Worldlex Wiki Une source de courant est un circuit électronique qui fournit ou absorbe un courant électrique indépendamment de la tension à ses bornes.
Une source de courant est le dual d'une source de tension . Le terme « puits de courant » est parfois utilisé pour désigner les sources alimentées par une tension négative. La figure 1 illustre le symbole schématique d'une source de courant idéale alimentant une charge résistive . Il en existe deux types : une source de courant indépendante (ou puits de courant) fournit un courant constant, tandis qu'une source de courant dépendante fournit un courant proportionnel à une autre tension ou un autre courant du circuit.
Une source de courant idéale génère un courant indépendant des variations de tension à ses bornes. Il s'agit d'un modèle mathématique dont le fonctionnement réel est très proche. Si le courant traversant une source de courant idéale peut être déterminé indépendamment de toute autre variable du circuit, on parle de source de courant indépendante . À l'inverse, si le courant traversant une source de courant idéale est déterminé par une autre tension ou un autre courant du circuit, on parle de source de courant dépendante ou contrôlée . Les symboles correspondants sont illustrés sur la figure 2.
La résistance interne d'une source de courant idéale est infinie. Une source de courant indépendante, ne fournissant aucun courant, est identique à un circuit ouvert idéal . La tension aux bornes d'une source de courant idéale est entièrement déterminée par le circuit auquel elle est connectée. En court-circuit , la tension est nulle, et la puissance fournie est donc nulle. Connectée à une résistance de charge , la source de courant ajuste la tension de manière à maintenir le courant constant ; ainsi, dans une source de courant idéale, la tension à ses bornes tend vers l'infini lorsque la résistance de charge tend vers l'infini (circuit ouvert).
Aucune source de courant physique n'est idéale. Par exemple, aucune source de courant physique ne peut fonctionner lorsqu'elle est appliquée à un circuit ouvert. Deux caractéristiques définissent une source de courant réelle : sa résistance interne et sa tension de seuil . La tension de seuil correspond à la tension maximale que la source de courant peut fournir à une charge. Sur une plage de charge donnée, certains types de sources de courant réelles peuvent présenter une résistance interne quasi infinie. Cependant, lorsque la source de courant atteint sa tension de seuil, elle cesse brusquement de fonctionner.
En analyse de circuits, une source de courant présentant une résistance interne finie est modélisée en plaçant la valeur de cette résistance aux bornes d'une source de courant idéale ( circuit équivalent de Norton ). Cependant, ce modèle n'est valable que lorsque la source de courant fonctionne dans sa plage de tension de conformité.
Mises en œuvre
Source de courant passive
La source de courant non idéale la plus simple est constituée d'une source de tension en série avec une résistance. L'intensité du courant fourni par une telle source est donnée par le rapport de la tension aux bornes de la source à la résistance ( loi d'Ohm ; une chute de tension nulle à ses bornes (court-circuit, condensateur déchargé, inductance chargée , masse virtuelle, etc.). L'intensité du courant fourni à une charge présentant une tension non nulle (chute de tension) à ses bornes (résistance linéaire ou non linéaire de valeur finie, condensateur chargé, inductance déchargée, source de tension, etc.) sera toujours différente. Elle est donnée par le rapport de la chute de tension aux bornes de la résistance (différence entre la tension d'excitation et la tension aux bornes de la charge) à sa valeur.
Pour une source de courant quasi idéale, la valeur de la résistance doit être très élevée. Cependant, cela implique que, pour un courant donné, la source de tension doit également être très élevée (à la limite où la résistance et la tension tendent vers l'infini, la source de courant devient idéale et le courant est alors totalement indépendant de la tension aux bornes de la charge). Par conséquent, le rendement est faible (en raison des pertes dans la résistance) et il est généralement peu pratique de réaliser une source de courant performante de cette manière. Néanmoins, un tel circuit offre souvent des performances adéquates lorsque le courant et la résistance de charge sont faibles. Par exemple, une source de tension de 5 V en série avec une résistance de 4,7 kΩ fournira un courant approximativement constant de générateur Van de Graaff est un exemple de source de courant à haute tension. Grâce à sa tension de sortie très élevée et à sa résistance de sortie très élevée, il se comporte comme une source de courant quasi constant et fournit ainsi le même courant de quelques microampères quelle que soit la tension de sortie, jusqu'à des centaines de milliers de volts (voire des dizaines de mégavolts ) pour les versions de laboratoire de grande taille.
Sources de courant actif sans rétroaction négative
Dans ces circuits, le courant de sortie n'est pas surveillé et contrôlé au moyen d' une rétroaction négative .
Implémentation non linéaire stable en courant
Ces circuits sont réalisés à l'aide de composants électroniques actifs (transistors) présentant une caractéristique de sortie non linéaire stable en courant lorsqu'ils sont alimentés par une grandeur d'entrée constante (courant ou tension). Ils se comportent comme des résistances dynamiques, modifiant leur résistance de sortie pour compenser les variations de courant. Par exemple, si la résistance de la charge augmente, le transistor diminue sa résistance de sortie (et inversement ) afin de maintenir une résistance totale constante dans le circuit.
Les sources de courant actives ont de nombreuses applications importantes dans les circuits électroniques . Elles sont souvent utilisées à la place des résistances ohmiques dans les circuits intégrés analogiques (par exemple, un amplificateur différentiel ) pour générer un courant qui dépend légèrement de la tension aux bornes de la charge.
Les montages à émetteur commun, alimentés par un courant ou une tension d'entrée constante, et à source commune ( cathode commune ), alimentés par une tension constante, se comportent naturellement comme des sources (ou des puits) de courant, du fait de leur impédance de sortie élevée. La sortie d'un simple miroir de courant est un exemple de source de courant couramment utilisée dans les circuits intégrés . Les montages à base commune , grille commune et grille en commun peuvent également servir de sources de courant constant.
Un JFET peut être utilisé comme source de courant en reliant sa grille à sa source. Le courant alors circulant est le courant diodes régulatrices de courant , diodes à courant constant ou diodes limiteuses de courant (CLD). Alternativement, un MOSFET ( transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur ) à canal N en mode de déplétion peut être utilisé à la place d'un JFET dans les circuits listés ci-dessous pour une fonctionnalité similaire.
Suite à la mise en œuvre de la tension
Exemple : source de courant amorcée .
Mise en œuvre de la compensation de tension
Une simple résistance passive constitue une source de courant idéale uniquement lorsque la tension à ses bornes est nulle ; une compensation de tension par contre-réaction parallèle peut donc être envisagée pour améliorer la source. Les amplificateurs opérationnels avec contre-réaction minimisent la tension à leurs entrées. L'entrée inverseuse devient ainsi une masse virtuelle , le courant circulant alors à travers la contre-réaction (ou charge) et la source de courant passive. La source de tension d'entrée, la résistance et l'amplificateur opérationnel forment une source de courant « idéale » de valeur amplificateur de transimpédance et l' amplificateur inverseur à amplificateur opérationnel sont des exemples typiques de ce principe.
La charge flottante constitue un inconvénient majeur de cette solution de circuit.
Mise en œuvre actuelle de la rémunération
Un exemple typique est la source de courant de Howland et son dérivé, l'intégrateur de Deboo . Dans ce dernier exemple (Fig. 1), la source de courant de Howland est composée d'une source de tension d'entrée de convertisseur courant-tension simple , connectée dans la boucle de rétroaction. La charge externe de cette source de courant est connectée sur le trajet du courant alimentant la résistance de mesure de courant, mais hors de la boucle de rétroaction.
Le suiveur de tension ajuste son courant de sortie convertisseur tension-courant (source de courant commandée en tension, VCCS) ; on peut le considérer comme un convertisseur courant-tension inversé (par rétroaction négative). La résistance R détermine le rapport de transfert ( transconductance ).
Les sources de courant mises en œuvre sous forme de circuits avec rétroaction négative en série présentent l'inconvénient que la chute de tension aux bornes de la résistance de détection de courant diminue la tension maximale aux bornes de la charge (la tension de conformité ).
Sources de courant à transistors simples
diode à courant constant
La source ou le puits de courant constant le plus simple est constitué d'un seul composant : un JFET dont la grille est reliée à la source. Lorsque la tension drain-source atteint une certaine valeur minimale, le JFET entre en saturation, le courant devenant alors approximativement constant. Cette configuration est appelée diode à courant constant , car son comportement est similaire à celui d'une diode à tension constante ( diode Zener ) utilisée dans les sources de tension simples.
En raison de la grande variabilité du courant de saturation des JFET, il est courant d'inclure également une résistance de source (illustrée dans l'image adjacente) qui permet de réduire le courant à une valeur souhaitée.
source de courant à diode Zener
Dans cette implémentation à transistor bipolaire (BJT) (Figure 4) du principe général décrit ci-dessus, un stabilisateur de tension Zener (R1 et DZ1) pilote un suiveur d'émetteur (Q1) chargé par une résistance d'émetteur constante (R2) mesurant le courant de charge. La charge externe (flottante) de cette source de courant est connectée au collecteur de cette source, de sorte que le courant qui la traverse est quasiment identique à celui qui traverse la résistance d'émetteur (ces deux éléments étant considérés comme connectés en série). Le transistor Q1 ajuste le courant de sortie (collecteur) afin de maintenir la chute de tension aux bornes de la résistance d'émetteur constante R2 quasiment égale à la chute de tension, relativement constante, aux bornes de la diode Zener DZ1. Par conséquent, le courant de sortie est quasi constant même en cas de variation de la résistance et/ou de la tension de charge. Le fonctionnement du circuit est détaillé ci-dessous.
Une diode Zener , polarisée en inverse (comme illustré dans le circuit), présente une chute de tension constante à ses bornes, indépendamment du courant qui la traverse. Ainsi, tant que le courant Zener ( diode Zener ( transistor NPN Q<sub>1</sub>. La tension Zener constante est appliquée entre la base de Q<sub>1</sub> et la résistance d'émetteur R<sub>2</sub>.
La tension aux bornes de
Source de courant à transistor avec compensation par diode
Les variations de température modifient le courant de sortie fourni par le circuit de la figure 4, car la tension
Source de courant constant avec compensation thermique
L'une des limitations des circuits des figures 5 et 6 réside dans l'imperfection de la compensation thermique. Dans les transistors bipolaires, l' augmentation de la température de jonction entraîne une diminution de la chute de tension Le circuit de gauche résout le problème thermique (voir aussi limitation de courant ). Pour comprendre son fonctionnement, supposons qu'une tension vienne d'être appliquée à V+. Le courant circule à travers R1 jusqu'à la base de Q1, le rendant conducteur et amorçant ainsi la circulation du courant à travers la charge vers le collecteur de Q1. Ce même courant de charge sort ensuite de l'émetteur de Q1 et traverse par conséquent La source de courant à transistor simple de la figure 4 peut être améliorée en insérant la jonction base-émetteur du transistor dans la boucle de rétroaction d'un amplificateur opérationnel (figure 7). L'amplificateur opérationnel augmente alors sa tension de sortie pour compenser la chute de tension les miroirs de courant présente un autre exemple de ces miroirs de courant à gain amplifié .
sources de courant des régulateurs de tension
Le montage à contre-réaction générale peut être réalisé par un régulateur de tension intégré ( LM317 , figure 8). Comme pour le suiveur d'émetteur nu et le suiveur à amplificateur opérationnel précis décrits précédemment, il maintient une chute de tension constante (1,25 V) aux bornes d'une résistance constante (1,25 Ω) ; un courant constant (1 A) circule donc à travers la résistance et la charge. La LED s'allume lorsque la tension aux bornes de la charge dépasse 1,8 V (le circuit indicateur introduit une erreur). La mise à la masse de la charge constitue un avantage important de cette solution.
Tubes à courant continu
Les tubes en verre remplis d'azote avec deux électrodes et une quantité calibrée de Becquerel (désintégrations par seconde) de 226 Ra offrent un nombre constant de porteurs de charge par seconde pour la conduction, ce qui détermine le courant maximal que le tube peut laisser passer sur une plage de tension de 25 à 500 V.
Comparaison des sources de courant et de tension
La plupart des sources d'énergie électrique ( réseau électrique , batterie , etc.) sont modélisées de façon optimale comme des sources de tension ; cependant, certaines (notamment les cellules solaires ) sont mieux modélisées comme des sources de courant. Il est parfois plus simple de considérer une source de courant comme une source de tension et inversement (voir la conversion sur la figure 9) en utilisant les théorèmes de Norton et de Thévenin .
Les sources de tension fournissent une tension de sortie quasi constante tant que le courant consommé reste dans les limites de leur capacité. Une source de tension idéale, chargée par un circuit ouvert (c'est-à-dire une impédance infinie ), ne fournit aucun courant (et donc aucune puissance). En revanche, lorsque la résistance de la charge tend vers zéro ( court-circuit ), le courant (et donc la puissance) tend vers l'infini. Un tel dispositif théorique présente une impédance de sortie nulle en série avec la source. Les sources de tension réelles, quant à elles, possèdent une impédance de sortie non nulle , de préférence très faible (souvent bien inférieure à 1 ohm).
À l'inverse, une source de courant fournit un courant constant tant que l'impédance de la charge est suffisamment inférieure à son impédance parallèle (de préférence très élevée, voire infinie). Dans le cas des sources de courant à transistors, des impédances de quelques mégohms (à basses fréquences) sont typiques. La puissance étant le produit du courant au carré par la résistance, lorsqu'une résistance de charge connectée à une source de courant tend vers zéro (court-circuit), le courant, et donc la puissance, tendent tous deux vers zéro.
Les sources de courant idéales n'existent pas. En les connectant hypothétiquement à un circuit ouvert idéal , on aboutirait au paradoxe suivant : un courant constant et non nul (provenant de la source) traverserait un élément parcouru par un courant nul (le circuit ouvert). Lorsque la résistance de charge d'une source de courant idéale tend vers l'infini (circuit ouvert), la tension à ses bornes tendrait également vers l'infini (car la tension est égale au produit du courant par la résistance ), et par conséquent la puissance absorbée tendrait elle aussi vers l'infini. Le courant d'une source de courant réelle connectée à un circuit ouvert circulerait alors à travers son impédance parallèle interne (et serait dissipé sous forme de chaleur).
De même, les sources de tension idéales n'existent pas. Connecter hypothétiquement une source de tension à un court-circuit idéal engendrerait un paradoxe similaire : une tension non nulle serait présente aux bornes d'un élément dont la tension est définie comme nulle (le court-circuit).
De même qu'il est impossible de connecter deux sources de tension en parallèle, il est impossible de connecter deux sources de courant en série. Attention : certains circuits utilisent des composants similaires, mais non identiques, à des sources de tension ou de courant et peuvent fonctionner lorsqu'ils sont connectés de manière à être interdits pour des sources de courant ou de tension réelles. Par ailleurs, tout comme on peut connecter des sources de tension en série pour additionner leurs tensions, on peut connecter des sources de courant en parallèle pour additionner leurs courants.
Charger un condensateur
Puisque la charge d'un condensateur est égale à l'intégrale du courant par rapport au temps , une source de courant constant idéale charge le condensateur linéairement avec le temps, indépendamment de toute résistance en série. Le convertisseur analogique-numérique Wilkinson , par exemple, exploite cette linéarité pour mesurer une tension inconnue en mesurant le temps nécessaire à une source de courant pour charger le condensateur à cette tension. Une source de tension, en revanche, charge le condensateur à travers une résistance de manière non linéaire avec le temps , car le courant de charge de la source de tension décroît exponentiellement avec le temps.