Transistor en commutation

Programmes : Sek I/II, A-level (Electronics), electronics courses

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Objectif

Voir comment un faible courant de base commande un fort courant de collecteur, et mesurer le gain en courant du transistor.

Le montage

Une source de 6 V. Circuit de base : un interrupteur, une résistance de 4,7 kΩ et un ampèremètre — vers la base d’un transistor NPN (\(\beta\) = 100). Circuit de collecteur : une ampoule de 6 V / 0,5 W et un ampèremètre — vers le collecteur. L’émetteur est relié à la borne négative de la source. L’interrupteur est fermé.

Protocole

1. Notez les indications des deux ampèremètres et déterminez le rapport de l’intensité du courant de collecteur à celle du courant de base.
2. Ouvrez l’interrupteur, puis refermez-le. Observez l’ampoule.
3. Dans le panneau des paramètres de la résistance de base, remplacez 4,7 kΩ par 47 kΩ. Notez de nouveau les deux intensités et déterminez leur rapport.
4. Dans le panneau des paramètres du transistor, faites passer le gain en courant \(\beta\) de 100 à 200.

Résultat attendu

L’intensité du courant de base est d’environ 1,1 mA, celle du courant de collecteur d’environ 82 mA — l’ampoule brille presque à pleine luminosité. Le rapport des intensités est d’environ 73, inférieur à \(\beta\) : le transistor est saturé, et le courant de collecteur est désormais limité par l’ampoule, et non par la base. Sans courant de base, le transistor est bloqué, et l’ampoule s’éteint. Avec la résistance de 47 kΩ, l’intensité du courant de base est d’environ 0,11 mA, celle du courant de collecteur d’environ 11 mA, et l’ampoule ne brille pas bien que le courant circule : le filament n’est chauffé qu’à 960 K ; le rapport des intensités est égal à \(\beta\) = 100. Avec \(\beta\) = 200, l’intensité du courant de collecteur double, jusqu’à 23 mA, alors que celle du courant de base ne change presque pas. Dans un vrai transistor, \(\beta\) ne se choisit pas : il varie d’un transistor à l’autre d’un même type, de 100 à 300, et le rapport des intensités avec la résistance de 47 kΩ vous donnera le \(\beta\) de votre propre transistor.

Questions

1. Combien de fois l’intensité du courant qui allume l’ampoule est-elle plus faible que celle du courant dans l’ampoule elle-même ?
2. Pourquoi le rapport des intensités est-il inférieur à \(\beta\) avec la résistance de 4,7 kΩ, mais égal à ce gain avec 47 kΩ ?
3. Quelle est la plus grande résistance de base qui sature encore le transistor avec cette ampoule ?

Réponses

1. Environ 73 fois : un courant de base d’environ 1,1 mA allume une ampoule parcourue par un courant d’environ 82 mA.
2. Avec 4,7 kΩ, le courant de base de 1,1 mA permettrait \(\beta \cdot I_B\) ≈ 110 mA, plus que ce que l’ampoule laisse passer sous 6 V, environ 82 mA. Le transistor est saturé : la tension entre collecteur et émetteur est faible, l’ampoule et la source fixent l’intensité du courant, et un courant de base supplémentaire ne l’augmente pas. Avec 47 kΩ, \(\beta \cdot I_B\) ≈ 11 mA est bien inférieur à ce que l’ampoule laisserait passer, le transistor fonctionne en régime linéaire, et l’intensité du courant de collecteur est égale à \(\beta\) fois celle du courant de base.
3. La saturation exige que \(\beta \cdot I_B\) soit au moins égal à l’intensité du courant dans l’ampoule, donc \(I_B\) ≥ 82 mA / 100 = 0,82 mA. La résistance de base a environ 1,1 mA · 4,7 kΩ ≈ 5,2 V à ses bornes, donc \(R_B\) ≤ 5,2 V / 0,82 mA ≈ 6,3 kΩ, soit environ 6 kΩ. En pratique, on utilise une résistance plusieurs fois plus petite, pour garder une marge face à la dispersion de \(\beta\).