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Les composants actifs : les transistors (partie 1)

L'électronique pour le musicien partie 7

Cette semaine, on va étudier le comportement de quelques composants actifs ! Désormais, nous entrons dans le domaine de l’amplification et, pour débuter, nous allons nous pencher sur la petite bête à trois pâtes qui a révolutionné l’électronique dans la seconde moitié du XXe siècle : le transistor

Les composants actifs : les transistors (partie 1) : L'électronique pour le musicien partie 7
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Jusqu’à présent, nous avons fait le tour des trois prin­ci­paux ensembles de compo­sants passifs (RCL : résis­tance, conden­sa­teur, induc­tance), et nous avons survolé quelques notions impor­tantes pour comprendre à la fois le phéno­mène élec­trique et ses mesures (courant continu et alter­na­tif, tension, inten­sité, résis­tance, impé­dance). Nous allons passer cette semaine aux compo­sants actifs, et nous commen­ce­rons en nous inté­res­sant tout spécia­le­ment aux tran­sis­tors. Cet article consti­tue un premier volet sur ce compo­sant, et il sera complété la semaine prochaine par une étude de leur mise en circuit.

Toute­fois, avant de commen­cer, il convient de se pencher sur un autre compo­sant, qui nous permet­tra de mieux comprendre le fonc­tion­ne­ment de base d’un tran­sis­tor : la diode.

Bénie par les diodes

La diode est le premier compo­sant à base de semi-conduc­teurs que nous abor­dons dans ce sujet. Qu’est-ce que cela veut dire ? Le terme est assez litté­ral : un maté­riau semi-conduc­teur laisse passer le courant (le mouve­ment de charges élec­triques) dans certaines condi­tions, et le bloque dans d’autres.

Dans le cas de la diode, le courant peut passer à travers elle dans un sens, mais est bloqué dans l’autre. On dira donc que c’est un dipôle non-symé­trique. En effet, nous avons déjà abordé la notion de sens du courant. Comme nous l’avions vu, ce sens est lié à la notion de pola­rité : ainsi, en courant continu, les bornes d’un géné­ra­teur seront pola­ri­sées (signes + et -, par exemple sur une pile), et le sens conven­tion­nel du courant sera noté de la borne posi­tive à la borne néga­tive.

Voici diffé­rentes diodes : 

1 - DIODES

Vous remarquez qu’elles ont toutes un côté marqué d’un trait noir ou gris : c’est leur côté néga­tif (qui est nommé cathode, symbo­li­sée K). Assez logique­ment, cela implique que l’autre est posi­tif (et on le nomme anode, symbo­li­sée A). Ce compo­sant a donc une pola­rité (comme certains conden­sa­teurs).

On retrouve d’ailleurs cette physio­no­mie sur le symbole sché­ma­tique du compo­sant : 

2 - Symbole Diode

La diode est formée de deux maté­riaux semi-conduc­teurs aux carac­té­ris­tiques oppo­sés : dit simple­ment, l’un a beau­coup d’élec­trons libres (c’est la cathode), l’autre en manque (l’anode) : lorsqu’on adjoint ces deux maté­riaux, on obtient une jonc­tion PN.

Je n’en dis pas plus pour l’ins­tant, mais rete­nez bien ce terme, il nous resser­vira bien­tôt !

En régime continu, en régime alter­na­tif

Le compor­te­ment d’une diode en régime continu est assez prévi­sible : comme un courant continu a un sens inva­riable (toujours conven­tion­nel­le­ment du + vers le -), c’est le sens de pola­ri­sa­tion de la diode qui déci­dera de son appli­ca­tion : 

3 - diode en courant continu

À gauche l’anode (+) est relié au pôle posi­tif du géné­ra­teur, à droite c’est l’in­verse : la cathode (-) est relié au pôle posi­tif.

Avec un courant alter­na­tif, ça sera néces­sai­re­ment diffé­rent. Rappe­lez-vous : nous avions expliqué qu’un courant alter­na­tif change deux fois de direc­tion par cycle. On peut donc s’at­tendre à ce que la diode laisse passer le courant durant une partie du cycle, et la bloque pendant l’autre, selon son sens. Et c’est exac­te­ment ce qu’il se passe ! Voici la repré­sen­ta­tion basique d’un signal alter­na­tif :

4 - courant alternatif

Si l’on insère une diode sur le trajet de ce signal, celle-ci bloquera une partie de l’onde sinu­soï­dale, selon son sens. Exemple : 

5 - courant alternatif avec diode

La diode laisse passer la partie posi­tive

6 - courant alternatif avec diode inverse

La diode laisse passer la partie néga­tive

Ce fonc­tion­ne­ment en régime alter­na­tif sera parti­cu­liè­re­ment mis à profit dans les alimen­ta­tions linéai­res… Mais cela fera l’objet d’un prochain article !

Voilà pour l’ap­proche théo­rique rapide. Dans l’usage une diode peut avoir de nombreuses utili­tés, défi­nies par son implé­men­ta­tion dans un circuit. Deux exemples simples : par sa fonc­tion de blocage, elle peut servir de protec­tion, pour empê­cher des inver­sions de courant ; elle peut égale­ment parti­ci­per, dans une alimen­ta­tion, à la conver­sion d’une tension alter­na­tive en tension conti­nue (on appelle cela le redres­se­ment).

Avant d’al­ler plus loin, il nous faut essayer de comprendre de façon succincte ce qu’il se passe dans une diode

Tous dopés

On y revient : la diode est consti­tuée d’une jonc­tion PN. Il s’agit, au sein d’un compo­sant de la jonc­tion de deux maté­riaux semi-conduc­teurs. Chacun de ces maté­riaux est dopé néga­ti­ve­ment ou posi­ti­ve­ment. Il serait trop long d’ex­pliquer ici la tech­nique du dopage, mais on peut dire assez gros­siè­re­ment qu’il s’agit d’un proces­sus qui permet d’ajou­ter au maté­riau soit des porteurs de charge néga­tive – des élec­trons libres si l’on veut, capables de se mouvoir (dopage n) – soit des « trous », c’est à dire des manques de charges néga­tives (dopage p).

Matériaux dopés

Les signes – repré­sentent les charges néga­tives, les disques blancs – les trous

Lorsque l’on joint ces deux maté­riaux, les élec­trons libres de la zone N et les trous de la zone P se préci­pitent les uns vers les autres pour se recom­bi­ner. Les charges néga­tives viennent se concen­trer le long de la zone P, les charges posi­tives le long de la zone N.

Jonction PN

Au centre de la jonc­tion PN, il se forme alors une zone élec­trique­ment stable, que l’on nomme zone de charge d’es­pace (ZCE – en gris sur le dessin) : une sorte de barrière que ni les charges néga­tives ni les trous ne peuvent fran­chir. Dès qu’elle se forme, le mouve­ment de recom­bi­nai­son s’ar­rête.

Que faire de cela ? Lorsqu’une tension suffi­sante, en pola­ri­sa­tion directe (c’est-à-dire « dans le bon sens ») est appliquée aux bornes de la jonc­tion PN, la zone de charge d’es­pace va deve­nir plus faible (je ne rentre pas ici dans le pourquoi du comment) : les porteurs de charges néga­tives et les trous se remettent en mouve­ment, à travers la ZCE. Et qui dit mouve­ment de charges, dit courant. On en conclue donc que, en pola­ri­sa­tion directe, la jonc­tion PN devient conduc­trice. 

Jonction PN polarisée

La zone N, c’est la cathode, la zone P l’anode : voici donc une diode, en mode conduc­teur.

Passons main­te­nant au tran­sis­tor !

Le tran­sis­tor : quelques géné­ra­li­tés

Pour l’ins­tant, presque tous les compo­sants que nous avons abor­dés étaient des dipôles, ce qui veut dire qu’ils avaient deux bornes de raccor­de­ment (les deux « pattes » d’un conden­sa­teur ou d’une résis­tance par exemple). Un tran­sis­tor en a trois, on peut donc parler de tripôle.

Sur une diode, j’avais signalé que la borne posi­tive s’ap­pe­lait « anode » et que la néga­tive s’ap­pe­lait « cathode ». Sur les tran­sis­tors, chacune des trois bornes porte égale­ment un nom (qui décrit sa fonc­tion).

On a donc : 

  • E pour « émet­teur »
  • B pour « base »
  • C pour « collec­teur »

Parfois c’est écrit dessus : 

10 - transistor bipolaire.JPG

Mais le plus souvent non et, dans ce cas, il faut trou­ver et consul­ter la fiche tech­nique ou « data­sheet » du tran­sis­tor. On s’en doute : il faut donc être très atten­tif à l’orien­ta­tion des tran­sis­tors qu’on emploie, pour éviter les claquages.

Avant de nous pencher sur ce qu’il y a à l’in­té­rieur d’un tran­sis­tor, jetons un œil à son appa­rence externe. En effet, les tran­sis­tors sont conte­nus dans des boîtiers dont la forme peut forte­ment diffé­rer. Cepen­dant, ces boîtiers sont normés et portent chacun une appel­la­tion spéci­fique comme : 

11 - TO220.JPG12 - TO18.JPG

11bis - TO3.JPG12bis - TO92.JPG

De gauche à droite et de haut en bas : boîtier TO220, TO18, TO3, TO92

Il existe de nombreuses listes des formes et types de boîtiers sur Inter­net.

NPN, PNP (et autres partis poli­tiques)

Voici le retour de notre jonc­tion PN ! Dans un tran­sis­tor les maté­riaux P et N sont placés en sand­wich. Ainsi on obtient des tran­sis­tors :

  • NPN – néga­tif, posi­tif, néga­tif
  • PNP – posi­tif, néga­tif, posi­tif

Les sché­mas corres­pon­dants :

15 NPN et PNP

A gauche, NPN, à droite, PNP, avec le marquage des trois bornes.

Pour mémo­ri­ser, la flèche pointe toujours vers une borne néga­tive : si elle pointe vers l’ex­té­rieur c’est un NPN, vers l’in­té­rieur, c’est un PNP.

Comme pour la diode, le tran­sis­tor est donc basé sur des maté­riaux semi-conduc­teurs : il conduit le courant dans certaines condi­tions et le bloque dans d’autres. Cepen­dant, dans le cas d’un tran­sis­tor, c’est la partie inter­mé­diaire, la base, qui permet de contrô­ler le passage du courant. Expliquons cela…

L’ana­lo­gie du robi­net

On a vu dans un des articles précé­dents que j’es­saie d’évi­ter l’uti­li­sa­tion des analo­gies élec­tri­cité/liquide. Je fais faire une entorse à ma règle : on peut en effet compa­rer un tran­sis­tor à un robi­net qui s’ouvre ou se ferme, lais­sant plus ou moins passer le courant. On va essayer de comprendre pourquoi, en restant sur une expli­ca­tion assez vulga­ri­sée.

Voici un dessin d’une jonc­tion NPN : 

jonction NPN

Vous recon­nais­sez la physio­no­mie géné­rale d’une jonc­tion PN, cette fois-ci simple­ment doublée, donc avec deux ZCE. Remarquez déjà que la zone P (la Base) est plus petite que les zones N !

Pola­ri­sons-le en lui raccor­dant un géné­ra­teur de tension (conti­nue). Lorsqu’on pola­rise la première jonc­tion PN (tension entre l’émet­teur et la base), les charges néga­tives présentes dans la borne N (l’émet­teur) sont mises en mouve­ment vers la borne P (la base) à travers la ZCE, et rejoigne le pôle posi­tif du géné­ra­teur. Pour l’ins­tant, cela marche donc comme une diode

NPN polarisé

Pour la clarté de l’ex­pli­ca­tion, à partir de main­te­nant, on se concen­trera seule­ment sur le mouve­ment des charges néga­tives.

On note cette tension de pola­ri­sa­tion Vbe (tension Base-Emet­teur), et ce courant qui atteint la base Ib (courant Base).

On pourait s’ar­rê­ter là mais au géné­ra­teur 1 s’ajoute un géné­ra­teur 2, qui crée une tension entre la base et le collec­teur. Et c’est là que se produit l’ef­fet « magique » : l’ef­fet tran­sis­tor.

En effet, la zone P est beau­coup moins grande que les deux zones N : les élec­trons ont à peine le temps de se dépla­cer vers la base, que la deuxième ZCE, qui forme un champ élec­trique (là aussi, je ne rentre­rai pas plus dans le détail dans cet article, mais vous pouvez consi­dé­rer cela comme gros­siè­re­ment équi­valent à un champ magné­tique) les attire et les propulse jusqu’à la zone N suivante. Ce champ élec­trique leur permet de passer à travers la ZCE  jusqu’au collec­teur, puis d’être attiré par le pôle posi­tif du second géné­ra­teur

transistor NPN

Le courant qui atteint le collec­teur se note alors Ic (courant collec­teur), et il est bien plus impor­tant que le petit courant Ib (courant base).

Conclu­sion provi­soire

On peut conclure deux choses de cette expli­ca­tion succincte :

1 – La tension base-émet­teur (Vbe) permet de géné­rer le courant de base (Ib)

De plus, si l’on fait varier Vbe, le courant Ib variera aussi.

2 – Ce PETIT courant Ib permet à son tour de géné­rer un PLUS GRAND courant Ic.

Et donc, il y a ampli­fi­ca­tion ! (Ça y est, on y est !!)

De là, on comprend qu’un tran­sis­tor peut « s’ou­vrir » ou se « fermer », comme un robi­net, avec un courant collec­teur (Ic) qui peut varier de 0 à 100%. Mais qu’entre ces deux états (fermé, ouvert), on peut égale­ment modu­ler l’in­ten­sité de ce courant. Modu­ler… Voilà un terme qui nous ramène au domaine musi­cal…

Pour comprendre comment le tran­sis­tor peut être employé pour ampli­fier un signal sonore, rendez-vous au prochain article !

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