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Dernière mise à jour : 31/01/2016Présentation
Cet article propose des moyens simples pour piloter un relais ,une ampoule en basse tension ou plusieurs branches de LED (câblées en série / parallèle), quand le courant de commande disponible est faible. Il montre par exemple comment commander un relais de petite ou moyenne puissance à partir de la sortie d'un circuit intégré TTL ou CMOS, sans griller ce dernier. Pour des interfaces isolées, voir page Interfaces logique 002.
Schémas de base
Les schémas qui suivent constituent quelques exemples de ce que l'on peut faire pour amplifier suffisement le courant de commande afin de le rendre exploitable avec des charges trop "gourmandes" (relais, moteur ou gros paquet de LED par exemple). Le premier schéma proposé est un passe-partout, qui conviendra dans un grand nombre de situations sans poser de problème particulier.
Interfaçage avec un transistor classique
Le gain en courant apporté par ce montage permet de l'utiliser partout où un courant de commande de 1 mA au moins est disponible. La tension de commande, issue d'une sortie de circuit intégré logique type CMOS, TTL ou PIC, est appliquée sur l'entrée Cde.
La valeur de la tension de commande au point Cde (par rapport à la masse et donc par rapport à l'émetteur du transistor) peut être comprise entre 1,5 V et 48 V, à condition d'adapter la valeur de la résistance R1 pour disposer d'un courant de base qui soit en même temps suffisant pour saturer correctement le transistor, tout en ne risquant pas de le griller. Pour calculer la valeur de cette résistance, vous devez connaitre le gain du transistor employé. Pas son gain exact car les écarts d'une pièce à l'autre peuvent être élevés. Mais connaitre au moins l'ordre de grandeur : gain de 50, de 150, de 300 ou de 1000 par exemple. Si l'on prend l'exemple d'un transistor ayant un gain de 100, celà signifie que grossièrement, on peut estimer qu'il lui faut un courant de base de 1 mA pour commander une charge (un relais ou une ampoule par exemple) consommant 100 mA. Autrement dit, si votre relais consomme 10 mA, vous pouvez vous contenter d'un courant de commande de 100 uA (0,1 mA), toujours pour un gain de 100. Mais il est toujours mieux de prendre une marge de sécurité et d'augmenter un peu le courant de commande pour être sûr que le transistor sature de façon franche. Ainsi dans le dernier exemple donné (relais consommant 10 mA), une commande de 200 uA à 500 uA devrait garantir un parfait fonctionnement. Pour ma part, je n'hésite pas à utiliser un courant de 1 ou 2 mA pour commander un relais de 20 mA, avec un transistor de type 2N2222. Si on suit cet exemple, et pour un courant de base de 1 mA, cela donne les valeurs de résistances suivantes pour les tensions suivantes :
- pour une tension de commande de +5 V, R = (5 - 0,6) / 0,001 = 4400 ohms- pour une tension de commande de +9 V, R = (9 - 0,6) / 0,001 = 8400 ohms
- pour une tension de commande de +12 V, R = (12 - 0,6) / 0,001 = 11400 ohms
etc...
(la valeur 0,6 correspond à la chute de tension B-E du transistor)
La diode D1 n'est indispensable que si vous pilotez un relais, et n'est là que pour protéger le transistor Q1 au moment où le courant circulant dans la bobine du relais est coupé, ce qui provoque à ce moment une forte surtension aux bornes de la bobine. La tension de 12V utilisée pour le relais est arbitraire. Vous pouvez fort bien utiliser une tension différente, de +5 V, +15 V ou +24 V. Le tout est que cette tension corresponde à la tension de l'élément commandé (ici un relais).
Interfaçage avec un transistor darlington
Si le courant de commande disponible est inférieur à 1 mA, il est recommandé de recourir à un montage de type darlington (deux transistors montés en "série" et dont les gains sont multipliés entre eux), permettant une amplification en courant bien supérieure (par exemple 100 * 100 = 10000). Le montage suivant fait appel à un petit darlington de type BC517, les deux transistors sont montés dans le même et unique boitier plastique TO92.
Si vous avez besoin de plus de puissance (par exemple courant de sortie de 2 A), vous pouvez aussi envisager l'emploi d'un transistor darlington de type TIP122 en boitier TO220.
Interfaçage avec deux transistors classiques montés en darlington
Si les transistors darlingtons intégrés (BC517, TIP122 et autres) vous font peur, rien ne vous interdit de confectionner vous-même un darlington avec deux transistors "normaux", comme le suggère le schéma qui suit.
La résistance R1 peut avoir une valeur comprise entre 4,7 kO et 68 kO, tout dépend toujours bien sûr de la tension de commande appliquée au point Cde. Essayez tout d'abord une valeur "standard" comprise entre 10 kO et 47 kO qui convient pour une tension de commande de quelques volts. Le premier transistor Q1 peut être de n'importe quel type NPN faible puissance, BC107 ou BC238 par exemple. Le second transistor Q2 peut être de type NPN "moyenne" puissance, 2N2222 ou 2N1711 par exemple. L'avantage avec cette façon de faire est que vous avez plus de chances de pouvoir vous confectionner un darlington avec des pièces de récupération - en faisant bien entendu attention aux brochages des transistors et à leur polarité, mais ça vous en êtes capable.
Interfaçage avec des darlingtons en circuit intégré ULN2803 / ULN2804
Les circuits intégrés ULN2803 et ULN2804 comportent tous deux huit transistors NPN darlington dans un même boîtier à 18 broches. Ce type de circuit est idéal dès l'instant où il s'agit de commander un ensemble de plusieurs relais, LED ou ampoules (exemple en page Afficheur LEDs 7 segments 005).
- Pour une commande en +5 V (standard TTL), choisissez le ULN2803.- Pour une commande en +3 V à +15 V (standard CMOS), choisissez le ULN2804.
Les diodes internes, qui sont reliées entre chaque sortie et un point commun accessible sur la broche 10 du boîtier, permettent de se passer des diodes externes de protection normalement requises quand on pilote un relais ou autre charge inductive. Le schéma suivant montre un exemple d'utilisation d'un tel circuit, où les huit transistors darlington intégrés sont exploités et où la broche 10 du CI (cathode commune des 8 diodes internes) est reliée au +Valim.
Vous pouvez bien entendu utiliser ce type de circuit intégré même pour un nombre de sorties exploitées inférieure à huit. Mais si c'est pour commander deux relais, préférez tout de même les transistors, comme vu auparavant. Après tout c'est vous qui choisissez, pensez aux éventuelles extensions futures...
Interface 5 V / 24 V
Un moyen simple pour passer d'une commande en +5 V vers un circuit commandé en +24 V est d'utiliser un transistor tel que montré en tout début de page, en remplaçant la tension de +12 V (au niveau du collecteur de Q1) par une tension de +24 V. Il est aussi possible d'assurer un "découplage" (isolation entre les deux parties) plus efficace en mettant en oeuvre deux transistors, un alimenté en +5 V et l'autre alimenté en +24 V, comme le suggère le schéma suivant.
Il reste bien une partie commune entre la section commande et la section commandée (la masse), que seul l'emploi d'un relais ou d'un optocoupleur permettrait de supprimer totalement. Mais en cas de défaillance du transistor de commande Q2 (mise en court-circuit), il y a moins de risques que le +24 V remonte vers la source de commande (ce qui n'aurait quasiment aucune chance de se produire avec un seul transistor commandé en +5 V pilotant un relais 24 V). Note concernant R3 : cette résistance est optionnelle, elle sert ici à limiter l'appel de courant important lorsque le transistor Q2 devient passant (résistance de l'ampoule très faible à froid).
Utilisation de transistors MOSFET
Il n'est pas rare de trouver un transistor MOSFET comme élement de puissance pour piloter une grosse ampoule basse tension ou un moteur à courant continu. Ce qu'on peut considérer comme normal, puisque ce type de composant se commande en tension et réclame un courant de commande quasi-nul, et que son pouvoir de coupure peut sans problème atteindre des valeurs de plusieurs dizaines d'ampères pour certains d'entre eux. Assez facile donc d'intercaler un tel transistor entre la sortie d'une porte logique ou d'un PIC, et de commander des charges qui consomment plusieurs ampères.
Commutation côté 0 V (masse)
Le schéma qui suit est un exemple typique de ce qu'on peut trouver, le transistor Q101 est ici de type BUZ10 mais il existe un nombre effroyable d'autres références qui peuvent convenir (quelques références de MOSFET sont données à titre d'exemple à droite du schéma).
Il existe des transistors MOSFET qui se contentent d'une tension de commande de quelques volts (par exemple 5 V) et qui se revendiquent "compatible TTL" comme les BUK101-50GL , STP36NF06L ou FDS6570A (ce dernier présente une valeur de RdsOn de 0,01 ohm avec une commande aussi basse que +2,5 V). D'autres réclament une tension plus élevée pour bénéficier d'une saturation parfaite et donc d'une résistance RdsOn la plus faible possible (synonyme de pertes minimales et d'un échauffement moindre).
En réalité, l'importance de la valeur de la tension de commande dépend du courant que l'on va réellement demander au MOSFET par rapport à ses capacités propres. Si par exemple on regarde de près le BUZ10 qui accèpte un courant Id (de drain) de 23 A maximum, on se rend compte qu'on peut le faire travailler sans problème avec une tension de commande Vgs de 5 V si le courant commuté (Id) ne dépasse pas 2 A, car dans ces conditions la résistance RdsOn est voisine de 0,1 ohm, ce qui est acceptable. Par contre, si on veut commuter un courant de plus de 10 A, la tension Vgs de 5 V ne suffit plus, il faut au moins 5,5 V pour garder la résistance RdsOn aussi faible que 0,1 ohms. Et si on veut descendre la valeur de RdsOn à 0,07 ohms (valeur mise en avant par le fabriquant) avec Id = 25 A, il faut alors une tension Vgs de 8 V. Avec une tension Vgs aussi élevée que 20 V (valeur max pour le BUZ10), la résistance RdsOn reste inférieure à 0,05 ohms quelque soit le courant Id demandé.
Ce qu'on doit retenir, c'est qu'on peut parfois conserver une tension "compatible TTL" pour commander un MOSFET quand la valeur du courant à commuter se limite à un courant "faible" (1 A ou quelques A selon le modèle de transistor), mais que pour des besoins en courant plus grands, il faut regarder de plus près si une tension de 5 V (ou "pire" de 3,3 V) est suffisante pour obtenir du MOSFET une conduction (saturation) suffisante. Il vous incombe pour cela de prendre les renseignements nécessaires dans les documents constructeur (datasheet) ou de vous en tenir aux modèles spécifiés par celui qui a conçu le montage.
Voici maintenant deux exemples d'adaptation qui permettent de commander un transistor MOSFET avec une tension de commande plus élevée (+10 V à +12 V) qu'une tension de commande initiale de +5 V. Le circuit de commande est évidement plus évolué, puisqu'il requiert des composants additionnels, mais il garantit une commande correcte du MOSFET même quand le courant à commuter est de plusieurs ampères.
Le circuit qui précède ne requiert qu'un seul transistor additionnel mais comme ce dernier est monté en inverseur logique (transistor NPN monté en émetteur commun), le MOSFET est bloqué quand la commande (initiale, en sortie de la porte logique) est active. Pour retrouver l'ordre des choses et avoir saturation du MOSFET avec une commande activée, on peut chaîner deux transistors montés de la même façon.
Le choix des transistors Q202, Q302 et Q303 n'est guère critique et de nombreux autres modèles NPN faible puissance (tels que BC107 ou 2N2222) conviennent parfaitement.
Commutation côté +Alim
Les exemples qui précèdent sont jolis, mais ne conviennent pas pour votre application. Vous avez en effet besoin de commuter en puissance un +12 V et non un 0 V (mettre "l'interrupteur MOSFET" dans la ligne positive et non dans la ligne de masse). Est-il possible de monter un MOSFET Canal N (comme ceux vus avant) en mode "inversé" ou en mode "suiveur" ? Et bien non, on ne peut pas. Enfin vous pouvez toujours essayer, ça fonctionne en fait "à moitié". Par exemple avec un IRFZ44 monté comme dans le schéma suivant, la tension retenue entre les broches Drain et Source est voisine de 5 V à 6 V, ça ne fait pas très sérieux quant on voit ce qui reste pour la charge, ici une ampoule 21 W... Et en plus de ne faire qu'à moitié le boulot, le MOSFET chauffe beaucoup plus.
Mais, allez-vous me dire, on n'enfonce pas un clou avec un tournevis d'horloger. Raisonons donc comme avec les transistors NPN et PNP. Un problème de polarité lié à l'usage d'un MOSFET canal N peut sans doute être résolu par un montage mettant en oeuvre un MOSFET canal P. D'ailleurs, c'est ce que pourrait laisser entendre le schéma suivant.
Un petit transistor NPN a été ajouté entre la commande +12 V et la grille (G) du MOSFET. Pourquoi ? Parce que dans ce second montage avec MOSFET canal P, la grille du transistor de puissance doit être portée à un potentiel nul par rapport à la masse (Vgs négatif) pour que s'établisse la conduction entre Drain (D) et Source (S). En appliquant une tension positive sur la grille (Vgs = 0 V), le transistor est bloqué. D'où la présence de R2' qui apporte ce qu'il faut à la grille en mode repos, pour que le transistor reste bien bloqué.
On peut aussi se poser la question de la présence des résistances et condensateur dans les deux schémas. En fait, au moment de la rédaction de ces lignes, l'idée était de disposer d'une commande avec un +12 V bien distant du transistor de puissance MOSFET. Genre commande par interrupteur ou électronique située dans une voiture et élements de puissance commandés dans une caravane. Les couples R1/C1 et R1'/C1' constituent tous deux un filtre passe-bas qui empêche tout déclanchement intempestif lors de la réception d'un parasite. La résistance R2 du premier schéma empêche le condensateur C1 de se charger quand l'interrupteur SW1 est ouvert et que la résistance R1 (et son grand fil associé) se retrouve en l'air. Peu de risque que ça arrive avec un tel montage ? Hum... et si on supposait l'interrupteur SW1 comme un modèle réel, c'est à dire avec une très forte résistance ohmique entre ses deux bornes quand il est ouvert. Toujours persuadé que C1 ne peut se charger, sachant que la grille du MOSFET ne consomme quasiment aucun courant ? Je vous laisse réfléchir...
Le MOSFET IRF5210 se décline en plusieurs types de boîtiers, les deux les plus fréquement utilisés sont sans doute les suivants :
- IRF5210 = boîtier TO220 (TO220-AB), très simple à assembler pour l'amateur que je suis.
- IRF5210S = boîtier TO263 (D2-Pak), un peu style "gros CMS", un peu plus casse-pied si un refroidissement efficace est requis. Mais tout de même utilisable par l'amateur.