Electronique > Réalisations > Interfaces > Interface puissance 001 [Pro]

Dernière mise à jour : 10/09/2017

Présentation

Cette interface de puissance a été élaborée pour compléter mon interface MIDI 025

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Elle dispose de 12 voies (version 001) ou 8 voies (version 001b) de puissance à transistors MOSFET, et peut travailler sous une tension de 12 V ou 24 V. Les 8 ou 12 voies permettent de piloter des charges résistives ou inductives (moteurs par exemple) 12 V ou 24 V, à partir de commandes logiques 0/+5 V.

Avertissement

Projet pro : manquent volontairement quelques détails, références de composants et routage du PCB.

Schéma 001 (12 voies)

Rien de bien nouveau, utilisation de transistors MOSFET de puissance couplés à des diodes rapides.

interface_puissance_001

Les composants ont été choisis pour un usage où les commutations des transistors se font à un rythme "assez lent" (quelques Hz max, mais l'interface peut travailler jusqu'à 100 kHz), et où les pertes à fréquence élevée pouvaient être négligées. Les transistors choisis peuvent commuter un courant maximal permanent de 20 A, mais sont utilisés ici en "sous-régime", ce qui explique l'absence de dissipateur thermique. La résistance en série avec la grille des transistors limite le courant d'appel lié à la capacité parasite (Qg max = 64 nC pour les transistors choisis), de sorte que le courant de commande n'excède pas 10 mA, tout en garantissant un très faible "retard" sur le temps de commutation (ici de quelques us). Les diodes de "roue libre" assurent la protection des transistors quand ces derniers pilotent des charges inductives (moteurs ou électro-aimants par exemple). Il s'agit de diodes rapides capables de supporter des courants et tension inverse de valeur élevée.

Schéma 001b (8 voies)

Idem précédemment, simple suppression de 4 voies de sortie.

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Prototype

Version 001 (12 voies), réalisé en double face, conformément au dessin de circuit imprimé visible ci-après.

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Le premier prototype mis au propre a été équipé de 3 types de MOSFET différents (4 MOSFET de chaque référence) pour comparaisons en régime dynamique "poussé". J'ai ensuite décidé de garder le "meilleur".

Procédure de test
L'interface a été conçue pour un usage en contexte musical, avec des commutations "isolées" (jeu d'un musicien via une interface MIDI). Dans un tel contexte, la fréquence de commutation ne peut excéder 1 kHz environ, puisque chaque événement MIDI NoteOn dure environ 1 ms (imaginez 1000 notes de musique jouées en une seule seconde...). Les transistors de puissance, ici très largement dimensionnés, ne devraient en théorie pas trop souffrir. J'ai toutefois tenu à tester l'interface avec un régime de fonctionnement allant bien au-delà des besoins, afin d'évaluer sa "robustesse" pour d'autres usages non-MIDI. J'ai ainsi poussé la cadence des commutations jusqu'à 100 kHz, sous une tension d'alim de 12 V et 24 V, et avec des charges résistives et inductives:
Les copies d'écran qui suivent montrent l'allure générale des signaux à 1 kHz, 10 kHz et 100 kHz pour l'un des MOSFET utilisés (type #2). La courbe jaune correspond au signal de commande, et la courbe bleue correspond à la sortie du MOSFET testé (tension de Drain par rapport à la masse). Sans surprise, la tension commutée met un certain temps pour passer de l'état actif à l'état de repos (et inversement). Ce temps est négligeable dans l'application prévue, mais ne peut l'être à vitesse de commutation plus élevée (50 kHz et plus), car c'est lors de ces périodes de transition que les pertes (et la puissance dissipée par les transistors) sont les plus élevées. L'imperfection du signal de commande est en grande partie due au câblage utilisé entre mon générateur de signaux et l'interface de puissance, câble coaxial 50 ohms suivi de fils nus de plusieurs dizaines de cm. C'est volontaire, ça permet de sortir un peu du contexte "labo parfait" ;-)

1 kHz10 kHz100 kHz
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Les copies d'écran qui suivent montrent en détail les temps de commutation en sortie MOSFET (courbe bleue) sur activation et désactivation de la commande (courbe jaune), à 1 kHz et pour les trois types de MOSFET :

MOSFET type #1MOSFET type #2MOSFET type #3
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Résultats de mesure relevés "à la louche" sur l'écran de l'oscilloscope (non respect du 10%-90%) :
- Temps de mise ON pour MOSFET types #1, #2 et #3 : respectivement 4 us, 2 us et 10 us
- Temps de mise OFF pour MOSFET types #1, #2 et #3 : respectivement 7 us, 1,5 us et 1,5 us
A noter que le MOSFET le plus rapide n'est pas forcément le plus robuste lors d'évenements "gênants" tels que court-circuits francs ou charges fortement réactive... C'est bien d'aller vite, mais parfois on se casse la g....

Circuits imprimés

Réalisés en double face, circuit de dimensions 96 mm * 76 mm pour la version 12 voies, dimensions 72 mm * 76 mm pour la version 8 voies.

interface_puissance_001_pcb_composants

interface_puissance_001b_pcb_composants

Les transistors MOSFET et les diodes ont fait l'objet d'un traitement spécifique au niveau du routage, qui permet de les dessouder facilement en cas de maintenance corrective (pas de liaison "double face" sur la totalité des broches de ces composants). Le dépannage possible au composant près a d'ailleurs été (une fois de plus) à la base du choix de composants uniquement de type traversant.

Historique

10/09/2017
- Ajout photos du prototype mis au propre, et essais supplémentaires "plus durs".
30/07/2017
- Première mise à disposition