Une source de courant FET est un type de circuit actif qui utilise un transistor à effet de champ pour fournir une quantité constante de courant à un circuit. Mais pourquoi voudriez-vous un courant constant ? Les sources de courant constants et les puits de courant (un puits de courant est l’inverse d’une source de courant) constituent un moyen très simple de former des circuits de polarisation ou des références de tension avec une valeur de courant constante, par exemple, 100µA, 1mA ou 20mA en utilisant juste un seul FET et une résistance.

Les sources de courant constants sont couramment utilisées dans les circuits de chargement de condensateurs pour des buts de chronométrage précis ou dans des applications de chargement de batteries rechargeables, ainsi que dans des circuits LED linéaires pour alimenter des chaînes de LED à une luminosité constante.

Des références de tension résistives peuvent également être formées à l’aide de sources de courant constants, car si vous connaissez la valeur de la résistance et que le courant qui y circule est constant et stable, alors vous pouvez simplement utiliser la loi d’Ohm pour trouver la chute de tension.

Cependant, la clé pour créer une source de courant constants FET précise et fiable dépend de l’utilisation de FET à faible transconductance ainsi que de valeurs précises de résistance pour convertir le courant en une tension précise et stable.

Les transistors à effet de champ sont couramment utilisés pour créer une source de courant avec des JFET (JFET) et des MOSFET à oxyde de métal, déjà employés dans des applications à faible courant source. Dans sa forme la plus simple, le JFET peut être utilisé comme une résistance contrôlée par la tension où une petite tension de grille contrôle la conduction de son canal.

Polarisation du JFET

Nous avons vu dans notre tutoriel sur les JFET que les JFET sont des dispositifs à déplétion et que le JFET à canal N est un dispositif « normalement ON », jusqu’à ce que la tension grille-source (VGS) devienne négative pour l’éteindre. Le JFET à canal P, qui est également un dispositif « normalement ON », nécessite que la tension de grille devienne suffisamment positive pour l’éteindre.

Polarisation du JFET à canal N

L’image montre l’agencement standard et les connexions d’un JFET à canal N configuré en source commune avec une polarisation normale lorsqu’il est utilisé dans sa région active. Ici, la tension grille-source V_GS est égale à l’alimentation de la grille, ou à la tension d’entrée V_G, qui définit le polarisation inverse entre la grille et la source, tandis que V_DD fournit la tension de drain à source et le courant passant de l’alimentation au drain vers la source. Ce courant entrant dans la borne de drain du JFET est étiqueté I_D.

La tension drain-source V_DS est la chute de tension forward du JFET et est fonction du courant de drain, I_D pour différentes valeurs de V_GS. Lorsque V_DS est à sa valeur minimale, le canal conducteur du JFET est entièrement ouvert et I_D est à sa valeur maximale, qui est appelée le courant de saturation de drain à source I_D(sat) ou simplement I_DSS.

Lorsque V_DS est à sa valeur maximale, le canal conducteur du JFET est entièrement fermé (pincé) et I_D se réduit à zéro, la tension drain-source V_DS étant égale à la tension d’alimentation de drain V_DD. La tension de grille V_GS à laquelle le canal du JFET cesse de conduire est appelée la tension de coupe de grille V_GS(off).

Cet agencement de polarisation de source commune du JFET à canal N détermine le fonctionnement en régime permanent du JFET en l’absence de tout signal d’entrée, V_IN, car V_GS et I_D sont des quantités en régime permanent, c’est-à-dire l’état quiescent du JFET.

Ainsi, pour un JFET à source commune, la tension grille-source V_GS contrôle combien de courant circulera à travers le canal conducteur du JFET entre le drain et la source, faisant du JFET un dispositif contrôlé par la tension car sa tension d’entrée contrôle le courant de son canal. En conséquence, nous pouvons développer un ensemble de courbes caractéristiques de sortie en traçant I_D par rapport à V_GS pour tout dispositif JFET donné.

Caractéristique de sortie du JFET à canal N

Le JFET comme source de courant constant

Nous pourrions donc utiliser cela puisqu’un JFET à canal N est un dispositif normalement ON et si V_GS est assez négatif, le canal conducteur drain-source se ferme (coupé) et le courant de drain se réduit à zéro. Pour le JFET à canal N, la fermeture du canal conducteur entre le drain et la source est causée par l’élargissement de la région de déplétion de type P autour de la grille jusqu’à ce qu’elle ferme complètement le canal. Les régions de déplétion de type N ferment le canal pour un JFET à canal P.

En fixant la tension grille-source à une certaine valeur fixe négative prédéterminée, nous pouvons amener le JFET à conduire le courant à travers son canal à une certaine valeur entre zéro ampères et I_DSS, le rendant ainsi une source de courant FET idéale. Considérez le circuit ci-dessous.

Polarisation à tension nulle du JFET

Nous avons vu que les courbes de caractéristiques de sortie du JFET sont un tracé de I_D par rapport à V_GS pour une tension V_DS constante. Mais nous avons également remarqué que les courbes du JFET ne changent pas beaucoup avec de grands changements de V_DS, et ce paramètre peut être très utile pour établir un point de fonctionnement fixe du canal conducteur.

La source de courant FET la plus simple est lorsque la borne de grille du JEFT est court-circuitée à sa borne de source, comme montré. Le canal conducteur du JFET est ouvert donc le flux de courant à travers il sera proche de sa valeur maximale I_DSS en raison du fait que le JFET fonctionne dans sa région de courant saturé.

Cependant, le fonctionnement et la performance d’une telle configuration de courant constant sont relativement faibles, car le JFET est constamment en conduction totale avec la valeur de courant I_DSS dépendant complètement du type de dispositif.

Par exemple, la série de JFET à canal N 2N36xx ou 2N43xx n’est que de quelques milliampères (mA), tandis que la série de JFET à canal N J1xx ou PN4xxx peut être de plusieurs dizaines de milliampères. Notez également que I_DSS variera beaucoup entre les dispositifs du même numéro de pièce, comme les fabricants l’indiquent sur leurs fiches techniques, les valeurs minimales et maximales de ce courant de drain à tension grille nulle, I_DSS.

Un autre point à noter est qu’un FET est essentiellement une résistance contrôlée par la tension dont le canal conducteur a une valeur résistive en série avec les bornes de drain et de source. Cette résistance de canal est appelée R_DS. Comme nous l’avons vu, lorsque V_GS = 0, le courant drain-source maximum circule, donc la résistance du canal du JFET, R_DS, doit être à son minimum, et ceci est vrai.

Cependant, la résistance du canal n’est pas complètement nulle mais à une certaine valeur ohmique faible définie par la géométrie de fabrication du FET et qui peut être aussi élevée que 50 Ohms. Lorsqu’un FET est en conduction, cette résistance de canal est communément appelée R_DS(ON) et est à sa valeur résistive minimale lorsque V_GS = 0. Ainsi, une valeur élevée de R_DS(ON) entraîne un faible I_DSS et inversement.

Donc, un JFET peut être polarisé pour fonctionner comme un dispositif source de courant FET à n’importe quelle valeur de courant en dessous de son courant de saturation, I_DSS, lorsque V_GS égale zéro volts. Lorsque V_GS est à son niveau de tension de coupure V_GS(off), il n’y aura pas de courant de drain, (I_D = 0) car le canal est fermé. Ainsi, le courant du canal de drain, I_D, circulera toujours tant que le dispositif JFET est fonctionnel dans sa région active comme montré.

Courbe de transfert du JFET

Notez que pour un JFET à canal P, la tension de coupe V_GS(off) sera une tension positive, mais son courant de saturation, I_DSS obtenu lorsque V_GS égale zéro volts sera le même que pour un dispositif à canal N. Remarquez aussi que la courbe de transfert est non linéaire car le courant de drain augmente plus rapidement à travers le canal ouvert à mesure que V_GS approche de zéro volts.

Polarisation à tension négative du JFET

Nous souvenons que le JFET est un dispositif en mode déplétion qui est toujours « ON », donc nécessite une tension de grille négative pour les JFET à canal N, et une tension de grille positive pour les JFET à canal P afin de les éteindre. Polariser un JFET à canal N avec une tension positive, ou polariser un JFET à canal P avec une tension négative ouvrira encore plus le canal conducteur forçant le courant du canal, I_D, au-delà de I_DSS.

Mais en utilisant les courbes caractéristiques de I_D par rapport à V_GS, nous pouvons régler V_GS à un certain niveau de tension négative, disons -1V, -2V ou -3V pour créer une source de courant constant JFET de n’importe quel niveau de courant requis entre zéro et I_DSS.

Cependant, pour une source de courant constant plus précise avec une régulation améliorée, il est préférable de polariser le JFET à environ 10 % à 50 % de sa valeur maximale I_DSS. Cela aide également à réduire les pertes de puissance I²*R à travers le canal résistif et donc l’effet de chauffage.

Ainsi, nous pouvons voir qu’en polarisant la borne de grille d’un JFET avec une valeur de tension négative, ou une tension positive pour un JFET à canal P, nous pouvons établir son point de fonctionnement permettant au canal de conduire et de passer une certaine valeur de courant de drain, I_D. Pour différentes valeurs de V_GS, un courant de drain JFET I_D peut être exprimé mathématiquement comme suit :

Équation du courant de drain du JFET

Exemple de Source de Courant Constant FET No1

La fiche technique du fabricant pour un J107 JFET à canal N montre qu’il a un I_DSS de 40mA lorsque V_GS = 0, et une valeur maximale de V_GS(off) de -6.0 volts. Utilisez ces valeurs déclarées pour calculer la valeur du courant de drain du JFET lorsque V_GS = 0, V_GS = -2 volts, et lorsque V_GS = -5 volts. Montrez également la courbe caractéristique de transfert du J107.

1). Lorsque V_GS = 0V

Lorsque V_GS = 0V, le canal conducteur est ouvert et le courant de drain maximum circule.

Ainsi, I_D = I_DSS = 40mA.

2). Lorsque V_GS = -2V

3). Lorsque V_GS = -5V

4). Courbe caractéristique de transfert J107

Nous pouvons donc voir qu’à mesure que la tension grille-source, V_GS approche de la tension de coupure grille-source, V_GS(off), le courant de drain, I_D diminue. Dans cet exemple simple, nous avons calculé le courant de drain à deux points, mais des calculs en utilisant des valeurs supplémentaires de V_GS entre zéro et la coupure donneraient une forme de courbe plus précise.

Source de courant JFET

Un JFET peut être configuré pour fonctionner comme une source de courant constant contrôlée par la tension chaque fois que sa jonction grille-source est polarisée en inverse, et pour un dispositif à canal N, nous avons besoin d’un -V_GS et pour un dispositif à canal P, nous avons besoin d’un +V_GS. Le problème ici est que le JFET nécessite deux alimentations séparées, une pour V_DD et une autre pour V_GS.

Cependant, si nous plaçons une résistance entre la source et la terre (0 volts), nous pouvons atteindre l’arrangement d’auto-polarisation nécessaire pour que le JFET fonctionne comme une source de courant constant en n’utilisant que la tension d’alimentation V_DD. Considérez le circuit ci-dessous.

Source de courant JFET

À première vue, vous pourriez penser que cette configuration ressemble à un circuit de drain commun JFET (suiveur de source) que nous avons vu dans le tutoriel JFET.

Cependant, la différence cette fois-ci est que tandis que la borne de grille du FET est toujours directement reliée à la terre (V_G = 0), la borne de source est à un certain niveau de tension supérieur à zéro en raison de la chute de tension à travers la résistance de source, R_S.

Ainsi, avec un courant de canal circulant à travers la résistance de source externe, la tension grille-source du JFET sera inférieure (plus négative) à zéro (V_GS < 0).

La résistance de source externe, R_S, fournit une tension de retour qui est utilisée pour se polariser elle-même la borne de grille du JFET maintenant le courant de drain constant à travers le canal malgré les changements de la tension drain-source. Ainsi, la seule source de tension dont nous avons besoin est la tension d’alimentation V_DD pour fournir le courant de drain et la polarisation.

Donc, le JFET utilise la chute de tension à travers la résistance de source (V_RS) pour définir la tension de polarisation de la grille V_GS et donc le courant du canal comme nous l’avons vu ci-dessus. Ainsi, augmenter la valeur résistive de R_S diminuera le courant de drain I_D, et vice versa. Mais si nous voulions construire un circuit de source de courant constant JFET, quelle serait une valeur appropriée pour cette résistance de source externe, R_S ?

Les fiches techniques des fabricants pour un JFET à canal N particulier nous donneront les valeurs de V_GS(off) et de I_DSS. En connaissant les valeurs de ces deux paramètres, nous pouvons transposer l’équation de courant de drain JFET ci-dessus, I_D, pour trouver la valeur de V_GS pour une valeur particulière de courant de drain, I_D, entre zéro et I_DSS comme montré.

Équation de tension grille à source JFET

Avoir trouvé la tension grille-source requise pour un courant de drain donné, la valeur de la résistance de polarisation de source requise se trouve simplement en utilisant la loi d’Ohm, comme R = V/I. Ainsi :

Équation de Résistance de Source JFET

Exemple de Source de Courant Constant FET No2

Utilisant le dispositif JFET à canal N J107 ci-dessus, qui a un I_DSS de 40mA lorsque V_GS = 0, et une valeur maximale de V_GS(off) de -6.0 volts. Calculez la valeur de la résistance de source externe requise pour produire un courant constant dans le canal de 20mA et encore pour un courant constant de 5mA.

1). V_GS pour I_D = 20mA

2). V_GS pour I_D = 5mA

Nous pouvons donc voir que lorsque V_GS(off) et I_DSS sont tous deux connus, nous pouvons utiliser les équations ci-dessus pour trouver la résistance de source requise pour polariser la tension de grille pour un courant de drain particulier, et dans notre exemple simple, ce fut 87.5Ω à 20mA, et 776Ω à 5mA. Donc, l’ajout d’une résistance de source externe permet d’ajuster la sortie de la source de courant.

Si nous remplaçons les résistances de valeur fixe par un potentiomètre, nous pouvons rendre la source de courant constant JFET entièrement réglable. Par exemple, nous pourrions remplacer les deux résistances de source dans l’exemple ci-dessus par un potentiomètre de 1kΩ, ou un trimmer. De plus, en plus d’être entièrement ajustable, ce circuit de source de courant constant JFET maintiendra un courant de drain constant même avec des changements dans V_DS.

Exemple de Source de Courant Constant FET No3

Un JFET à canal N est requis pour faire varier la luminosité d’une charge LED ronde rouge de 5mm entre 8mA et 15mA. Si le circuit de source de courant constant JFET est alimenté par une alimentation CC de 15 volts, calculez la résistance de source requise pour illuminer la LED entre une luminosité minimale et maximale lorsque le JFET de commutation a une valeur maximale de V_GS(off) de -4.0 volts et un I_DSS de 20mA lorsque V_GS = 0. Dessinez le schéma du circuit.

1). V_GS pour I_D = 8mA

2). V_GS pour I_D = 15mA

Nous aurions donc besoin d’un potentiomètre externe capable de faire varier sa résistance entre 36Ω et 184Ω. La valeur de potentiomètre préférée la plus proche serait de 200Ω.

Source de courant constant JFET réglable

Un potentiomètre ou un trimmer utilisé au lieu d’une résistance de source fixe, R_S, nous permettrait de varier ou de peaufiner le courant circulant à travers le canal conducteur du JFET.

Cependant, afin d’assurer une bonne régulation de courant à travers le dispositif FET, et donc un flux de courant plus stable, il serait préférable de limiter le courant de canal maximum circulant à travers la LED (15mA dans cet exemple) à entre 10% et 50% de la valeur d’I_DSS du JFET.

Créer des sources de courant constant à l’aide de MOSFET permet d’avoir des courants de canal beaucoup plus importants et une meilleure régulation du courant, et contrairement aux JFET qui ne sont disponibles qu’en tant que dispositifs de déplétion normalement ON, les MOSFET sont disponibles aussi bien en mode déplétion (normalement ON) qu’en mode d’amélioration (normalement OFF) en types P-channel ou N-channel, permettant un plus grand choix d’options de sources de courant.

Résumé de la Source de Courant Constant FET

Nous avons vu dans ce tutoriel sur la Source de Courant Constant FET que, en raison de leurs caractéristiques de résistance de canal, les transistors à effet de champ peuvent être utilisés pour fournir un courant constant à une charge et trouvent de nombreuses applications dans les circuits électroniques où il est nécessaire de fournir un courant fixe à une charge connectée.

Des circuits de courant constants peuvent être construits en utilisant des FET en mode déplétion, mais aussi en utilisant des BJT (transistors bipolaires), ou une combinaison de ces deux dispositifs. En se souvenant que le JFET est un dispositif contrôlé par la tension, pas un dispositif contrôlé par le courant comme le transistor à jonction bipolaire.

L’une des principales caractéristiques d’un transistor à effet de champ à jonction, ou JFET, est que, parce qu’il s’agit d’un dispositif de déplétion, son canal conducteur est toujours ouvert donc il nécessite une tension grille-source, V_GS, pour l’éteindre.

La tension V_GS(off) requise pour un JFET à canal N varie de 0 volts, pour une pleine conduction du canal, à une certaine valeur négative, généralement plusieurs volts, requise pour éteindre complètement le JFET, fermant ainsi le canal. En polarisant la borne de grille du JFET à une valeur fixe comprise entre zéro et V_GS(off), nous pouvons contrôler la largeur des couches de déplétion du canal et ainsi sa valeur résistive, passant une quantité fixe et constante de courant. Pour un JFET à canal P, sa valeur de V_GS(off) varie de 0 volt pour une pleine conduction du canal à une certaine valeur positive de plusieurs volts pour une valeur particulière de V_DS.

La régulation et la tolérance du courant constant pour un dispositif JFET donné sont liées à la quantité de courant de drain, I_D, passant à travers le canal. Plus le courant de drain à travers un dispositif particulier est faible, meilleure est la régulation. Polariser un JFET entre environ 10 % et 50 % de sa valeur maximale I_DSS améliorera la régulation et la performance des dispositifs. Cela se fait en reliant une résistance externe entre les bornes de source et de grille.

Une résistance de retour grille-source comme montré ci-dessus, fournit la polarisation nécessaire pour que le JFET fonctionne comme une source de courant constant à n’importe quel niveau de courant bien en dessous de son courant de saturation, I_DSS. Cette résistance de source externe, R_S, peut être d’une valeur résistive fixe ou variable, utilisant un potentiomètre.