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.
Je pense qu’il y a un problème dans l’explication lorsque le transistor est utilisé en interrupteur.
J’ai réalisé un montage simple utilisant un 2N2222 (NPN) avec Vcc=5V (en fait, 4,95V) La charge est composée de plusieurs éléments. J’ai d’abord mesuré le courant dans la charge et obtenu +/- 30mA, sans transistor, en connectant directement le (-) Ensuite, j’ai raccordé la charge dans le collecteur du transistor et rebranché. Le gain en courant minimum de ce transistor (hfe) est 35 d’après la fiche d’un constructeur (Micro Electronics, mais aussi Phiips-NXP) Note qu’une fiche « astuces pratiques » de juillet 2015 indique un gain minimum de 75. Avec un gain de 35, un courant de base de 1mA serait suffisant pour ‘fermer’ le circuit, j’ai donc raccordé une resistance de 5.1K entre la base et le (+), mais rien ne se passe. J’ai progressivement réduit la valeur de la résistance dans la base et obtenu un comportement d’interrupteur avec une résistance de 1K, ce qui donne un courant de l’ordre de (4,95V alimentation – 0,7Vbe) / 1000 soit ~4mA , soit une gain de l’ordre de 10.
D’où la question: la gain en courant est-il vraiment applicable comme indiqué ci-dessus lorsque l’on utilise un transistor en commutation ?
Bonne journée. Serge.
Bonjour, je ne suis pas spécialiste de la conception d’un transistor bipolaire mais c’est vrai que le gain d’un transistor est plus faible quand il s’agit d’un transistor de puissance. Cela est dû à la géométrie du transistor. Plus il est « puissant », plus sa surface doit être grande. Il est plus difficile d’obtenir une plus grande surface homogène pour la base qui doit être large et fine dans le cas d’un bipolaire de puissance. J’ai trouvé ce document qui décrit les recombinaisons qui ont lieu dans la base : http://www.brive.unilim.fr/wp-content/uploads/sites/6/2016/12/CHAP_3elec_quere.pdf
Salut Stéphane,
saurais-tu m’expliquer pourquoi, comme tu le rappelles partiellement en haut de cet article et comme je constate sur les catalogues, les transistors de puissance n’ont pas un β élevé? Normalement autour de 50-80 typiques pour les forts et max 120 typiques pour les plus forts, quand la dissipation en puissance est d’au moins 70 W à très supérieure?
Car je n’ai pas trouvé la raison technologique pour ce fait (j’exclue les Darlington car ils ont un comportement un peu différent par rapport à un transistor simple d’égal β).
Je me demande si en construisant un transistor de taille double ou triple (comme pour les lampes) on pourrait augmenter le β en conséquence jusqu’à atteindre les 300 à 500 typiques.
Merci.
Marco
Merci beaucoup, cela fait un bon moment que je cherche sur le net une explication précise de comment dimension les résistances.Encore merci
Merci j’avais besoin de me rafraichir la mémoire!! Tres bien expliquer!!
Merci, post très interessant et instructif.