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Générateur PWM (MLI) 003
Dernière mise à jour : 13/06/2011Présentation
Un troisième petit générateur de signaux rectangulaires dont le rapport cyclique est commandé par la position du curseur d'un potentiomètre, de la même façon que le permet le Générateur PWM 001. Voir aussi modulation de largeur d'impulsion (PWM / MLI). Le montage proposé ici dispose d'une sortie de puissance sur transistor MOSFET apte à piloter un moteur à courant continu ou une ampoule à incandescence, mais il va de soi que vous pouvez supprimer cette interface si vous n'en avez pas besoin. Tel quel, vous pouvez vous servir de ce circuit pour un réglage de vitesse d'une petite perceuse à courant continu (même principe que pour le régulateur de vitesse 002 mais en un peu plus efficace), ou pour un réglage de luminosité d'une lampe à incandescence ou d'un ensemble de LED (comme pour le montage Lampadaire multicolore 001).Schéma
Contrairement au schéma du générateur PWM 002,
ce montage ne fait appel qu'à un seul NE555.
(L1 = Lampe, M1 = Moteur)
Fonctionnement principal
Le NE555 (U1) est monté en multivibrateur et délivre un
signal
de fréquence fixe avec un rapport cyclique variable. La
fréquence de base est fixée par la valeur du
potentiomètre RV1 et du condensateur C1. Avec les valeurs du
schéma, la fréquence est de l'ordre de 120 Hz. Descendre
la valeur de C1 à 1 nF permet de monter la fréquence
à 1,2 KHz. Le rapport cyclique est directement fonction de la
position du curseur du potentiomètre RV1, couplé aux deux
diodes D1 et D2 qui permettent de bien séparer les cycles de
charge et de décharge du condensateur C1. Quand le curseur de
RV1 est en position centrale, les cycles de charge et de
décharge de C1 prennent autant de temps et le rapport cyclique
est de 50 %. Si le curseur de RV1 est du côté de D1, la
charge de C1 est plus rapide et sa décharge est plus lente, ce
qui conduit à un rapport cyclique faible (inférieur
à 50 %), le MOSFET reste plus longtemps bloqué qu'il ne
reste passant (la lampe s'éclaire faiblement et/ou le moteur
tourne lentement). Si le curseur de RV1 est du côté de D2,
la charge de C1 est plus lente
et sa décharge est plus rapide, ce qui conduit à un
rapport cyclique
élevé (supérieur à 50 %), le MOSFET reste
plus longtemps passant que bloqué (la lampe s'éclaire
fortement et/ou le moteur tourne vite). Le rapport cyclique peut ainsi
varier de 0,5 % à 99,5 %.Commande / sortie
Une fois n'est pas coutume, la sortie PWM se fait sur la borne 7 du NE555 et non sur sa borne 3. Sur cette sortie 7 est directement raccordée la grille du transistor MOSFET Q1 de type BUZ10, qui est un modèle 20 A. La résistance R1 permet de polariser la grille du MOSFET quand le transistor interne au NE555 (accessible via borne 7) est bloqué, et de le faire ainsi conduire. Quand le transistor interne au NE555 est passant, la sortie 7 se retrouve à la masse et le MOSFET ne conduit plus. Le BUZ10 pourra être remplacé par d'autres modèles de transistors MOSFET, par exemple un IRFZ44N, plus performant côté résistance passante (Ron plus basse, dissipation moindre).Choix de la fréquence de commutation
Si la charge est une ampoule, la fréquence exacte n'est pas très critique et les valeurs de composants proposées ici conviennent sans problème. Si la charge est un moteur, la valeur exacte de la fréquence à adopter dépend du type de moteur (notamment de son inductance), sachant qu'une fréquence basse risque de le faire "grogner" un peu (ce qui ne signifie pas forcement qu'on perd en couple). Une fréquence de commutation plus élevée permet d'avoir un moteur plus "silencieux" mais fait chauffer un peu plus le transistor de puissance. Dans certains cas où la fréquence est élevée et les courants mis en jeu sont élevés, le choix du transistor de puissance et de sa commande devient plus critique, ce qui impose de savoir ce qu'on fait (moi-même ne suis pas spécialiste en moteurs et ne maîtrise pas le sujet).Choix du transistor MOSFET
BUZ10 ? BUZ20 ? IRFZ44N ? IRF530 ? STP75NF75 ?Il existe des tas de modèles de transistors MOSFET. Des "petits" qui permettent la commutation de quelques ampères, des "gros" capables de travailler avec plusieurs dizaines d'ampères. Outre le paramètre "courant de commutation maximal", il faut s'intéresser à la tension maximale que le transistor accèpte avant de claquer. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une règle absolue, la valeur de la résistance RdsOn (résistance Drain-Source à l'état passant) tend à être plus élevée quand le transistor supporte des courants et tension plus élevés. Inutile donc de prendre le transistor le plus costaud sous pretexte que qui peut le plus peut le moins. Plus la valeur du RdsOn est faible et moins l'échauffement du transistor est élevé. Et un echauffement moindre permet de monter un peu plus haut en fréquence de commutation sans que se pose trop le problème de la dissipation de puissance (pas besoin d'un gros dissipateur). A titre d'exemple, le transistor STP75NF75 possède une résistance RdsOn typique de 0,01 ohms et est capable de travailler sous une tension pouvant monter à 75 V et sous un courant pouvant atteindre 75 A à 25 °C (70 A à 100 °C). Avec une puissance dissipable max de 300 W, ce transistor est particulièrement bien adapté aux commandes de moteurs et de convertisseurs DC/DC. Il peut aussi commander une LED.
Alimentation
L'alimentation se fait sous +12 V pour la charge pilotée (lampe ou moteur), et se fait sous +5 V pour le circuit de commande. Nous avons ainsi un bon découplage des deux parties et les parasites éventuellement induits sur la ligne d'alim côté puissance sont stoppés et ne vont pas perturber la section de commande. Notez qu'avant le régulateur de tension de type LM7805 (U2), se trouve une première cellule de découplage composée de la diode D3 et du condensateur C3, qui assurent un bon pré-filtrage. Pour la partie puissance, vous pouvez adopter une autre valeur de tension d'alimentation que 12 V, du moment qu'elle reste comprise dans la fourchette 9 V à 28 V. La valeur min de cette fourchette est imposée par la tension de déchet du régulateur de tension (voisine de 3 V) et de la chute de tension dans D3 (environ 0,6 V). Vu la faible consommation du NE555, vous pouvez vous contenter de la version "miniature" du LM7805, à savoir le 78L05 en boitier plastique TO92. Vous pouvez même envisager l'emploi d'une simple régulation résistance + diode zener (avec ou sans transistor ballast), ce qui permettra le cas échéant d'utiliser une tension générale plus élevée, par exemple de +48 V.Utilisation sous forte puissance ?
Nous avons tout à l'heure évoqué l'utilisation possible d'un transistor MOSFET de type STP75NF75 offrant des caractéristiques alléchantes. Pourquoi alors ne pas proposer systématiquement ce modèle (ou un autre de la même famille) pour le générateur PWM présenté ici ? A cause du prix ? Le STP75NF75 se trouve à 1,75 euro HT chez Digikey ou 2,25 euros chez Mouser... sans doute pas la raison principale. La disponibilité en France ? On le trouve chez Radiospare (mais pour le particulier, quelle galère !). Bref, on peut se focaliser sur ce transistor pour mille et une raisons et ne pas avoir à se justifier. Une remarque toutefois pour ce transistor en particulier : la tension de commande Vgs doit être assez élevée pour un fonctionnement correct. Une tension de commande de 3 V peut ne pas suffire alors qu'une valeur de 10 V conviendra. Cela implique une modification du circuit côté alimentation et régulation. Le schéma qui suit propose une façon de procéder pour attaquer le STP75NF75 (ou autre MOSFET dans cette catégorie de puissance) dans de meilleurs conditions.
L'alimentation du NE555 s'effectue désormais sous 10 V (disons entre 9 V et 10 V pour être plus juste), ce qui permet d'envoyer à la grille du FET des impulsions de commande d'amplitude adéquate. Le régulateur de tension a été supprimé et remplacé par quelques diodes, on peut se le permettre au vu de la consommation effective du NE555. Pourquoi supprimer le régulateur de tension ? Parce que pour obtenir une tension de 10 V régulée à partir d'une tension de 12 V, il aurait fallut un régulateur à faible chute de tension (LDO, Low Drop Out). Remarquez que vous pouvez choisir cette option, c'est au choix (par exemple régulateurs LM2941CT ou LM2940CT). Si le MOSFET se contente largement d'une tension de 9 V (fort probable) pour sa commande de grille, vous pouvez aussi utiliser un classique LM7809. Ah la la, que de mots finalement pour revenir au point de départ...