Le transistor bipolaire - publié le 23/03/2002

Résumé du document

Il existe une catégorie de composants (qu'ils soient électriques, mécaniques, etc ) très intéressante : c'est celle qui permet d'obtenir en sortie du dispositif une grandeur de même nature et proportionnelle au stimuli d'entrée. Les exemples foisonnent :
le levier, qui permet d'avoir en sortie un effort plus important qu'en entrée, ou bien un déplacement plus important (ou plus faible) que celui appliqué à l'entrée.
l'engrenage, qui est la même chose que le levier pour les mouvements rotatifs : il permet de multiplier ou diviser la vitesse ou bien le couple d'entrée.
le transformateur, qui permet de multiplier ou diviser la tension d'entrée.
Dans chacun de ces cas, la variable de sortie est de même nature que le stimuli à l'entrée, et il existe un coefficient de proportionnalité entre les deux, indépendant du stimuli d'entrée, donc intrinsèque au dispositif.
Il faut toutefois noter que dans tous les cas cités, il y a conservation de l'énergie : l'énergie à la sortie du composant est la même que celle à l'entrée.
Il existe d'autres dispositifs présentant les mêmes caractéristiques que ceux précédemment cités, et qui en plus, permettent de multiplier l'énergie : on trouve en sortie du dispositif une énergie supérieure à celle fournie à l'entrée. Bien entendu, il n'y a pas de génération spontanée d'énergie, il faudra donc au dispositif une entrée supplémentaire par laquelle une source sera susceptible de fournir de l'énergie.
Dans ce cas, il n'y a pas seulement transformation de la sortie proportionnellement à l'entrée, mais transfert d'énergie d'une source extérieure à la sortie du dispositif, ce transfert étant contrôlé par l'entrée.
Des exemples mécaniques bien connus sont respectivement les freins et la direction assistée.
Dans le premier cas, l'effort de freinage est proportionnel à l'effort exercé sur la pédale, mais une source d'énergie auxiliaire permet d'avoir à la pédale un effort beaucoup plus faible que ce qu'il faudrait sans l'assistance.
Dans le deuxième cas, on a la même chose : les roues tournent proportionnellement à l'angle de rotation du volant, mais la plus grosse partie de l'effort est prise en charge par un dispositif hydraulique.
Dans les deux cas, le dispositif permet d'amplifier l'effort exercé tout en le conservant proportionnel au stimuli d'entrée, ce qui facilite la commande.
Un tel dispositif est en fait un robinet de régulation d'énergie : il faut disposer d'un réservoir d'énergie, on pose le robinet dessus , et on peut disposer de l'énergie proportionnellement à une commande d'entrée.
En électronique, un tel composant est intéressant, car il va permettre d'amplifier un signal, et de commander des actionneurs requérant de la puissance (haut parleurs moteurs, etc ) avec des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone, sonde de température, de pression, ).
Le transistor à jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en électronique. Son domaine d'action est donc particulièrement vaste
A noter qu'avant le transistor, cette fonction était remplie par des tubes à vide (triodes entre autres).
L'avènement du transistor n'a donc pas apporté la fonction miracle en elle même, mais une commodité d'utilisation, l'encombrement réduit (les tubes à vide ont besoin d'un système d'alimentation complexe avec des tension relativement élevée, et nécessitent une adaptation d'impédance en sortie (transformateur)), et plus tard, la fiabilité, le faible coût.

Extraits

[...] Le rôle de ces résistances sera de fixer le potentiel de base. Comme la tension VBE est voisine de 0,7V, ceci impose de mettre une résistance entre l'émetteur et la masse. Cette résistance est découplée par le condensateur CDE, qui va être l'équivalent d'un court-circuit en alternatif. A quoi servent ces éléments ? Pour raisonner, on va faire abstraction du condensateur CDE, qui est un circuit ouvert pour le régime continu. Les résistances du pont de base vont être choisies de telle manière que le courant circulant dans ce pont soit très supérieur au courant rentrant dans la base (au moins 10 fois plus grand), ceci afin que des petites variations du courant de base ne modifient pas le potentiel de la base, qui restera donc fixe. [...]

[...] On voit l'application immédiate au schéma de Giacoletto : la capacité CB'C située entre la base et le collecteur du transistor, donc entre l'entrée et la sortie d'un montage émetteur commun sera multipliée par le gain de l'étage : vue de l'entrée, elle vaudra plus 1nF ! Elle devient alors prépondérante devant CB'E et c'est elle qui va limiter le fonctionnement en HF. Autres applications. Une autre application importante consiste à utiliser cette propriété dans la conception de circuits intégrés. On fabrique des capacités avec deux surfaces métallisées en regard et séparées par de l'isolant. La capacité est proportionnelle à la surface, et en pratique, elle sera très petite (impératifs de coûts du silicium, donc des composants). [...]

[...] Si on applique les règles définies dans le chapitre "Outils pour l'électronique", on obtient : Fig Schéma équivalent en alternatif. On notera que la résistance d'émetteur a disparu, car elle est shuntée par le condensateur de découplage CDE. En quoi va consister l'étude en alternatif ? Tout d'abord, on va évaluer la capacité du montage à amplifier le signal d'entrée . La caractéristique représentative de cette fonction est le gain en tension Av, qui est le rapport entre les tensions de sortie et d'entrée. [...]

[...] Impédance de sortie. Pour éviter de longs calculs inutiles, on ne tiendra pas compte de la résistance du générateur d'attaque Rg. Du circuit de sortie, on peut tirer l'équation suivante : L'équation nous donne ib en fonction de Ve ; en le remplaçant par sa valeur dans on obtient : C'est l'équation du générateur de Thévenin de sortie : on en déduit que Zs = Rc. Si on fait le calcul en tenant compte du générateur d'entrée, on démontre que le résultat reste le même, seul le terme multiplicatif de eg va changer dans l'expression de la tension de sortie du générateur de Thévenin, et le terme multiplicatif de is reste Rc. [...]

[...] La tension aux bornes de la résistance d'émetteur va augmenter aussi, et donc, le potentiel de l'émetteur va remonter, ce qui va entraîner une diminution de la tension VBE, donc du courant de base, donc du courant de collecteur : il y a une contre-réaction qui s'oppose à l'amplification. Le gain en tension sera plus faible qu'avec le condensateur CDE. Nous aurons l'occasion de revoir ce montage (dit à charge répartie) dans un chapitre ultérieur. Gain en tension. Le gain en tension peut être défini de deux manières : le gain à vide , c'est à dire sans charge connectée en sortie du montage. [...]