Tutoriel Arduino transistors

Tutoriel Arduino transistors

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Problématique : Comment commandé un moteur à partir d’une carte Arduino ?

Us = 5 Volts Is = 40mA                   Pm = 20 Watts

Um = 12 Volts

Im = 1,7Ampères

Il n’est pas possible de commander un moteur directement sur une sortie d’une carte ARDUINO. Tension et courant en sortie de carte ARDUINO trop faible par rapport aux caractéristiques du moteur. Par conséquent utilisation d’une interface de puissance.

INTERFACE DE PUISSANCE

PRÉSENTATION ET SYMBOLES

Un transistor est constitué de 2 jonctions PN (ou diodes) montées en sens inverse.

Selon le sens de montage de ces diodes on obtient 2 types de transistors :

Un transistor comporte trois connexions : L’émetteur (E), la base (B) et le collecteur (C)

Le transistor NPN      Le transistor PNP

La base, zone de type P, est située entre deux zones de type N.     La base, zone de type N, est située entre deux zones de type P.           

Remarques :

L'émetteur est toujours repéré par une flèche qui indique le sens du courant dans la jonction entre base et émetteur. C'est l'effet transistor qui permet à la diode qui est en inverse de conduire quand une tension est appliquée sur la base.

NPN                                         PNP

On peut considérer le transistor comme l’association de deux diodes dont la représentation ci-dessus peut aider.

CARACTÉRISTIQUES D’UN TRANSISTOR

Les constructeurs donnent en général les valeurs ci-dessous à ne pas dépasser afin d'éviter la détérioration du transistor :

VC_E : tension collecteur/émetteur

VB_E : tension base/émetteur

IC _max : courant maxi dans le collecteur

PRINCIPE

C’est un petit courant dans la base (Ib) qui permet le passage d'un courant beaucoup plus fort du collecteur vers l'émetteur (Ic).

Le courant de base est multiplié par un coefficient

? =Ic / Ib

Dans le cas présent le courant dans le moteur est égal à 200 fois le courant de base.

Remarques :

Ce coefficient ? (gain en courant du transistor) est souvent noté Hfe dans les catalogues constructeurs. Il est parfois aussi appelé coefficient d'amplification en courant.

CALCUL DE LA RÉSISTANCE DE BASE

La résistance de base doit être calculée pour avoir un courant de base suffisant. Quand le transistor est utilisé en commutation, deux cas sont possibles.

Soit le courant de base est nul et le              Soit le courant de base est suffisant et

Vo

ce

oH

Le point de départ pour le calcul d'une résistance de base Rb est le courant Ic. Ce courant est calculé en fonction de la résistance de la charge et de la tension à ses bornes.

Attention, la tension V_ce est proche de 0 V mais pas nulle.

Ic =(Vcc-Vce)/Rb =(9-0,2)/50= 0,176 A

Le courant de base Ib doit être suffisant pour saturer le transistor : Ib ?Ic/?

Si dans notre cas ? est au moins égal à 200, il nous faut Ib = 0,176/200 = 0,00088 A soit 0,88 mA

Connaissant Ib, il est maintenant possible de calculer Rb : Rb = Urb/Ib et VoH = Urb + Vbe

VoH est la tension au niveau haut en sortie de la carte ARDUINO : VoH = 5V. Urb = VoH - Vbe = 5 - 0,7 = 4,3 V

Nous pouvons calculer Rb théorique :

Rb =Urb/Ib=4,3/0,88x10^-3= 4886? = 4,88 K?

Pour garantir un bon fonctionnement en commutation du transistor, il est d'usage de choisir une résistance normalisée 2 à 3 fois plus petite. Nous choisirons Rb = 2,7 k?

AUTRE TRANSISTOR

Le transistor PNP

Le courant de base change de sens et Vbe est négatif. La charge est maintenant sur le collecteur et la commande se fait sur un niveau bas.

EXERCICE D’APPLICATION

Question 1 :

Caractéristiques électriques du moteur : DC 20 Watts / 12 Volts.

Carte Arduino (I_OH = 40 mA maxi).

D’après le schéma et les caractéristiques pages suivantes, définir la tension d’alimentation Vcc ainsi que les tensions Ve et Vs.

La caractéristique tension du moteur DC est de 12 V. La tension Vcc sera donc de 12 V pour que le moteur fonctionne correctement quand le transistor est saturé.

La carte Arduino peut être alimentée à partir de votre PC (USB). Il est donc alimenté en 5 Vcc. La tension Vs à l’état haut (1L) est donc de 5 Vcc.

Question 2 :

Choisir le transistor T (voir document constructeur en page 7)

Pour le choix du transistor T il faut respecter son type (NPN ou PNP) et les valeurs à ne pas dépasser afin d’éviter sa détérioration c.a.d : - V_CEO : Tension Collecteur / Émetteur maxi (à Vbb = 0) - I_C max : Courant maxi dans le collecteur.

Dans notre cas il faut que V_CEO soit >= à la tension Vcc de 12 V.

Et il faut que I_C max soit >= au courant consommé par le moteur soit :

Im = P / Vcc = 20 / 12 soit 1,666 A = 1666 mA

Plusieurs choix de transistors de type NPN sont possibles sur le document constructeur : On choisit le ZTX 650 par exemple qui possède les caractéristiques les plus proches dans l’ensemble de celles recherchées.

Question 3 :

Calculer la résistance de base R1 puis vérifier la compatibilité de la vcarte Arduino avec le montage.

Il possède un Hfe de 100 à 300 on a donc Ib mini = Ic / Hfe mini soit 1666 / 100 = 16 mA

Et par suite R1 = (Ve – Vbe) / Ib mini = (5 – 0,7) / 0,016 = 268,75 ?

(soit 280 Ohms / valeur normalisée)

REM : On peut vérifier que Ib mini est < à 40 mA.

On respecte donc bien la valeur de I_OH = 40 mA maxi en sortie de la carte ARDUINO. Mais avec ce transistor on ne peut pas adopter de coefficient de sursaturation pour Ib (2 à 5) car on dépasserait cette valeur max de I_OH.

… … …

Pour le test avec un multimètre simple, on peut comparer un transistor ordinaire à deux diodes reliées ensemble. Il suffit de positionner un des fils du multimètre sur la base du transistor, et ensuite de mesurer avec les deux autres électrodes (émetteur et collecteur). Si le transistor est du type NPN, le courant va passer quand le fil rouge du multimètre est sur la base, et que le fil noir est en contact avec l'émetteur et ensuite le collecteur. Si le transistor est du type PNP, ce sera l'inverse (fil rouge inversé avec le fil noir). Une dernière mesure entre collecteur et émetteur (dans les deux sens) devra monter un courant nul dans les deux sens. On peut remarquer une légère fuite entre collecteur et émetteur sur les vieux transistors de puissance au germanium. Sur un schéma, la différence entre un transistor PNP et un NPN ne se voit qu'avec le sens de la flèche de l'émetteur. Sur un PNP, la flèche es t rentrante, sur un NPN, elle est sortante.

Il y a aussi toutes sortes de boîtiers différents pour les transistors, suivant son emploi et la puissance qu'il devra dissiper.

… …

Un transistor "Darlington" comporte deux transistors dans le même boîtier et quelquefois des composants supplémentaires (c'est le cas dans notre exemple, un transistor Darlington NPN, le TIP122). La présence de ces deux transistors, de la diode et des résistances va modifier les résultats des mesures faites avec le multimètre. Entre la (B)ase et l'(E)metteur nous allons mesurer l'équivalent de deux diodes en série (enfin presque ... Car R2 qui est de valeur assez faible va diminuer la valeur mesurée dans le sens "passant") et dans le sens inverse, nous trouverons la valeur des deux résistances R1 + R2 soit 8,12 KOhms.