Le transistor vu comme un tripôle
rév 2015/11/11
Pour réaliser des enseignes et afficheurs à LED, il est très souvent nécessaire d’utiliser l’élément le plus emblématique de l’électronique : le transistor.
La mise au point de ce dispositif à semi-conducteur a marqué une étape importante dans l’évolution de l’électronique et de l’humanité en général. Son invention date de 1948 et ses inventeurs, William Schockley, John Bardeen et Walter Houster Brattain ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux en 1956.
Le transistor est utilisé en électronique comme amplificateur ou comme interrupteur. Les premiers transistors étaient fabriqués avec du germanium, mais par la suite, c’est le silicium qui a été principalement utilisé. D’autres matériaux semi-conducteurs sont utilisé pour certaines applications, tel l’arséniure de gallium (GaAs).
Le transistor se présente sous la forme d’un composant à trois broches, désignées par base, collecteur et émetteur. Transistor est un mot-valise formé par la fusion des mots de la locution anglaise transfert resistor ou transrésistance en français. Il est appelé ainsi, car il transfère un courant à travers une résistance. La figure suivante montre le transistor comme un tripôle.
Le transistor vu comme un tripôle
Dans un transistor, la valeur de la résistance Rce entre le collecteur et l’émetteur varie en fonction du courant Ib qui circule entre la base et l’émetteur. Une augmentation du courant de base provoque une diminution de la résistance Rce, ce qui permet une augmentation du courant Ic qui entre dans le collecteur. C’est ce qu’on appelle l’effet transistor.
Cette similitude avec un système hydraulique aide à comprendre le principe :
Analogie hydraulique
On sait que U = R × I (Loi d’Ohm). Une variation du petit courant Ib provoque une variation du grand courant Ic.
Dans certaines conditions, cette variation est linéaire :
Ic = β × Ib
Ce coefficient β (bêta) est appelé facteur d’amplification du transistor. Sa valeur est largement supérieure à 1, souvent quelques centaines. C’est une grandeur sans dimension, c’est-à-dire d’unité un.
Il faut noter que le courant de base doit toujours rester petit pour éviter la destruction du transistor. Une résistance sur la base est généralement utilisée pour limiter ce courant.
Pour mieux comprendre le fonctionnement du transistor, regardons sa structure interne. Un transistor est construit à partir d’un morceau de silicium de type N (dopé négativement) dans lequel sont diffusées des impuretés de type P. Il s’agit là d’un transistor de type NPN. La figure suivante montre le principe de la constitution d’un transistor NPN, ainsi que le symbole utilisé.
Transistor NPN, principe et symbole
Pour obtenir un transistor de type PNP, ce sont des impuretés de type N qui sont diffusées dans une lame de silicium de type P.
Transistor PNP, principe et symbole
On appelle jonction le contact entre une zone de silicium dopé N et une zone de silicium dopé P. Deux jonctions sont créées dans un transistor, une jonction base-émetteur Jbe et une jonction base-collecteur Jbc.
Une jonction est dite polarisée en direct lorsque la tension entre zone P et la zone N est supérieure à 0.7 V (tension de seuil). Dans le cas contraire, on dit qu’elle est polarisée en inverse.
Le transistor a trois modes de fonctionnement intéressants :
Dans toutes les applications liées aux enseignes et afficheurs à LED, nous allons utiliser les transistors en mode de commutation, c’est-à-dire soit bloqué, soit saturé. Le transistor fonctionne alors comme un interrupteur, pour allumer ou éteindre des LED.
Le transistor est en mode bloqué lorsque la jonction base-émetteur n’est pas polarisée en direct. C’est le cas où la tension base-émetteur est inférieure à la tension de seuil. Aucun courant ne circule alors entre le collecteur et l’émetteur : Ic = 0.
Lorsque la tension base-émetteur dépasse la tension de seuil, le transistor va conduire. Étant donné que le facteur d’amplification β du transistor est généralement important, le courant du collecteur va rapidement n’être limité que par la charge se trouvant dans le circuit du collecteur. On dit alors que le transistor est saturé.
Voici un montage fréquemment utilisé pour les enseignes à LED. Un transistor est utilisé en commutation pour allumer ou éteindre une LED. La résistance connectée à la base limite le courant de base. Elle est calculée de telle manière que le courant produit par un état logique 1 soit suffisant pour saturer le transistor.
Commande d’une LED par un transistor
Il existe des milliers de modèles de transistors sur le marché ! Ils se présentent dans des boîtiers de tailles et de formes très différentes, dont voici quelques exemples :
Quelques boîtiers de transistors
Aujourd’hui, les boîtiers sont souvent prévus pour le montage en surface sur les circuits imprimés (SMD : Surface Mounted Device = Composants Montés en Surface) :
Transistor à monter en surface
Comment choisir un transistor adapté à une application particulière ? Les fabricants de semi-conducteurs indiquent un grand nombre de paramètres dans les fiches techniques (data sheets en anglais) décrivant leurs composants.
Voici les paramètres généralement les plus importants à prendre en compte :
IcmaxLa taille du transistor et la dimension de ses broches déterminent ce courant maximal, pouvant aller de quelques milliampères jusqu’à plusieurs dizaines d’ampères.
VbcmaxAu-dessus d’une certaine valeur de la tension entre la base et le collecteur, la jonction base-collecteur risque de se détériorer. Cette valeur est souvent supérieure à 10 V et peut aller jusqu’à plusieurs centaines de volts.
Même lorsqu’il est saturé, la résistance entre le collecteur et l’émetteur n’est pas nulle et le courant qui traverse le transistor produit donc de la chaleur par effet Joule. Les transistors de puissance ont des boîtiers conçus spécialement pour dissiper cette chaleur. La puissance dissipée varie de quelques centaines de milliwatts jusqu’à des centaines de watts.
Le fabricant indique également la fréquence maximale de fonctionnement du transistor. Elle est généralement de l’ordre du mégahertz, voire davantage.