Une source de courant est un élément de circuit actif capable de fournir un débit de courant constant à un circuit, quelle que soit la tension développée à ses bornes.
Comme son nom l’indique, une source de courant est un élément de circuit qui maintient un débit de courant constant indépendamment de la tension développée à ses bornes. En effet, cette tension est déterminée par d’autres éléments du circuit. En d’autres termes, une source de courant idéale fournit en permanence une quantité spécifiée de courant, quel que soit l’impédance à laquelle elle est raccordée, et ainsi, en théorie, une source de courant idéale pourrait fournir une quantité d’énergie infinie. Tout comme une source de tension peut être notée, par exemple, 5 volts ou 10 volts, etc., une source de courant aura également une notation de courant, par exemple, 3 ampères ou 15 ampères, etc.
Les sources de courant idéales sont représentées de manière similaire aux sources de tension, mais cette fois le symbole de la source de courant est un cercle avec une flèche à l’intérieur pour indiquer la direction du flux de courant. La direction du courant correspondra à la polarité de la tension correspondante, s’écoulant du terminal positif. La lettre “i” est utilisée pour indiquer les sources de courant, comme montré.
Source de courant idéale
Une source de courant idéale est appelée “source de courant constante” car elle fournit un courant constant dans l’état stable, indépendamment de la charge qui lui est connectée, produisant une caractéristique I-V représentée par une droite. Comme pour les sources de tension, les sources de courant peuvent être soit indépendantes (idéales), soit dépendantes (contrôlées) par une tension ou un courant ailleurs dans le circuit, qui peuvent eux-mêmes être constants ou variables dans le temps.
Les sources de courant idéales indépendantes sont généralement utilisées pour résoudre des théorèmes de circuit et pour des techniques d’analyse de circuit comportant des éléments actifs réels. La forme la plus simple d’une source de courant est un résistor en série avec une source de tension, créant des courants allant de quelques milliampères à des centaines d’amperes. Rappelons qu’une source de courant à zéro valeur est un circuit ouvert, car R = 0.
Le concept de sources de courant concerne un élément à deux bornes qui permet le flux de courant indiqué par la direction de la flèche. Ainsi, une source de courant a une valeur, i, en unités d’amperes (A), souvent abrégées en “amps”. La relation physique entre les sources de courant et les variables de tension dans un réseau est donnée par la loi d’Ohm, car ces variables de tension et de courant auront des valeurs spécifiées.
Il peut être difficile de spécifier l’amplitude et la polarité de la tension d’une source de courant idéale en fonction du courant, surtout s’il y a d’autres sources de tension ou de courant dans le circuit connecté. Nous pouvons donc connaître le courant fourni par la source de courant mais pas la tension à ses bornes, à moins que la puissance fournie par la source de courant ne soit donnée, car P = V * I.
Cependant, si la source de courant est la seule source dans le circuit, alors la polarité de la tension aux bornes de la source sera plus facile à établir. En revanche, s’il y a plus d’une source, alors la tension terminale dépendra du réseau dans lequel la source est connectée.
Connexion des sources de courant ensemble
Tout comme les sources de tension, les sources de courant idéales peuvent également être connectées ensemble pour augmenter (ou diminuer) le courant disponible. Mais il existe des règles sur la façon dont deux ou plusieurs sources de courant indépendantes, de valeurs différentes, peuvent être connectées, que ce soit en série ou en parallèle.
Source de courant en parallèle
Connecter deux ou plusieurs sources de courant en parallèle équivaut à une seule source de courant dont le courant total est donné par l’addition algébrique des courants des sources individuelles. Par exemple, deux sources de courant de 5 ampères combinées produiront 10 ampères, soit IT = I1 + I2.
Des sources de courant de valeurs différentes peuvent être connectées ensemble en parallèle. Par exemple, une source de 5 ampères et une de 3 ampères se combineraient pour donner une seule source de courant de 8 ampères alors que les flèches représentant la source de courant pointent dans la même direction. En ajoutant ainsi les deux courants, leur connexion est dite : parallèle-constructif.
Bien que cela ne soit pas la meilleure pratique pour l’analyse des circuits, les connexions parallèles-opposées utilisent des sources de courant connectées dans des directions opposées pour former une seule source de courant dont la valeur est la soustraction algébrique des sources individuelles.
Sources de courant opposées en parallèle
Dans ce cas, comme les deux sources de courant sont connectées dans des directions opposées (indiquées par leurs flèches), les deux courants se soustraient l’un à l’autre, car les deux fournissent un chemin en boucle fermée pour un courant circulant conforme à la loi de Kirchhoff, KCL. Ainsi, par exemple, deux sources de courant de 5 ampères chacune donneraient un zéro en sortie, soit 5A – 5A = 0A. De même, si les deux courants sont de valeurs différentes, 5A et 3A, la sortie sera la valeur soustraite avec le plus petit courant soustrait du courant le plus élevé, donnant ainsi un IT de 5 – 3 = 2A.
Nous avons vu que les sources de courant idéales peuvent être connectées ensemble en parallèle pour former des sources de courant parallèles-constructives ou parallèles-opposées. Ce qui n’est pas autorisé ou n’est pas la meilleure pratique pour l’analyse de circuit, c’est de connecter ensemble des sources de courant idéales en combinaisons série.
Sources de courant en série
Les sources de courant ne doivent pas être connectées ensemble en série, que ce soit de la même valeur ou de valeurs différentes. Dans cet exemple, deux sources de courant de 5 ampères chacune sont connectées en série, mais quelle est la valeur du courant résultant ? Est-ce égal à une source de 5 ampères, ou est-ce égal à l’addition des deux sources, soit 10 ampères ? Les sources de courant connectées en série ajoutent un facteur inconnu dans l’analyse de circuit, ce qui n’est pas bon.
En outre, une autre raison pour laquelle les sources connectées en série ne sont pas autorisées pour les techniques d’analyse de circuit est qu’elles peuvent ne pas fournir le même courant dans la même direction. Les courants d’addition ou d’opposition en série n’existent pas pour les sources de courant idéales.
Exemple de source de courant n°1
Deux sources de courant de 250 milliampères et 150 milliampères respectivement sont connectées ensemble dans une configuration de parallèle-constructif pour alimenter une charge connectée de 20 ohms. Calculez la chute de tension à travers la charge et la puissance dissipée. Dessinez le circuit.
Nous avons donc, IT = 0,4A ou 400mA, VR = 8V et PR = 3,2W.
Source de courant pratique
Nous avons vu que les sources de courant idéales constantes peuvent fournir la même quantité de courant indéfiniment, indépendamment de la tension à leurs bornes, ce qui en fait une source indépendante. Cela implique donc que les sources de courant ont une résistance interne infinie, (R = ∞). Cette idée fonctionne bien pour les techniques d’analyse de circuit, mais dans le monde réel, les sources de courant se comportent un peu différemment car les sources de courant pratiques ont toujours une résistance interne, quelle que soit sa taille (généralement dans la plage des méga-ohms), entraînant une variation de la source générée avec la charge.
Une source de courant pratique ou non idéale peut être représentée comme une source idéale avec une résistance interne connectée en parallèle. La résistance interne (RP) produit le même effet qu’une résistance connectée en parallèle (shunt) avec la source de courant comme indiqué. Rappelez-vous que les éléments de circuit en parallèle ont exactement la même chute de tension à travers eux.
Source de courant idéale et pratique
Vous avez peut-être remarqué que les sources de courant pratiques ressemblent étroitement au circuit équivalent de Norton, car le théorème de Norton stipule que “tout réseau électrique continu linéaire peut être remplacé par un circuit équivalent comprenant une source de courant constante, IS en parallèle avec une résistance, RP“. Notez que si cette résistance parallèle est très faible, RP = 0, la source de courant est court-circuitée. Lorsque la résistance parallèle est très élevée ou infinie, RP ≈ ∞, la source de courant peut être modélisée comme idéale.
Une source de courant idéale trace une ligne horizontale sur la caractéristique I-V comme montré précédemment. Cependant, étant donné que les sources de courant pratiques ont une résistance interne, cela prend une partie du courant, de sorte que la caractéristique de cette source pratique n’est pas plate et horizontale, mais diminuera au fur et à mesure que le courant se divise en deux parties, une partie du courant s’écoulant dans la résistance parallèle, RP et l’autre partie du courant s’écoulant directement vers les bornes de sortie.
La loi d’Ohm nous dit que lorsqu’un courant (i) traverse une résistance (R), une chute de tension est produite à travers la même résistance. La valeur de cette chute de tension sera donnée par i * RP. Ainsi, VOUT sera égal à la chute de tension à travers le résistor sans charge attachée. Nous nous rappelons que pour une source de courant idéale, RP est infini, donc la tension terminale sera nulle car il n’y a pas de chute de tension.
La somme des courants autour de la boucle donnée par la loi de Kirchhoff, KCL est : IOUT = IS – VS/RP. Cette équation peut être tracée pour donner les caractéristiques I-V du courant de sortie. Elle est donné comme une ligne droite avec une pente -RP qui croise l’axe de tension vertical au même point que IS lorsque la source est idéale, comme montré.
Caractéristiques de source de courant pratique
Par conséquent, toutes les sources de courant idéales auront une caractéristique I-V en ligne droite, mais les sources de courant pratiques non idéales auront une caractéristique I-V qui s’incline légèrement vers le bas d’un montant égal à VOUT/RP où RP est la résistance interne de la source parallèle.
Exemple de tutoriel n°2
Une source de courant pratique consiste en une source de courant idéale de 3A qui a une résistance de parallèle interne de 500 Ohms. Sans charge attachée, calculez la tension de circuit ouvert de la source de courant et la puissance sans charge absorbée par la résistance interne.
1. Valeurs sans charge :
Ainsi, la tension de circuit ouvert à travers la résistance de source interne et donc les bornes A et B (VAB) est calculée à 1500 volts (ou 1,5 kV).
Partie 2 : Si une résistance de charge de 250 ohms est connectée entre les bornes A et B de la même source de courant pratique. Calculez le courant qui traverse chaque résistance, la puissance absorbée par chaque résistance et la chute de tension à travers la résistance de charge. Dessinez le circuit résultant.
2. Données fournies avec charge connectée : IS = 3A, RP = 500Ω et RL = 250Ω
2a. Pour trouver les courants dans chaque branche résistive, nous pouvons utiliser la règle de division de courant.
2b. La puissance absorbée par chaque résistance est donnée par :
2c. La chute de tension à travers la résistance de charge, RL est donnée par :
Nous pouvons voir que la tension terminale d’une source de courant pratique en circuit ouvert peut être très élevée. Elle produira la tension nécessaire, 1500 volts dans cet exemple, pour fournir le courant spécifié. En théorie, cette tension terminale peut être infinie alors que la source essaie de délivrer le courant nominal.
Connecter une charge à travers ses bornes diminuera la tension, 500 volts dans cet exemple, car maintenant le courant a une destination et pour une source de courant constante, la tension terminale est directement proportionnelle à la résistance de charge.
Dans le cas de sources de courant non idéales ayant chacune une résistance interne, la résistance totale interne (ou impédance) sera le résultat de leur combinaison en parallèle, exactement comme pour des résistors en parallèle.
Source de courant dépendante
Nous savons maintenant qu’une source de courant idéale fournit une quantité spécifiée de courant totalement indépendante de la tension qui lui est associée, et comme tel, produira toute tension nécessaire pour maintenir le courant requis. Cela fait d’elle une source de courant indépendante idéale.
D’un autre côté, une source de courant contrôlée ou dépendante change son courant disponible en fonction de la tension aux bornes, ou du courant traversant, un autre élément connecté au circuit. En d’autres termes, la sortie d’une source de courant dépendante est contrôlée par une autre tension ou un autre courant.
Les sources de courant dépendantes se comportent de manière similaire aux sources de courant que nous avons examinées jusqu’à présent, tant idéales (indépendantes) que pratiques. La différence ici est que les sources de courant dépendantes peuvent être contrôlées par une tension ou un courant d’entrée. Toute source de courant qui dépend d’une entrée de tension est généralement appelée source de courant contrôlée par la tension ou VCCS. Une source de courant qui dépend d’une entrée de courant est généralement appelée source de courant contrôlée par le courant ou CCCS.
En général, une source de courant dépendante idéale, qu’elle soit contrôlée par tension ou par courant est désignée par un symbole en forme de diamant où une flèche indique la direction du courant, i, comme montré.
Symboles de source de courant dépendante
Une source de courant idéale dépendante contrôlée par la tension, VCCS, maintient un courant de sortie, IOUT qui est proportionnel à la tension d’entrée contrôlante, VIN. En d’autres termes, le courant de sortie “dépend” de la valeur de la tension d’entrée, en faisant une source de courant dépendante.
Alors le courant de sortie de la VCCS est défini par l’équation suivante : IOUT = αVIN. Cette constante de multiplication α (alpha) a les unités SI de mhos, ℧ (un signe Ohm inversé) parce que α = IOUT/VIN, et ses unités seront donc ampères/volt.
Une source de courant dépendante contrôlée par un courant, CCCS, maintient un courant de sortie qui est proportionnel à un courant d’entrée contrôlant. Alors le courant de sortie “dépend” de la valeur du courant d’entrée, ce qui en fait également une source de courant dépendante.
En tant que courant de contrôle, IIN détermine l’amplitude du courant de sortie, IOUT multipliée par la constante d’amplification β (beta), le courant de sortie pour un élément CCCS est déterminé par l’équation suivante : IOUT = βIIN. Notez que la constante de multiplication β est un facteur d’échelle sans dimension, car β = IOUT/IIN, donc ses unités seraient ampères/ampères.
Résumé du tutoriel
Nous avons vu dans ce tutoriel concernant les sources de courant, qu’une source de courant idéale, (R = ∞) est un élément actif который обеспечивает un courant constant totalement indépendant de la tension à travers elle en raison de la charge connectée qui produit une caractéristique I-V représentée par une droite.
Les sources de courant idéales indépendantes peuvent être connectées ensemble en parallèle pour des techniques d’analyse de circuit en configurations soit parallèles-constructives, soit parallèles-opposées, mais elles ne peuvent pas être connectées ensemble en série. De plus, pour résoudre des techniques d’analyse de circuit et des théorèmes, les sources de courant deviennent des sources ouvertes pour rendre leur courant égal à zéro. Notez également que les sources de courant sont capables soit de délivrer soit d’absorber de l’énergie.
Dans le cas de sources de courant non idéales ou pratiques, elles peuvent être modélisées comme une source de courant idéale équivalente et une résistance de connexion parallèle interne (shunt) qui n’est pas infinie mais d’une valeur très grande car R ≈ ∞ produisant une caractéristique I-V qui n’est pas droite mais s’incline vers le bas à mesure que la charge diminue.
Nous avons également vu ici que les sources de courant peuvent être dépendantes ou indépendantes. Une source dépendante est celle dont la valeur dépend d’une autre variable de circuit. Une source de courant contrôlée par la tension, VCCS, et une source de courant contrôlée par le courant, CCCS, sont des types de sources de courant dépendantes.
Les sources de courant constantes avec des résistances internes très élevées trouvent de nombreuses applications dans les circuits électroniques et l’analyse, et peuvent être construites à partir de transistors bipolaires, de diodes, de zeners et de FETs ainsi que d’une combinaison de ces dispositifs à semi-conducteurs.