Source de courant à ampli-opérationnel

Source de courant à ampli-opérationnel

Afin de donner bonne suite à la présentation, de Laurent Francey et moi-même, sur les amplificateurs opérationnels (AOP), je vous propose quelques articles, un par type de montage.

Pour ce premier article topique nous allons aborder la source de courant à AOP.

Commençons tout d’abord par la configuration la plus simple.

Fig.1

Nous avons affaire ici à un montage suiveur. Son montage de base est le suivant :

Fig. 2

Avec comme équation de base, V_S = V_e

Ainsi, la tension présente sur l’entrée non-inverseuse de l’AOP se retrouve sur son entrée inverseuse, et par conséquent aux bornes de la résistance R (la tension différentielle, dans un fonctionnement linéaire, étant nulle).

Revenons à la Fig. 1

L’entrée positive de l’AOP est reliée au curseur d’un potentiomètre alimenté par une tension bipolaire de ± 10 V CC. Partant, cette tension se retrouvera aux bornes de la résistance R.

Regardons maintenant la simulation de ce circuit avec une tension d’entrée positive.

Fig. 3

Ladite tension de + 4V se retrouve intégralement aux bornes de la résistance R. Donc le courant y circulant, sera de +4V/R.

Fig. 4

A la fig. 4, c’est cette fois-ci une tension négative de -4V qui est appliquée à l’entrée non-inverseuse de l’AOP. Ce qui implique que le courant dans la résistance R sera de -4V/R et que notre source de courant est bipolaire.…

Avec un transistor en plus…

Fig. 5

Nous sommes en présence, ici, d’une source de courant avec charge à la masse.

R2 constituant la résistance de « charge ». La tension appliquée à l’entrée non-inverseuse de l’AOP est égale à : Vcc – la tension de la diode Zener, soit 15V – 3V = 12 V

Cette tension va se retrouver sur la borne inférieure de la résistance R3. La tension aux bornes de R3 sera de 15V (Vcc) – 12 V = 3 V. Par conséquent le courant circulant dans ladite résistance sera de 3V/3K = 1 mA. Preuve en est, la tension aux bornes de la résistance de charge est 100 Ω * 1 mA = 0.1 V .

Fig. 6

Quelques montages avec charge à la masse

Voici un montage pratique avec charge au Vcc, V⁺.

Fig. 7

Le courant dans la LED est égal à : Vin/Rsense

Un autre encore

Fig. 8

Maintenant, voyons à quoi ressemble une source de courant commandée par une tension. Précisons que nous n’aborderons pas les tensions de commandes alternatives, bien que plusieurs des montages vus ici, y sont compatibles.

Fig. 9

Le principe de la source de courant présentée à la Fig. 9 est basé sur le fait que le courant de sortie est monitoré par la tension aux bornes de R1. De manière à déterminer le courant de sortie, appliquons le KCL (Kirchoff’s Current Law) à l’entrée non-inverseuse, l’entrée inverseuse et à la sortie.

Fig. 10

V_O V_N U₁ U₂ I₂ V_P R₂²

(V_{O –} V_N )/R₂ – V_N/R₃ = 0 ;

(U_{1 –} V_P )/R₂ + ( U_{2 –} V_P )/R₂ = 0 ;

(V_{O –} U₂ )/R₁ + (V_{P –} U₂ )/R_{2 –} I₂ = 0 ;

Comme V_N = V_P, nous obtenons pour le courant de sortie I₂ =

Pour une seule valeur de R3, le courant de sortie devient indépendant de la tension de sortie ; c’est le cas où le second terme de l’équation est nul ! Et si

R3 =

La valeur du courant est

I2 = U1/(R1//R2)

En pratique R2 >> R1, et de fait I2 ~ U1/R1 ce qui est bien indépendant de la tension de sortie, de la charge.

L’histoire aurait pu s’arrêter là, mais c’était sans compter que les férus d’électronique analogique allaient s’emparer de l’affaire…

Ce qui est ennuyeux et compliqué à mettre en équation, c’est que nous avons un courant qui circule depuis Vo dans R2 et R3.

Et, c’est là, que les férus entrent en scène. Ils insèrent un montage suiveur à la borne inférieure de la résistance de setting du courant de sortie !

Cela donne le circuit suivant, Fig. 11 avec les équations idoines

Moins de texte, mais plus d’actes, vérifions avec le simulateur Proteus, la justesse des équations ci-dessus

Fig. 11.

U1 = 2*U3…U3 = 2.38 V, donc U1 = 4.76 V Ok !

U3 = (Ue + U2)/2 Ue = 1.2 V, U2 = 3.57 V, donc U3 = (1.2 V + 3.57 V)/2 = 2.38 V OK !

Ue = U1 – U2 ; 4.77 V – 3.57 V = 1.2 V Ok !

La tension aux bornes de la résistance de charge RCH (300 Ω) est 3.57 V. Ce qui implique que le courant la traversant est de 3.57 V/0.3 KΩ = 11.9 mA. I = Ue/Rset = 1.2 V / 100 Ω = 12 mA

Au vu de ce qui précède, la simulation démontre ladite justesse des équations !

Etant donné le peu de composants nécessaires à la réalisation de ce montage, il est vivement conseillé de le tester sur une bredboard.

Un, petit dernier, montage analysé…

Fig. 12

Nous avons ici, une source de courant de puissance, unipolaire, avec charge à la masse. L’étage de puissance est composé de deux transistors PNP montés en Darlington (et non pas tête bêche…comme il m’arrive de le dire). La tension d’alimentation (Vcc) est de 20 V. La valeur de la résistance R1 limitera le courant de sortie à 4 A. La tension minimale aux bornes de R1 est de 16 V. On notera que la tension présente sur l’entrée non inverseuse (18 V) se retrouve sur l’émetteur du transistor Q2. Nous sommes donc bien en présence d’un suiveur de tension. Le courant circulant dans ce transistor est donné par l’équation (Vcc – VE_Q2)/R4. En l’occurrence (20 V – 18V)/1Ω = 2A. Et, la tension aux bornes de R3 est bien de 4V, soit, 2Ω * 2A.

Quelques montages…trouvés sur la toile

https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/a-large-current-source-with-high-accuracy-and-fast-settling.html

Pour le Microclub Jean-Pierre Broillet, juin 2025