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Leçon 06 · ~25 min · Partie 2 — Composants actifs

Le transistor

C'est quoi un transistor ?

Le transistor est l'un des composants les plus importants de l'histoire de l'électronique. Inventé en 1947 par les chercheurs de Bell Labs (John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley), il a rendu possible toute l'électronique moderne : ordinateurs, téléphones, consoles de jeu… Chaque processeur actuel en contient des milliards.

Son principe fondamental est simple : un transistor est un composant à trois broches qui permet de contrôler un grand courant avec un petit courant. C'est à la fois un interrupteur électronique ultra-rapide et un amplificateur de signal.

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Contrairement aux résistances, condensateurs et bobines qui sont des composants passifs, le transistor est un composant actif : il peut amplifier un signal et nécessite une alimentation pour fonctionner.

Le BJT NPN — les trois broches

Il existe plusieurs familles de transistors. Nous allons étudier le plus courant pour débuter : le BJT NPN (Bipolar Junction Transistor, type NPN). Il possède trois broches :

Base (B) — l'entrée de contrôle. C'est ici qu'on injecte un faible courant pour commander le transistor.
Collecteur (C) — l'entrée du courant principal. On y connecte la charge (LED, relais, moteur…) côté alimentation positive.
Émetteur (E) — la sortie du courant. Il se connecte vers le GND (masse). Sur les schémas, l'émetteur est toujours représenté avec une flèche pointant vers l'extérieur du transistor.

Quand un courant suffisant est appliqué sur la base, le transistor s'ouvre et le courant peut circuler du Collecteur vers l'Émetteur. Quand la base n'est pas alimentée, le transistor bloque tout courant — il est coupé.

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Moyen mnémotechnique : sur le schéma d'un NPN, la flèche de l'émetteur pointe vers l'extérieur (Not Pointing iN). Pour un PNP, elle pointe vers l'intérieur. Dans ce cours, on travaille uniquement avec le NPN.

Le gain en courant (β ou h_FE)

La caractéristique principale d'un transistor BJT est son gain en courant, noté β (bêta) ou h_FE sur les datasheets. Il exprime le rapport entre le courant collecteur et le courant de base :

I_C = β × I_B

I_C = courant collecteur (A)

I_B = courant de base (A)

β = gain en courant — typiquement entre 100 et 500 selon le transistor

Exemple concret : si β = 200 et que tu injectes I_B = 1 mA dans la base, alors I_C = 200 × 0,001 = 200 mA pourront circuler dans la charge. Un minuscule courant de commande contrôle un courant 200 fois plus grand — c'est ça, l'amplification.

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Le β est indiqué dans la datasheet du transistor. Pour un 2N2222 ou un BC547 (transistors NPN très courants), β est typiquement autour de 100 à 300. Dans les calculs, on prend souvent β = 100 pour rester prudent.

Deux modes d'utilisation

Mode commutation (on/off)

En mode commutation, le transistor fonctionne comme un interrupteur électronique. Il est soit complètement bloqué, soit complètement saturé — il n'y a pas d'état intermédiaire.

Bloqué (off) : I_B = 0, aucun courant ne passe entre collecteur et émetteur. La charge est éteinte.
Saturé (on) : I_B suffisant, le transistor conduit au maximum. La tension collecteur-émetteur V_CE chute à environ 0,2 V (perte très faible). La charge est alimentée.

Ce mode est idéal pour piloter une LED, un relais ou un moteur depuis un Arduino ou n'importe quel microcontrôleur dont les sorties ne fournissent que 20–40 mA.

Mode amplification (linéaire)

En mode amplification, le transistor fonctionne dans sa zone active : il reproduit fidèlement les variations du courant de base sur le courant collecteur, avec le facteur β. Ce mode est utilisé pour :

Amplifier un signal audio (préamplificateur, ampli casque…)
Amplifier le signal d'un capteur (microphone, thermistance…)
Concevoir des oscillateurs et des filtres actifs

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Dans ce cours, on se concentre sur le mode commutation, le plus utile quand on débute avec des microcontrôleurs. L'amplification linéaire nécessite un dimensionnement du point de repos (polarisation) qui sort du cadre de cette leçon.

Calcul de la résistance de base

Pour utiliser un transistor NPN en commutation depuis un Arduino (ou tout autre microcontrôleur), il faut calculer la résistance de base R_B qui limitera le courant I_B.

Étape 1 — Déterminer le courant collecteur nécessaire (I_C)

C'est le courant que doit fournir la charge. Pour une LED standard : I_C = 20 mA.

Étape 2 — Calculer le courant de base minimum (I_{B_min})

Pour saturer le transistor, il faut que I_B soit au moins égal à I_C / β. Avec β = 200 et I_C = 20 mA :

I_{B_min} = I_C / β = 20 / 200 = 0,1 mA

On prend une marge de sécurité × 5 à × 10 pour garantir la saturation.

On choisit I_B = 1 mA (marge × 10)

Étape 3 — Calculer R_B

La tension aux bornes de R_B est la différence entre la tension de la sortie Arduino (V_logic = 5 V) et la tension base-émetteur V_BE ≈ 0,7 V (comme une diode silicium en conduction) :

R_B = (V_logic − V_BE) / I_B

V_logic = 5 V (tension de sortie de l'Arduino)

V_BE ≈ 0,7 V (tension seuil base-émetteur)

I_B = 0,001 A (1 mA)

R_B = (5 − 0,7) / 0,001 = 4 300 Ω

On choisit la valeur normalisée supérieure : 4,7 kΩ

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Récapitulatif de l'exemple : LED 20 mA pilotée par Arduino 5 V, transistor avec β = 200.
Ib_min = 20 mA / 200 = 0,1 mA → on choisit Ib = 1 mA (marge ×10) → R_B = (5 − 0,7) / 0,001 = 4 300 Ω → valeur normalisée : 4,7 kΩ.

Schéma : transistor NPN en commutation

Voici le schéma complet d'un transistor NPN piloté par une sortie Arduino 5 V, avec une LED et sa résistance de limitation côté collecteur :

Transistor NPN en commutation : Arduino pilote la base via 4,7 kΩ — la LED s'allume quand la broche D13 passe à HIGH.

Le MOSFET — un transistor piloté en tension

Le BJT n'est pas le seul type de transistor. Le MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) est une autre famille très répandue. Ses trois broches s'appellent autrement :

Grille (G) — l'entrée de contrôle (équivalent de la Base)
Drain (D) — équivalent du Collecteur
Source (S) — équivalent de l'Émetteur

La différence fondamentale avec le BJT : le MOSFET est piloté en tension, pas en courant. La grille prélève presque zéro courant — elle crée seulement un champ électrique qui ouvre ou ferme le canal de conduction.

Pour un N-channel MOSFET (le plus courant), le transistor conduit quand la tension grille-source V_GS dépasse le seuil V_th (typiquement 2 à 4 V).

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Pour piloter moteurs et fortes charges depuis Arduino : préfère un MOSFET N-channel comme le BS170, le 2N7000 (faibles puissances) ou l'IRF540 (fortes puissances). Pas besoin de résistance de grille en régime statique — mais une résistance de 100–470 Ω en série est recommandée pour limiter les courants de commutation.

Caractéristique	BJT NPN	N-channel MOSFET
Broche de commande	Base (B)	Grille (G)
Type de pilotage	Courant (I_B)	Tension (V_GS)
Courant de commande	Quelques mA	Quasi nul (≈ 0 A)
Seuil de commutation	V_BE ≈ 0,7 V	V_th ≈ 2–4 V
Usage typique	Faibles puissances, amplification	Fortes puissances, commutation rapide

// à retenir

Transistor BJT NPN : 3 broches — Base (contrôle), Collecteur (entrée charge), Émetteur (vers GND). Le courant circule de C vers E quand la Base est activée.
Gain en courant : I_C = β × I_B, avec β entre 100 et 500. Un faible courant de base contrôle un courant collecteur bien plus grand.
V_BE ≈ 0,7 V : tension base-émetteur en conduction — comme une diode silicium.
Mode commutation : transistor bloqué (Ib = 0) ou saturé (Vce ≈ 0,2 V). Idéal pour piloter LED, relais, moteur depuis Arduino.
Résistance de base : R_B = (V_logic − 0,7) / I_B — prendre une marge sur I_B pour garantir la saturation.
MOSFET : piloté en tension (V_GS), quasi zéro courant de grille — préféré pour les fortes puissances avec un microcontrôleur.