Saturation du Transistor : Identification et Utilisation Efficace

Un Transistor en Saturation

Source : Wikiwand

La saturation du transistor ? Que signifie ce terme ? Il ne prend tout son sens que pour les concepteurs et ingénieurs familiers des commutateurs à transistor.

Si ce n'est pas votre cas, nous allons tout vous expliquer.

Lorsqu'on travaille avec des dispositifs à courant continu (CC) de faible puissance, il est courant de les allumer ou les éteindre. On y parvient en utilisant des transistors comme interrupteurs. Mais le transistor doit être en état de saturation pour commander l'allumage ou l'extinction du dispositif CC.

Dans la suite de cet article, nous aborderons plus en détail ce sujet, les modes de fonctionnement, les calculs, et bien plus encore.

Commençons !

Qu'est-ce que la Saturation du Transistor ?

Saturation du Transistor BD135

Source : Wikimedia Commons

La saturation se produit lorsqu'un système atteint son seuil ou sa valeur maximale. Un transistor fonctionne donc en zone de saturation lorsque le courant atteint la valeur la plus élevée spécifiée.

Par exemple, quand on verse du liquide dans un verre jusqu'au bord, il est en état de saturation car le verre ne peut plus en contenir. De même, modifier la configuration d'un transistor fait varier rapidement son niveau de saturation.

Il est crucial de noter que lors de la configuration des transistors, le dispositif n'atteint pas son point de saturation. C'est parce que la jonction base-collecteur ne reste pas en mode polarisé inverse. Par conséquent, des distorsions apparaissent dans les signaux de sortie.

Quels sont les Modes de Fonctionnement ?

Les transistors fonctionnent selon quatre modes distincts car ce sont des dispositifs non linéaires. Ces modes indiquent le sens du courant les traversant (c.-à-d., du collecteur vers l'émetteur pour un NPN).

Transistor NPN

Pour déterminer le mode d'un transistor, il faut examiner la relation et les tensions entre ses trois broches.

V_BC est la tension de la base vers le collecteur, et V_BE désigne la tension de la base vers l'émetteur. Les modes de fonctionnement sont les suivants :

Mode Saturation

En mode saturation, le transistor est « passant » (On). Il se comporte comme un court-circuit entre collecteur et émetteur.

Émetteur NPN

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Dans ce mode, les deux jonctions du transistor sont polarisées en direct. Polarisation directe signifie que V_BE et V_BC sont supérieurs à zéro. Cela implique aussi que V_B est plus élevé que V_C et V_E.

En d'autres termes, pour qu'un transistor entre en saturation, V_BE doit dépasser la tension de seuil. On représente la chute de tension par des abréviations comme V_d, V_th, etc., dont la valeur varie selon les transistors et la température.

À température ambiante, on estime souvent la chute de tension de base-émetteur à environ 0,6 V pour de nombreux transistors.

Il est important de noter que la conduction entre collecteur et émetteur n'est pas parfaite. On observe donc une faible chute de tension résiduelle entre ces nœuds.

Les fabricants indiquent cette tension dans les fiches techniques sous le nom de V_CE(sat) (tension de saturation collecteur-émetteur). V_CE(sat) est la tension collecteur-émetteur nécessaire pour maintenir le transistor en saturation.

Sa valeur typique se situe entre 0,05 et 0,2 V. Cela implique que V_C doit être légèrement supérieur à V_E pour que le transistor sature, et que V_C et V_E doivent tous deux être inférieurs à V_B.

Mode Inverse-Actif (Reverse-Active)

Le mode inverse-actif se produit lorsque le transistor amplifie et conduit, mais le courant circule en sens inverse (de l'émetteur vers le collecteur).

Amplificateur à Transistor

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Pour qu'un transistor soit en mode inverse-actif, la tension à l'émetteur doit être supérieure à celle de la base, qui elle-même doit être supérieure à celle du collecteur. Soit : V_C < V_B < V_E.

Ce mode est rarement utilisé dans les applications pratiques car il ne permet pas de piloter efficacement un transistor.

Mode Actif (Actif Direct)

Dans ce mode, V_BC est négatif et V_BE est positif. La tension de base est supérieure à celle de l'émetteur mais inférieure à celle du collecteur.

Soit : V_C > V_B > V_E. C'est le mode le plus puissant du transistor car il le transforme en amplificateur.

Le courant entrant dans la base est amplifié. Le courant collecteur I_C est proportionnel au courant de base I_B :

I_C = β × I_B

Où :

• I_C = courant collecteur
• β = facteur d'amplification (gain en courant)
• I_B = courant de base

Mode Bloqué (Cut-Off)

Ce mode correspond au transistor « bloqué » (Off), l'opposé de la saturation. Le transistor se comporte comme un circuit ouvert, sans courant collecteur ni émetteur.

Pour obtenir ce mode, les tensions collecteur et émetteur doivent être supérieures à la tension de base. Autrement dit, V_BE et V_BC doivent être négatifs.

On peut représenter le mode bloqué par :

V_C > V_B

V_E > V_B

Note : tout au long de l'article, nous avons référencé les transistors NPN. Pour un transistor PNP, les caractéristiques sont inversées. Par exemple, en mode saturation d'un PNP, le courant circule de l'émetteur vers le collecteur.

Le tableau ci-dessous résume les correspondances :

MODE NPN	RELATIONS DE TENSION	MODE PNP
Inverse	VE > VB > VC	Actif
Bloqué	VE > VB < VC	Saturation
Saturation	VE < VB > VC	Bloqué
Actif	VE < VB < VC	Inverse

Comment Calculer la Saturation du Transistor

Le calcul de la saturation est simple si l'on dispose de courbes caractéristiques. Si la courbe montre une tension collecteur-émetteur proche de 0 V pour un courant élevé, on utilise la loi d'Ohm pour déterminer la résistance équivalente entre collecteur et émetteur :

R_CE = V_CE / I_C = 0 V / I_C(sat) = 0 Ω

Pour déterminer le courant de saturation approximatif dans un circuit, on suppose un court-circuit aux bornes collecteur-émetteur (V_CE = 0 V) et on calcule le courant résultant.

Dans une configuration à polarisation fixe, la tension aux bornes de la résistance de collecteur R_C devient égale à V_CC. Le courant de saturation s'exprime alors :

• I_C(sat) = V_CC / R_C

Comment Savoir si un Transistor est Saturé ?

Faire fonctionner un transistor en saturation n'est pas trivial, mais c'est possible. Il est crucial de rester en zone active si l'on veut utiliser le transistor comme amplificateur. Voici trois méthodes éprouvées pour détecter la saturation :

1. Mesure réelle : mesurer directement V_CE en fonctionnement. Si V_CE ≈ V_CE(sat) (typiquement < 0,2 V), le transistor sature.
2. Simulation : utiliser un logiciel de simulation (SPICE, LTspice, etc.) pour visualiser les tensions et courants. Méthode plus sûre et plus rapide que la mesure physique.
3. Calcul théorique : supposer la saturation, calculer le gain maximal requis (β_forced = I_C / I_B), et le comparer au β minimal garanti du transistor (dans sa fiche technique). Si β_forced < β_min, le transistor sature.

Conclusion

En pratique, il existe plusieurs façons d'identifier la saturation d'un transistor. C'est la condition indispensable pour qu'un transistor fonctionne comme un interrupteur pilotant une faible tension CC.

Le transistor possède quatre modes de fonctionnement, dont les conditions diffèrent selon qu'il s'agit d'un NPN ou d'un PNP. Avez-vous des questions ou des préoccupations sur les transistors saturés ? N'hésitez pas à nous contacter.