Sorties Tout-ou-Rien (TOR)

D’après une idée de https://www.electronics-tutorials.ws/blog/relay-switch-circuit.html

Dans les systèmes à micro-contrôleurs, comme en logique digitale d’ailleurs, une problématique, une fois les calculs réalisés est bien de commander les actionneurs.

Voici donc une série de présentations de types de sorties, tout-ou-rien tout d’abord.

Sorties relais

C’est la plus simple et elle garantie à la fois l’amplification et l’isolation galvanique par des procédés électromagnétiques et mécaniques.

Suivant les caractéristiques de commutation (courant et tension commutés), le système se commande en envoyant un courant dans une bobine qui fait basculer un contact. Un ressort rappelle le contact quand le courant de la bobine disparaît.

Avantages :

  • le mécanisme peut commuter des courants continus ou alternatifs (attention, l’ampérage maximum en continu est nettement inférieur à celui admissible en alternatif) ;
  • la tension maximum de claquage entre la commande et la coupure est très importante (souvent plusieurs centaines de volts) ;

Inconvénients :

  • le système est lent (fréquence inférieur au Hz) ;
  • la commande du système est inductive (la bobine) et produit de forte tension inverse pendant les phases de commutation, il faut ajouter une diode de roue libre en parallèle avec la bobine pour protéger le circuit d’alimentation ;
  • le commande est relativement gourmande en puissance pour obtenir des commutations franches ; le circuit électronique doit être capable de fournir un courant dépassant souvent les caractéristiques des semi-conducteurs.

Sortie relais à alimentation commune

Voici un premier schéma de référence pour ce type de sortie. Ce montage présenter certains avantages, comme un nombre réduit de composants (une seule résistance), l’utilisation de la sortie du semi-conducteur en “absorbeur” de courant et non en source, mais de ce fait, la sortie est inversée. Il nécessite évidement un transistor pour amplifier le courant du semi-conducteur afin d’alimenter la bobine :

Sortie relais à alimentations distinctes

Dans certains cas, l’alimentation commune n’est pas possible, en particulier quand la tension de l’alimentation du relais dépasse largement la tension de fonctionnement du semi-conducteur.

Le schéma précédent avec une alimentation de la bobine supérieure à celle du semi-conducteur, la tension présente à l’état haut sur la broche libre de R1 ne suffirait pas à bloquer le courant de base arrivant de l’alimentation de la bobine. Il s’en suivrait que le transistor serait en conduction permanente et le relais toujours alimenté. Un schéma différent doit donc être utilisé :

Le schéma est comparable, mais utilise cette fois un transistor NPN qui garantit que le circuit fonctionne correctement malgré la tension d’alimentation de la bobine. Le semi-conducteur doit fournir un courant (source) pour faire commuter le transistor et une résistance de rappel (R3) garantit que le transistor redevient bloqué quand la tension sur la broche libre de R1 redescend à une valeur nulle ou presque.

Sorties à triac

Ce type de sorties est basée sur un semi-conducteur qui peut commuter des tensions alternatives importantes. Ici on pourra l’utiliser pour commuter une tension du secteur (220/240v). Une propriété du triac est qu’une fois mis en conduction, il ne se coupe plus tout seul, il faut que la tension appliquée s’annule, d’où son utilisation en tension alternative.

L’autre problématique de ce composant est qu’il ne permet pas d’assurer une isolation galvanique et qu’il faudra donc faire appelle à un autres composant. Il existe justement un circuit intégrant à la fois un opto-coupleur, qui assure cette isolation, et un circuit de commande du triac. La commande de ce circuit se faisant comme pour une simple diode électroluminescente. On a donc le schéma typique suivant :

Ce schéma ne comporte pas de difficulté sauf concernant le stubber, l’ensemble résistance/condensateur en parallèle du triac qui assurent une bonne condition de phase entre le courant et la tension à ces bornes pour faciliter la coupure du triac (certaines conditions peuvent amener le triac à une conduction permanente).

Une variante de connections de opto-coupleur permet de fonctionner en absorbeur de courant :

Sorties à MOSFET

Les MOSFET sont avant tout des transistors qui présentent une résistance variable en fonction d’un champ électrique appliquée sur leur commande. Ils se commandent donc en tension et présentent une relativement forte capacité sur leur entrée. Ils ont une relativement faible résistance interne lorsqu’ils sont complètement conducteur, et c’est bien là tout le problème car il faut leur appliquer une tension d’une dizaine de volts pour les rendre parfaitement conducteur. Certaines versions sont dit “logic” car elles ont une tension de commande réduite mais souvent au dépend d’autres caractéristiques.

Il existe deux sens à ces transistors, comme pour les cousins BJT qui sont NPN ou PNP suivant la séquence de couches de semi-conducteur. On aura les FET N et les P. Par nature, les N sont plus efficaces (et moins couteux) et se sont ceux-là que l’on met en œuvre de préférence.

Les schémas suivants sont des schémas de principes, auxquels il faudra ajouter / calculer les valeurs des résistances suivant les caractéristiques des transistors utilisés. De manière générale, la résistance de décharge de la Gate peut être fixée à 1MΩ, alors que les résistances de commande sont inférieures à la 100Ω. Les autres sont à calculer suivant les courants attendus.

Sortie MOSFET logic

Voici un exemple typique de commande de MOSFET sans adaptation spécifique puisque la tension de commande est suffisante :

La résistance entre la Gate et la masse (Source) évite des comportements imprévisibles en cas de coupure ou d’allumage de l’alimentation du circuit en déchargeant la Gate. La résistance entre le semi-conducteur et la Gate évite que des courants d’appel trop importants traverse le semi-conducteur de commande ; dans certains cas de faible capacité, elle peut être supprimée.

Ce montage accepte des tensions sur la charge égales ou différentes de la tension du semi-conducteur.

Sortie MOSFET avec commande

Cette fois on va utiliser un MOSFET à plus forte tension de commande ou pour obtenir une plus faible résistance interne, et donc de plus forts courants commutables.

On va profiter d’une alimentation de la charge plus importante pour commander le MOSFET. Voici le schéma :

On voit la commande par la résistance à qui on doit adjoindre un autre transistor (Q2) pour s’assurer que la Gate sera bien amenée à un potentiel nul en cas de coupure. Ici le transistor est aussi un FET, un peu comme dans le cas du Darlingthon mais on aurait aussi pu utiliser un BJT.

Sortie MOSFET isolé

Évidemment tous ces montages sont présentés sans isolation galvanique. Une telle isolation est obtenue par un opto-coupleur qui peut venir à la place du transistor du schéma précédent :

Sortie MOSFET « hot-side »

Enfin, il est possible avoir le MOSFET du côté de l’alimentation plutôt que de la masse (cold-side). Cela nécessite alors d’utiliser un MOSFET-P, technologiquement moins efficace, et la mise en œuvre d’un second transistor :

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