Utilisations du transistor

Cette page donne quelques exemples d'utilisation du transistor. Elle ne prétend pas vous donner toutes les indications nécessaires pour faire ce que vous voulez d'un transistor quelconque. Mais elle vous permettra sans doute de mieux appréhender ce drôle de composant...

Avant de commencer quoi que ce soit, voici quelques principes de base à retenir :

Voici les montages fondamentaux du transistor quand il est utilisé pour amplifier des signaux électriques, tels que vous les verrez peut-être dans un exercice scolaire, mais ici sans formule.

Mais le transistor n'a pas pour seule vocation d'amplifier des signaux, et peut être aussi utilisé en tant qu'interrupteur électronique, il travaille alors en commutation "tout ou rien".

Dans ce mode de fonctionnement, le transistor ne connait que deux états de fonctionnement possibles. Soit il est bloqué, c'est alors l'équivalent d'un interrupteur mécanique ouvert, et il ne laisse pas passer de courant. Soit il est passant (on dit aussi saturé), c'est alors l'équivalent d'un interrupteur mécanique fermé, et il laisse passer le courant. Mais que veux dire laisser passer le courant ? Nous y voilà...  Pour bien partir, nous allons voir que le transistor peut être assimilé à un interrupteur mécanique commandé par une tension continue, et nous verrons ce qui se passe avec une tension de commande qui varie de façon continue. Nous pourrons en tirer quelques conclusions et limiter le fonctionnement à la partie seule qui nous intéresse. Commençons donc avec ce montage, et après on jouera avec des boutons et des voyants.



Sur le schéma qui précède, le transistor Q1 est monté en commutation. On applique sur l'entrée In, une tension qui monte doucement de 0 V à 2 V, le tout sur une durée de deux secondes (cette durée est totalement arbitraire, mais des différences de comportement peuvent être notées si on va beaucoup plus vite et si le transistor est un modèle "lent" qui n'arrive pas à suivre). L'évolution de cette tension d'entrée, qui suit une variation linéaire, est représentée par la ligne droite verte. La courbe rouge représente la tension que l'on a entre la base du transistor et son émetteur, et la courbe jaune représente la tension que l'on peut mesurer, en continu (avec un simple voltmètre), entre le collecteur (C) ici considéré comme la sortie, et l'émetteur (référence 0 V, ou la masse si vous préférez). On constate qu'au début, la tension entre collecteur (C) et émetteur (0 V) est de 9 V, on a donc une tension identique des deux côtés de la résistance R1, ce qui semble indiquer qu'aucun courant ne la traverse est qu'il est donc nul.

Si maintenant on augmente progressivement la tension à l'entrée In, on constate que la tension de sortie (C) ne bouge pas jusqu'à une certaine valeur. Au delà de cette valeur (d'environ 0,6 V), la tension de sortie (C) chute brutalement et tombe à une valeur très proche de 0 V : la résistance R1 se voit à ce moment précis appliquer une différence de potentiel de 9 V (9 V côté haut, et 0 V côté bas). En même temps, on constate que la tension entre Base et émetteur du transistor ne grimpe plus en même temps que la tension In. Elle semble se stabiliser un peu, aux alentours de 0,6 à 0,7 V. Que s'est-il produit ? Et bien le transistor, au départ, était bloqué, et aucun courant ne circulait entre l'émetteur et le collecteur. Puis le transistor s'est débloqué dès l'instant où une tension suffisante a été appliquée entre sa base et son émetteur, un courant s'est mis à circuler d'un seul coup (ou presque) entre l'émetteur et le collecteur. Si l'on avait mis une ampoule électrique à la place de la résistance R1, l'ampoule aurait été éteinte au début, puis se serait allumée lors de la montée de la tension sur l'entrée In. Comme si les deux jonctions émetteur et collecteur s'étaient rejointes et se touchaient, comme dans un interrupteur mécanique. Voilà, ce n'est pas très compliqué finalement. Le transistor peut être utilisé comme un interrupteur (entre émetteur et collecteur) commandé par une tension (entre base et émetteur).

Remarque : le schéma met ici en oeuvre un transistor de type NPN. Le remplacement par un transistor PNP est possible, mais les polarités des tensions d'utilisation et de commande ne doivent pas être "traitées" de la même façon, ceci sera vu un peu plus loin.

Vous avez réussi à boire le paragraphe précédent ? Bravo ! Moi pas. Vous avez préféré sauter le paragraphe précédent pour venir directement ici ? Vous avez raison. Il ne faut jamais se forcer à lire des trucs qui nous barbent ! Nous allons donc maintenant  voir le côté un peu plus pratique des choses, en ne se limitant plus aux seuls transistors NPN et en voyant comment ça se passe avec des PNP, et en voyant simultanément quel transistor conduit ou ne conduit pas en fonction du câblage et de la position d'interrupteurs. Regardez voir le schéma ci-dessous, et dites-moi ce que vous comprenez avant que je n'explique quoi que ce soit.



Allez, faite un petit effort de recherche... car je n'ai pas la moindre envie de vous en dire davantage. A la rigueur, je peux vous dire que question polarités, les transistors NPN sont les opposés des transistors PNP. Le 2N2222 est un transistor NPN, le 2N2907 est un transistor PNP. Voyez donc comment chacun de ces deux transistors se comportent avec une tension de commande de polarité identique. Je ne suis pas vache, j'ai fait une correspondance verticale entre NPN et PNP pour vous aider un peu tout de même. Remarquez, en y réfléchissant un peu, y a-t-il vraiment besoin de se casser la tête pour essayer de comprendre, vu que l'on a là un échantillon de câblages possibles qui devraient dépanner dans 95 pourcent des cas ? Chuuuut.....

Mais la tension de commande est la même que la tension de l'élément commandé !
Oui, dans l'exemple avec les ampoules, c'est le cas. Mais la tension de commande peut en fait venir de n'importe où : de la sortie d'un microprocesseur, de la sortie d'une porte logique, ou même d'une sortie du port parallèle d'un ordinateur. Il suffit qu'il y ait un point commun pour que le transistor puisse être commandé par une tension qui vient d'ailleurs : le point le plus pratique se révèle être la masse dans quasiment tous les cas. Pour reprendre l'exemple avec les ampoules, la masse correspond au point 0 V pour les NPN, et correspond au point +9 V pour les PNP. Ce qui signifie que si vous voulez piloter les ampoules via un port imprimante, il vous suffit de relier la sortie concernée du port parallèle sur la résistance de base (côté interrupteur), et de relier la masse du port imprimante au point 0 V, c'est à dire à l'émetteur du transistor NPN 2N2222 (je ne parle pas du pilotage par port parallèle avec des PNP, car c'est un peu moins simple). Il faut retenir que la valeur de la résistance de base devra être calculée en fonction de la tension de commande.

Il peut sembler simple à première vue d'utiliser un transistor pour lui faire jouer le rôle d'un interrupteur. Et il est vrai que cela est relativement simple. Une résistance en série avec la base, et hop le tour est joué ! Mais quel transistor utiliser, et quelle valeur donner précisément à la résistance de base sur laquelle on va appliquer la tension de commande ? J'en suis bien désolé, mais pour déterminer la valeur de cette résistance, il faut bien parler du gain (appelé aussi Beta) du transistor. Mais avant tout ça, j'aurais bien aimé entendre quelqu'un poser la question : "Mais pourquoi mettre une résistance en série avec la base du transistor ?". Vous vous êtes justement posé cette question ? Et bien bravo ! Cette résistance n'est là que pour limiter le courant qui peut circuler entre la base et l'émetteur du transistor. En son absence, l'application d'une tension élevée sur la base (par tension élevée on entend une tension qui atteint ou dépasse la tension de commutation, soit 0,6 V) va provoquer le passage d'un courant (de base) qui peut être très important, à tel point important qu'il peut être destructeur pour le composant. Voilà donc la raison d'être de ce composant. Mais alors, pourquoi ne pas se contenter de mettre une résistance de valeur donnée, par exemple 1 KO ou 10 KO et qu'on n'en parle plus ? Ce n'est pas compliqué. Si la résistance a une valeur trop faible, la limitation de courant sera insuffisante et le courant de base pourra être encore trop fort, provoquant la destruction du transistor. Si à l'autre extrême la résistance a une valeur trop élevée, le courant de base sera insuffisant et le transistor ne commutera pas correctement (sa jonction émetteur-collecteur ne se "fermera" pas correctement). Il faut donc trouver la bonne valeur de la résistance, qui permettra d'obtenir la bonne valeur du courant de base, qui finalement garantira un fonctionnement optimal. Pour connaitre le courant de base idéal, il faut déjà connaitre le courant collecteur désiré, puis diviser ce courant collecteur par la valeur du gain du transistor. 

Exemple - On veut qu'il circule dans le circuit collecteur, un courant de 100 mA pour alimenter 5 LEDs en parallèle (chaque LED consomme 20 mA). Le transistor utilisé présente un gain de 200, le courant de base Ib devra être d'au moins 0,1 A / 200, soit 0,5 mA. Si la tension de commande est de 5 V (tiens, disons qu'elle provient d'une des sorties d'un port parallèle d'un ordinateur), la résistance de base sera de (5 V - 0,6 V) / 0,5 mA, soit 8800 ohms. Cette valeur de résistance correspond à la valeur maximale qu'elle pourra prendre, et il est conseillé d'appliquer un coefficient de "protection" pour être absolument certain que le saturation sera parfaite. On prendra par exemple une résistance de 4,7 KO. Voir exemple donné pour la commande d'un relais, à la page Relais.

Ce montage, de type collecteur commun, présente le même intérêt que le suiveur de tension réalisé avec un AOP (voir Amplificateur opérationnel, paragraphe Suiveur de tension). Il permet de bénéficier d'une haute impédance d'entrée et d'une faible impédance de sortie. Il peut donc constituer une interface intéressante pour épauler une sortie dont l'impédance de source est trop grande et facilement perturbable. Son gain est très proche de l'unité (grosso-modo de 0.999, vous comprendrez pourquoi il n'est pas nécessaire de trop chipoter), mais il faut bien comprendre que l'intérêt d'un tel montage ne réside pas dans son gain.



Dans le schéma qui précède, on applique le signal à "renforcer" sur la base du transistor, et on recueille le signal "fortifié" sur son émetteur. Comme le transistor est polarisé pour être constamment "passant", la tension entre base et émetteur reste constante, d'environ 0,6 à 0,7 V. Cette chute de tension se répercute bien sûr sur la sortie, qui sera alors toujours inférieure de 0,6 V à la tension d'entrée. Mais ne nous mélangeons pas les pinceaux : si la tension de sortie Out est inférieure de 0,6 V à la tension d'entrée In, l'amplitude de la tension de sortie Out reste quasiment identique à l'amplitude du signal d'entrée. Il n'y à là qu'un simple décalage (offset) de tension continue.

Avertissement : Si la résistance R1 est reliée à la masse, comme c'est le cas dans le montage présenté ici, toute tension inférieure à 0,6 V présentée à l'entrée In ne sera pas répercutée à la sortie Out ! Si vous voulez utiliser ce genre de montage pour un signal BF évoluant autour de 0 V (et qui possède donc des alternances positives et des alternances négatives), vous devrez avoir recours à l'une des deux options suivantes :

- raccorder la borne inférieure de la résistance non pas à la masse, mais à un potentiel négatif (-9 V par exemple),

- ou polariser la base du transistor avec deux résistances (une au +Alim et l'autre à la masse) de telle sorte que cette électrode se trouve à un potentiel de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation (comme cela est fait sur le petit schéma de présentation en début de page). 

La deuxième solution permet de conserver une alimentation simple, mais présente deux inconvénients : le premier inconvénient est la nécessité d'utiliser un condensateur de liaison en entrée et en sortie pour appliquer le signal sinusoïdal par dessus la tension continue de polarisation. Le second inconvénient est que l'ajout de résistances de polarisation sur la base va diminuer l'impédance d'entrée qu'on souhaite justement grande.

Remarque : Pourquoi ne rencontrons-nous pas plus souvent un tel montage, s'il est si pratique ? Tout simplement parce que depuis l'avènement des AOP, dont certains présentent une impédance d'entrée de plusieurs centaines de MOhms, le transistor s'est un peu trouvé "à la traine". Mais il faut bien admettre que parfois un seul petit transistor peut largement suffire pour adapter des impédances à un endroit donné, sans qu'il soit nécessaire à tout prix de sortir l'AOP dernier cri.

Dans ce mode de fonctionnement, qui est le mode émetteur commun, le transistor travaille dans un régime dit linéaire. Ce qu'on appelle ici linéarité n'est ni plus ni moins que la représentation d'une évolution fidèle de la sortie par rapport à l'évolution de l'entrée. La sortie ? L'entrée ? Mais de quoi ? Vous avez raison de poser la question. On part du postulat que le transistor, dans le cas qui nous intéresse (l'amplification), fait partie d'un quadripôle, qui possède une entrée et une sortie. Une entrée où l'on va amener un signal à amplifier, et une sortie qui va restituer le signal amplifié. Un schéma de base d'un amplificateur à transistor est présenté ci-dessous.



Un signal BF (ici de 1KHz, 100mV) est appliqué sur l'entrée In, cette entrée est reliée à la base du transistor au travers d'un condensateur de liaison. Il existe différentes façons de câbler le transistor, en fonction des valeurs de gain et des impédances d'entrée et de sortie désirées. Le montage précédent est un montage en émetteur commun, mais il faut savoir qu'il existe aussi le montage en base commune et le montage en collecteur commun (nous y reviendrons). Le signal BF appliqué à la base du transistor est amplifié par celui-ci, dans un rapport qui dépend de la valeur des diverses résistances au centre desquelles ils se trouve. Le choix de ces résistances dépendra du gain voulu, mais aussi de la tension d'alimentation, et surtout des caractéristiques du transistor lui-même. Je ne vais pas rentrer dans les détails ici puisqu'il ne s'agit que d'un aperçu de la fonction amplificateur du transistor. En fait je donne là une excuse bien à moi, car je suis incapable d'expliquer tout ça en détail ;-). Chose que l'on peut voir grâce aux courbes oscilloscopiques à droite du schéma : la sortie Out_A, qui s'effectue sur le collecteur du transistor, possède une amplitude plus importante que l'amplitude du signal d'entrée. Le signal a été amplifié (le gain est ici de l'ordre de 15 dB). Autre point caractéristique, la phase du signal de sortie est inversée par rapport à celle du signal d'entrée (quand le signal à amplifier monte, le signal amplifié descend).  La sortie Out_B, qui s'effectue quant à elle sur l'émetteur du transistor, fournit un signal légèrement atténué, mais qui est resté en phase par rapport à la source.