Transistor en parallèle et résistance

Pour augmenter le courant et la puissance d'un montage à transistor, on peut en monter plusieurs en parallèle, mais à condition d'ajouter une résistance à chaque transistor. Le but est de répartir la puissance totale à dissiper de façon équitable entre chaque transistor.

La mise en parallèle de plusieurs transistors est expliquée dans cet article.

Transistors en parallèle : quelle résistance R choisir ?

Pourquoi monter des transistors en parallèle ?

Si par exemple, on souhaite faire passe 20 Ampères et qu'on ne dispose que de transistors de 15 A, il faudra en mettre deux en parallèle. Pour les amplis audio de puissance, les transistors sont montés en parallèle aussi pour répartir la dissipation de chaleur.

Transistor en parallèle : dangers

Dispersion des gains en courant

Si on monte 2 transistors en parallèle pour disposer d'un plus grand courant, on pourrait penser qu'ils partageront le courant total en faisant "moitié-moitié" mais il n'en est rien ! Leur gain en courant (hfe) va du simple au double d'un transistor à l'autre. Les datasheets des fabricants ne garantissent pas de précision plus grande !

Extrait du datasheet du 2SC5200 (230 V, 15 A, 150 W)

Note : le 2SC5200 est très utilisé dans les amplis audio. Une paire de 2SC5200 et2SA1943 convient à un ampli de 100 W efficaces.

Selon le groupe de transistors (marquage "R" ou marquage "O"), le gain hfe va de 55 à 110 ou de 80 à 160.

La répartition des courants ne peut pas se baser sur l'égalité des gains en courant ! Il n'est pas simple de choisir dans un lot 2 transistors dont le gain est proche. Cela suppose d'acheter un lot entier, puis de trier pour obtenir la plus petite différence.

Nous allons voir plus bas que l'ajout d'une résistance compense ce problème...

- Dérive thermique de la tension base-émetteur du transistor

Deux transistors de puissance en parallèle peuvent avoir des températures différentes à cause de leur montage, de la forme du radiateur où ils sont fixés, etc.

Pour un courant de base donné, la tension Vbe diminue d'environ 2 mV par degré. Par exemple, dans un circuit donné où on mesure Vbe = 0,6 Và 25°C, on aura Vbe = 0,598 V à 26°C ... et Vbe = 0,4 V environ à 125°C.

Courant collecteur en fonction de la tension base-émetteur pour 100°C, 25°C et -25°C

Mauvais montage de transistors en parallèle

Dans ce mauvais montage, la tension Vbe est forcément identique pour les 2 transistors. Le transistor le plus chaud des deux laisse passer un courant collecteur (beaucoup) plus important, sa dissipation est donc proportionnellement plus grande, il s'échauffe ainsi davantage. La dérive thermique est un cercle vicieux. Il y a dérive thermique jusqu'à ce qu'un transistor dissipe 100% de la puissance totale... si il ne grille pas avant ! Cette situation instable est à éviter

Transistors en parallèle : la bonne solution

Pour utiliser des transistors en parallèle, il faut ajouter une résistance à chaque émetteur (résistance ballast). Si le transistor le plus chaud (ou dont la tension Vbe est plus faible pour un même courant collecteur) laisse passer un plus grand courant, la tension aux bornes de la résistance de son émetteur augmente, la tension Vbe diminue et le courant diminue. Il y a ainsi une rétroaction négative qui évite l'emballement.

Bon montage de transistors en parallèle

Choix de la valeur de la résistance d'émetteur

Il s'agit d'un compromis entre répartition des courants et pertes. Si la valeur est trop petite, l'équilibrage des courant est mauvais. Si la valeur est trop grande, une grande puissance est dissipée dans les résistances d'émetteur. Un compromis est trouvé lorsque la tension aux bornes de ces résistances est de l'ordre de Vbe (0,6 V à 1 V) quand le plus grand courant circule.

Un exemple numérique détaillé est présenté ci dessous.

Considérons deux transistors : un est à 25°C et l'autre à 100°C. Cela correspond aussi approximativement à 0,1 V de différence de Vbe pour le même courant (voir la courbe Ic - Vbe plus haut). C'est un ordre de grandeur à titre d'exemple seulement (très pessimiste par rapport à la réalité).

Transistors en parallèle sans résistance d'émetteur

Ici, aucune résistance d'émetteur n'est installée. Les émetteurs sont connectés directement.

Transistors en parallèle : R = 0,0 Ohm

Transistors en parallèle avec résistance d'émetteur

On modifie maintenant le montage en ajoutant une résistance en série avec chaque émetteur. Un meilleur équilibrage des courants a lieu.

Résistance d'émetteur : 0,1 Ohm

Transistors en parallèle : R = 0,1 Ohm

Ici, la répartition des courants et des puissances est 60% / 40%.

Résistance d'émetteur : 0,2 Ohm

Transistors en parallèle : R = 0,2 Ohm

Résistance d'émetteur : 0,5 Ohm

Transistors en parallèle : R = 0,5 Ohm

Ici, la répartition des courants et des puissances est 52% / 48%.

La puissance dissipée est de 1,3 V x 2,6 A = 3,4W. Ca commence à faire beaucoup...

Il s'agit donc d'un compromis entre puissance dissipée dans les résistances d'émetteur et équilibrage des courants. En pratique, une valeur de R = 0,2 Ohm est un bon compromis (la tension à ses bornes de l'ordre de Vbe).

Transistors en parallèle : analogie mécanique avec une table bancale

Les pieds d'une table bancale ne se répartissent pas le poids de la table de façon équi...table !

Pour pallier ce problème, on peut placer un ressort sous chaque pied de la table bancale.

Pieds de la table en "parallèle" : répartition du poids total de la table sur chaque pied

Chaque ressort est à comparer à la résistance d'émetteur :

- Longueur du ressort (longueur au repos + élongation (x)) : tension aux bornes de la résistance (U)

- Force (F) sur le ressort (et sur le pied) : courant (I) dans chaque résistance (et chaque transistor)

- Raideur (k) du ressort : inverse de la résistance (R)

F = k . x correspond à I = 1/R . U

Résistance d'émetteur de valeur faible

Résistance d'émetteur de valeur plus élevée

Transistors en parallèle : 2, 3, et plus

On peut mettre plus de 2 transistors en parallèle sans problème. Chaque transistor doit avoir sa résistance ballast placée à son émetteur.

Montage de 4 transistors en parallèle

Pour réduire l'écart de température entre 2 transistors en parallèle, on a intérêt à fixer les transistors sur le même radiateur. Les amplis audio de forte puissance utilisent cette méthode.

Voyons comment sont montés des transistors d'amplis audio commercialisés, donc testés et éprouvés.

Etage de sortie d'ampli audio

Etage de sortie d'ampli audio (un autre)

Etage de sortie d'ampli audio (un dernier)

Conclusion sur les transistors en parallèle

L'utilisation de transistors en parallèle est tout à fait possible à condition de placer une résistance d'émetteur de valeur adéquate, résultant d'un compromis. En pratique, la valeur varie de 0,1 à 0,5 Ohm. Les transistors en parallèle doivent être montés sur le même radiateur pour éviter la dérive thermique.