samedi 23 janvier 2016

Explorons les transistors bipolaires

Aujourd'hui, je vous propose une petite expérience pas trop compliquée qui nous permettra d'explorer le fonctionnement d'un transistor bipolaire.

Avant de commencer: quelques informations de base sur les transistors

Un transistor bipolaire est toujours constitué de 3 broches qu'on appelle la base, le collecteur et l'émetteur.


(Il existe d'autres types de transistors, comme par exemple les transistors à effet de champ (MOSFET, JFET).  Les 3 broches s'appellent alors la grille, le drain et la source, mais ne mélangeons pas tout: aujourd'hui, nous nous limitons aux transistors bipolaires.)

Il existe deux types de transistors bipolaires:  les transistors NPN et les transistors PNP.  Dans un schéma de circuit, il sont représentés de la façon suivante:


Dans un transistor bipolaire, un faible courant qui circule dans la base du transistor permet de contrôler un courant beaucoup plus intense qui circule par le collecteur et l'émetteur.  Le sens dans lequel nous faisons circuler ces courants n'est pas le même dans un transistor NPN et dans un transistor PNP.
Deux courants entrent dans le transistor NPN (IB et IC), et un seul courant en sort (IE).  Si on applique la loi des noeuds de Kirchhoff, qui affirme sans grande surprise que la somme de tout ce qui entre est égale à la somme de tout ce qui sort, nous pouvons déduire que IE = IB + IC.

De plus, puisque IB est très petit:    IE =  IC.

Au moyen de la loi des mailles du même Gustav Kirchhoff, on peut également constater que la différence de potentiel entre le collecteur et l'émetteur est égale à somme de la différence de potentiel entre le collecteur et la base, et la différence de potentiel entre la base et l'émetteur:

                     VCE = VCB + VBE

Maintenant, expérimentons!

Puisque les transistors NPN sont plus souvent utilisés que les transistors PNP, j'ai choisi d'utiliser un un transistor de ce type pour mon expérience.  J'ai fait cette expérience avec un 2N3904, mais si vous préférez utiliser un autre modèle de transistor NPN (2N2222, BC548, etc), ça devrait parfaitement faire l'affaire.

Une consultation de la fiche technique du 2N3904 (ou du modèle que vous avez choisi d'utiliser) permet de distinguer ses broches l'une de l'autre (ce n'est pas toujours identique d'un transistor à l'autre).

Et pendant qu'on y est, voyons quelles sont les valeurs à ne pas dépasser, sous peine de détruire notre transistor.


Il faut donc s'assurer de ne pas dépasser 60 volts entre le collecteur et la base, 40 volts entre le collecteur et l'émetteur, et 6 volts entre l'émetteur et la base.  Puisque j'ai l'intention d'alimenter mon montage avec une tension de 5 volts, aucune de ces valeurs ne risque d'être dépassée...  Il nous reste à nous assurer, en choisissant des résistances de valeurs appropriées, que le courant traversant le collecteur ne dépasse jamais 200 mA.


Circuit 

Le circuit illustré ci-contre est fortement inspiré de celui que propose Charles Platt à la page 81 de son livre "L'électronique en Pratique" (Éditions Eyrolles, collection Serial Makers).  J'ai toutefois jugé plus pratique d'utiliser une source de tension continue de 5 V plutôt que 12 V:  si vous reproduisez cette expérience, vous pouvez utiliser une alimentation USB, la sortie 5 V d'une carte Arduino, ou 4 piles AA (il n'est pas nécessaire que la tension soit précisément 5 V).    Il n'est pas strictement nécessaire d'utiliser les mêmes valeurs de résistances, mais celles qui sont indiquées m'ont permis de faire varier le courant à l'intérieur d'une gamme de valeurs intéressante.



Au moyen d'un multimètre, j'ai mesuré trois paramètres en tournant progressivement le potentiomètre d'une extrémité à l'autre:  le courant qui circule dans la base, le courant qui circule dans le collecteur, et la différence de potentiel entre la base et l'émetteur.

Relation entre le courant dans le collecteur et le courant dans la base

Le graphique ci-contre présente le courant circulant dans le collecteur (axe vertical) en fonction du courant circulant dans la base (axe horizontal).

On peut distinguer deux zones bien distinctes sur ce graphique.  Tout d'abord, pour un courant de base allant de 0 à environ 18 µA, le courant de collecteur est proportionnel au courant de base: c'est ce qu'on appelle la zone linéaire.  Pour des valeurs du courant de base supérieures à 18 µA, le courant de collecteur plafonne à une valeur constante:  c'est la zone de saturation.

Tel que prévu, le fort courant qui circule dans le collecteur dépend du petit courant qui circule dans la base.  Selon vos besoins, vous pourrez utiliser le transistor comme commutateur, ou comme amplificateur.

Commutateur

C'est la façon la plus simple d'utiliser un transistor, puisqu'il n'y a que deux situations possibles:
  • aucun courant ne circule dans la base, donc aucun courant ne circule dans le collecteur (transistor bloqué)
  • un courant circule dans la base, donc un courant (plus intense) circule dans le collecteur (transistor saturé)

Par exemple, vous pourriez utiliser un transistor en mode commutation pour produire un son au moyen d'un haut-parleur branché à une carte Arduino, ou pour contrôler un moteur branché à l'Arduino.  Comme tous les microcontrôleurs, l'Arduino ne supporte pas de très forts courants:  vous alimentez donc la base du transistor avec le faible courant provenant de l'Arduino (en mettant dans le trajet de ce courant une résistance suffisamment grande pour que ce courant demeure faible), et vous vous servez du courant dans le collecteur et l'émetteur pour alimenter le haut-parleur ou le moteur.

Puisque les sorties de l'Arduino n'ont que deux états possibles (0 ou 5 V), votre transistor n'aura également que deux états possibles (présence de courant, ou absence de courant).

Amplificateur

À la condition de demeurer à l'intérieur de la zone linéaire du graphique, notre transistor amplifie le courant par un facteur constant.  Le gain en courant, qu'on symbolise par la lettre grecque β (ou parfois "hfe"), est égal au rapport Ic/Ib.  En utilisant les valeurs du graphique, je constate que mon transistor avait un gain β d'environ 330:  le courant qui traverse le collecteur est donc 330 fois plus intense que le courant qui traverse la base.

(Il ne faudrait pas croire que ce courant amplifié provient du transistor:  il est causé par l'alimentation de 5 volts.  Une augmentation du courant dans la base fait diminuer la résistance interne du transistor dans le trajet collecteur-émetteur, et il en résulte une augmentation du courant à cet endroit).

Cette faculté de produire un courant qui est multiplié par une valeur constante est extrêmement utile pour amplifier un signal analogique (un signal audio, par exemple):  le signal devient plus puissant, mais sa forme demeure la même.


Il y a tout de même un hic:  ce gain en courant β dépend de la température.  Ça signifie que votre transistor n'aura pas un comportement identique selon que vous l'utilisez sous le soleil de juillet ou pendant une randonnée en skis de fond.  Pire encore: la valeur de β peut être très différente d'un transistor à l'autre, mêmes s'ils ont tous le même numéro de modèle!  Un autre transistor 2N3904 utilisé dans les mêmes conditions pourrait très bien me donner un résultat de 100, ou 250!

Pour compenser, les ingénieurs en électronique on mis au point des agencements de résistances qui font en sorte qu'un circuit comportant un transistor se comporte de la même manière peu importe la valeur exacte de β (l'amplificateur de tension à émetteur commun, par exemple).

Tension minimale entre la base et l'émetteur

Si on revient à mon montage expérimental, je vous avais mentionné que j'avais également mesuré la différence de potentiel entre la base et l'émetteur du transistor:  voici le graphique du courant circulant dans le collecteur en fonction de cette différence de potentiel.

Ces données illustrent une caractéristique importante des transistors:  pour qu'ils puissent fonctionner, la différence de potentiel entre la base et l'émetteur doit être d'au moins 0,6 volts. De plus, cette valeur varie assez peu, même si vous faites varier les autres paramètres du circuit.  On peut donc affirmer que, pendant son fonctionnement, la différence de potentiel entre la base et l'émetteur d'un transistor se situe dans les environs de 0,7 volt (le concepteur du circuit doit s'assurer que le transistor sera correctement polarisé).

Et les transistors PNP?

Si vous voulez faire ce genre de mesures sur un transistor PNP (par exemple le 2N3906), vous pouvez utiliser le même montage dans lequel vous inversez la polarité de l'alimentation (ce qui aura pour effet d'inverser le sens du courant dans le transistor).


Yves Pelletier   (TwitterFacebook)

3 commentaires:

  1. Merci à Farfadet46 de m'avoir signalé une erreur dans mon schéma initial.

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  2. Personnellement, j'estime que la compréhension de cette petite bête est extrêmement utilise. Les explications données ici sont claires et concises. Pour ceux qui veulent aller plus loin (valeur du courant de fuite, formules différentielles, réponse en fréquence, emballement thermique), il n'y a malheureusement pas d'ouvrage récent en français à ma connaissance qui traite du sujet (arduino est plus vendeur on dirait). J'ai cependant trouvé un ouvrage plus ancien qui traite du sujet : "Emploi rationnel des transistors" par Jean-Pierre Oehmichen. Il est un peu ardu et il faut s'accrocher mais il traite de tous les détails à connaître même s'il est un peu ancien (plusieurs éditions entre 1950 et 1970).
    Je verrais bien un prochain article sur les darlington pour commander un courant encore plus fort...
    Merci encore.

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  3. Vos articles sont toujours intéressants et très clairs, merci !

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