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Partie 6B : les transistors

Le transistor est un composant électronique actif utilisé principalement comme amplificateur ou comme interrupteur commandé.
Il a été découvert en décembre 1947 par les américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Téléphone. Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.

Le transistor remplaça alors le tube électronique (appelé aussi tube à lampe): photo à droite

Les transistors ont permis la réalisation de portes logiques (NAND, NOR, ….) de microprocesseurs et leur miniaturisation a décuplé les utilisations.


Exemple de miniaturisation : nombre de transistors dans les microprocesseurs Intel

  • 1971 : 4004 : 2 300 transistors
  • 1978 : 8086 : 29 000 transistors
  • 1982 : 80286 275 000 transistors
  • 1989 : 80486 : 1,16 million de transistors
  • 1993 : Pentium : 3,1 millions de transistors
  • 1995 : Pentium Pro : 5,5 millions de transistors
  • 1997 : Pentium II : 27 millions de transistors
  • 2001 : Pentium 4 : 42 millions de transistors
  • 2004 : Pentium Extreme Edition : 169 millions de transistors
  • 2006 : Core 2 Duo : 291 millions de transistors
  • 2008 : Core 2 Quad : 410 millions de transistors
  • 2010 :  Intel Core i7, 1 170 000 000 transistors (1 milliard 170 millions)
  • 2012 :  Intel Core i3/i5/i7 (Ivy Bridge)     1 400 000 000 transistors
  • 2015 : 15-core Xeon Ivy Bridge-EX   4 310 000 000 transistors  (4 milliards 310 millions)

  

 

I. Symboles et constitution du transistor bipolaire

Un transistor bipolaire est constitué de 2 jonctions PN (ou diodes) montées en sens inverse. Selon le sens de montage de ces diodes on obtient les 2 types de transistors bipolaires : 

NPN PNP

 

 

Sous l'effet de la polarisation en direct de la jonction B-E, avec un courant de base Ib on obtient un courant collecteur Ic dont la valeur sera notamment fonction des conditions de polarisation de la jonction B-E.
Ce courant Ic peut être nettement plus important que le courant de base Ib, c'est l'effet transistor.
On ne peut considérer le transistor comme l’association de deux diodes mais la représentation suivante peut parfois aider :

Remarque : la flèche indique toujours l'émetteur et le sens de circulation du courant.


Remarque 2 : c'est l'effet "transistor" qui permet au courant de traverser la diode en sens inverse.

   

II. Fonctionnement en amplification

Exemple avec un transistor bipolaire npn :

Quand on fait circuler un petit courant dans la base (IB) du transistor, un courant plus important circule du collecteur vers l'émetteur (IC).

Le courant de base est multiplié par un coefficient β:

                           IC = β × IB

 

Quelques remarques :
  • Ce coefficient β est appelé gain en courant du transistor
  • Il est souvent noté Hfe dans les documentations techniques
  • Il est parfois aussi appelé coefficient d'amplification statique en courant.
  • En général β se situe entre 30 et 300.
  • Le montage est alimenté par 2 tensions : UE et 12V (VCC)
  • Si le courant IB est continu, le courant IC est continu
  • Si le courant IB est alternatif, le courant IC est alternatif (si IB est un signal sonore comme de la musique, IC est le même signal sonore mais plus fort)

 

 

Exemple de calculs dans un montage amplificateur :

On veut obtenir un courant IC de 225mA. Sachant que UE=5V et que β =100, calculez la résistance RB nécessaire au montage.

On fait la maille d'entrée :     VBE + (RB ×  IB) - UE = 0

Une remarque : VBE est la tension aux bornes de la diode présente entre la base et l'émetteur. Quand cette diode conduit, c'est à dire quant le transistor conduit, cette tension vaut à peu près 0,7V. La vraie valeur se trouve dans la documentation technique du transistor).



Calcul de IB :

IB = IC / β = 225.10-3/100=2,25.10-3=2,25mA

Dans la maille d'entrée, la seule inconnue est RB donc
RB = (UE-VBE)/IB = (5-0,7)/2,25.10-3=1911Ω

Remarque : en amplification, VCE n'est pas une valeur constante et n'est pas facile à connaître.

   

   

   

III. Fonctionnement en commutation

Le transistor en commutation est utilisé afin d'ouvrir ou de fermer un circuit (c'est une sorte d'interrupteur commandé). Ainsi il peut commander une LED, un relais, un moteur, etc... On considère généralement le circuit de sortie du transistor comme un interrupteur qui est commandé soit par une tension, soit par un courant suivant le type de transistor choisi.

Un transistor pourra avoir donc 2 états : soit il conduit soit il est bloqué.


Exemple : soit le montage ci-contre utilisé en commutation:

La tension UE pourra prendre 2 valeurs (0V ou 5V)




1er cas : UE = 0V (0 logique)

Le transistor ne peut conduire (IB=0 et VBE<0,7V)


Alors on obtient :

  • Ic = 0A
  • VCE = 12V

 

 

 

 

2ème cas : UE = 5V (1 logique)

Le transistor va conduire (IB≠0 et VBE=0,7V)

En fait en commutation pour que l’on soit sûr que le transistor conduise on va le saturer. (par exemple, si dans notre calcul on trouve qu’il faut un courant IB=2mA pour que le transistor conduise  (et fasse circuler le courant IC voulu) alors on choisira les éléments du montage pour avoir un courant de 4mA, on utilisera donc un coefficient de sursaturation de 2).

Quand un transistor est saturé, VCE ≈ 0V (en général <0,5V. La vraie valeur se trouve dans la documentation technique du transistor).




Exemple de calculs

Principe : dans un montage électronique, on part toujours de la charge (c’est elle qui a besoin de courant et de tension). Ensuite, à partir des besoins en courant de la charge on calcule les éléments du montage.


Exemple : soit le montage suivant :

Données : Ve=0V ou 10V

  • La charge ici est constituée par le relais : Irelais=55mA, Vrelais :24Vcc
  • VCEsat=0,4V, VBE=0,7V, β =150 avec sursaturation de 2
  • V+=24V


On cherche à calculer le ou les éléments du montage (ici Rb)


1. Lorsque que Ve sera à 0V, IB=0A, le transistor sera bloqué, le relais (une bobine) ne sera pas actif.

2. Quand Ve sera à 10V il faut que le transistor conduise pour que le relais soit actif.

On part de la sortie : IC = Irelais = 55mA


Calcul de IB : comme IC = β × IB alors IB = IC / β = 55.10-3 / 150 = 3,67.10-4A

On applique un coefficient de sursaturation de 2 : IBsat=2 × 3,67.10-4 = 7,33.10-4A

Équation de la maille d'entrée: VBE+VRb-Ve=0  c'est-à-dire  VBE+(Rb × IBsat) - Ve = 0


Donc Rb = (Ve-VBE) / IBsat = (10 - 0,7) / 7,33.10-4 = 12,69kΩ

Remarque : on peut constater que même en commutation le transistor amplifie le courant.