Electronique
> Bases
>
Générateurs de courant constant
Dernière mise à jour : 04/09/2011Présentation
Le présent article décrit plusieurs types de générateurs de courant constant, à base de transistors bipolaires, transistors JFET (petite puissance) et MOSFET (grosse puissance), AOP ou régulateurs de tension linéaires. Le but premier est de montrer quelques schémas pratiques et d'en expliquer brièvement leur fonctionnement. Vous trouverez donc plusieurs montages et pas forcement beaucoup d'explications théoriques. Désolé.Générateur de courant à transistors bipolaires
Le générateur de courant constant dont le schéma suit permet de fournir un courant de quelques mA dans une charge dont une borne est relié côté positif de l'alimentation.
La valeur du courant circulant dans la charge (charge représentée ici par la résistance RC) est définie par la valeur de la tension de zener de D1, et de la valeur de la résistance Rx. La tension aux bornes de la diode zener est relativement constante, tant que le courant qui y circule ne varie pas trop. Et il en est de même pour la tension de la jonction Base-Emetteur du transistor Q1. On peut donc en déduire que la tension aux bornes de la résistances Rx est tout autant constante. Et comme la résistance Rx est une résistance dont la valeur ohmique ne varie pas trop en temps normal, nous pouvons constater un courant relativement constant dans cette dernière. Si le transistor Q1 présente un gain assez important (disons supérieur à 100), on peut négliger la valeur du courant de base par rapport au courant circulant dans la jonction émetteur. En admettant celà, le courant collecteur est sensiblement égal au courant émetteur. Et comme le courant collecteur est celui circulant dans la charge, on en conclue que le courant dans la charge ne dépend pas de la charge, dans certaines limites d'utilisation faut-il tout de même préciser. Dans l'exemple précédent, le courant dans la charge, nommé Irc, est défini par la formule suivante :
Irc = (Vz - 0,7V) / Rx
Irc = (5,1 - 0,7) / 1000
Irc = 4,4 mA
où
Vz est la tension de zener de la diode zener D1.
Prototype de Philippe M. qui a réalisé ce montage en 8 exemplaires pour une application ajustable 4-20 mA (transistors 2N1711) :
Si l'on veut simplifier le calcul, il est possible d'insérer une diode silicium classique de type 1N4148 en série avec la diode zener, de façon à compenser la "perte" de 0,6V de la jonction base-émetteur de Q1, comme le montre le schéma suivant.
On peut de la sorte utiliser la formule approchée suivante :
Irc = Vz / Rx
Personnellement, je trouve un peu luxueux d'ajouter une diode juste pour simplifier le calcul. A vous de voir.
Si mainternant vous souhaitez connecter une des deux bornes de la charge à la masse, et en même temps bénéficier d'un courant plus important, vous pouvez utiliser le montage suivant :
Cette fois, le courant circulant dans la charge (résistance RC) est défini par la formule suivante :
Irc = 0,7 / Rx.
En réalité, cette formule est plutôt approximative, mais elle convient bien pour se faire une idée de la valeur réelle. Ceci dit, si la valeur réelle n'est pas exactement égale à la valeur obtenue par calcul (ce qui n'a rien de bien surprenant en électronique), la stabilité du courant sur variation de la charge est relativement bonne. J'ai plusieurs fois utilisé ce type de montage, notemment pour l'alimentation de plusieurs leds branchées en série (voir page alim led), et en particulier pour mon projecteur à led 002 (dans lequel la charge RC est connectée en haut du schéma et non en bas, mais ça ne change pas grand chose).
Générateur de courant à FET (transistors à effet de champs)
Un transistor à effet de champs (FET en anglais ou TEC en français), peut être utilisé seul - sans aucun autre composant - ou en couple, pour réaliser un générateur de courant constant.Générateur de courant faible puissance à JFET
Ce premier exemple, qui n'utilise qu'un seul FET (BF244 mais d'autres peuvent convenir), permet de générer un courant d'environ 10 mA :
La charge RC peut par exemple être remplacée par une LED classique, en sortie d'une alimentation à tension de sortie ajustable, tel qu'on peut le voir à la page alimentation ajustable 003.
Générateur de courant forte puissance à MOSFET
Si le montage précédent à JFET convient bien pour attaquer une LED standard ou haute luminosité, il ne convient plus pour une LED de forte puissance (1 W ou 3 W par exemple). Il est tout à fait possible de reprendre le schéma du générateur de courant à deux transistors bipolaires et de remplacer le transistor qui délivre le plus de courant par un MOSFET de puissance. C'est ainsi que peut naître le circuit "hybride" suivant qui satisfera sans doute celui qui comme moi veut s'essayer aux LED de forte puissance.
La valeur du courant circulant dans R2 et dans la LED est défini par la valeur de R2, laquelle voit à ses bornes la tension base-émetteur de Q2, d'approximativement 0,7 V. En fait, comme le transistor Q2 commence à conduire un peu avant 0,7 V (disons 0,6 V), le courant réel sera à peu de chose près défini par la formule suivante :
I R2 (A) = I LED (A) = 0,6 (V) / 1,8 (ohm)
Avec R2 qui vaut 1,8 ohm, le courant circulant dans la LED (ou autre type de charge, il n'y a pas que les LED dans la vie) vaut approximativement 330 mA à 360 mA. En remplaçant cette résistance R2 par une de valeur 0,91 ohm (ou mieux, deux de 1,8 ohms en parallèle pour répartir la puissance à dissiper), la valeur du courant constant s'établit à une valeur comprise entre 660 mA et 720 mA. Une commande optionnelle en PWM (via microcontrôleur ou simple NE555) est possible si on monte les composants situés dans le cadre en pointillé. Attention, LED allumée pour commande 0 V et LED éteinte pour commande +5 V - mais vous saurez inverser ça au besoin, n'est-ce pas ? Le transistor Q1/IRFZ44N peut être remplacé par d'autres types de MOSFET, tout comme le transistor Q2/BC142 peut être remplacé par bien d'autres types de NPN (BC107, BC108, BC109, BC237, 2N2222, 2N3904, etc).
La simplicité du circuit se paye par quelques petits inconvénients :
- La régulation de courant est de type linéaire, perte de puissance dans la résistance chutrice R2 et dans le MOSFET = échauffement non négligeable, il faut un radiateur pour le transistor.
- Le réglage progressif du courant est impossible. On ne peut pas remplacer la résistance R2 qui fixe le courant dans la LED par un potentiomètre. Il faudrait un rhéostat... retour à l'âge de pierre !
- La valeur du courant circulant dans R2 et dans la LED dépend un peu de la température ambiante et de la température du transistor MOSFET.
- La précision de R2 joue quelque peu sur le courant réellement débité. Si vous n'obtenez pas le courant désiré, pensez à vérifier la vraie valeur de cette résistance, et le cas échéant n'hésitez pas à la remplacer par une autre (pensez aussi aux associations de valeurs différentes qui restent toujours possibles).
Générateur de courant à AOP (amplificateur opérationnel)
Un AOP peut être mis à contribution pour transformer une tension continue en un courant continu, c'est ce que montre l'exemple suivant, qui permetde faire varier la luminosité d'une led en fonction d'une tension continue de commande.
Avec ce schéma (mis en pratique dans le gradateur de lumière 006), la tension de commande permet de faire varier le courant dans la LED entre 0 et 24 mA environ. Le calcul du courant de sortie est fort simple, dès lors que l'on sait qu'un AOP fait ce qu'il peut pour conserver une tension identique sur ses bornes non-inverseuse et inverseuse. Par exemple, si on lui applique une tension (de commande) de 5 V sur l'entrée non inverseuse, on va aussi trouver une tension de 5 V sur l'entrée inverseuse, et c'est aussi la tension que l'on peut mesurer sur R1. Si R1 vaut 330 ohms et que la tension à ses bornes est de 5 V, cela implique un courant I = 5 / 330 = 15 mA. La valeur max du courant pouvant être débité dans la LED dépend donc de la valeur donnée à la résistance R1, mais elle dépend aussi du type d'AOP utilisé. Avec un 741, on ne pourra guère dépasser 30 mA, ce qui est déjà pas mal. Pour un usage avec des courants plus élevés, il est possible d'associer un transistor de puissance à l'AOP, comme le montre le schéma suivant.
Avec ce montage, le courant dans la LED peut évoluer entre 0 mA et un peu plus de 600 mA quand RV1 est en position max. Il va de soi que vous ne devez pas réaliser ce montage avec une LED standard, à moins de voir jusqu'où elle peut tenir... En adoptant une valeur de 5R6 au lieu de 12R pour la résistance R1, le courant pourra dépasser 1 A. Notez que dans ce type de montage, la dissipation de puissance dans la résistance R1 n'est pas négligeable. Une intensité de courant de 1 A dans 5,6 ohms induit une puissance de 5,6 W, ce qui impose l'emploi d'une résistance de puissance.
Si votre besoin est de pouvoir fournir un courant constant de valeur comprise entre 50 mA et 5 A avec une source de tension de 50 V, vous pouvez adopter le montage suivant, proposé en exemple.
Le courant de sortie est maximal quand le curseur du potentiomètre RV1 est positionné côté R2 (côté +Alim), et est minimal quand il est côté R3 (côté masse). La valeur minimale limite est fixée par la valeur de R3 : une valeur plus faible de R3 équivaut à permettre un courant minimal plus proche de zéro. Donner à R2 une valeur plus grande permet de limiter la valeur maximale de courant. Le transistor Q2, associé à R4 et à la diode zener D1 de 15 V, forme un régulateur de tension abaissant la tension d'entrée de 50 V à une valeur voisine de 14,4 V, pour alimenter l'AOP qui ne vivrait pas bien longtemps si on lui appliquait d'office un 50 V assassin. RL correspond à la charge dans laquelle doit circuler le courant désiré.
Attention, le transistor Q1 doit impérativement être monté sur radiateur !
Un autre montage, équipé d'un transistor MOSFET BUK453 et qui permet de réguler le courant à une valeur comprise entre 0 et 10 A, est proposé à la page Générateur de courant 003 :
Là aussi un dissipateur thermique sur le transistor MOSFET est indispensable, même si les calories dégagées sont moindres que celles auxquelles on a droit avec le transistor bipolaire du schéma précédent.
Générateur de courant à régulateur de tension linéaire
Ce type de générateur peut par exemple être employé pour la recharge d'accumulateurs de petite capacité (exemple en page Chargeur 002) ou pour alimenter une diode laser (exemple en page Alim diode laser 001). Le schéma qui suit utilise un régulateur de type 7808 (LM7808, MC7808, UA7808, etc), délivrant normalement une tension de sortie positive de +8 V plus ou moins quelques pourcents.
La résistance RX est raccordée entre la sortie du régulateur de tension et sa broche de référence commune et voit appliquée à ses bornes une tension stable de +8 V, ce qui conduit à la création d'un courant stable dont la valeur ne dépend plus que de la valeur de la résistance elle-même. Dans l'exemple donné, la résistance est une 100 ohms, le courant qui la parcourt est d'environ :
Irx = 8 / 100
soit environ 80 mA.
Remarques :
- Le courant Irc circulant dans RC est sensiblement égal à celui circulant dans RX, car la borne commune du régulateur absorbe un courant assez faible, que l'on peut considérer comme négligeable.
- En utilisant un régulateur de tension ajustable de type LM317, le courant est défini par la formule Irx = 1,25 / 100 car la tension entre la broche Adjust et la broche de sortie du régulateur est de 1,25 V.
Générateurs de courant constant intégrés et fixes
Là, très difficile de faire plus simple puisque le circuit se résume à un seul composant ! On trouve en effet des régulateurs de courant intégrés (en boîtier TO220 ou autres) dotés de trois broches, une pour la tension d'alimentation (entrée), une pour la sortie et une commune aux deux (masse). C'est le cas par exemple du circuit intégré CL6 de la société Supertex Inc. qui délivre un courant constant de 100 mA à partir d'une alimentation de valeur comprise entre 12 V et 48 V (ce circuit supporte jusqu'à 90 V en entrée).
Ce circuit est conçu à la base pour piloter des LED "de puissance" mais cet usage n'est pas imposé. Les LED standard bénéficient aussi de leur produit dédié, pour preuve le modèle CL2 délivrant un courant de 20 mA pour une tension d'entrée comprise entre 5 V et 90 V.
Le prix ? Entre 0,35 euros et 0,50 euros à l'unité selon distributeur... Ca vous choque ?