Le transistor : les relations entre les différents courants

Le fonctionnement d'un transistor bipolaire; soit un transistor de type NPN ou un transistor de type PNP, repose principalement sur la circulation et l’interaction de trois courants que nous vous rappelons ci-dessous :

• le courant de base $I_B$,
• le courant de collecteur $I_C$, et,
• le courant d’émetteur $I_E$.

Pour mieux comprendre cela, les deux images ci-dessous nous présentent ces différents courants pour chaque type de transistor :

Sens des courants dans un transistor NPN	Sens des courants dans un transistor PNP

Pour mieux comprendre ce composant électrique, et surtout comment ces différents courants sont liés entre eux via des relations fondamentales, il nous est essentiel de maîtriser comment les décrire et les analyser électriquement. A cet effet, nous allons étudier ces relations durant ce cours.

Nous vous rappelons qu'un transistor bipolaire (BJT) dispose de différents régimes de fonctionnement. En général, et dans la plupart des cas, ce composant est utilisé pour amplifier un signal électrique; soit donc un fonctionnement dans son régime actif. Il est également possible que ce même transistor fonctionne en dehors de cette région active comme un interrupteur numérique; le transistor passe alternativement de sa région de blocage à sa région de saturation, sans rester dans la région active pour des besoins techniques autres que l'amplification : l'électronique numérique.

Les différentes relations de courant dans un transistor

Pour comprendre comment fonctionne un transistor, quel que soit son type, il vous est demandé de comprendre comment sont reliées les différentes intensités électriques entre les différentes entrées/sorties de ce composant; soit l'émetteur, la base et le collecteur. Cela vous permet ultérieurement de pouvoir déterminer les grandeurs électriques et les caractéristiques de tout type de circuit électrique reposant sur un transistor, quelle que soit sa fonction.

Comme nous l'avons expliqué dans notre cours précédent, un transistor repose sur le principe qu'un très faible courant de base $I_B$ contrôle un courant de collecteur beaucoup plus important $I_C$. Donc, nous pouvons écrire :

$$I_C = \beta \times I_B$$

avec $\beta$ est le gain en courant continu caractérisant le transistor.

Et en appliquant la loi des noeuds, pour n'importe quel circuit, nous pouvons écrire aussi : $$I_E=I_B+I_C$$ avec :

• $I_E$ est le courant d'émetteur. Ce courant est le courant total émis par ce composant,
• $I_B$ est le courant de base. Ce courant est le petit des trois qui circule dans le transistor, et,
• $I_C$ est le courant de collecteur. Il constitue la majeure partie du courant d'émetteur $I_E$.

Le même courant $I_C$ relie le courant de l'émetteur par une deuxième formule telle que :

$$I_C = \alpha \times I_E$$

Cette deuxième caractéristique $\alpha$, généralement proche de la valeur 1, représente une deuxième caractéristique pour quantifier le gain du courant dans un transistor.

Quel est le rôle du gain β

Le symbole $\beta$, aussi appelé $h_{FE}$ dans certaines fiches techniques de transistor, représente le gain en courant continu. Cette valeur indique approximativement combien de fois le courant de collecteur est amplifié. Pour le déterminer, il est demandé de calculer sa valeur à partir de la formule suivante :

Et pour les transistors PNP ?

Pour un transistor de type PNP, la relation fondamentale entre les trois intensités est la même que pour un transistor NPN. La seule chose qui change pour ce type de transistor est le sens de circulation des courants (soit entrant par l'émetteur pour ce type de transistor contre sortant pour un transistor NPN). Ce qui nous laisse écrire la relation $I_E = I_B + I_C$ telle que :

$$I_C = I_E - I_B$$

Attention: Il est à noter que dans certains livres, documentation technique ou autre, selon la convention utilisée pour définir les courants, soit entrant soit sortant, les équations peuvent apparaître avec des signes différents.

Exemples pratiques

Exemple 1

Prenons un transistor de type NPN ayant les caractérisques électriques suivantes :

• $\beta=130$, et,
• $I_B=22 µA$

En appliquant les deux propriétés ci-dessus, nous pouvons déterminer facilement $I_C$ et $I_E$ comme suit :

$I_C=\beta \times I_B$ soit donc $I_C=130 × 22 µA = 2860 µA = 2.86 mA$

et $I_E=I_B+I_C$ ce qui nous donne $I_E=22 µA + 2860 µA = 2882 µA = 2.882 mA$

Exemple 2

Si un transistor possède un gain $\beta=70$ et que le courant à l'entrée de sa base est de 38 µA, nous pouvons déterminer les deux autres valeurs $I_C$ et $I_E$ telles que :

Comprendre les différents courants I_B, I_E et I_C

Courant de base I_B

Le courant de base est généralement le courant le plus faible entre les trois courants. Ce courant sert à commander le transistor, soit dans sa version NPN ou sa version PNP.

Le rôle du courant de base $I_B$ est de contrôler et de faire varier le courant de collecteur $I_C$, permettant ainsi d'amplifier le signal tel que:

$$I_B=I_C / \beta$$

Courant de collecteur I_C

Ce courant de collecteur $I_C$ est le principal courant qui circule dans ce composant. Dans son régime normal, un transistor fonctionne comme amplificateur. Ce mode de fonctionnement dépend principalement du courant de base et du gain β de ce composant tel que :

$$I_C= \beta \times I_B$$

Une particularité pour les transistors, le courant du collecteur est toujours plus grand par rapport au courant de base, on écrit en général $I_C \gg I_B$. Dans sa région active, le courant de base $I_B$ est volontairement faible, voire très faible, par rapport au courant de son collecteur $I_C$. C'est à travers cette propriété que le transistor peut fonctionner comme un amplificateur de courant.

Par exemple, avec un gain d'une valeur $\beta=120$ et un faible courant de base de 10µA, ce composant peut produire environ 1.2 mA de courant à la sortie de son collecteur.

Courant d'émetteur I_E

Et finalement, le troisième courant, le courant d'émetteur, correspond à la somme des deux autres courants $I_B$ et $I_C$ qui arrivent au transistor par la base et le collecteur.

$I_E = I_B + I_C$

Exercice d'application

Pour un transistor qui présente un gain $\beta=100$ alimenté par un courant de base $I_B=33 µA$, calculer :

• le courant de collecteur $I_C$, et,
• le courant d'émetteur $I_E$.

Correction

Pour calculer la valeur du courant de collecteur pour ce transistor, nous pouvons appliquer directement la formule $I_C=\beta \times I_B$.

Soit donc $I_C=100 × 33 µA = 3300 µA = 3.3 mA$

Ensuite, une fois que nous avons déterminé le courant de collecteur, nous pouvons maintenant appliquer la deuxième formule $I_E=I_B+I_C$ pour déterminer la valeur du courant qui traverse l'émetteur.

Ce qui nous donne donc : $I_E=33 µA+3300 µA=3333 µA$

Soit donc $I_E = 3.333 mA$

Voir aussi

Dans la suite de ce cours, nous vous invitons à consulter aussi les cours suivants :

• Montage en émetteur en commun (EC)
• Montage en base commune (BC)