Le transistor bipolaire: gain hfe

Le principal intérêt du transistor bipolaire réside dans son amplification en courant : un petit courant de base Ib engendre un grand courant de collecteur Ic. Le rapport Ic/Ib est assez constant en fonction de la tension Vce et de la valeur de Ib. Ce gain caractérise le transistor et s'appelle "hfe" ou "bêta". Il vaut quelques centaines pour les transistors de faible puissance.

A partir de ce gain hfe, on peut dimensionner les résistances à placer autour d'un transistor pour l'utiliser en interrupteur.

Le transistor utilisé en interrupteur est en général connecté à la masse ou à l'alimentation par son émetteur. La base sert de commande et le collecteur est la borne active de l'interrupteur.

Sur le montage de gauche : si Ve vaut 0, le transistor est bloqué et Vs vaut 5V. Si Ve vaut 5V, le transistor doit se comporter comme un fil, R doit être assez faible pour assurer un courant de base suffisant. Le montage de droite est similaire, mais avec un PNP.

Le montage ci contre peut être utilisé comme inverseur logique ou pour commander une charge Rc (pour des applications de puissance par exemple)

Calcul des résistances autour du transistor

Imaginons que le courant prévu dans la charge Rc soit de 10mA. Dans ce cas, Rc = 500 Ohm.

Supposons que le gain hfe du transistor soit de 200. On souhaite utiliser le transistor en interrupteur : il doit être soit saturé soit bloqué.

Etat bloqué : Ve = 0; D'où Vbe = 0 et Ib = 0. D'où Ic = hfe x 0 = 0.

Etat saturé : Ic = 10mA. On calcule Ib = 10mA / 200 = 50uA

Le courant de base Ib nécessaire est de 50uA minimum. Si par exemple, il valait 40uA, Ic serait égal à 8mA, ce qui entraînerait une chute de tension dans la résistance de 8mA x 500 Ohm = 4V. La tension Vs serait de 5V-4V = 1V. Le transistor ne se comporterait alors pas comme un "fil" : il serait alors en mode "actif" (aussi appelé "linéaire"). C'est l'image du robinet qui n'est ni fermé ni grand ouvert.

On a donc Ib = 50uA min. Choisissons une marge en fixant un facteur 4 (hfe peut varier du simple au double entre deux transistors d'une même référence) : Ib = 200uA.

On étudie cette branche :

Schéma équivalent du circuit qui commande la base d'un transistor bipolaire

La jonction base émetteur se comporte comme une diode, d'où le modèle de droite. La tension Vbe est proche de 0.7V (tension de seuil de la diode). La tension aux bornes de R vaut 5-0.7 = 4.3V. Or R doit être traversée par un courant de 200uA.

D'où : R = 4.3V/200uA = 2150 Ohm

Etant donné qu'il s'agit d'un courant minimum, R devra être la valeur normalisée inférieure. On choisit R = 1.8 kOhm de la série E12.

Fonctionnement du transistor bipolaire

Pour des dimensionnements rapides et assez précis, on suppose que Vbe = 0.7V quand le transistor n'est pas bloqué. Pour utiliser le transistor en interrupteur, Ib doit être supérieur à la valeur limite qui assure la saturation du transistor. Cette limite dépend de hfe mais aussi de Rc.