LE TRANSISTOR

Le terme transistor provient de l’anglais transfer resistor (résistance de transfert). Il a été sélectionné par un comité directeur de vingt-six personnes des Bell Labs en 1948. On appelle « transistor » un semi-conducteur utilisé en électronique pour amplifier n’importe quel type de signal électrique.

La forme et les dimensions de ce composant sont variables.

Sur tous les schémas électriques, le transistor est représenté avec le symbole graphique que vous pouvez voir plus-bas, c’est-à-dire avec un cercle duquel sortent 3 pattes indiquées E, B et C.

La lettre E indique l’Émetteur

La lettre B indique la Base

La lettre C indique le Collecteur

Mais, très souvent, les lettres ne sont pas reportées à côté du symbole graphique car les trois pattes sont facilement identifiables. En effet :

La patte « Émetteur » est reconnaissable à la flèche qu’elle a toujours sur sa barre, tournée vers l’intérieur ou bien vers l’extérieur.
La patte « Collecteur » se reconnaît car sa barre légèrement inclinée n’a pas de flèche.
La patte « Base » se reconnaît grâce à sa barre en forme de gros « I ».

Ce même symbole graphique s’utilise aussi bien pour les transistors de petites dimensions que pour les transistors plus grands. On ne peut donc connaître les dimensions réelles du transistor qu’en regardant le plan d’implantation ou la photo du montage.

Lorsqu’on regarde le symbole graphique du transistor, il faut faire très attention à observer la direction de la flèche de l’Émetteur.

Si la flèche est dirigée vers la Base, le transistor est alors de type PNP.

Si la flèche est dirigée vers l’extérieur, le transistor est alors de type NPN.

La seule différence existante entre un PNP et un NPN, c’est la polarité d’alimentation à appliquer sur la patte « Collecteur ».

Pour les transistors PNP, le Collecteur est toujours relié à la tension d’alimentation négative.

Pour les transistors NPN, le Collecteur est toujours relié à la tension d’alimentation positive.

Pour vous rappeler quelle polarité doit être appliquée sur le Collecteur du transistor, vous pouvez prendre comme référence la lettre centrale des sigles PNP et NPN.

Lorsqu’il s’agit de transistors PNP, puisque la lettre centrale est un N (négatif), vous devez relier le Collecteur au négatif d’alimentation.

Lorsqu’il s’agit de transistors NPN, puisque la lettre centrale est un P (positif), vous devez relier le Collecteur au positif d’alimentation.

Les différents fonctionnements

Pour corser un peu les choses, il existe plusieurs façons d'utiliser un transistor ! Ou plus exactement, le transistor peut fonctionner dans deux régimes différents :

Régime de saturation : dans ce régime, le transistor peut avoir deux états : un état « bloqué » ou un état « saturé ». On parle de saturation lorsque le transistor est à l'état passant, c'est à dire lorsque le courant traverse le transistor du collecteur vers l'émetteur. Inversement, il est dit bloqué lorsque le courant ne le traverse plus.

Régime linéaire : différent du régime de saturation, le régime linéaire nous donne la possibilité d'avoir une infinité d'états du transistor. Le passage du courant entre le collecteur et l'émetteur peut donc prendre les valeurs suivantes : un tout petit peu passant, un peu plus passant, un peu passant, moyennement passant, passant, un peu plus passant, passant beaucoup, passant très beaucoup, ... Vous l'aurez compris, il y en a beaucoup !

Dans un premier temps, nous nous concentrerons sur le régime de saturation qui est le plus facile à assimiler. Le régime linéaire sera abordé ensuite.

Pour amplifier un signal

Le signal à amplifier arrive presque toujours sur la patte “Base” des transistors. Afin de mieux vous faire com prendre comment cette patte parvient à contrôler le mouvement des électrons, c’est-à-dire à augmenter ou à réduire le débit, nous allons comparer un transistor à un robinet d’eau.

Le levier qui commande l’ouverture et la fermeture du flux de l’eau peut être comparé à la patte “Base” du transistor.

Si l’on positionne le levier du robinet à mi-course, le flux d’eau qui s’en échappera sera d’une intensité moyenne.

Si l’on positionne le levier vers le bas, le flux de l’eau cessera, alors que si on le positionne vers le haut, le flux de l’eau augmentera. Si vous pensez à un transistor, c’est-à-dire composé d’un « tuyau » d’entrée appelé « Collecteur », d’un « tuyau » de sortie appelé « Émetteur » et d’un robinet central appelé « Base », vous pourrez tout de suite imaginer le fonctionnement de tous les transistors.

Si le levier du robinet est maintenu à mi-course, les électrons pourront passer à l’intérieur avec une intensité moyenne.

Si le levier est déplacé vers le bas de façon à fermer le robinet, les électrons ne pourront plus passer.

Si le levier est déplacé vers le haut de façon à ouvrir le robinet, les électrons pourront passer avec une intensité maximale.

Pour amplifier un signal, ce robinet ne doit être maintenu ni complètement fermé, ni complètement ouvert, mais il doit être positionné de façon à laisser passer la moitié des électrons qui le parcourraient, si on le laissait complètement ouvert.

Si de cette position, on déplace le levier vers le haut, le flux des électrons augmentera, tandis que si on le déplace vers le bas, le flux des électrons diminuera.

Vous vous demanderez sans doute à présent comment on fait pour régler un transistor pour qu’il laisse passer la moitié des électrons, comment on le ferme ou encore comment on l’ouvre complètement.

En regardant le schéma électrique d’un étage amplificateur qui utilise un transistor NPN, on peut remarquer que :

le Collecteur est relié au positif de l’alimentation par l’intermédiaire de la résistance R3.
la Base est reliée à un pont résistif, R1 et R2, relié entre le positif et le négatif de l’alimentation.
l’Émetteur est relié à la masse par l’intermédiaire de la résistance R4.

La valeur de ces quatre résistances est calculée, pendant la conception du montage, de façon à lire entre le Collecteur et l’Émetteur une valeur de tension qui soit très proche de la moitié de la valeur de l’alimentation.

Donc, si on alimente le transistor avec une tension de 20 volts, ces résistances doivent être calculées de façon à trouver, entre le Collecteur et l’Émetteur, une valeur de tension réduite de moitié, c’est-à-dire de seulement 10 volts.

Si on alimente le même transistor avec une tension de 12 volts, ces résistances doivent être calculées de façon à trouver, entre le Collecteur et l’Émetteur, une tension de 6 volts.

Nous aurons diminué le flux des électrons lorsque la moitié seulement de la tension d’alimentation se trouvera sur le Collecteur, et c’est uniquement à cette condition que l’on pourra amplifier les signaux appliqués sur la Base sans aucune distorsion.

Pour vous expliquer pourquoi seule la moitié de la tension de l’alimentation doit se trouver entre le Collecteur et l’Émetteur, représentons-nous, à l’aide de quelques dessins, le fonctionnement d’un levier mécanique ordinaire, avec son point d’appui situé à l’écart du centre.

Pour notre exemple, le côté le plus court représentera la Base et le côté le plus long, le Collecteur.

Étant donné que le Collecteur est plus long que la Base, son poids le fera pencher sur le sol.

Si on essaye, à présent, de faire bouger la partie la plus courte vers le bas, la partie opposée se lèvera.

À l’inverse, si on essaye de faire bouger la partie la plus courte vers le haut, la partie la plus longue ne pourra pas descendre car elle repose déjà sur le sol.

Pour que le Collecteur puisse se mouvoir librement, soit vers le haut, soit vers le bas, on doit nécessairement placer ce levier en position horizontale.

Pour le mettre en position horizontale, il suffit d’appliquer sur le côté le plus cour t (côté de la Base), un poids capable de soulever le côté le plus long jusqu’à mi-hauteur.

Une fois cet équilibre obtenu, lorsqu’une tension arrive sur la Base pour la pousser vers le bas, l’extrémité opposée se lève.

Lorsqu’une tension arrive sur la Base pour la pousser vers le haut, l’extrémité opposée descend.

Comme un petit déplacement sur le côté court de la Base correspond à un grand déplacement du côté opposé plus long, c’est-à-dire du côté du Collecteur, on obtiendra un mouvement considérablement amplifié.

Pour amplifier n’importe quel signal, la première chose à faire est d’appliquer, sur le côté court du levier, un poids apte à soulever le côté le plus long en position parfaitement horizontale.

Pour un transistor, on obtient ce poids en appliquant sur la Base une tension capable de faire descendre la tension présente sur le Collecteur à une valeur égale à la moitié de celle de l’alimentation.

Pour comprendre pourquoi la tension sur le Collecteur doit être égale à la moitié de celle de l’alimentation, prenez une feuille de papier à petits carreaux et tracez-y une première ligne en bas correspondant à l’Émetteur, et une seconde ligne en haut, correspondant à la tension de l’alimentation.

Si la tension de l’alimentation est de 12 volts, laissez douze carreaux entre les deux lignes de façon à attribuer à chaque carreau une valeur de 1 volt.

En admettant que le transistor soit correctement polarisé, c’est-à-dire polarisé de façon à trouver une tension de 6 volts sur son Collecteur, tracez une troisième ligne sur le 6ème carreau.

Si le transistor amplifie 10 fois le signal, en appliquant sur la Base un signal sinusoïdal de 1,2 volt crête à crête, c’est-à-dire composé d’une demi-onde positive atteignant un maximum de 0,6 volt et d’une demi-onde négative atteignant un minimum de 0,6 volt, on retrouvera sur le Collecteur la même sinusoïdale 10 fois amplifiée, mais dont la polarité sera inversée.

En effet, on retrouve la demi-onde positive de 0,6 volt appliquée sur la Base et qui fera descendre la tension sur le Collecteur de :

0,6 x 10 = 6 volts

alors que l’on retrouve la demi-onde négative de 0,6 volt appliquée sur la Base et qui fera monter la tension sur le Collecteur de :

0,6 x 10 = 6 volts

Cette inversion de polarité par rapport au signal appliqué sur la Base s’obtient car, comme nous vous l’avons déjà démontré avec l’exemple du levier mécanique, si l’on pousse vers le bas le côté de la Base, le côté du Collecteur se lève, et si l’on pousse vers le haut le côté de la Base, le côté du Collecteur se baisse.

Étant donné que sur le Collecteur la tension devient 6 fois plus positive et 6 fois plus négative, par rapport aux 6 volts présents sur cette patte, la demi-onde qui descend prendra une valeur de :

6 – 6 = 0 volt

et la demi-onde qui monte, une valeur de :

6 + 6 = 12 volts

Notre sinusoïde amplifiée reste à l’intérieur du tracé.

Si l’on applique sur la Base, un signal sinusoïdal atteignant un maximum de 0,8 volt positif et de 0,8 volt négatif, en amplifiant 10 fois ce signal, on devrait théoriquement prélever sur le Collecteur un signal de :

0,8 volt x 10 = 8 volts négatifs

0,8 volt x 10 = 8 volts positifs

En réalité, étant donné que la tension présente sur le Collecteur est de 6 volts, l’onde amplifiée sera coupée sur les deux extrémités, parce que les deux demi-ondes, la négative ainsi que la positive, dépasseront les deux lignes du tracé.

Donc, si on alimente un transistor avec une tension de 12 volts et que l’on amplifie 10 fois un signal, on ne pourra pas appliquer un signal supérieur à 1,2 volt crête à crête sur la Base.

Si on alimente le transistor avec une tension de 20 volts et on amplifie 10 fois le signal, on pourra appliquer un signal de 2 volts crête à crête sur la Base.

En fait, il faut toujours se rappeler qu’un signal amplifié peut monter jusqu’au maximum de la valeur de la tension de l’alimentation et descendre jusqu’à un minimum de 0 volt.

Donc, avec une tension d’alimentation de 12 volts, on pourra amplifier un signal d’une amplitude de 1,2 volt crête à crête jusqu’à :

12 : 1,2 = 10 fois maximum

Avec une tension d’alimentation de 20 volts, on pourra amplifier un signal d’une amplitude de 1,2 volt crête à crête jusqu’à :

20 : 1,2 = 16,6 fois maximum

Rappelons que le signal sera “coupé” même quand la tension présente entre le Collecteur et l’Émetteur ne sera pas exactement égale à la moitié de celle de l’alimentation.

Supposons que la tension présente entre les deux pattes, le Collecteur et l’Émetteur, soit de 8 volts plutôt que de 6 volts

Si on applique sur la Base un signal sinusoïdal de 1,2 volt crête à crête et qu’on l’amplifie 10 fois, on devrait théoriquement prélever sur le Collecteur, deux demi-ondes dont les valeurs seraient de :

0,6 x 10 = 6 volts positifs

0,6 x 10 = 6 volts négatifs

Si on additionne les 6 volts positifs aux 8 volts présents sur le Collecteur, on obtient une valeur de :

8 + 6 = 14 volts positifs

Étant donné que la demi-onde positive est supérieure aux 12 volts positifs de l’alimentation, la sinusoïde positive sera « coupée » sur la valeur de 12 volts.

Si l’on soustrait les 6 volts négatifs aux 8 volts présents sur le Collecteur, on obtient une tension de :

8 – 6 = 2 volts positifs

En admettant qu’une tension de 4 volts se trouve sur le Collecteur, au lieu d’une tension de 6 volts, comme nous vous l’avons expliqué avec l’exemple du levier, la demi-onde négative ne pourra pas descendre en dessous de 0 volt, son extrémité sera donc « coupée » de 2 volts environ.

En raison des tolérances des résistances, on parvient difficilement à obtenir entre le Collecteur et l’Émetteur une tension exactement égale à la moitié de celle de l’alimentation.

Pour éviter que les deux extrémités de la sinusoïde soient « coupées » en générant une distorsion, on peut utiliser une de ces solutions :

1 - On applique sur la Base des signaux dont l’amplitude est inférieure par rapport au maximum acceptable. Donc, plutôt que d’appliquer un signal de 1,2 volt crête à crête sur l’entrée, on pourra appliquer des signaux de 0,8 volt crête à crête.

En amplifiant 10 fois ce signal, on prélèvera deux demi-ondes qui pourront atteindre une amplitude maximale de :

0,4 volt x 10 = 4 volts positifs

0,4 volt x 10 = 4 volts négatifs

Donc, même si la tension sur le Collecteur est de 8 volts, ou bien de 4 volts, notre sinusoïde ne sera jamais « coupée ».

2 - Si le signal à appliquer sur la Base ne peut pas descendre sous la valeur de 1,2 volt crête à crête, il suffit de réduire le gain du transistor de 10 fois à seulement 6.

Avec un gain de 6 fois, on pourra prélever sur le Collecteur du transistor un signal amplifié qui pourra atteindre un maximum de :

0,6 volt x 6 = 3,6 volts négatifs

0,6 volt x 6 = 3,6 volts positifs

Donc, même si la tension sur le Collecteur était de 8 volts, notre sinusoïde ne serait jamais « coupée », car la demi-onde négative descendrait à :

8 – 3,6 = 4,4 volts

et la positive monterait à :

8 + 3,6 = 11,6 volts

et elle resterait donc toujours à l’intérieur du tracé.

Il en va de même si la tension sur le Collecteur était de 4 volts, car la demi-onde négative descendrait à :

4 – 3,6 = 0,4 volt

et la positive monterait à :

4 + 3,6 = 7,6 volts

Dans ce cas également, elle resterait toujours à l’intérieur du tracé.

3 - Comme troisième solution, on peut augmenter la valeur de la tension en la portant de 12 à 15 volts. Donc, même si on amplifie 10 fois un signal atteignant une amplitude maximale de 1,2 volt c-à-c, on ne dépassera jamais la valeur de la tension de l’alimentation, en effet :

1,2 x 10 = 12 volts

Avec une tension d’alimentation de 15 volts, il n’y aurait pas de problème si on ne trouvait pas sur le Collecteur la moitié de la tension de l’alimentation, c’est-à-dire 7,5 volts, car si 8 ou 6 volts étaient présents, il n’y aurait jamais le risque de « couper » les extrémités des deux demi-ondes.

La tension sur le Collecteur

Pour obtenir sur le Collecteur, une tension qui se rapproche le plus possible de la moitié de celle de l’alimentation, on doit appliquer sur les trois pattes, le Collecteur, la Base et l’Émetteur, des résistances d’une valeur appropriée.

Avant de vous apprendre à calculer la valeur de ces résistances, nous vous rappelons que la moitié de la tension d’alimentation d’un transistor doit toujours être mesurée entre le Collecteur et l’Émetteur, et non pas entre le Collecteur et la masse, comme cela arrive souvent.

Si l’on mesure cette tension entre le Collecteur et la masse, on commettra une énorme erreur car on ne tiendra pas compte de la chute de tension provoquée par la résistance R4, présente entre l’Émetteur et la masse.

Donc, la valeur de l’alimentation d’un transistor est celle qui se trouve entre le Collecteur et l’Émetteur, et par conséquent, c’est sur cette valeur que l’on devra calculer la moitié de la tension.

Supposons que l’on alimente un transistor avec une tension de 12 volts et que la résistance R4 de l’Émetteur provoque une chute de tension de 1,4 volt.

Dans ces conditions, le transistor ne sera pas alimenté par une tension de 12 volts, comme on pourrait, à tort, le croire, mais par une tension de :

12 – 1,4 = 10,6 volts

C’est pourquoi, on ne devra pas trouver sur le Collecteur une valeur de tension de :

12 : 2 = 6 volts

mais une valeur égale à la moitié de celle présente entre l’Émetteur et le Collecteur, c’est-à-dire :

10,6 : 2 = 5,3 volts

Quoi qu’il en soit, ne vous arrêtez pas trop sur cette valeur de moitié de tension, car vous ne réussirez jamais à l’obtenir.

Ainsi, s’il vous arrive, avec n’importe quel montage, de remarquer une différence de quelques volts, en plus ou en moins, ne vous inquiétez pas.

Lors de la conception d’un montage, on tient toujours compte de ces différences de tension qui peuvent être causées par les tolérances des résistances et parfois, par le transistor lui-même.

Il serait également inutile de la corriger car, si vous deviez un jour remplacer ce transistor par un autre venant du même fabricant et portant la même référence, vous vous retrouveriez toujours avec une valeur de tension différente.

Les caractéristiques d’un transistor

Même si les caractéristiques d’un transistor sont indiquées dans tous les livres, pour un débutant ces données ne sont pas d’une grande utilité. Prenons comme exemple les caractéristiques d’un hypothétique transistor, et lisons-les :

Vcb - indique que ce transistor peut accepter une tension maximale de 45 volts entre le Collecteur et la Base.

Vce - indique que la tension maximale que l’on peut lire entre le Collecteur et l’Émetteur ne devra jamais atteindre 30 volts.

Cette donnée nous est très utile pour connaître la valeur de tension maximale pouvant servir à alimenter ce transistor.

Un transistor ayant une Vce de 30 volts peut être utilisé dans tous les circuits alimentés par des tensions de 28, 24, 18, 20, 12, 9 ou 4,5 volts, mais pas dans des circuits alimentés par des tensions de 30 volts ou plus.

Veb - indique la valeur de la tension maximale inverse pouvant être appliquée entre la Base et l’Émetteur.

En admettant que l’Émetteur soit relié à la masse, l’amplitude totale du signal alternatif que l’on peut appliquer sur la Base ne pourra jamais dépasser le double de la tension Veb.

Dans notre exemple, avec une Veb de 6 volts, on pourra appliquer sur la Base une tension alternative qui ne dépassera jamais les :

6 + 6 = 12 volts crête à crête

Note : la Veb, qui est une tension inverse, ne doit pas être confondue avec la tension directe indiquée par les lettres Vbe, qui reste fixe pour tous les transistors sur une valeur comprise entre 0,6 et 0,7 volt.

Ic - indique le courant maximal que l’on peut faire parcourir pendant de brefs instants sur le Collecteur, et donc, un courant qui ne devra jamais être considéré comme un courant de travail normal.

Ptot - indique la puissance maximale que peut dissiper le transistor à une température de 25 degrés.

En pratique, cette puissance se réduit considérablement car, lorsque le transistor travaille, la température de son corps augmente beaucoup, et ce, tout particulièrement lorsqu’il s’agit d’un transistor de puissance.

Hfe - indique le rapport existant entre le courant du Collecteur et celui de la Base.

Étant donné que cette valeur est quasiment identique à Beta (amplification d’un signal dans une configuration à Émetteur commun), elle est également appelée « gain ».

La valeur 100-200 reportée dans notre exemple nous indique que, en raison des tolérances, ce transistor est capable d’amplifier un signal au moins 100 fois mais pas plus de 200 fois. Il n’y a donc pas de quoi s’étonner si sur trois transistors, l’un amplifie 105 fois, un autre 160 fois et le dernier 195 fois.

Ft - signifie « fréquence de coupure » et indique la valeur de la fréquence maximale que le transistor peut amplifier.

Le transistor que nous analysons peut amplifier n’importe quelle fréquence jusqu’à un maximum de 50 mégahertz environ, mais jamais plus.

Sens des sigles

Dans les formules que nous vous indiquons pour calculer la valeur des quatre résistances R1, R2, R3 et R4, vous trouverez des sigles dont voici le sens :

Vcc = valeur de tension de l’alimentation.

Vce = valeur de la tension présente entre le Collecteur et l’Émetteur. Dans la majorité des cas, cette valeur correspond à Vcc : 2.

Vbe = valeur qui, pour tous les transistors, tourne autour de 0,6 à 0,7 volt. Pour les calculs, on utilise la valeur moyenne, c’est-à-dire 0,65 volt.

Vb = valeur de la tension présente entre la Base et la masse. Cette valeur correspond à la tension présente aux bornes de la résistance R4.

VR4 = valeur de la tension (en volt) présente sur les extrémités de la résistance R4, placée entre l’Émetteur et la masse.

R1 = valeur de la résistance (en ohm) qu’il faut appliquer entre la Base et le positif d’alimentation.

R2 = valeur de la résistance (en ohm) qu’il faut appliquer entre la Base et la masse.

R3 = valeur de la résistance (en ohm) qu’il faut appliquer entre le Collecteur et la tension positive de l’alimentation.

R4 = valeur de la résistance (en ohm) qu’il faut appliquer entre l’Émetteur et la masse.

Ib = valeur du courant (en mA) de la Base.

Ie = valeur du courant (en mA) de l’Émetteur.

Ic = valeur du courant (en mA) du Collecteur.

Hfe = c’est le rapport existant entre le courant du Collecteur et le courant de la Base.

En appliquant un courant déterminé sur la Base, on obtiendra sur le Collecteur un courant supérieur, égal à celui de la Base multiplié par la valeur Hfe.

En pratique, cette augmentation correspond au gain statique de courant du transistor.

Gain = indique le nombre de fois dont le signal appliqué sur la Base est amplifié.

Calcul des résistances d’un étage préamplificateur

Pour calculer la valeur des quatre résistances R1, R2, R3 et R4 d’un étage préamplificateur en configuration « émetteur commun », on doit nécessairement connaître ces trois paramètres :

la valeur Vcc de la tension d’alimentation
la valeur Hfe du transistor
le Gain, c’est-à-dire le nombre de fois que nous voulons amplifier le signal.

Admettons, par exemple, que nous ayons ces données comme référence :

si vous cherchez dans n’importe quel texte apprenant à calculer les valeurs des résistances nécessaires à polariser correctement ce transistor, ou d’autres, vous vous retrouverez immédiatement en difficulté car vous n’aurez à disposition que des formules mathématiques complexes et peu d’exemples pratiques.

La méthode qui vous sera enseignée, même si elle est élémentaire, vous permettra de trouver toutes les valeurs nécessaires pour les résistances R1, R2, R3 et R4.

Ne faites jamais l’erreur, trop souvent commise, de calculer la valeur des résistances de façon à obtenir un gain maximal du transistor.

Dans la pratique, pour avoir la certitude que le signal amplifié que l’on prélève sur le Collecteur ne soit jamais « coupé », il est toujours préférable de travailler avec des gains très bas, par exemple, 5, 10 ou 20 fois.

Si l’amplification est insuffisante, il est conseillé d’utiliser un second étage préamplificateur.

Si l’on veut, par exemple, amplifier un signal de 100 fois, il est toujours préférable d’utiliser deux étages et de calculer leurs résistances de polarisation de façon à obtenir un gain d’environ 10 fois pour chaque étage.

De cette façon, on obtient un gain total de :

10 x 10 = 100 fois

On pourrait également calculer le premier étage, TR1, pour un gain de 20 fois, et le deuxième étage, TR2, pour un gain de 5 fois, en obtenant ainsi un gain total de :

20 x 5 = 100 fois

Donc, pour obtenir des amplifications importantes, il est toujours préférable d’utiliser plusieurs étages amplificateurs pour éviter tous les risques que l’on pourrait prendre en amplifiant au maximum un seul transistor.

En limitant le gain d’un transistor, on obtient tous ces avantages :

On évite la distorsion. Si on amplifie un signal de façon exagérée avec un seul transistor, les crêtes des demi-ondes positives ou négatives seront presque toujours « coupées », et donc, notre signal sinusoïdal se transformera en une onde carrée, provoquant ainsi une distorsion considérable.
On réduit le bruit de fond (parasite). Plus un transistor amplifie, plus le bruit de fond produit par les électrons en mouvement augmente, et écouter de la musique avec ce bruit n’est vraiment pas agréable !
On évite les auto-oscillations. En faisant amplifier au maximum un transistor, celui-ci peut facilement auto-osciller en générant ainsi des fréquences ultrasoniques, c’est-à-dire non audibles, qui feraient surchauffer le transistor au point de le détruire.
On évite que le corps du transistor ne surchauffe. En pratique, plus la température de son corps augmente, plus le courant du Collecteur augmente et, lorsque ce courant augmente, la température augmente proportionnellement également. Se produit alors une réaction incontrôlée, appelée « l’effet avalanche », qui détruit le transistor. Pour réduire ce risque, on place un radiateur de refroidissement sur le corps des transistors de puissance des étages de puissance, afin de dissiper le plus rapidement possible la chaleur de leur corps.
On ne réduit pas la bande passante. En fait, plus le gain est important, plus on réduit la bande passante. Cela signifie que, si dans un préamplificateur Hi-Fi, on fait amplifier le transistor pas plus de 20 ou 30 fois, on réussit à amplifier toute la gamme des fréquences acoustiques, en partant d’un minimum de 25 hertz environ jusqu’à un maximum de 50 000 hertz.

Au contraire, si on le fait gagner 100 fois ou plus, il ne réussira plus à amplifier au maximum toutes les fréquences des notes aiguës supérieures à 10000 hertz.

Après cette introduction, nous pouvons poursuivre en vous expliquant quelles sont les opérations à effectuer pour trouver la valeur des résistances R1, R2, R3 et R4, pour un étage préamplificateur, utilisant un seul transistor.

Calculer la valeur de R3

Pour trouver la valeur à donner à la résistance R3 devant être reliée au Collecteur, on doit tout d’abord connaître la valeur ohmique de la résistance de charge sur laquelle sera appliqué le signal amplifié.

Dans l’exemple représenté plus haut, la charge est constituée par la valeur de la résistance R5 reliée, après le condensateur électrolytique C2, entre le Collecteur et la masse. En pratique, la valeur ohmique de la résistance R3 doit toujours être inférieure à la valeur de la résistance R5. A ce propos, certains documents conseillent de choisir une valeur plus petite de 6, 7, ou 8 fois, mais dans la pratique, on peut utiliser une valeur inférieure de 5 fois ou même moins.

En admettant que la valeur de la résistance R5 soit de 47 000 ohms, pour trouver la valeur de la résistance R3, on devra effectuer cette simple division :

Étant donné que cette valeur n’est pas standard, on utilise la valeur commerciale la plus proche, qui est, dans le cas présent, de 10 000 ohms.

Calculer la valeur de R4

Une fois la valeur 10 000 ohms choisie pour la résistance R3, on peut effectuer la seconde opération, qui nous permet de trouver la valeur ohmique de la résistance R4, en utilisant la formule :

Puisque, comme nous l’avons déjà expliqué, il n’est jamais conseillé de choisir des gains supérieurs à 10 ou 20 fois, on choisira donc le minimum, c’est-à-dire 10 fois. Ayant choisi pour R3 une valeur de 10 000 ohms, la résistance R4 doit avoir une valeur ohmique de :

Calculer Ic

Comme troisième opération, on devra calculer la valeur du courant parcourant le Collecteur, en utilisant la formule :

Note : le nombre 1 000, que l’on trouve à la fin de cette formule n’est pas la valeur de R4 mais un multiplicateur qui nous permet d’obtenir une valeur de courant exprimée en milliampères.

En insérant nos données dans la formule, on obtient :

Donc, le courant Ic parcourant le Collecteur est de 0,545 milliampère.

Calculer la valeur de VR4

Nous devons à présent poursuivre nos calculs en calculant la valeur de la tension (en volt) présente aux bornes de la résistance R4, reliée entre l’Émetteur et la masse, en utilisant la formule:

En effectuant notre opération, on obtient :

Calculer la valeur de R2

La valeur de la résistance R2 est liée à la valeur de la résistance R4 et à la valeur Hfe moyenne du transistor que l’on veut polariser.

La formule à utiliser pour trouver la valeur de la résistance R2 est la suivante :

En insérant les données que l’on connaît déjà, on obtient :

Étant donné que cette valeur n’est pas standard, on doit rechercher la valeur la plus proche qui pourrait être dans notre cas, 10 000 ou 12 000 ohms.

Pour cet exemple, on choisit la valeur la plus élevée pour la R2, c’est-à-dire 12 000 ohms.

Calculer la valeur de R1

Une fois trouvée la valeur de R2, on peut trouver la valeur de R1, en utilisant cette formule :

On connaît déjà les données à insérer dans cette formule :

Note : puisque la Vbe d’un transistor pourrait être de 0,7 volt, ou bien de 0,6 volt, il est toujours préférable de choisir la valeur moyenne égale à 0,65 volt.

En insérant les données dans la formule, on obtient :

Étant donné que cette valeur n’est pas standard, on peut utiliser pour R1 la valeur commerciale la plus proche, qui est évidemment 100 000 ohms.

Calculer le gain

Étant donné que pour tous ces calculs, nous avons arrondi différentes valeurs de résistances, nous voudrions connaître le nombre de fois que le transistor a amplifié le signal appliqué sur la Base.

Pour connaître le gain, on peut utiliser cette simple formule :

Étant donné que nous avons choisi une valeur de 10 000 ohms pour la résistance R3 du Collecteur, et une valeur de 1 000 ohms pour la résistance R4 de l’Émetteur, le transistor amplifiera de :

Si au lieu d’utiliser une valeur de 1 000 ohms pour la résistance R4, on avait utilisé une valeur de 820 ohms, le transistor aurait amplifié le signal de :

Si au contraire on avait utilisé une valeur de 1 200 ohms, le transistor aurait amplifié de :

Avec cet exemple, nous pouvons constater que pour augmenter ou réduire le gain d’un étage amplificateur, il suffit de varier la valeur de la résistance R4.

Note : la formule R3 : R4 est valable seulement si aucun condensateur électrolytique n’est relié en parallèle à la R4.

Signal maximum sur la Base

Connaissant le gain et la valeur de la tension de l’alimentation Vcc, on peut calculer le signal maximum à appliquer sur la Base pour pouvoir prélever un signal non distordu au Collecteur, en utilisant la formule :

Avec un gain de 10 fois, on pourra appliquer sur la Base un signal dont l’amplitude ne devra jamais dépasser la valeur de :

Avec un gain de 12,19 fois, on pourra appliquer sur la Base un signal dont l’amplitude ne devra jamais dépasser la valeur de :

Note : le facteur de multiplication 0,8 s’utilise pour éviter de « couper » le signal sur les deux extrémités dans le cas où la tension présente sur le Collecteur serait légèrement supérieure ou inférieure par rapport à la tension désirée, à cause de la tolérance des résistances.

Le condensateur d’entrée et de sortie

Dans tous les étages amplificateurs, il y a toujours sur l’entrée Base et sur la sortie Collecteur, un condensateur électrolytique.

Ces deux condensateurs sont destinés à ne laisser passer que le signal alternatif vers la Base ou pour le prélever sur le Collecteur de façon à l’appliquer à l’étage suivant sans modifier la valeur de la tension continue qui se trouve sur cette patte car, comme vous le savez certainement, les condensateurs ne laissent pas passer la tension continue mais uniquement la tension alternative.

Sans ce condensateur, si on appliquait sur la Base un microphone d’une résistance de 600 ohms, cette valeur, placée en parallèle sur la résistance R2, modifierait la valeur de la tension présente sur la Base.

Si l’on appliquait directement un casque ayant une résistance de 32 ohms entre le Collecteur et la masse, toute la tension positive présente sur le Collecteur serait court-circuitée vers la masse par la faible résistance de ce casque.

Les 3 configurations classiques

On pense généralement que le signal à amplifier doit nécessairement être appliqué sur la Base et prélevé sur le Collecteur. Comme vous allez le voir, le signal amplifié peut être appliqué sur l’Émetteur et prélevé sur le Collecteur, ou bien il peut être appliqué sur la Base et prélevé sur l’Emetteur.

On appelle ces trois différentes façons d’utiliser un transistor comme étage amplificateur :

« Common Emitter » ou « Émetteur commun »

Dans cette configuration, le signal à amplifier est appliqué sur la Base et le signal amplifié est récupéré sur le Collecteur. Une petite variation de courant sur la Base détermine une importante variation du courant du Collecteur.

Le signal amplifié que l’on prélève sur le Collecteur est « déphasé » de 180 degrés par rapport au signal appliqué sur la Base, c’est-à-dire que la demi-onde positive se transforme en demi-onde négative et que la négative se transforme en positive.

« Common collector » ou « Collecteur commun »

Dans cette configuration, le signal à amplifier est appliqué sur la Base mais il est récupéré sur l’Émetteur et non pas sur le Collecteur.

Comme cette configuration n’amplifie pas, elle est normalement utilisée comme étage « séparateur », pour convertir un signal à haute impédance en signal à faible impédance.

Le signal que l’on prélève sur l’Émetteur n’est pas « déphasé », c’est-à-dire que la demi-onde positive appliquée sur la Base reste positive sur la sortie de l’Émetteur et la demi-onde négative appliquée sur la Base reste négative sur l’Émetteur.

« Common Base » ou « Base commune »

Dans cette configuration, le signal à amplifier est appliqué sur l’Émetteur et le signal amplifié est récupéré sur le Collecteur. Une petite variation de courant sur l’Émetteur détermine une variation moyenne du courant sur le Collecteur.

Le signal amplifié que l’on prélève sur le Collecteur n’est pas « déphasé », c’est-à-dire que la demi-onde positive et la demi-onde négative qui entrent dans l’Émetteur, sont à nouveau prélevées positive et négative sur le Collecteur.