Les transistors ont joué un rôle crucial dans la révolution numérique en permettant le traitement, l'amplification et le contrôle des signaux électriques. Dans cette section, nous explorerons en profondeur ce qu'est un transistor et son rôle central dans notre monde électronique.

Qu'est-ce qu'un transistor ?

Un transistor est un composant électronique qui agit comme un interrupteur électronique ou un amplificateur de signal. Il est capable de contrôler le courant électrique en utilisant un faible courant pour contrôler un courant plus élevé, ce qui en fait un élément clé de l'électronique moderne. Le transistor est considéré comme la pierre angulaire de la technologie numérique et analogique, car il permet de réaliser une multitude de tâches, des calculs complexes aux communications sans fil.

Types de transistors :

Dans le vaste monde de l'électronique, il existe une variété de types de transistors, chacun avec ses propres caractéristiques et applications uniques. Mais il existe deux catégories principales de transistors : les transistors bipolaires à jonction (BJT) et les transistors à effet de champ (FET). Cette section plongera surtout dans la catégorie des transistors bipolaires à jonction : en explorant leur fonctionnement, leurs différences et leurs applications spécifiques.

Transistors Bipolaires à Jonction (BJT)

Les transistors bipolaires à jonction (BJT) sont largement utilisés pour l'amplification et la commutation de signaux. Ils se divisent en deux types fondamentaux : NPN et PNP. Les NPN ont un courant de base entrant qui contrôle un courant de collecteur sortant, tandis que les PNP fonctionnent dans l'opposé, avec un courant de base sortant contrôlant un courant de collecteur entrant.

Les transistors bipolaires à jonction sont caractérisés par trois courants clés : le courant de base, le courant d'émetteur et le courant de collecteur. Le rapport entre ces courants, connu sous le nom de gain de courant, détermine l'amplification du transistor. La configuration des courants et des tensions permet de moduler le comportement du transistor, offrant ainsi une variété d'applications, de la simple amplification de signal à la commutation de circuits plus complexes.

Transistors à Effet de Champ (FET) :

Les transistors à effet de champ (FET) sont une autre catégorie essentielle de transistors, qui comprennent les MOSFET (Transistor à Effet de Champ à Oxyde Métallique) et les JFET (Transistor à Effet de Champ à Jonction). Les MOSFET sont largement utilisés dans les applications de commutation et d'amplification, offrant une impédance d'entrée élevée et une faible consommation d'énergie. Les JFET fonctionnent comme des résistances variables en fonction de la tension appliquée à leur jonction, offrant une utilisation efficace dans les applications de régulation et de contrôle de courant.

Les FET fonctionnent grâce au contrôle du champ électrique à travers une porte isolée, éliminant ainsi la nécessité d'un courant de base comme dans les transistors bipolaires à jonction. Cela rend les FET plus efficaces en termes de puissance et d'impédance d'entrée, mais ils nécessitent une protection contre les surtensions pour éviter les dommages.

Symboles et broches

Les transistors sont fondamentalement des dispositifs à trois terminaux. Sur un transistor de jonction bipolaire (BJT), ces broches sont étiquetées collectionneur (C), base (B), et émetteur (E). Les symboles de circuit pour le NPN et le PNP BJT sont ci-dessous :

                                                                             Image 1: Symboles d'un transistor NPN et d'un transistor PNP

Modes de fonctionnement des transistors : Exploration des états de saturation, de coupure, actif et inversé-actif

Leur fonctionnement peut être décrit selon différents modes, chacun correspondant à une configuration spécifique des épingles du transistor. Dans cet article, nous explorerons en détail les quatre principaux modes de fonctionnement des transistors : la saturation, la coupure, l'état actif et l'état inversé-actif.

1. Mode de saturation : Flux de courant interrompu

Lorsqu'un transistor est en mode de saturation, il agit comme un interrupteur fermé, permettant au courant de circuler librement entre le collecteur et l'émetteur pour les transistors bipolaires (BJT) ou entre le drain et la source pour les transistors à effet de champ (FET). Dans ce mode, la tension entre la base et l'émetteur (ou la grille et la source) est suffisamment élevée pour que le transistor soit complètement activé. Cela entraîne une amplification maximale du courant.

                                                                                   Image 2: Transistor en mode saturation

2. Mode de coupure : Flux de courant bloqué

En mode de coupure, le transistor agit comme un interrupteur ouvert, empêchant tout courant de circuler entre le collecteur et l'émetteur (ou le drain et la source). Dans les BJT, cela se produit lorsque la tension entre la base et l'émetteur est insuffisante pour activer le transistor. Pour les FET, cela se produit lorsque la tension entre la grille et la source est insuffisante. Dans ce mode, le transistor n'amplifie pas le courant et agit essentiellement comme un interrupteur éteint.

                                                                                          Image 3: Transistor en mode coupure

3. Mode actif : contrôle du courant

En mode actif, le transistor permet un courant contrôlé de circuler entre le collecteur et l'émetteur (ou le drain et la source), mais pas de manière aussi libre que dans le mode de saturation. C'est un état intermédiaire entre la saturation et la coupure. Dans ce mode, le transistor peut agir comme un amplificateur linéaire, ce qui signifie que de petites variations de courant ou de tension à l'entrée peuvent conduire à des variations proportionnelles à la sortie.

4. Mode inversé-actif : Fonctionnement inversé

Dans le mode inversé-actif, les transistors inversent leur fonctionnement typique. Les transistors bipolaires en mode inversé-actif ne sont pas utilisés fréquemment, car ils ne sont généralement pas conçus pour fonctionner de cette manière. Cependant, les transistors à effet de champ peuvent être conçus pour fonctionner dans ce mode en inversant les polarités des connexions.

Voici un Tableau des Relations de Tension pour les Transistors NPN et PNP

Applications pratiques des transistors

L'amplification de signal est l'une des applications les plus courantes des transistors, permettant d'augmenter l'amplitude d'un signal électrique. Les amplificateurs à transistor sont utilisés dans une variété d'applications.

La commutation est une autre utilisation clé des transistors, permettant de contrôler les circuits électriques. Les transistors sont utilisés pour créer des relais électroniques et des interrupteurs, permettant de gérer la circulation du courant électrique dans les circuits. Cette fonctionnalité est essentielle pour les systèmes de contrôle, les alimentations électriques et bien d'autres applications.

• Amplification de signal :

L'amplification de signal est l'une des applications les plus fondamentales des transistors. Elle consiste à augmenter l'amplitude d'un signal électrique, ce qui peut être crucial pour diverses applications, de l'audio à la communication. Les transistors jouent un rôle clé dans la création d'amplificateurs, des dispositifs qui prennent un signal d'entrée faible et produisent une version amplifiée en sortie.

Les amplificateurs à transistor sont utilisés dans des domaines variés tels que l'audio haute fidélité, les systèmes de sonorisation, les équipements de télécommunication et les systèmes de surveillance. L'utilisation de transistors dans les amplificateurs offre une meilleure efficacité et une plus grande stabilité par rapport aux amplificateurs à tubes plus anciens.

Trois configurations principales de transistors sont largement utilisées : l'émetteur commun, la base commune et le collecteur commun. Chacune de ces configurations offre des avantages spécifiques en termes de gain de tension, de gain de courant et d'impédance d'entrée.

• Émetteur commun

L'émetteur commun est l'un des arrangements de transistors les plus populaires. Dans ce circuit, l'émetteur est attaché à une tension commune à la base et au collecteur (généralement broyé). La base devient l'entrée de signal et le collecteur devient la sortie.

                                                           Image 4: Montage emetteur commun

Ils sont parfaits pour amplifier les signaux audios

• Collecteur commun

Si nous attachons la broche de collecteur à une tension commune, utilisons la base comme entrée et l'émetteur comme sortie, nous avons un collecteur commun.

                                                         Image 5: Montage collecteur commun

Cette configuration offre un gain en courant élevé, ce qui en fait un choix idéal pour les étages d'amplification de courant.

• Base commune

C'est la moins populaire des trois configurations fondamentales. Dans un amplificateur de base commun, l'émetteur est une entrée et le collecteur une sortie. La base est commune aux deux.

                                                          Image 6 : Montage base commune 

Cette configuration est couramment utilisée pour l'amplification en tension. Elle offre un gain en tension élevé.

Ces trois configurations d'amplificateurs sont au cœur de nombreux amplificateurs à transistors plus compliqués. Ils ont chacun des applications où ils brillent, qu'ils amplifient le courant, la tension ou les tampons.

Il existe d’autres montages d’applications avec deux transistors comme le montage Darlington, l'amplificateur différentiel…etc que nous n’aborderons pas dans ce tutoriel.

• Commutation :

La commutation est une autre utilisation importante des transistors. Elle consiste à utiliser des transistors pour contrôler la circulation du courant électrique dans un circuit. Les transistors en mode de commutation agissent comme des interrupteurs électroniques, permettant d'activer ou de désactiver rapidement le passage du courant. Cette fonction de commutation est particulièrement utile dans les systèmes électroniques qui nécessitent une gestion précise du courant. Les transistors sont largement utilisés pour créer des relais électroniques, des interrupteurs à semi-conducteurs et d'autres dispositifs de contrôle de circuits. Ils sont essentiels pour les applications telles que l'automatisation industrielle, les systèmes de contrôle et les alimentations électriques.

Voici le circuit de commutation d’un transistor : un commutateur NPN. Ici, nous utilisons un NPN pour contrôler une LED :

                                                                 Image 7: Circuit de commutation d’un transistor

Les applications pratiques de la commutation avec des transistors vont des circuits électroniques simples aux systèmes complexes de gestion de l'énergie. En utilisant des transistors pour contrôler la commutation, il est possible de réaliser des opérations de manière rapide, précise et fiable, ce qui est crucial dans de nombreuses applications industrielles et électroniques.

NB : À l'échelle des composants individuels, les transistors se révèlent être des commutateurs électroniques simples, des éléments de logique numérique, et des amplificateurs de signal modestes. Mais lorsque ces composants sont déployés en quantités massives, se comptant par milliers, millions, voire même milliards, ils se retrouvent interconnectés et fusionnent au sein de minuscules puces électroniques. C'est ainsi que naissent des merveilles technologiques telles que les mémoires informatiques, les microprocesseurs, et d'autres circuits intégrés d'une grande complexité.

Conclusion :

En résumé, les transistors sont des composants électroniques essentiels qui agissent à la fois comme des amplificateurs et des commutateurs. Ils ont révolutionné le domaine de l'électronique en permettant un contrôle précis du courant électrique. Que ce soit dans des applications simples comme les amplificateurs audio ou des technologies avancées telles que les microprocesseurs, les transistors jouent un rôle clé dans notre monde numérique en constante évolution. Les transistors, dans leur rôle d'amplificateurs et de commutateurs, continueront à façonner notre avenir numérique de manière passionnante et inimaginable.

Ci-dessous, vous trouverez une sélection de transistors PNP et NPN proposés par YoupiLab :

                                                                               Image 8: Transistors 2N2222, BC547, 2N3904