Commande avec transistors NPN et PNP

Projet par
Nabil.J

Transistors NPN et PNP / Mini moteur DC

Vous en avez sûrement déjà entendu parler, car on peut appeler une vieille radio un transistor. Mais c’est juste parce qu’à l’époque les transistors étaient très chers. Aujourd’hui on en trouve partout, c’est sans aucun doute le composant le plus utilisé de l’histoire de l’électronique. On en a des milliards dans un processeur par exemple.

Dans ce tutoriel, nous allons découvrir les transistors bipolaires NPN, PNP, ainsi que leurs principes de fonctionnement. Et nous clôturerons par un exemple d’utilisation du transistor comme étant un interrupteur ou comme variateur de la vitesse d’un moteur DC.

Electronique

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Instructions

1 - Généralité sur les transistors 15 Minute(s)

Le transistor est un composant électronique qui est utilisé dans la plupart des circuits électroniques (circuit logique, amplificateur, stabilisateur de tension, modulation de signal, etc...) aussi bien en basse qu'en haute tension.

Les transistors sont des dispositifs actifs à trois bornes fabriqués à partir de différents matériaux semi-conducteurs pouvant servir soit d'isolant, soit de conducteur par application d'une faible tension de signal. La capacité du transistor à changer entre ces deux états lui permet d'avoir deux fonctions de base : « commutation » (électronique numérique) ou « amplification » (électronique analogique). Les transistors bipolaires peuvent alors fonctionner dans trois régions différentes :

  • Région active : le transistor fonctionne comme un amplificateur et Ic = β * Ib

  • Saturation : le transistor est « ON/ON » fonctionnant comme un commutateur et Ic = I (saturation)

  • Cut-off : le transistor est « complètement désactivé » fonctionnant comme un interrupteur et Ic = 0

Le mot Transistor est une combinaison des deux mots Transfer et Varistor. Ils décrivent leur mode de fonctionnement dans leurs premiers temps de développement électronique. Il existe deux types fondamentaux de construction de transistors bipolaires, PNP et NPN , qui décrivent fondamentalement la disposition physique des matériaux semi-conducteurs de type P et de type N dont ils sont constitués.

2 - Les transistors bipolaires 15 Minute(s)

Les transistors NPN et PNP sont des semi-conducteurs bipolaires. Contenant deux types de silicium légèrement différents. Ils acheminent l’électricité à l’aide des polarités des transporteurs de charges, les trous et les électrons.

Le type NPN admet trois couches dont du silicium de type P au milieu. Et le type PNP admet trois couches et du silicium de type N au milieu. Pour plus d’informations sur la terminologie et le comportement des électrons lorsqu’ils franchissent une jonction NP ou une jonction PN, consultez un ouvrage dédié. Pour l’essentiel, retenez les points suivants :

  • tous les transistors bipolaires ont trois connexions : le collecteur, la base et l’émetteur, abrégés en C, B et E sur les fiches techniques des fabricants

  • les transistors sont activés par une tension positive sur la base par rapport à l’émetteur

  • les transistors sont activés par une tension négative sur la base par rapport à l’émetteur

Dans leur état passif, les deux types de transistors bloquent le flux d’électricité entre le collecteur et l’émetteur, tout comme un relai dans lequel les contacts sont normalement ouverts (en réalité, un transistor autorise une infime partie du courant à circuler, courant considéré comme une perte).

Vous pouvez vous représenter un transistor bipolaire comme s’il possédait à l’intérieur un petit bouton. Lorsqu’on appuie dessus, un courant important circule. Pour commander le bouton, vous devez injecter un courant beaucoup plus réduit dans la base en appliquant à celle-ci une petite tension. Dans un transistor NPN, la tension de commande est positive, et dans un transistor PNP, elle est négative.

Le transistor bipolaire est un composant commandé en courant.

 

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source : https://www.xcluma.com/bc549-npn-transistor

3 - Les transistors NPN 15 Minute(s)

Une jonction pn en polarisation directe est comme un élément d’un circuit électrique de très faible résistance (R). En polarisation inverse, c’est une résistance presque infinie. La relation de Ohm (P = I²·R) montre que pour un courant constant (I), la puissance (P) est proportionnelle à la résistance.

Donc avec deux jonctions pn, un signal de faible puissance peut traverser celle en polarisation directe et ressortir en puissant signal par la jonction en polarisation inverse. De cette manière, on obtient une amplification dans le cristal et c’est le principe sur lequel repose les transistors.

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Comme dans une diode, le matériau de type n à chaque bout du transistor contient un certain nombre d’électrons libres alors que le centre de type p contient un surplus de « trous ».

Ce qui se passe dans chacune des deux jonctions pn est identique au comportement d’une diode : une région désertée de porteurs se forme et une barrière électrostatique apparaît. Afin que le transistor puisse servir d’amplificateur, il faut appliquer une tension externe à chacune des jonctions.

Généralités sur les transistors NPN :

  • Ils sont utilisés pour autoriser le passage du courant du collecteur à l’émetteur, il faut appliquer une tension relativement positive à la base.

  • Sur le symbole du schéma, la flèche pointe de la base vers l’émetteur et montre la direction du courant positif.

  • La tension appliquée à la base doit être supérieure d’au moins 0,6 V à celle appliquée à l’émetteur.

  • Le collecteur doit être plus positif que l’émetteur.

 

4 - Les transistors PNP 15 Minute(s)

Le transistor pnp fonctionne de la même façon qu’un autre de type npn. Cependant, la composition de l’émetteur, de la base et du collecteur est inversée et le courant dans cette composante électronique est fait de trous. En conséquence, la polarisation des piles qui alimentent le transistor est inverse à celle du transistor pnp afin de favoriser le flux de trous.

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La même méthode mnémotechnique s’applique que dans le cas des transistors npn dans ceux pnp :

  1. Le premier P pour connexion à la borne positive de la pile connecté à l’émetteur;

  2. N pour borne négative connectée à la base;

  3. Le second P est inversé, comme la polarité entre le collecteur et la base, et le collecteur est connecté à la borne négative de la seconde pile.

Il faut se rappeler que l’inversion des types de semi-conducteurs dans le transistor pnp implique une inversion des polarités des bornes afin d’obtenir un courant de « trous » entre l’émetteur et le collecteur, au lieu d’électrons. Dans le circuit extérieur au transistor, ce sont cependant toujours des électrons qui se déplacent.

Généralités sur les transistors PNP :

  • Ils sont utilisés pour autoriser le passage du courant de l’émetteur au collecteur, il faut appliquer une tension relativement négative à la base.

  • Sur le symbole du schéma, la flèche pointe de l’émetteur vers la base et montre la direction du courant positif.

  • La tension appliquée à la base doit être inférieure d’au moins 0,6 V à celle appliquée à l’émetteur.

  • L’émetteur doit être plus positif que le collecteur.

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5 - Les transistors et l’Arduino 10 Minute(s)

Les transistors peuvent être commandés avec des carte électroniques embarquées telles que les cartes Arduino. Les transistors sont commandés en deux modes, analogique ou numérique.

Dans notre cas, nous allons utiliser le transistor TIP120 NPN.

Matériels utilisés :

  • Carte RobotDyn UNO

  • Transistor TIP 120

  • Résistance 1 K Ohms

  • Mini moteur DC

  • Diode de récupération standard type 1N4001

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Rôle de la diode

Ce type de transistor est commuté par le courant et non par la tension, donc nous devons nous assurer de fournir le bon courant à la base pour le commuter. Il est donc nécessaire d’avoir une résistance connectée de l’Arduino à la base pour limiter le courant au courant nécessaire. Vous pouvez voir qu’il y a une diode parallèle à l’appareil que nous alimentons. Chaque fois que vous alimentez un appareil avec une bobine, comme un relai, un solénoïde ou un moteur, vous avez besoin de cette diode.

En effet, que se passe-t’il lorsque vous arrêtez d’alimenter la bobine du moteur ou du solénoïde ? L’alimentation ne fournit plus de courant, mais le moteur fini de tourner. Le moteur devient donc générateur pendant quelques instants. La tension à ses bornes s’inverse et augmente (parfois énormément, on peut avoir jusqu’à 100V !), puis retombe.

Cela ne dure que quelques microsecondes, mais cela suffit à tuer notre transistor. En marche normale du moteur, la diode, qui ne laisse passer que le courant, est dans le “mauvais sens”. Le courant passe uniquement par le moteur.

Lorsque la tension s’inverse au borne du moteur, la diode devient passante et laisse passer le courant. Le courant passe donc à travers la diode et retourne dans la bobine du moteur. L’énergie est évacuée par échauffement à travers le système diode-bobine. On appelle cela une “diode de roue libre”. Le mieux est d’avoir une diode suffisamment rapide pour réagir aux pics qui peuvent soudainement survenir lors d’un arrêt brusque du moteur, et assez “forte” pour supporter la charge. Une diode comme la 1N4001 ou la 1N4005 devrait faire l’affaire.

Assurez-vous également que la diode est dans le bon sens (la bande du côté V+). Si elle est dans le mauvais sens, le courant passera normalement par la diode et le moteur ne risquera pas de tourner.

 

Transistor commandé en mode numérique

Le comportement souhaité avec les transistors est le suivant :

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L’électrode de BASE constitue la commande, le COLLECTEUR et l'ÉMETTEUR, laissent ou non, circuler le courant électrique.

  • Etat bloqué : il faut assurer un courant de base nul (IB=0A) ce qui implique VBE < VBESSAT (donné par la documentation constructeur du transistor).

  • Etat saturé : il faut assurer un courant de base suffisant qui dépend :

- de la valeur de la tension VE appliquée en entrée (sur la Base),

- de la valeur de la résistance (ou des résistances) de Base qui permettent de fixer le courant.

Lorsque le transistor est saturé, on a VBE = VBESAT avec VBE  la tension entre Base et Émetteur.

Pour le branchement du transistor TIP120, la borne numéro 1 à droite est  le donneur d’ordre (base), pn y connecte une résistance 1kΩ qui est elle même connecté à l’Arduino, celle du milieu connecté à la borne masse de la destination (émetteur) et la borne 3 à la masse de la source (collecteur).

Niveau code, la pin qui va commander le transistor doit être en sortie (OUTPUT) et il suffit de lui envoyer un état haut pour commander le circuit.C’est simple à utiliser un transistor, la partie la plus « complexe » c’est les calculs de puissance pour savoir quel composant utiliser.

 

Transistor commandé en mode analogique

Dans ce cas, nous allons varier la vitesse du moteur en commandant le transistor (Base) avec la sortie PWM de la carte RobotDyn UNO.

L’Arduino est en train de pulser (très rapidement) entre 0 et 5V de sorte que la tension moyenne se situe quelque part entre 0 et 5V. Ces sorties sont sur 8 bits. 0 correspond à 0V et 255 correspond à 5V.

Et ce qui est classe avec le TIP120, c’est qu’il supporte le PWM et retransmet linéairement l’information de pilotage ! Le PWM peut être transmis à travers le transistor, ce qui nous permet de contrôler la vitesse d’un moteur, exactement comme si ces composants étaient reliés directement à l’Arduino !

Tout ce que vous devez faire pour en profiter est de vous assurer que la base du TIP120 est connectée à une broche PWM de votre microcontrôleur !

 

Vous en avez fait une copie?