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Technique - Transistor bipolaire


C'est le grand jour, nous allons découvrir l'élément le plus noble de l'électronique, le transistor.
Ce que nous allons voir vous permettra de comprendre son fonctionnement et son comportement dans vos montages, et vous n'aurez plus aucune crainte vis à vis de la bête mystérieuse.
Quand j'étais beaucoup plus jeune et que je découvrais la radio, je me demandais à quoi pouvait bien servir ce fameux transistor. Le transistor est un composant actif qui sera utilisé pour commuter des courants ou des tensions, amplifier, transposer des fréquences, les mélanger, commander un relais et mille autres choses encore.

Avant d'attaquer, nous allons faire un petit rappel sur la loi d'Ohm:


Rappel important sur les mesures de tension
Observez attentivement le montage ci-dessus, rien d'extravagant, 2 résistances et une diode. L'ensemble est alimenté par une tension de 10V et un courant I y circule.
Nous mesurons les chutes de tension aux bornes de chaque élément, les valeurs lues sont indiquées en bleu.
En rouge nous avons porté les valeurs lues en prenant la masse comme référence.
Soyez certain de bien comprendre ce schéma, c'est très important même si cela paraît simple pour l'étude du transistor.

transi13.jpg (7655 octets)

Voici quelques exemplaires de transistors courants. Comme vous l'imaginez, il existe une normalisation des boîtiers et de jolis livres donnant les caractéristiques des milliers de modèles en circulation actuellement. Je vous recommande vivement, si vous  vous mettez au bricolage, d'en acquérir un, cela devient vite indispensable, car outre les caractéristiques électriques, on y trouve le brochage de nos précieux composants.
Si vous êtes un heureux veinard et possédez soit le cable soit une connecxion ADSL, vous trouverez la majorité des caractéristiques des composants sur le net.
Nous avons eu l'occasion de voir que la diode était constituée d'une jonction PN et nous ne traiterons sauf exception que des transistors NPN qui plus est au silicium. Voyons à droite son symbole.
Le transistor est constitué de deux jonctions PN accolées formant un ensemble NPN.

Symbole du transistor NPN

Comme vous pouvez le constater, ce dispositif comporte 3 électrodes. La base est l'électrode de commande, une sorte de robinet, le collecteur, relié au pôle positif de l'alimentation sera le reflet de la base mais "agrandi", l'émetteur drainera les courants base + collecteur. C'est très simpliste pour le moment.

Nom des électrodes

Voici une autre représentation du transistor toutefois ayez toujours présent à l'esprit que si vous réalisez ce montage, vous n'obtiendrez jamais l'effet "Transistor", il s'agit d'une représentation, sans plus, qui vous montre que la diode Base-émetteur est polarisée en direct, la diode Base-collecteur en inverse.

Autre représentation


Petit montage de test :

Le temps est venu de relier notre transistor à une source de tension et d'observer ce qui se passe. Pour ce faire nous allons réaliser un petit montage de test avec un transistor petits signaux tout à fait classique. Nous allons essayer de voir ce qu'est justement l'effet transistor. 
Nous observons que quand notre transistor est correctement polarisé (les tensions sont dans le bon sens et de valeurs adéquates), un courant de base IB de quelques µA circule dans la jonction Base-Emetteur. Comme il s'agit d'une jonction, on retrouve une chute de tension de 0,6-0,7 V ici.
Nous constatons également qu'un courant IC  beaucoup plus important circule du collecteur vers l'émetteur. En faisant diverses expériences on démontre qu'une relation liant IC et IB existe.
Nous constatons enfin que le courant Emetteur est le plus important des trois et est égal à la somme de IC et IB.

Retenons les deux relations ci-dessous :

IE = IC + IB

IC = b .  IB
Les sources de tension sont variables, nous allons donc les faire varier et mesurer à chaque fois U et I. Ceci nous permettra de tracer des courbes forts utiles à la compréhension du fonctionnement du transistor.

Les légendes
à droite, les tensions
ci-dessous, les courants qui circulent

transi12.gif (1640 octets)

b est le gain en courant du transistor


Nous réglons le courant de base à 5 µA. Ceci provoque un courant de collecteur de 1 mA. Maintenant nous faisons varier la source de tension V2, càd celle qui alimente le collecteur du transistor. A chaque variation nous notons Icet Vce, càd la tension entre collecteur et émetteur et nous obtenons ceci.
1er résultat important : Nous faisons varier la tension collecteur, le courant IC reste constant sur une grande plage.


Reproduisons l'expérience ci-dessus mais en augmentant à chaque fois le courant de base et reportons nos points de mesure sur le même graphique. Cela nous donne ceci.
Nous constatons que le gain en courant du transistor
b est sensiblement constant (rapport IC/IB). Plus VCE croît, moins la partie rectiligne est importante.
Nous retiendrons que le courant collecteur est dépendant du courant de base.

caractéristique de collecteur


Nous venons de tracer la caractéristique de collecteur du transistor


Caractéristique de base du transistor:

la caractéristique de base du transistor est la caractéristique du courant IB fonction de la tension VBE. Nous l'avons déjà dit, il s'agit d'une diode et vous retrouverez sans surprise la courbe bien connue de la diode sens passant. (le dessin est un peu "stylisé")


Nous avons vu que le le courant collecteur était lié au courant de base par le gain en courant b  du transistor.
Notez ceci en lettres d'or au dessus de votre lit :
Le gain en courant b du transistor est fortement affecté par la température. Quand la température du transistor croît, la gain b croît. Ce phénomène peut conduire à l'emballement thermique (b croît donc IC croît, la température du transistor croît, ce qui provoque une augmentation de b etc.) 
Deuxième point à retenir sans vous poser de question pour le moment. Le transistor est une source de courant commandée.



Les zones extrêmes de fonctionnement du transistor :

Il existe un moyen simple de visualiser le point de fonctionnement d'un transistor et ceci consiste à tracer la droite de charge. Nous l'avons déjà évoqué pour la diode. Pour ce faire, nous aurons besoin de la caractéristique de collecteur du transistor et de deux points représentatifs donnés par deux équations tirées de la loi d'Ohm. Application pratique :

Calcul de la droite de charge:

La droite de charge est la droite représentée en rouge sur le dessin ci-dessous. Le montage qui a permis ce tracé est celui-ci, comme dans l'exemple précédent.
La tension d'alimentation continue est appelée Vcc (V2 sur le schéma).
calculons le courant collecteur  qui sera également l'équation de la droite de charge.

 

           Vcc - Vce
Ic   =  ___________
                 Rc

Explications:
La résistance Rc est parcourue par le courant collecteur Ic. Pour connaître la valeur de celui-ci, nous devons déterminer la chute de tension aux bornes de cette résistance.
 
Afin que vous compreniez bien ce concept, redéssinons notre circuit comme ceci.
La tension d'alimentation Vcc est égale à la somme des tensions partielles suivantes:
Vrc (la tension aux bornes de la  résistance, provoquée par le passage du courant Ic) + la tension Vce collecteur émetteur du transistor. Cette tension Vce étant égale à Vcc - Vrc.
Nous ne faisons qu'appliquer la loi d'Ohm. Il est vital que vous compreniez bien ce concept

Nous savons donc que  Ic = (Vcc-Vce) / RC.
Prenons l'hypothèse où Vce = 0, Ic sera égal = Vcc/Rc. Ce point sera la point de saturation du transistor.
Prenons l'hypothèse où Ic=0 alors Vce = Vcc, ce point sera la point de blocage du transistor.
Grâce à ces deux points nous pouvons tracer la droite de charge statique qui aura cette allure:

Droite de charge statique


Que nous enseigne cette figure ?


Nous reconnaissons la caractéristique de collecteur, là pas de problème. Nous avons deux points significatifs, l'un appelé point de saturation, l'autre appelé point de blocage. Le point de saturation est le point ou la tension VCE atteint une valeur proche de 0. Ceci est du au fait que la chute de tension aux bornes de Rc augmente donc diminue Vce.
(Vce= Vcc -Rc.Ic)
Notre transistor pourra fonctionner en interrupteur, il sera complètement ouvert et laissera passer le courant ou complètement fermé et ne le laissera pas passer. Pour ce faire il faudra passer soit au régime saturé soit au régime bloqué, en aucun cas dans un régime intermédiaire.
Il pourra également fonctionner entre ces deux points, dans le cadre d'un amplificateur, dans ce cas on cherchera à éviter ces zones extrêmes que sont la saturation et le blocage.
Le point de blocage est le point où la tension Vce atteint la tension d'alimentation Vcc, plus aucun courant de collecteur ne circule (hormis un ridicule courant de fuite négligeable). Ce point est atteint quand Ib =0
Pour vous souvenir de cette notion de transistor fonctionnant en commutation, on dit également en tout ou rien, imaginez qu'entre collecteur et émetteur vous ayez un interrupteur. Si l'on place aux bornes de cet interrupteur  un voltmètre, on mesurera la tension d'alimentation quand l'inter sera ouvert et une tension quasi nulle quand il sera fermé.



Retenons :

Le courant collecteur dépend du courant de base (il y a des exceptions mais inutile de se polluer l'esprit).
Le courant Emetteur = courant de base + courant collecteur. Ib est souvent négligeable devant Ic.
Le transistor utilisé en commutation fonctionne aux points de saturation et de blocage.
L'équation de la droite de charge sera :
et on calculera les 2 points :
La commande du transistor s'effectue par le courant de base en polarisant la jonction base-émetteur

IC = b .  IB
IE = IC + IB

           Vcc - Vce
Ic   =  ___________
                 Rc


saturation : Vcc/Rc
blocage      : Vcc = Vce




Vous devez trouver ce chapitre fastidieux et souvent nébuleux, c'est tout à fait normal d'autant plus si vous êtes novice. Rassurez-vous les choses vont s'éclaircir d'elle-mêmes. Les prochains chapitres consacrés au transistor seront moins abstraits, il y aura beaucoup plus d'exemples pratiques et chiffrés. Courage...


Etudions ce qui se passe du côté de la commande, à savoir la base :




Reprenons notre schéma. Nous y voyons que la jonction Base-Emetteur est polarisée par une source V1 à travers une résistance Rb.
Ceci provoque la circulation d'un courant Ib.
L'effet "transistor" fait en sorte que ce courant Ib soit multiplié d'un facteur
b au collecteur.



Comme pour le collecteur, redessinons notre circuit. Vb est la tension d'alimentation du circuit de base, Rb est la résistance en série dans la base, Vbe est la tension de la jonction base-émetteur du transistor.
Déterminons le courant de base de ce montage.

Le courant de base sera égal à la tension aux bornes de Rb divisée par Rb soit:
           Vrb
Ib = _________
            Rb

Déterminons Vrb : il vient Vrb = Vb - Vbe.

Nous pouvons donc écrire pour le courant de base

        Vb - Vbe
Ib= __________
           Rb

Vous voyez c'est très simple.


Nous en avons terminé avec les notions d'approche sur le transistor. Le plus dur est fait, nous allons maintenant entrer dans le concret avec les chapitres suivants.