Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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Détermination d'un Point de Fonctionnement du Transistor :

 

  2. - UTILISATION DES COURBES CARACTÉRISTIQUES D'UN TRANSISTOR

2. 1. -  DÉTERMINATION D'UN POINT DE FONCTIONNEMENT


Les caractéristiques des transistors sont utilisées pour déterminer les conditions de fonctionnement de ces transistors.

On détermine ainsi la valeur des grandeurs électriques intervenant dans ce fonctionnement.

La caractéristique la plus utilisée est celle qui est relative au circuit de sortie.

Considérons le réseau de caractéristiques de la figure 11.

 Caracteristiques_de_sortie

Soit une tension VCE égale à 10 volts et un courant IB égal à 70 µA.

Pour déterminer le courant IC correspondant à ces deux paramètres donnés, il suffit de tracer une verticale à partir de la tension VCE = 10 V ; cette verticale coupe la caractéristique relative à IB = 70 µA au point A. À partir de ce point A, il reste à tracer une ligne horizontale qui coupe l'axe vertical du repère cartésien. Dans le cas présent, on trouve IC = 20 mA.

Le point A est appelé point de fonctionnement. En effet, ce point A permet de connaître les trois paramètres relatifs au fonctionnement du transistor.

Vous remarquez qu'il suffit de connaître deux paramètres parmi trois pour déterminer ce point de fonctionnement.

Supposons par exemple que l'on connaisse IC = 14 mA et IB = 50 µA.

Il suffit de tracer une ligne horizontale correspondant à IC = 14 mA ; celle-ci rencontre la caractéristique IB = 50 µA au point B. On trace alors la verticale issue du point B, ce qui permet de déterminer une tension VCE égale à 9 volts.

Nous allons maintenant examiner le fonctionnement du montage situé à la figure 12.

Transistor_emetteur_commun

Le montage émetteur commun est alimenté par une pile de 24 volts. La résistance variable RB permet de faire varier le courant de base IB.

La résistance RC est la résistance de charge située dans le collecteur du transistor.

La tension aux bornes de la résistance de charge est VR. La somme des tensions VR et VCE est égale à VCC soit 24 volts.

Nous désirons connaître le rapport qui existe entre les trois grandeurs VCE, IC et IB. Nous disposons par exemple du réseau de caractéristiques de sortie avec le paramètre IB.

Il suffit de choisir un certain nombre de valeurs pour le courant IC, puis de calculer la tension VCE pour chacune de ces valeurs. Cela nous permettra de placer autant de points sur le réseau de caractéristiques.

Pour IC = 5 mA,

VR = RC x IC = 800 x 5 x 10-3 = 4 volts, soit VCE = VCC - VR

d'où VCE = 24 - 4 = 20 volts.

Cela nous donne les coordonnées d'un premier point que nous nommons A sur la figure 13.

Trace_de_la_droite_de_charge

De la même façon, pour IC = 10 mA, VR = 8 volts et VCE = 16 volts (point B).

Pour IC = 15 mA, VCE = 12 volts (point C)

Pour IC = 20 mA, VCE = 8 volts (point D)

Pour IC = 25 mA, VCE = 4 volts (point E)

Vous remarquez que ces cinq points sont alignés ; aussi, on peut faire passer une droite par ces points que l'on appelle droite de charge.

Cette droite de charge représente l'ensemble des points de fonctionnement pour le transistor. C'est-à-dire que pour chaque point de la droite, on peut déterminer les trois grandeurs VCE, IC et IB correspondantes.

Cette droite rencontre les deux axes du repère aux points P et Q. Le point Q correspond à une tension VCE de 24 volts et à un courant IC nul. Le point P correspond à IC = 30 mA et VCE = 0 volt ; dans ce cas, la tension VR est égale à la tension VCC.

Comme vous le savez, il suffit de connaître deux points pour déterminer une droite. Or, dans le cas présent, il est possible de connaître ces deux points pour tracer la droite de charge.

Nous allons prendre un exemple. Soit une résistance de charge RC égale à 1,3 KW et une tension d'alimentation VCC égale à 16 volts.

Lorsque IC est nul, nous savons que VR = 0 volt et VCE = VCC = 16 volts. Nous avons donc déterminer le point Q' sur l'axe horizontal (figure 13). Pour déterminer le second point, nous posons VCE = 0 volt. Dans ce cas VR = 16 volts et IC = VR / RC = 16 / 1,3 x 103 = 12,3 mA.

Le second point P' correspond donc à IC = 12,3 mA. (Application de la loi d'Ohm).

Il reste à relier ces deux points P' et Q' et ainsi, on a tracé la droite de charge relative à RC = 1,3 KW et VCC = 16 volts.

Sa position est nettement différente de celle examinée auparavant.

Ces deux exemples démontrent donc que la position de la droite de charge est fonction de VCC et de RC.

Il n'est pas toujours possible de déterminer les deux points situés sur les deux axes du repère.

Prenons le cas du réseau situé à la figure 14.

 Trace_droite_de_charge

Soit VCC = 24 volts et RC = 0,3 kW.

Lorsque IC = 0 mA, VCE = VCC = 24 volts. Nous connaissons donc le point Q situé sur l'axe horizontal.

Pour VCE = 0 volt, nous avons IC = VR / RC = VCC / RC soit IC = 24 / 300 = 80 mA.

Or, le point correspondant à IC = 80 mA est situé en dehors du graphique, donc il convient de rechercher un autre point.

On prend donc IC = 50 mA.

On déduit VR = RC x IC = 300 x 50 x 10-3 = 15 volts

et VCE = VCC - VR = 24 - 15 = 9 volts.

Ainsi, le second point S correspond à VCE = 9 volts et à IC = 50 mA.

La droite de charge est donc déterminée par les points Q et S.

Dès lors, il est facile de déterminer les valeurs des grandeurs VCE et IC si l'on fixe le courant IB.

Par exemple, la caractéristique correspondant à IB = 110 µA rencontre la droite de charge au point T (figure 14).

Ce point permet de connaître VCE = 14 volts et IC = 33,5 mA.

2. 2. - LES VALEURS LIMITES POUR UN TRANSISTOR

Comme tout composant, le transistor ne peut fonctionner qu'entre certaines valeurs limites des grandeurs électriques qui lui sont liées.

Ces valeurs limites sont liées au type du transistor, à ses dimensions, à sa constitution...

Par exemple, un transistor de petites dimensions dissipera moins de puissance qu'un autre de dimensions plus importantes.

Pour chaque type de transistor, le constructeur fournit des valeurs limites qui ne doivent pas être dépassées dans les conditions normales d'utilisation. Dans le cas contraire, le transistor peut être irrémédiablement endommagé, ou tout du moins occasionner un fonctionnement anormal.

Les valeurs limites généralement fournies par les constructeurs sont les suivantes :

  • Le courant maximal de collecteur IC max.

  • La tension maximale de collecteur VCE max.

  • La puissance maximale de collecteur PC max.

  • La température maximale de la jonction Tj max.

D'autres valeurs limites relatives à la base et à l'émetteur peuvent être fournies.

a) La valeur maximale du courant de collecteur

Cette valeur est déterminée de façon que le transistor fonctionne correctement et de façon que la jonction ne puisse être endommagée.

Dans la figure 15, cette valeur limite IC max est représentée par une ligne horizontale en pointillé. Dans le cas présent, IC max = 10 mA.

Courant_IC_max 

Le point de fonctionnement du transistor doit être situé en dessous de cette ligne pointillée.

Selon la valeur de la résistance RC, deux situations sont à considérer.

  • Dans un premier cas, la droite de charge est entièrement située en dessous de la ligne pointillée. C'est le cas, par exemple si RC = 1,5 kW (figure 15).

Tous les points de fonctionnement sont ainsi situés en dessous de cette ligne pointillée.

  • Dans un second cas (RC = 800 ohms), la droite de charge coupe la ligne pointillée, par exemple au point A dans l'exemple de la figure 15. Dans ce cas, il est nécessaire de limiter le courant IB à 180 µA. En effet, la caractéristique relative à IB = 180 µA passe précisément par ce point A et tout point de fonctionnement du transistor ne peut être choisi au-dessus du point A. On peut dire que A est un point limite pour le fonctionnement du transistor.

b) La valeur maximale de la tension de collecteur

Lors de l'examen de la diode à jonction, vous avez vu qu'il existait une tension inverse dite "tension de claquage" au-delà de laquelle la diode était endommagée. Or, dans le transistor, la jonction collecteur-base est équivalente à une diode polarisée en inverse.

Il existe donc une tension maximale entre le collecteur et la base du transistor à ne pas dépasser. Autrement dit, il existe une tension VCE max.

Sur la figure 16, la tension VCE max est indiquée par la ligne en pointillée.

 Tension_VCE_max

Le point de fonctionnement du transistor doit être situé à gauche de cette ligne pointillée.

Si la tension VCE dépasse notablement la valeur de VCE max, IC devient très important et le transistor risque d'être détruit.

c) La valeur maximale de la puissance de dissipation du collecteur

Le transistor absorbe une puissance égale au produit de la tension VCE par le courant IC.

Nous avons la relation :

PC = VCE x IC

PC sera exprimée en mW, si VCE l'est en volts et IC en mA.

Cette puissance absorbée par le transistor correspond à une consommation d'énergie électrique.

Cette énergie électrique est transformée dans le transistor en énergie calorifique par effet Joule. Par conséquent, il y a échauffement du transistor ; en particulier la température de la jonction augmente.

Or, comme la température de jonction ne peut dépasser une certaine valeur, il est nécessaire de limiter la puissance dissipée par le transistor.

L'augmentation de la température de la jonction peut se déduire de la formule suivante :

Formule_de_la_jonction

  • T'j est l'augmentation de température indiquée en °C.

  • Rth est un coefficient appelé résistance thermique du transistor, fonction du type de transistor.

  • Pc est la puissance absorbée par le transistor.

Le coefficient Rth est exprimé en °C / W et indique l'augmentation de température de la jonction en °C pour une dissipation de puissance d'un watt.

Prenons un exemple :

Rth = 400°C / W, VCE = 5 volts, IC = 3 mA,

PC = 5 x 3 = 15 mW

D'où

T'j = 400 x 0,015 = 6° C

La température de la jonction augmente de 6° C.

Pour calculer la température de la jonction, il faut appliquer la relation :

Tj = Ta + T'j

(2)

  • Tj est la température de la jonction

  • Ta est la température ambiante.

En reprenant l'exemple ci-dessus avec Ta = 25° C, nous avons :

Tj = 25 + 6 = 31° C

La température maximale admissible au niveau de la jonction se situe entre 150° C et 200° C pour un transistor au silicium.

La température de la jonction Tj dépend de la température ambiante Ta et de l'augmentation de température T'j qui est fonction de PC. Par conséquent, la puissance maximale admissible PC max dépend non seulement du type de transistor mais aussi de la Ta.

Un constructeur indique donc une valeur de PC max pour une température Ta fixée.

Généralement, les valeurs de Rth et de Tj max sont fournies par le constructeur.

Dans ces conditions, on peut calculer PC max à partir des relations (1) et (2) :

Calcul_de_la_puissance_PC_max

Si l'on connaît les valeurs de Tj max, Ta et Rth, il est facile de calculer PC max.

Il est intéressant de voir comment la connaissance de PC max limite la zone d'utilisation du réseau de caractéristiques.

Puisque la valeur de PC max est connue, il est facile de tracer une courbe représentant la relation :

VCE x IC = PC max

La figure 17 représente un exemple avec trois courbes relatives à trois valeurs de PC max (400 mW, 200 mW et 100 mW).

 Courbes_Isopuissance_du_transistor

Ces courbes sont appelées courbes d'isopuissance, car pour tous les points de fonctionnement situés sur une courbe, la puissance dissipée par le transistor est identique.

Généralement, on reporte sur le réseau de caractéristiques la courbe d'isopuissance, IC max et VCE max comme cela apparaît à la figure 18.

 Caracteristiques_de_sortie_du_transistor

Tout point de fonctionnement devra être situé dans la zone comprise entre les deux axes du repère, les deux segments de droite représentant IC max et VCE max et la courbe d'isopuissance correspondant au transistor utilisé.

Pour une température ambiante de 25° C, PC max est égale à 125 mW et par conséquent, la zone utile est délimitée par les points 0, A, B, C et D.

Cette zone utile décroît rapidement si la température ambiante augmente : Si Ta = 55° C, PC max = 50 mW ; dans ce cas, la surface utile est délimitée par les points 0, A, B', C' et D.



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