume, avec un petit courant de base, on obtient un fort courant collecteur: il y a eu
amplification de courant
A quoi sert un transistor ?
Un transistor à deux fonctions: La commutation et l'amplification...
1- Le transistor en commutation
L'utilisation la plus simple: si un courant arrive à la base et que la tension est de 0,6 Volts (ou
de -0,6 volts si c'est un PNP) par rapport à l'émetteur, comme expliqué ci-dessus, le transistor
passe de l'état bloqué à l'état passant. En fait, il agit comme interrupteur commandé. Pour
revenir à l'état bloqué, et donc, ne plus faire passer de courant du collecteur vers l'émetteur
(ou de l'émetteur vers le collecteur), il suffit d'avoir une tension inférieure à 0,6 volts par
rapport à l'émetteur (ou supérieure à -0,6 volts si c'est un PNP)
Il suffit ensuite de mettre un composant en série pour faire fonctionner ce composant sur
commande (par exemple faire allumer une DEL).
Voici un schéma tout simple:
Mettons d'abord les choses au point... Uc est la tension aux
bornes du condensateur. Mais l'émetteur (E) du transistor est
relié directement au condensateur, il n'y a pas de résistance
entre l'émetteur et le condensateur... Donc, UC = UBE .
Lorsque l'on branche la pile ou la batterie (Bat.), on a, au départ,
UC = UBE = 0 Volts. Donc, le transistor est bloqué (il s'agit d'un
NPN: donc, bloqué quand UBE<0,6V). Puis le condensateur se
charge doucement. La résistance R1 permet de déterminer le
temps de charge du condensateur. Plus la valeur de R1 est
grande, plus le condensateur mettra de temps à se charger... et
donc, plus il mettra de temps à atteindre 0, 6 Volts.
Lorsque cette tension est atteinte, le transistor devient passant et
laisse passer de plus en plus de courant jusqu'à un moment ou le courant qui passe du
collecteur à l'émetteur n'augmente plus: c'est l'état saturé.
La DEL (D1) va donc s'allumer progressivement. La résistance R2 sert à limiter le courant qui
passe pour deux choses:
1/ Ne pas détruire la DEL
2/ Ne pas détruire le transistor en faisant passer trop de courant
dans le collecteur...
Et si on utilisait un PNP ?
Voyons ça tout de suite...
Mettons les choses au point... La tension sur l'émetteur (par
rapport à la masse) est UE = 5 Volts (Nous fixons cette valeur
en fonction de la résistance R2 et selon la loi d'ohm ( U = R x
I)
La tension aux bornes du condensateur, UC est la même que
celle présent à la base (UB ), au départ, nulle (UC = UB = 0
Volts). La différence entre les deux (La tension Base-Émetteur)
est donc: UB - UE = 0 - 5 = -5 Volts.
Comme il faut que la tension UBE soit, au maximum, égal à -0,6 Volts, ( si si, je dis bien, "au
maximum", car -0,6 > -5 ), le transistor est passant et la DEL est allumée...
Mais le condensateur se charge peu à peu... et lorsque UC, et donc, UB est de 4, 5 Volts, on a:
UB - UE = 4,5 - 5 = -0,5 Volts. Comme il faut au maximum -0,6 Volt et que -0,5 > -0,6, le
transistor passe à l'état bloqué et la DEL s'éteint. On a donc le phénomène inverse: Le
transistor est bloqué lorsque l'on a du courant (ou une tension) sur la base...
2- Le transistor en amplification
Le transistor peut amplifier deux choses: Le courant et la tension...
a. l'amplification en courant
Retenons que le courant qui traverse le collecteur est proportionnel à celui qui traverse la
base, et ce, selon la relation Ic = β x Ib où β (bêta) est le coefficient d'amplification, qui
dépend du transistor, mais qui peut varier selon la température extérieure... Bref, β n'est pas
stable du tout. Tout ce que l'on peut trouver, si vous prenez une documentation sur un
transistor, c'est la valeur minimale de β, et éventuellement sa valeur maximale. Bon, peut
servir à calculer un paramètre en fonction des autres. Par exemple, calculer Rb en fonction du
courant Ic souhaité, et de la tension sur la base Ue (la tension AVANT la résistance Rb)
Si vous connaissez β et Ue. Et si vous souhaitez un Icmax précis (donc, Ic connu), Pouvezvous trouver Rb ? Et si vous connaissez en plus Vcc, et que vous souhaitez une valeur pour
Us précise, pourrez-vous trouver Rc ?
Ici, en prenant Ic max; on trouvera Rc min. Il est
conseillé d'arrondir la valeur que l'on trouve pour
Rc à la valeur SUPÉRIEUR
On utilise cette formule pour calculer la valeur de Rc; qui doit protéger le transistor contre des
courants sur le collecteur trop élevés. Dans ce cas, il faut tenir compte du cas extrême: lorsque
Ic = Ic max; c'est à dire quand Us = 0V. ATTENTION: J'ai dit qu'il était conseillé d'arrondir
la valeur de Rc à une valeur SUPÉRIEUR (En effet, en prenant une valeur trop faible, Rc ne
protège plus rien…) Mais pas trop! En prenant une valeur trop grande, le transistor va
saturer tout de suite, or, ici, on veut une AMPLIFICATION et non une saturation…
Pour trouver Ib :
Ici, en prenant min,
on trouve Rb min. Ici
aussi, il est conseillé
d'arrondir cette
valeur à la valeur
supérieure (et cette,
fois, on peut prendre
bien au dessus que la
valeur calculée).
On utilise cette
formule pour calculer
Rb APRES avoir
calculé Rc (cidessus). En effet, il
ne faut pas que Rb
soit trop faible; on
aurait alors Ib trop
élevé et le transistor
risque de saturer. Or,
ici, on ne veut pas
une saturation mais
une
AMPLIFICATION…
(Prendre Ic un peu
inférieure au Ic max
utilisé pour calculer
Rc)
b. L'amplification en tension
Ici, il faut s'affranchir de β, pour cela, nous allons rajouter une
résistance au niveau de l'émetteur, appelée résistance de
contre-réaction. Cette résistance est notée RE.
Récapitulons:
RE est la résistance de contre-réaction
RC est la résistance de charge, calculée pour éviter qu'un
courant trop important ne vienne détruire le transistor
RB est aussi une résistance de protection.
L'amplification est calculée ainsi: AV = RC / RE.
RC se calcule ainsi: RC = Ualim / ICmax. On prévoira une marge
de sécurité, car RC possède une tolérance... Ainsi, si l'on
trouve 2 KΩ, on mettra 2, 2 KΩ (Ualim est la tension d'alimentation et ICmax est la valeur
maximale de l'intensité qui peut traverser le collecteur - cette valeur est donné par le
constructeur)
RE se calcule ainsi : RE = RC / AV . Bien entendu, c'est AV est fixé en fonction de la tension
d'entrée Ue et de la tension de sortie Us que nous désirons.
Comme Us = AV x Ue, alors, AV = Us / Ue.
EXEMPLE:
Il nous faut une tension de sortie de 5 Volts. La tension d'entrée, récoltée, par exemple, sur un
microphone est de 0,05 Volts. Il nous faut donc une amplification de Us / Ue = 5 / 0,05 = 100
Nous devons donc avoir 100 = RC / RE
Calculons RC...
Le tableau du "répertoire mondial des transistors" nous indique que, pour un transistor 2N792,
ICmax doit être de 25 mA, soit 0,025 A.
Soit une tension d'alimentation de 9 Volts, on a : RC = Ualim / ICmax.= 9 / 0,025 = 360 Ω
La résistance de charge est fixée, reste la résistance de contre-réaction.
On a : RE = RC / AV = 360 / 100 = 36 Ω
Évidemment, 360 et 36 ohms sont de petites valeurs, mais c'est de la théorie... Ne vous
étonnez pas que, dans la pratique, vous trouvez des valeurs qui peuvent êtres 1000 fois plus
élevées !
Ah, une dernière chose: vous remarquerez que, dans cette exemple, nous n'avons pas utilisé
de résistance RB Mais c'est normal: le signal recueilli sur le micro étant déjà très faible, nous
n'utilisons pas de résistance, qui affaiblirait encore le signal.
NOTE: LA FRÉQUENCE DE COUPURE
Les transistors peuvent amplifier un signal variable périodique (du moment qu'il n'est pas
alternatif -souvenez-vous, le transistor est fait et se comporte comme une diode: le courant ne
va que dans un seul sens C=>E dans un NPN et E=>C dans un PNP)
Les signaux que le transistor doit amplifier à donc une certaine fréquence.
Mais, arrivé à une certaine fréquence, le transistor n'est plus capable d'amplifier. On a
toujours β = 1.
C'est ce que l'on appelle la FRÉQUANCE DE COUPURE, qui est notée FT.
Par exemple, le 2N222 à une fréquence de coupure de 250 MHz, ce qui veut dire que lorsque
le signal atteint environ 250 MHz, et lorsque cette valeur est dépassée, le transistor n'amplifie
plus
Comment choisir un transistor
Bon, tout de suite, on se dit "je commence par voir quel gain je veux, puis quelle tension
maxi il doit supporter et quelle puissance maxi il peut fournir. Puis, je regarde quelle
fréquence de coupure il doit avoir" etc.. Et là, tout de suite, on achète un big-gros-méga
bouquin géant qui répertorie 1000000000000 de transistors…
STOP!
La plupart des transistors sont équivalent, il existe simplement des "catégories". N'allez pas
chercher l'oiseau rare ! Même pour une réparation: re-percer 3 trous dans la plaquette et faire
quelques soudures reviendra moins cher (en temps et probablement en argent) que de chercher
LE transistor chez tous les détaillants de la région.
Voici donc 10 transistors. Avec ça, vous aurez tout !
Références Polarité
BC408
BC109
BC308
2N1711
2N2219
NPN
Vce
Ic max
P max
FT
β moyen
max (Ampères) (Watts) (MégaHertz)
(Volts)
30
0,1
0,25
300
350
PNP
NPN
50
1
0,8
70
120
2N2905
PNP
2N2222
NPN
30
0,8
0,5
250
100
2N2369
NPN
15
0,5
0,35
800
80
TIP3055
NPN
TIP2955
PNP
60
15
90
3
50
Utilisation
Petits signaux
Grands gains
BF & HI-FI
Moyenne
puissance
Gains
moyens
BF &
commutation
Hautes
fréquences
(MF). Jusque
vers 30 MHz
Circuits très
hautes
fréquences
(VHF).
Jusque vers
100 MHz
Fortes
puissances
BF
Gains faibles
Radiateur
nécessaire
Les différents types de transistors
A part les transistors "classique" avec trois bornes: collecteur, base, émetteur et qui peuvent
être NPN ou PNP, au silicium (tension base-émetteur de 0,6V) ou au germanium (les 0,6V
dont nous parlions deviennent alors 0,2V) - (ça fait déjà pas mal de transistors différents d'un
même type); il y a aussi, dérivé des transistors NPN, les phototransistors.
Dans un transistor "normal", le courant passe dans le sens émetteur=>collecteur s'il y a un
courant de base. Dans le phototransistor, le courant passe, toujours dans le sens
émetteur=>collecteur si des rayons lumineux viennent frapper la base du transistor. On se
retrouve donc avec un transistor à deux pattes: émetteur et collecteur; la base étant une partie
transparente du transistor.
Il y a aussi les transistors unijonction, le transistor à effet de champ, le… mais allons
doucement. Nous verrons tout ça plus tard.
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