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Vidéo de question : Comprendre la relation entre le Courant du collecteur et la résistance externe d’un transistor NPN Physique

Un transistor NPN est connecté à une alimentation ayant une tension 𝑉_CC. Une alimentation avec une tension 𝑉_BE est connectée aux bornes de l’émetteur et de la base du transistor, comme indiqué sur le schéma. Il existe un courant 𝐼_C entre 𝑉_CC et la borne du collecteur, un courant 𝐼_E entre 𝑉_BE et la borne de l’émetteur, et un courant 𝐼_B entre 𝑉_BE et la borne de base. Une résistance externe 𝑅_C est placée entre 𝑉_CC et la borne du collecteur. Et une résistance externe 𝑅_B est placée entre 𝑉_BE et la borne de base. La différence de potentiel entre les bornes du collecteur et de l’émetteur est 𝑉_CE. La valeur de 𝑅_B est modifiée. Quelle courbe de couleur sur le graphique représente correctment la variation de 𝐼_C avec 𝑅_B ?

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Transcription de vidéo

Un transistor NPN est connecté à une alimentation ayant une tension 𝑉 CC. Une alimentation avec une tension 𝑉 BE est connectée aux bornes de l’émetteur et de la base du transistor, comme indiqué sur le schéma. Il existe un courant 𝐼 C entre 𝑉 CC et la borne du collecteur, un courant 𝐼 E entre 𝑉 BE et la borne de l’émetteur, et un courant 𝐼 B entre 𝑉 BE et la borne de base. Une résistance externe 𝑅 C est placée entre 𝑉 CC et la borne du collecteur. Et une résistance externe 𝑅 B est placée entre 𝑉 BE et la borne de base. La différence de potentiel entre les bornes du collecteur et de l’émetteur est 𝑉 CE. La valeur de 𝑅 B est modifiée. Quelle courbe de couleur sur le graphique représente correctment la variation de 𝐼_C avec 𝑅_B ?

Cette question nous demande essentiellement de trouver la relation entre le courant dans le collecteur, 𝐼 C, et la valeur de la résistance le long du chemin vers la base, 𝑅 B. Si on arrive à trouver cette relation, alors on pourra déterminer quelle courbe du graphique est la bonne. Commençons par rappeler l’équation du gain de courant, qui peut nous aider à relier 𝐼 C et 𝐼 B. Le gain de courant d’un transistor, 𝛽 indice 𝑒, est égal au courant du collecteur divisé par le courant de base.

Cette équation semble correcte, mais on nous demande de comparer 𝐼 C, un courant, avec 𝑅 B, une résistance. Si on utilise la loi d’Ohm pour les composants de la base du transistor, alors on trouve que la différence de potentiel de l’alimentation 𝑉 BE est égale au produit de 𝐼 B et 𝑅 B. Puisque 𝑉 BE est une alimentation dont la valeur est constante, la différence de potentiel ne changera pas. Cela signifie qu’une augmentation de 𝑅 B devra entraîner une diminution de 𝐼 B de sorte que la différence de potentiel totale reste la même.

Si on regarde ensuite l’équation du gain de courant, on voit qu’une diminution de 𝐼 B doit également entraîner une diminution de 𝐼 C si le gain de courant reste également constant. Par conséquent, une augmentation de 𝑅 B, puis une diminution de 𝐼 B, entraînera une diminution de 𝐼 C.

En regardant à nouveau le graphique, on remarque que les cinq courbes montrent une certaine diminution, il nous faut donc maintenant déterminer laquelle est correcte. Il peut être tentant de choisir la courbe rouge, car la relation semble évidente. Si on divise 𝐼 B par deux, on peut alors s’attendre à ce que 𝐼 C soit réduit de moitié afin de maintenir le même gain de courant. Il devrait ainsi exister une relation plus ou moins linéaire, ce que montre la courbe rouge.

Cependant, ce n’est pas réellement le cas car le gain de courant n’est pas toujours constant. Plus précisément, il existe deux cas différents dans lesquels le gain de courant est plus ou moins constant : lorsqu’un transistor agit comme un interrupteur fermé et quand il agit comme un interrupteur ouvert. Dans les autres cas, le gain de courant change en fonction des valeurs de 𝐼 B et 𝐼 C.

Pour comprendre pourquoi, rappelons qu’un transistor est composé de trois semi-conducteurs, avec des noms bien distincts : le collecteur, la base et l’émetteur. Pour qu’il y ait un courant aux bornes du transistor, les trois parties de celui-ci doivent permettre la conduction. Cependant, la base ne laissera aucune charge la traverser. Le courant doit être acheminé vers la base pour que la limite base-collecteur soit polarisée en direct, ce qui permettra à un courant de passer à travers le transistor. Cela signifie que le transistor ne peut pas avoir de courant et donc pas de courant de collecteur 𝐼 C quand il n’y a pas de courant à travers la base indépendamment, 𝐼 B.

Le gain de courant à ces très petites valeurs de 𝐼 B est assez élevé, ce qui signifie que même de petites augmentations de 𝐼 B entraîneront des augmentations importantes de 𝐼 C. On observe cela représenté par les courbes bleue, noire et rose dans le graphique ici. Elles ont des courbes très prononcées qui indiquent un gain de courant élevé dans la zone de droite. Rappelons-nous qu’une résistance de base élevée 𝑅 B indique un courant de base faible 𝐼 B. Donc, puisque seules ces trois courbes indiquent un changement correct du gain de courant, les courbes rouge et verte ne doivent pas être correctes.

En regardant davantage ces trois courbes, on remarque que lorsque 𝐼 B augmente, c’est-à-dire que 𝑅 B diminue, le courant de collecteur 𝐼 C se stabilise. En effet, le gain en courant devient plus faible lorsque 𝐼 B augmente.

Mais quelle courbe est correcte ? Regardons chacune individuellement. La courbe bleue montre un gain de courant très élevé à des niveaux élevés de 𝑅 B qui se stabilise lorsque 𝑅 B diminue. La valeur du courant du collecteur augmente progressivement au-delà de la forte augmentation initiale, mais n’atteint jamais une limite particulière. Cette ligne ne représente alors pas avec précision ce qui arrive au courant du collecteur, car elle atteint en fait une limite de courant.

Dans les transistors, il existe une limite au courant de sortie, appelée courant de saturation, pour les valeurs élevées du courant d’entrée. Pour cette configuration de transistor, le courant de sortie est le courant de collecteur. Le courant d’entrée est le courant de base, ce qui signifie que l’on devrait voir une limite de courant dans ce graphique ici. Cependant, pour la courbe bleue, elle augmente toujours progressivement à mesure que le courant de base augmente, ce qui n’est pas le comportement réel des transistors.

Ainsi, la courbe bleue ne peut pas être la bonne, et la courbe rose ne peut pas être correcte, car on voit que la ligne est très droite, avec une rupture distincte où le gain actuel change apparemment. Ces droites ne sont pas représentatives du comportement attendu de la part d’un transistor, impliquant des changements brusques mais granulaires du gain de courant. Donc, la courbe rose n’est pas correcte non plus.

Cela signifie que la seule courbe qui peut être correcte est la courbe noire, qui représente correctement un gain de courant élevé à des valeurs élevées de 𝑅 B et atteint une limite dans le gain de courant, le courant de saturation, lorsque 𝑅 B diminue. Le courant de saturation et les variations brusques du gain de courant pour les transistors sont souhaitables pour leur utilisation en électronique. Une petite variation de 𝐼 B peut entraîner une variation beaucoup plus importante de 𝐼 C, permettant à un circuit avec un transistor d’activer ou de désactiver efficacement 𝐼 C, sans courant ou atteignant un courant de saturation spécifique. Cela signifie que la courbe sur le graphique qui représente le mieux la variation de 𝐼 C avec 𝑅 B est la courbe noire.

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