SEMI-CONDUCTEURS 5

3. - LES EFFETS DE LA TEMPÉRATURE SUR LE FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR

3. 1. - EFFETS DE LA TEMPÉRATURE SUR LES CARACTÉRISTIQUES DU TRANSISTOR

Ainsi que vous l'avez vu, si on polarise seulement la jonction collecteur-base, un courant résiduel ICBO circule dans le circuit du collecteur.

Cette jonction étant polarisée en sens inverse, le courant ICBO est dû aux porteurs minoritaires constitués par les couples électron-trou. Le nombre de ces couples augmentent lorsque la température croît. Par conséquent, le courant ICBO augmente aussi.

Cette augmentation du courant ICBO peut influencer le fonctionnement normal du transistor.

Pour déterminer cette influence, il faut tout d'abord connaître la relation entre ICBO et la température ambiante. Pour cela, il faut réaliser le montage de la figure 19.

Le courant ICBO est mesuré avec un microampèremètre. On chauffe le transistor pour suivre l'évolution de ICBO.

On s'aperçoit alors que ICBO double lorsque la température augmente de 10° C (transistor au germanium). Pour un transistor au silicium, ICBO double pour une augmentation de température de 6° C.

Donnons un exemple pour le transistor au germanium.

Pour une température de 25° C, ICBO = 5 µA ; à 35° C, ICBO = 5 x 2 = 10 µA à 45° C, ICBO = 10 x 2 = 20 µA.

On peut ainsi tracer une courbe représentant la variation de ICBO en fonction de la température pour un transistor donné. En effet, pour une température donnée, ICBO peut être différent selon le transistor examiné.

On peut alors tracer le graphique de la figure 20 qui représente l'augmentation relative du courant ICBO en fonction de la température.

 

On voit que ICBO est multiplié par 30 lorsque la température passe de 25° C à environ 75° C. 

Voyons maintenant l'influence de la température sur le courant collecteur lors du fonctionnement normal du transistor.

Considérons le transistor monté en base commune, illustré à la figure 21-a.

 

Le courant d'émetteur IE vaut 2 mA, ICBO vaut 5 µA à 25° C et IC vaut 1,965 mA.

La relation suivante lie ces différentes valeurs.

Calculons le courant IC à 50° C. Le courant ICBO est multiplié par environ 6 (voir figure 20). 

Donc, il vaut 5 µA x 6 = 30 µA = 0,030 mA à 50° C.

D'où IC = (0,98 x 2) + 0,030 = 1,990 mA. (Figure 21-b)

Le courant IC a augmenté de 25 µA, ce qui correspond à l'augmentation du courant résiduel ICBO.

Comme le courant résiduel est toujours faible par rapport au courant de collecteur dans le montage base commune, on peut dire que la température a peu d'influence sur le courant de collecteur.

Considérons maintenant le transistor monté en émetteur commun (figure 21-c).

IB = 35 µA, ICEO = 250 µA à 25° C et IC = 1,965 mA.

Rappel :

• ICEO est le courant résiduel collecteur-émetteur lorsque la base est en l'air.

Ces valeurs sont liées par la relation :

IC = x IB + ICEO

On sait que : = / (1 - )

Or = 0,98

d'où

= 49.

Le courant ICEO peut être calculé à l'aide de la relation suivante déjà vue :

Cette valeur est identique à celle relative au montage base commune (figure 21-a).

Calculons la valeur de IC pour une température de 50° C.

Pour cela, on doit calculer ICEO

Or, ICEO = ( + 1) x ICBO

Donc ICEO = (49 + 1) x 30 µA = 1500 µA = 1, 5 mA

Et IC = 49 x 0,035 + 1,5 mA = 3,215 mA (Figure 21-d)

L'augmentation absolue du courant IC vaut :

Dans les mêmes conditions de température, elle n'était que de 25 µA pour le montage base commune.

En conclusion, Le courant de collecteur d'un transistor monté en émetteur commun est notablement influencé par la température.

C'est par ailleurs le plus grand inconvénient du montage émetteur commun.

La figure 22 permet de voir l'effet de la température sur le réseau de caractéristiques de sortie.

Vous remarquez que lorsque la température passe de 25° C à 55° C, l'ensemble des caractéristiques est décalé vers le haut. La température a également un effet sur la position du point de fonctionnement.

C'est ce que nous allons voir avec le montage de la figure 23.

Dans la figure 22, on a tracé les deux droites de charge relatives à ce montage.

Le courant IB vaut 20 µA.

Par conséquent, à 25° C, le point de fonctionnement A correspond à :

VCE = 5,4 volts et à IC = 2,4 mA

A 50° C, le point de fonctionnement du montage s'est déplacé (point A'). VCE a diminué (4 volts) et IC a augmenté (3,3 mA). Si l'on voulait conserver les mêmes valeurs pour VCE et IC, il faudrait que le courant IB soit de 10 µA (point A").

Dans certains cas, l'augmentation du courant IC entraîne une augmentation de la puissance dissipée par le transistor. Cela a pour effet d'augmenter la température du transistor, d'où l'augmentation du courant IC et de la puissance dissipée et ainsi de suite. Ce phénomène est l'emballement thermique et peut conduire à la destruction du transistor.

Afin d'éviter ce phénomène, il faut recourir à des montages appropriés.

Notez que ces problèmes liés à la température sont surtout sensibles avec les transistors au germanium. Dans le cas des transistors au silicium, les courants résiduels sont nettement inférieurs et par conséquent, l'effet de la température est plus réduit.

3. 2. - STABILISATION THERMIQUE ET COEFFICIENT DE STABILITÉ

Il est nécessaire de limiter les effets de la température. Pour cela, il y a deux solutions : soit empêcher l'augmentation de la température, soit utiliser un montage qui neutralise les effets de la température.

En général, on cherche à réduire le courant de base (montage émetteur commun) lorsque la température augmente.

Dans le cas de la figure 22 ci-dessus, par exemple, on cherchera à fixer IB = 10 µA pour T = 50° C. Ainsi, le point de fonctionnement ne changera pas.

Si l'on veut que le point de fonctionnement ne varie pas, il est nécessaire que le courant IB soit lié directement à la température. Si celle-ci augmente, IB diminue et vice versa.

Pour obtenir cette correction automatique du courant de base, il faut employer un circuit de polarisation particulier.

On définit un coefficient de stabilité (S) pour un circuit déterminé de la façon suivante :

Ce coefficient mesure l'augmentation relative du courant de collecteur IC par rapport à l'augmentation du courant résiduel ICBO.

La valeur de S est inversement proportionnelle à la stabilité thermique.

Dans l'exemple du montage base commune, où l'augmentation de IC est égale à celle de ICEO, on a S = 1.

Pour le montage émetteur commun, le courant ICEO subit une augmentation ( + 1) fois plus importante que celle de ICBO.

ICEO = ( + 1) x ICBO

Par conséquent, le courant IC augmente ( + 1) fois plus que le courant ICBO.

Dans l'exemple choisi, S = 49 + 1 = 50.

La stabilisation thermique est basée sur le phénomène de contre-réaction

Cette stabilisation ayant pour but de maintenir un courant IC constant, lorsque l'on remplace le transistor, le courant IC reste identique à ce qu'il était avant.

L'avantage d'un circuit de stabilisation est donc double : il permet une stabilité en température et le remplacement d'un transistor malgré la dispersion des caractéristiques de ces composants.

3. 2. 1. - STABILISATION PAR CONTRE-RÉACTION DU COLLECTEUR

Ce montage simple est représenté à la figure 24.

 

La résistance RB n'est plus reliée à la tension + VCC, mais au collecteur du transistor.

Si le transistor s'échauffe, le courant IC tend à augmenter, la tension aux bornes de RC tend à augmenter et VCE tend à diminuer. Or, IB VCE / RB donc IB tend à diminuer également. Il en résulte que IC tend à diminuer.

Ce montage s'oppose donc à une variation du courant IB.

Il y a réaction de la tension de sortie VCE sur le courant d'entrée IB.

On peut faire le raisonnement inverse si IC tend à diminuer. On s'aperçoit dans ce cas que IB tend à augmenter, donc que le courant IC tend à se maintenir constant.

Ce montage est intéressant si RC est assez élevée (ou VCE inférieure à VCC / 2). En effet, une petite variation de IC doit entraîner une variation suffisante de VCE.

Ce montage ne sera donc pas approprié lorsqu'un transformateur (enroulement primaire) sera monté en série avec le collecteur. La résistance de l'enroulement primaire est trop faible.

3. 2. 2. - STABILISATION PAR CONTRE-RÉACTION DE L'ÉMETTEUR.

Le circuit de la figure 25-a permet aussi d'avoir un courant IC constant.

Le principe est le suivant. Lorsque IC tend à augmenter, IE tend également à augmenter et par conséquent, VE et VB aussi. Donc, la tension aux bornes de RB tend à diminuer ainsi que IB.

 

Dès lors, IC tend à diminuer. Il y a donc une réaction de la tension d'émetteur VE sur le courant d'entrée IB. La résistance RE doit être assez élevée afin que les variations de IC induisent des variations suffisantes de VE.

Ce montage présente néanmoins plusieurs inconvénients. Tout d'abord, VE possède une valeur proche de VCC / 2 car RE possède une valeur élevée, par conséquent, la tension VCC sera beaucoup plus élevée que dans le cas d'un montage émetteur commun. Ensuite, la résistance RE dissipe une partie importante de la puissance consommée par le montage, donc le rendement du circuit est assez faible.

Ce montage pourra convenir si la puissance consommée n'est pas trop élevée et si le coefficient de stabilité (S) n'est pas trop faible.

Sinon, il est préférable d'utiliser le montage de la figure 25-b.

La base est polarisée par un pont diviseur de tension constitué par R2 et R3. Le courant IB sera beaucoup plus sensible aux variations de VE (ou du courant IC).

Ce montage permet de limiter VE de 10 à 20 % de la tension VCC. La puissance dissipée par RE sera donc nettement inférieure à celle du montage précédent (figure 25-a).

Le courant IP sera 5 à 10 fois supérieur au courant IB, car la tension VB doit être pratiquement constante.

3. 2. 3. - STABILISATION PAR THERMISTANCES

Le montage est représenté à la figure 26 ci-dessous.

La thermistance RT est une résistance dont la valeur est fonction de la température. Elle est constituée par des éléments semi-conducteurs.

Ces thermistances sont de deux types. Dans un premier cas, la valeur de la thermistance augmente avec la température ; on l'appelle une thermistance CTP ou thermistance à Coefficient de Température Positif.

Inversement, la valeur de la thermistance peut diminuer lorsque la température augmente ; il s'agit d'une thermistance CTN à Coefficient de Température Négatif. Ce deuxième type est plus utilisé.

 

C'est celui utilisé dans le montage proposé. Le fonctionnement de ce montage est le suivant.

La tension aux bornes de RB est pratiquement constante car elle est égale à VCC - VBE. Par conséquent, le courant du pont de base IP est constant.

Or IP = IB + IT, donc lorsque la température augmente, RT diminue, IT augmente et par conséquent IB diminue. Ceci a pour effet de diminuer le courant IC, donc de s'opposer à l'élévation de ce courant sous l'effet de la température.

Ce circuit est particulièrement indiqué lorsqu'on ne peut insérer une résistance de valeur suffisante dans l'émetteur.

Il est donc généralement utilisé pour l'étage final de puissance d'un amplificateur.

La thermistance doit être située à proximité du transistor afin de capter les variations de température.

3. 2. 4. - STABILISATION PAR DIODE

Il suffit de remplacer la thermistance CTN du montage précédent par une diode (figure 27).

Le principe de fonctionnement est identique à celui du montage avec thermistance.

Dans le cas présent, IP = IDi + IB.

Lorsque la température s'élève, le courant inverse IDi augmente.

La diode D doit être située à proximité du transistor.

Nous avons terminé l'examen des différents circuits de stabilisation thermique.

Pour limiter les effets de la température, il est nécessaire d'évacuer la chaleur produite par un transistor.

Cela est d'autant plus nécessaire que la puissance dissipée est élevée (cas des transistors de puissance). Ces transistors sont donc fixés sur des radiateurs.

Les radiateurs sont des pièces métalliques dans lesquelles la chaleur produite par les transistors se transmet grâce au phénomène de conduction. Ainsi, l'élévation de température de la jonction est limitée.

En fonctionnement normal, la température de la jonction s'élève jusqu'à une certaine valeur d'équilibre. Quand le transistor atteint cet équilibre, la quantité de chaleur produite par la jonction est égale à la chaleur dissipée dans l'environnement (boîtier du transistor, radiateur et air ambiant).

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