source de courant à 2 transistors

[Pikachouw]

Bonjour tout le monde !
Je suis nouveau sur le forum et je me suis inscrit car je suis en première STI GE et ma passion c'est l'électronique ! Et comme je m'interesse à tout, j'aurais plein de question à vous poser (d'autant plus que j'ai du mal sur certains trucs basiques).

Je suis tombé sur un schéma que j'ai un peu du mal à avaler (http://www.sonelec-musique.com/elect..._alim_led.html (section Version à transistors bipolaires). Sur le site c'est marqué qu'il s'agit d'une source de courant dont l'intensité du courant est donné par la formule I=0.7/R (loi des mailles, pas de problème). On a une charge qu'on a représenté par une DEL qui se pilote en courant mais R2 sert à quoi dans ce schéma ?? Et puis comment on fait pour calculer sa valeur (ici 2K2 ohm ) ?
Merci les gens !!
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[Pikachouw]

Pardon j'ai oublié la photo !!

[DAUDET78]

R2 sert à alimenter la base de Q1. Sa valeur doit être suffisamment petite pour saturer Q1 avec le courant maximum du générateur de courant. Si par exemple le générateur de courant fait 20mA, le courant dans la base de Q1 doit être d'environ 0,5mA (Béta de Q1=40 ...au pif)

Si le courant dans le collecteur de Q1 est plus grand que 20mA, le transistor Q2 rentre en action et dérive une partie du courant base de Q1 pour que celui-ci se désature et garde un courant de 20mA constant au collecteur quelque soit la charge.

[Pikachouw]

Merci Daudet78 pour ta réponse ! Mais y a des trucs que j'ai du mal à comprendre... Si j'ai bien compris Q2 fonctionne comme un "régulateur" c'est ça ? Et pourquoi le courant dans le collecteur Q1 serait plus grand que 20mA vu qu'on a mis exprès la résistance qui va bien pour avoir justement 20mA ? Et aussi la valeur de R2 on la calcule comment ? Y a un ordre de grandeur ? Si je mets 5Mohm, ça marche encore ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[DAUDET78]

Mais y a des trucs que j'ai du mal à comprendre... Si j'ai bien compris Q2 fonctionne comme un "régulateur" c'est ça ?

Q1 sert de ballast régulateur et Q2 de comparateur

Et pourquoi le courant dans le collecteur Q1 serait plus grand que 20mA vu qu'on a mis exprès la résistance qui va bien pour avoir justement 20mA ?

retire Q2 et tu verras que le courant est plus grand que 20mA

Et aussi la valeur de R2 on la calcule comment ? Y a un ordre de grandeur ? Si je mets 5Mohm, ça marche encore ?

R2 sert à alimenter la base de Q1. Sa valeur doit être suffisamment petite pour saturer Q1 avec le courant maximum du générateur de courant. Si par exemple le générateur de courant fait 20mA, le courant dans la base de Q1 doit être d'environ 0,5mA (Béta de Q1=40 ...au pif)

Il n'y a qu'a lire ma réponse. Suppose une alimentation de 12V. Avec 5Mohm, tu as un courant collecteur de combien ?

[PA5CAL]

Merci Daudet78 pour ta réponse ! Mais y a des trucs que j'ai du mal à comprendre... Si j'ai bien compris Q2 fonctionne comme un "régulateur" c'est ça ?

Non. C'est plutôt Q1 qui sert de régulateur (la contre-réaction s'effectue au travers de sa jonction base-émetteur).

Q2 sert de référence de tension et d'amplificateur (émetteur commun).

À la limite, on pourrait se passer de Q2 et le remplacer par un diode (zener par exemple) entre la base de Q1 et la masse.

Et pourquoi le courant dans le collecteur Q1 serait plus grand que 20mA vu qu'on a mis exprès la résistance qui va bien pour avoir justement 20mA ?

Il s'agissait d'une explication pour démontrer la régulation. Si le courant augmente, le circuit tend à le diminuer, et réciproquement.

Par ailleurs, ce n'est pas la résistance qui fixe le courant à 20mA. Rien n'empêche qu'il ait une valeur supérieure si le reste du circuit ne l'impose pas.

Merci Daudet78 pour ta réponse ! Mais y a des trucs que j'ai du mal à comprendre... Si j'ai bien compris Q2 fonctionne comme un "régulateur" c'est ça ?

Non. C'est plutôt Q1 qui sert de régulateur (la contre-réaction s'effectue au travers de sa jonction base-émetteur).

Q2 sert de référence de tension et d'amplificateur (émetteur commun).

À la limite, on pourrait se passer de Q2 et le remplacer par un diode (zener par exemple) entre la base de Q1 et la masse.

Et aussi la valeur de R2 on la calcule comment ? Y a un ordre de grandeur ?

Il faut que le courant qui la traverse soit supérieure au courant nécessaire pour permettre à Q1 d'allumer la led, le surplus de courant étant drainé par Q2.

On a:
¨¨¨¨¨¨ I_R2 = (V_CC–V_BE1–V_BE2)/R2
et
¨¨¨¨¨¨ I_F = I_B1.β₁

On peut donc fixer:
¨¨¨¨¨¨ I_R2 = K.I_F/β₁
avec K choisi de sorte que:
¨¨¨¨¨¨ K>1
et
¨¨¨¨¨¨ K « β₁.β₂

(par exemple on peut choisir K=2)

V_BE1 et V_BE2 étant de l'ordre de 0,7V , on obtient :
¨¨¨¨¨¨ R2 = (1/K).(V_CC–1,4V).β₁/I_F

Pour I_F=20mA, l'ordre de grandeur de R2 se situe entre 5kΩ à 100kΩ, selon la tension d'alimentation V_CC et le gain du transistor β₁.

Si je mets 5Mohm, ça marche encore ?

Probablement pas. Le courant dans R2 (de l'ordre de la dizaine de µA pour une alimentation à très basse tension) serait trop faible pour que le courant collecteur de Q1 puisse
atteindre les 20mA.


EDIT: Oups. J'arrive trop tard (parti prendre un café il y a un heure)...

[PA5CAL]

Compte tenu des incertitudes sur la tension d'alimentation V_CC et le gain β₁ du transistor Q1, le coefficient K>1 que j'ai indiqué doit être choisi dans l'hypothèse la plus défavorable, correspondant aux valeurs minimales de V_CC et β₁:
¨¨¨¨¨¨ R2_max < β_1min.(V_CCmin–V_BE1max–V_BE2max)/I_F
ce qui, dans le cas limite, correspond approximativement à la condition:
¨¨¨¨¨¨ R2_max < β_1min.V_F/I_F
puisque pour fonctionner, le montage nécessite par ailleurs que:
¨¨¨¨¨¨ V_CC > V_Fmax+V_CE1sat+V_BE2max

Il faut également s'assurer que la valeur de R2 obtenue est suffisamment élevée dans le cas d'une valeur minimale de β₂ et d'une valeur maximale de V_CC:
¨¨¨¨¨¨ R2_min » (V_CCmax–V_BE1min–V_BE2min)/(I_F.β_2min)
qu'on peut le plus souvent simplifier en:
¨¨¨¨¨¨ R2_min » V_CCmax/(I_F.β_2min)

[PA5CAL]

Finalement, pour parer aux cas de figure où la tension d'alimentation atteint des valeurs très faibles (V_CC≈N.V_Fmax+1V pour N leds en série), on peut faire une conception à l'emporte-pièce en fixant:
- R1=39Ω et R2=2,7kΩ pour une led de 20mA
- R1=39Ω et R2=5,6kΩ pour 2 leds de 20mA en série,
- R1=39Ω et R2=8,2kΩ pour 3 leds de 20mA en série,
...

.

[Che57]

Oulala ça se corse !! Tu pourrais me dire comment tu sors ton K PA5CAL ? Ca commence un peu à rentrer mais j'ai du mal avec ce foutu transistor Q2 qui rend mes calculs (loi des mailles, loi des noeuds) compliqué car je suppose que l'on peut pas négliger le courant de collecteur de Q2 ?

[PA5CAL]

En fait, c'est assez simple.

Pour le calcul, il suffit de faire les hypothèses simplificatrices suivantes :
- la tension V_BE2 est constante et égale à 0,7V (jonction silicium normalement polarisée en direct)
- pour Q1 et Q2, le courant dans le collecteur identique au courant dans l'émetteur (valable car β»1)
- le courant I_B2 est négligeable devant le courant dans R1 (vérifiable a posteriori par le calcul, si le choix de K n'est pas aberrant).


Le K que j'introduis représente le rapport entre le courant dans R2 et le courant dans la base de Q1. Par conséquent, (K–1) représente le rapport entre le courant dans le collecteur de Q2 et le courant dans la base de Q1 :

K = I_R2/I_B1
K–1 = I_C2/I_B1

Au minimum, on a K=1 lorsque Q2 est bloqué, ce qui est une situation qu'on cherche absolument à éviter. En effet, pour que le circuit puisse assurer une régulation du courant dans la led, il faut qu'on ait K>1 afin d'être toujours en mesure de réduire le courant dans le collecteur de Q2 si le courant dans la led est trop faible.

En choisissant arbitraire K=2, le courant dans R2 se partage de manière égale dans la base de Q1 et le collecteur de Q2. On pourrait tout aussi bien prendre K=1,5 ou K=10. Après ce n'est plus qu'une question de tolérances sur les valeurs connues et d'optimisation de la consommation.

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[Che57]

Excuse-moi de m'inscruster dans ta discussion Pikachouw, mais j'ai aussi ce problème de compréhension.

Pourrait-on dans un premier temps, pour faire l'étude, enlever Q2 et calculer les valeurs de R1 et R2 pour avoir la valeur du courant désiré ?

Et est-ce que ce montage est totalement équivalent à un montage avec des transistors PNP (en replacant les resistances bien sûr) ?

Merci de vos réponses.

[PA5CAL]

Pourrait-on dans un premier temps, pour faire l'étude, enlever Q2 et calculer les valeurs de R1 et R2 pour avoir la valeur du courant désiré ?

Je n'en vois pas trop l'intérêt.

C'est la présence de la jonction base-émetteur de Q2 qui détermine la valeur de R1, et R2 est choisi en fonction de la somme des courants passant dans la base de Q1 et dans le collecteur de Q2.

Le montage sans Q2 n'a absolument plus la même fonction.

Et est-ce que ce montage est totalement équivalent à un montage avec des transistors PNP (en replacant les resistances bien sûr) ?

Oui, en retournant entièrement le schéma (émetteur de Q2 branché au + de l'alim, cathode de la led branchée au – de l'alim, etc.)

[DAUDET78]

Pourrait-on dans un premier temps, pour faire l'étude, enlever Q2 et calculer les valeurs de R1 et R2 pour avoir la valeur du courant désiré ?

C'est ce que je fais au début. Mais il faut calculer R2 pour avoir un courant plus grand, ceci, en fonction du gain min de Q1. Par exemple 40mA pour un courant désiré en limitation de 20mA

Et est-ce que ce montage est totalement équivalent à un montage avec des transistors PNP (en replacant les resistances bien sûr) ?

Il ne faut pas changer les résistances (à gain de transistor Q1 identique), mais inverser la tension d'alimentation

[Che57]

Je n'en vois pas trop l'intérêt.

C'est la présence de la jonction base-émetteur de Q2 qui détermine la valeur de R1, et R2 est choisi en fonction de la somme des courants passant dans la base de Q1 et dans le collecteur de Q2.

Le montage sans Q2 n'a absolument plus la même fonction.
Oui, en retournant entièrement le schéma (émetteur de Q2 branché au + de l'alim, cathode de la led branchée au – de l'alim, etc.)

D'après vos explications, ce que j'ai compris c'est que si le courant d'émetteur de Q1 augmente, le courant de base de Q2 augmente à sont tour. Ainsi, le courant de collecteur de Q2 augmente donc le courant de base de Q1 diminue et par conséquent, le courant de collecteur (ou d'émetteur) de Q1 diminue : régulation.

Si Q2 sert juste à surveiller le courant d'émetteur de Q1, je pensais que l'on pouvait l'oublier un instant, le temps de choisir R1 et R2 tel que l'on ferait pour avoir une source de courant basique comme ceci :

[PA5CAL]

Ceci n'est pas une source de courant. Ou alors on supprime également le transistor et on s'impose une tension d'alimentation constante et assez élevée... bref, on ne parle plus du tout du même circuit.

Quoi qu'il en soit, le calcul des résistances R1 et R2 n'a strictement plus rien à voir avec ce type de schéma. Si tu avais tenté de faire le calcul, tu en aurais été convaincu.

[DAUDET78]

Ceci n'est pas une source de courant.

parfaitement exact. Une source de courant donne un courant indépendant de la charge et de la tension d'alimentation.... ce qui n'est pas du tout le cas de ton montage #14 . On a une droite de charge inclinée I=(Valim-Vcharge)/R2

[Che57]

En effet, j'ai dit une bêtise, et surement pas la seule.

Si je vous pose ces questions, c'est que je souhaite expliquer tant qualitativement que quantitativement un circuit électronique que j'étudie depuis plusieurs semaines (voir pièce jointe).

Le circuit permet, en gros, de commander en J2 un moteur spécial (modélisé par une capacité). En appliquant une tension continue de 240V sur l'émetteur de Q1, la source de courant formée par Q1-Q2 alimente la charge (un condensateur chargé à courant constant voit à ses bornes une rampe de tension => démarrage en douceur du moteur).

Enfin, les transistors Q3 et Q4 sont commandés par un crénau afin de connecter/déconnecter la charge pour qu'elle puisse se décharger (étant donné qu'il s'agit grossomodo d'un condensateur)

Comme il s'agit d'un schéma existant, je dois choisir et surtout justifier les valeurs des composants en fonction du nouveau cahier des charges.

Pour R6, j'ai choisi cette valeur de façon à avoir un courant suffisant pour avoir une tension de 200V au bornes de la charge (Ich=Vbe/R6). Ce qu'il me reste à justifier, c'est le choix de cette énorme valeur de R7.

[PA5CAL]

Pour R6, j'ai choisi cette valeur de façon à avoir un courant suffisant pour avoir une tension de 200V au bornes de la charge (Ich=Vbe/R6).

Soit dit en passant, je ne vois pas ce que la tension aux bornes de la charge a comme rapport avec R6.

Ce qu'il me reste à justifier, c'est le choix de cette énorme valeur de R7.

D'après le choix de R6, le courant dans la charge est :
¨¨¨¨ I_S ≈ V_BE1/R6 = 0,7V/25,5kΩ = 27,45µA

Le courant de base de Q1 nécessaire à l'obtention de I_S est :
¨¨¨¨ I_B1 = I_S/ β₁

De plus, la tension aux bornes de R7 est quasiment égale à la tension d'alimentation :
¨¨¨¨ V_R7 = U – V_CE4 – V_BE1 – V_BE2 ≈ 240V – 0,2V – 0,7V – 0,7V = 238,4 V

Dans ces conditions, pour obtenir un fonctionnement correct il suffit que la valeur de R7 soit inférieure à V_R7/I_B1, soit :
¨¨¨¨ R7 < β₁.V_R7/I_S

Comme V_R7/I_S ≈ 8,68MΩ et β₁ > 1, le choix de 5MΩ (qui est la valeur maximale habituellement disponible) est acceptable, et il n'est par ailleurs pas utile de prendre une valeur inférieure.

[PA5CAL]

Oups... Je me suis trompé entre Q1 et Q2, tes notations étant inversées par rapport au schéma du sujet. Il faut lire:

D'après le choix de R6, le courant dans la charge est :
¨¨¨¨ I_S ≈ V_BE1/R6 = 0,7V/25,5kΩ = 27,45µA

Le courant de base de Q2 nécessaire à l'obtention de I_S est :
¨¨¨¨ I_B2 = I_S/ β₂

De plus, la tension aux bornes de R7 est quasiment égale à la tension d'alimentation :
¨¨¨¨ V_R7 = U – V_CE4 – V_BE1 – V_BE2 ≈ 240V – 0,2V – 0,7V – 0,7V = 238,4 V

Dans ces conditions, pour obtenir un fonctionnement correct il suffit que la valeur de R7 soit inférieure à V_R7/I_B2, soit :
¨¨¨¨ R7 < β₂.V_R7/I_S

Comme V_R7/I_S ≈ 8,68MΩ et β₂ > 1, le choix de 5MΩ (qui est la valeur maximale habituellement disponible) est acceptable, et il n'est par ailleurs pas utile de prendre une valeur inférieure.

[PA5CAL]

Il faut également vérifier qu'on se trouve au-dessus de la valeur minimale acceptable de R7.

En effet, le schéma donne un fonctionnement satisfaisant qu'à la condition qu'on vérifie l'hypothèse :
¨¨¨ I_B1 « I_R6
soit :
¨¨¨ I_C1/β₁ « I_S
ou encore :
¨¨¨ I_C1 « β₁.I_S

Comme par ailleurs on a :
¨¨¨ V_R7/R7 = I_C1 + I_B2
¨¨¨ I_B2 = I_S/β₂
alors on doit avoir :
¨¨¨ V_R7/R7 « β₁.I_S + I_S/β₂
soit :
¨¨¨ V_R7/R7 « I_S.(β₁+1/β₂) ≈ I_S.β₁
ou encore :
¨¨¨ R7 » V_R7/(I_S.β₁)

Or, on a vu que V_R7/I_S=8,68MΩ. On doit donc vérifier que :
¨¨¨ R7 » 87kΩ pour β₁ ≈ 100
¨¨¨ R7 » 0,22MΩ pour β₁ ≈ 40
¨¨¨ R7 » 0,87MΩ pour β₁ ≈ 10

Dans ce dernier cas (β₁≈10), avec R7=5MΩ, l'hypothèse de départ (I_B1«I_R6) commence à n'être plus très bien vérifiée.

R7=5MΩ apparaît donc comme une valeur en dessous de laquelle il ne vaut mieux pas trop descendre.

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[Che57]

Le courant I_s=V_BE1/R7 charge le moteur (=condensateur) sur une demi-période fixée par un astable. Au final, la valeur de la tension de la charge est égale à :



Quant tu dis :

Dans ces conditions, pour obtenir un fonctionnement correct il suffit que la valeur de R7 soit inférieure à V_R7/I_B2, soit :
¨¨¨¨ R7 < β₂.V_R7/IS

Il y a un truc que je pige pas... Pourquoi R7 doit être inférieur ? Et lorsque tu écris V_R7/I_B2, tu supposes qu'en fonctionnement normal, le courant de collecteur de Q1 est négligeable devant le courant de base de Q2 ?

[PA5CAL]

Si R7 est trop grande, le courant qui la traverse est trop faible pour que le courant dans la charge I_S atteigne la valeur désirée.

Par exemple, imaginons que β₂=10 :

On a vu que R6 a été calculée pour que I_S=27µA.

Si l'on fixe R7=95MΩ, alors :
¨¨¨ I_R7 ≈ 2,5µA.

Comme I_R7 se partage entre I_C1 et I_B2, alors :
¨¨¨ I_B2 < 2,5µA
et par conséquent :
¨¨¨ I_S = I_B2.β₂ < 2,5µA x 10 = 25µA
soit :
¨¨¨ I_S < 25µA

On voit qu'on n'atteint pas les 27µA requis.

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