Circuits à transistors bipolaires
Le but de cette page est de vous démontrer l'utilité de la résistance Re, dite de contre-réaction, que l'on recontre au niveau de l'émetteur des transistors bipolaires dans de nombreux montages amplificateurs. Cette résistance influe évidemment les points de polarisation (tensions statiques) du transistor, mais n'est pas indispensable.
Sans rentrer dans les détails physiques des semi-conducteurs, un transistor bipolaire c'est d'abord deux jonctions PN tête-bêche. Les caractéristiques physiques de ce type de jonction sont très sensibles aux variations de température, et de fait les tensions et courants du transistor peuvent varier de manière incontrolée, ce qui n'est pas tolérable pour certains montages.
Un transistor en régime linéaire dissipe une certaine puissance P proportionnelle à son courant collecteur et à la tension Vce :
Une inévitable augmentation de la température du transistor s'en suit, ce qui a pour principale conséquence de réduire la tension de seuil de la jonction base - émetteur du transistor. Regardons maintenant l'expression de courant de base en fonction de cette tension Vbe sans résistance d'émetteur (inverseur en position 2):
Sans résistance d'émetteur, le courant Ic augmente avec la décroissance de Vbe (diminution due à l'augmentation de la température de la jonction B-E). Le courant collecteur Ic évolue donc constamment dans le temps, son intensité est donc faussée par rapport aux valeurs théoriques calculées. En réalité, ce courant dépend aussi d'autres paramètres du transistor, on peut donc difficilement prédire son évolution. Même s'il ne va pas évoluer infiniment, un transistor non équipé d'un dispositif de refroidissement adéquat risque d'être détruit, au mieux un équilibre thermique va s'installer avec une valeur de Ic "limite", équilibre difficilement stable et imprévisible, autrement dit inexploitable.
Seule solution ici pour limiter cette dérive de Ic, placer un dissipateur de chaleur sur le transistor, surtout si son gain est élevé. La résistance thermique du radiateur étant plus faible que celle de l'air environnant, une quantité plus importante de puissance va pouvoir être dissipée et ainsi l'augmentation en température des jonctions en ressortira affaiblie.
Considérons maintenant le cas où une résistance est placée au niveau de l'émetteur (inverseur en position 1):
Observez bien ces équations : toute diminution de Vbe entraine une augmentation de Ib et tout accroissement de Ib entraine un accroissement parallèle de la tension Ve. L'effet de Vbe sur Ib est donc contré par Ve, c'est pourquoi on parle de contre-réaction. Dans la pratique, la diminution de Vbe est différente de l'augmentation de Ve, il n'y a donc pas compensation exacte (quasi impossible à obtenir expérimentalement) et de surcroit le courant augmente, mais beaucoup moins que sans Re !
A ce niveau, je pense que vous comprenez déjà mieux l'utilité de la résistance d'émetteur dans les montages à transistor bipolaire. Pour le sceptiques, voici une démonstration plus rigoureuse de la chose :
Lisez attentivement les deux formules finales, vous comprendrez facilement l'intérêt de Re. Cette dernière se retrouve au dénominateur, mais elle est surtout multipliée par B+1 , ce qui la rend "virtuellement" plus élevée et donc augmente son influence sur le taux de variation de Ic en fonction de la température. Par rapport au cas sans résistance d'émétteur, le taux est nettement inférieur, ce qui est rassurant puisque c'est ce que l'on cherche à démontrer depuis le début !
NB : il existe d'autres méthodes de contre-réaction pour "freiner" la dérive du courant, mais celle-ci est très simple et souvent mise en oeuvre malgré sa simplicité !