r E C H N I Q U E

Sc tchon^y i ^ f§%f ieUj *n c M t i w u > L > t o i ^

L'électronicien choisit souvent les dissipateurs d'une manièreempirique, ce qui n'apporte pas toutes les garanties de longévité souhaitables pour les transistors.Il est vrai que la transmission de la chaleur relève plus de la

" A:. physique que de l'électronique. Néanmoins ■ et cela réconciliera le physicien et l'électronicien - le problème peut être traité d'une façontrès simple par analogie avec un circuit électrique.Considérons un circuit électrique auquel s'applique la loi d'Ohm (figure 1).Nous avons un potentiel U1. un courant I et 3 résistances RI, R2. R3. Lecourant I traverse ces trois résistances et le potentiel électrique diminuegraduellement lors du passage du courant dans ces résistances.Dans le cas de la figure 2, une puissance se développe au niveau de la jonction du transistor et s'évacue vers le milieu ambiant (masse thermique) enpassant successivement dans les différentes résistances thermiques Rjb(résistance thermique Jonction-Boîtier), Rgq (résistance thermique Boîtier-Radiateur) et Rra (résistance thermique Radiateur-Ambiante), le températures allant en décroissant : TJ (température de la Jonction), TB (température du Boîtier), TR [température du Radiateur), pour arriver à TA (température Ambiante).Il y a analogie entre I et R U1 et TJ. U2 et TB. U3 et TR, la masse et TA.Une différence de températijre est en fait une différence de potentiel thermique.Une bonne évacuation de la puissance dissipée dans le transistor au niveaude la jonction suppose donc des résistances thermiques faibles. Par similitude avec l a f o rmu le U

R —

celle que nous utiliserons, sera donc : TR t h = -

et cette résistance thermique Rth s'exprimera en degrés centigrades parwatt (°C/W).La résistance thermique jonction-boîtier (Rjg) est propre à chaque transistor. Sa valeur est donnée par le fabricant. Celui-ci fournira d'ailleurs le plussouvent l'inverse de la résistance thermique : la conductance thermique, ouderating, exprimée en watts par degré centigrade (W/®C).

On obtiendra donc facilement la résistance thermique à partir de la conductance thermique. Exemple : à un derating de 20 mW par degré correspondra une résistance thermique de

150 degrés par watt.

0 , 0 2 ^ ^Pour fixer les idées, la Rjb d'un transistor 2N2222 est de 83,5®C/W, soitun derating de 12 mW/®C environ f 1

0,0835J

Notons que la Rja est de 300°C/W (figure 5). Pour un transistor2N2219, la Rjb est de 50''C/W, soit un derating de

= 0,G2W/°C

5,0 =20mW/°C.Pour un transistor 2N3055, la Rjb est de 1 .SB'C/W, soit 0,885 W/T.Dans la pratique, la résistance thermique boîtier-radiateur Rga n'est pasprise en compte lorsqu'elle est faible devant Rjb. Elle dépend de nombreuxparamètres : type de transistor utilisé, donc surface de contact avec leradiateur, utilisation ou non d'un isolant (mica, etc.), utilisation ou non d'unegraisse spéciale bonne conductrice de la chaleur, couple de serrage, étatde surface du radiateur et du transistor = sa valeur peut varier ente 0,2 et1 degré par watt. Toutefois, dans le cas d'un transistor de puissance,comme par exemple le 2N3055, dont la Rjb est faible, la Rbr ne sera pasnégligée.La température maximale admissible d'une jonction silicium est en généralde +175''C. Si l'on considère un transistor 2N2219 pouvant dissiper3 watts lorsque son boîtier est maintenu à grâce à un radiateur parfait (Rba = 0) - on emploie aussi l'expression ■ "radiateur infini" - il ne pourraplus dissiper la moindre puissance si le boîtier est lui-même maintenu à+175®C (TA = UB'C). Comme on peut le voir sur la figure 3, il suffit dejoindre ces deux points caractéristiques (3 W à +25''C et 0 W à +175®C)pour obtenir le derating du transistor. La pente de la droite ainsi tracée corr e s p o n d b i e n à : „ „3 3 = 0 , 0 2 W / T

175 -25 150 = 20mW/°C

' Masse

Figure 1.

J o n c t i o n

P

B o î t i e r

Figure 2.

R a d i a t e u r

M a s s ethermique(ambiante)

T j

R j b

T b

R b r

T r

R r a

• Ta

P

3 -

2 , 5 -

2 -

1.5 -

1 -

0 , 5 -

0 -

. (W) 1

i1 '

1

1 ^ T( mpératur1 1

(°Ç)+ 2 5 + 5 5 + 1 0 0 + 1 4 5 + 1 7 5

Derating d'un transistor en boîtIerTOS (2N2219) utilisé avec un radiateur parfait.

Figure 3.

M E G A H E R T Z m a g a z i n e I S O - M a r s 1 S 9 B

T E C H N I Q U E

TémpÉ rature

+ 2 5 + 5 5 + 1 0 0 + 1 4 5 + 1 7 5

Derating d'un transistor en boîtier T05 (2N2219) utilisé sans radiateur.

Figure 4.

née. on se servira de la formule suivante, qui estobtenue à partir de la figure B (c'est la figure 2 simplifiée : on a négligé RBR).RJA = Rjb + RBA : RBA = RJA • RJB'

Or,T j -Ta

+ 2 5 + 5 5 + 7 0 + 1 0 0 + 1 4 5 + 1 7 5

Derating d'un transistor en boîtier TOI 8 (2N2222) utilisé sans radiateur.

Figure 5.

D'où

Cette formule nous permettra de résoudre le genrede problème suivant : un transistor 2N2219, enrégime établi, laisse passer un courant de 0,2 A. Latension entre émetteur et collecteur est de 4 volts, Ilest destiné à fonctionner à une températureambiante de +35''C. Nous voulons que la température de la jonction ne dépasse pas +12G°C. Quelradiateur doit-îl recevoir ?Solution : P = 4 V X 0,2 A = 0.8 W

Rba»T j -Ta

-Rjb

1 2 0 - 3 5

0 , 8- S O

BS

0 , 6- 50 = 56°C/W

La Rjb est évidemment l'inverse :175V + 25'C 1 5 0

= 50 °C/W3 W 3

Ainsi, la figure 3 nous permet de déterminer immédiatement que le2N2219 ne peut dissiper que 1,5 W si son boîtier esta +100°C au lieu de3 W si son boîtier est à +25°C.Ce même transistor 2N2219 [voir figure 4) utilisé sans radiateur peut dissiper 0.8 watt à une température ambiante de +25°C, mais ne peut plusdissiper que 0,4 watt à une température ambiante de +100®C, Il s'agitdonc là d'une méthode graphique très facile à utiliser.Pour déterminer le type de radiateur qui convient pour une utilisation don-

7 5 -

5 0 -

2 5 -

G -

T j• -

J o n c t i o n

Figure 6.

2 5 c m ^ 5 0 c m ^ 7 5 c m ^ 1 0 0 c m ^

S u r f a c ede l a

plaquemétal l ique

Résistance thermique d'une plaque d'aluminium carrée,de 3 mm d'épaisseur, disposée verticalement, utilisée comme radiateur

Courbe 1 ; Plaque d'aluminium noirFigure 7. Courbe 2 : Plaque d'aluminium poli

En consultant la documentation du fabricant deradiateurs, nous voyons que le type C092 a unerésistance thermique de 55''C/W et répond aubesoin. Tous les radiateurs pour boîtier TA5 ayantune résistance thermique inférieure à 56°C/W peuvent convenir. Il est parfois nécessaire d'utiliser la

formule sous une autre forme, selon le problème posé : par exemple,lorsque l'on veut calculer la température de la jonction dans des conditionsd'utilisation données, Cette formule devient ; TJ = P [Rjb + Rba) + TA, Ellepermet de résoudre le genre de problème suivant : un transistor 2N3055est muni d'un radiateur de Rba = B'C/W. Il dissipe 10 watts au niveau dela jonction et doit travailler dans une ambiante de +40''C. Le radiateur est-ilsuffisant ?Solution ; Etant donné que la Rjb du 2N3055 est faible [1,52''C/W], ontiendra compte de la valeur de la résistance thermique boîtier-radiateurRbr, estimée à VC/W (voir plus haut),La formule deviendra donc ; TJ = P [Rjb + Rbr + Rra) + TA, D'où TJ = 10[1,52 + 1 + 9) + 40 = 155,2''C, Le radiateur sera donc suffisant, puisque

les 175®C ne seront pas atteintsau niveau de la jonction. On peutaussi résoudre le genre de problème suivant à partir de la formule : TA = TJ - [Rja x P), sachantque Rja » Rja + Rbr + Rra, selonla figure 2, A quelle températureambiante maximale pourra fonctionner un transistor 2N2222 uti

lisé sans radiateur et dissipant 350 millivolts ?Solution : TA = 175 - (300 x 0.35] = +70''C,La méthode graphique serait ici la plus rapide [voir figure 5).Remarque : Lorsque l'on consulte une documentation sur les transistors, il est important de ne pas confondre le derating pour letransistor dont le boîtier est maintenu à +25''C, dont l'inverse est larésistance thermique Rjb (dans ce cas, cela revient à fonctionneravec un radiateur parfait] et le derating pour le transistor sansradiateur fonctionnant à une température ambiante de +25°C : leboîtier est alors à plus de 25®C et l'inverse est la résistance thermique Rja-A défaut de pouvoir disposer de radiateurs du commerce, on pourrautiliser des plaques métalliques dont on peut connaître la résistancethermique en fonction des dimensions en consultant les courbes 1et 2 de la figure 7,

Jean TERRIER. F6FJG

R j b

A W v

T e R b r T a

V v V ^B o î t i e r A m b i a n t e

R j a

M E G A H E R T Z m a g a z i n e I S O - M a r s 1 9 9 8