URL: https://linuxfr.org/news/les-actifs-au-boulot
Title: Les actifs, au boulot !
Authors: Nicolas Boulay
Davy Defaud, Yves Bourguignon, kantien, palm123, BAud, Nils Ratusznik, Pierre Jarillon et Benoît Sibaud
Date: 2016年11月30日T00:11:41+01:00
License: CC By-SA
Tags: transistor, électricité et électronique
Score: 41
Dans un circuit numérique, il y a toujours une dose d’analogique à l’interface avec le monde extérieur. Les [composants discrets](https://fr.wikipedia.org/wiki/Composant_discret), dits actifs, sont à base de transistors et, dans le cadre d’un système numérique, permettent de manipuler la puissance (les signaux forts) ou d’amplifier les signaux faibles des capteurs.
Fondamentalement, il n’y a pas vraiment de différence entre les technologies [MOS](https://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor_%C3%A0_effet_de_champ_%C3%A0_grille_m%C3%A9tal-oxyde) des microcontrôleurs et celle des transistors de puissance. C’est toujours du MOS. Sauf qu’une des technologies permet de conduire plus de courant, à plus haute tension, tout en dissipant mieux la chaleur.
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[Journal sur les résistances](http://linuxfr.org/users/niconico/journaux/toute-resistance-n-est-pas-futile)
[Journal sur les condensateurs](http://linuxfr.org/users/niconico/journaux/sortez-vos-capacites)
[Dépêche sur les diodes/LED](http://linuxfr.org/news/les-diodes-ne-sont-pas-toutes-des-lumieres)
[Dépêche sur les bobines/inductances](http://linuxfr.org/news/montrez-vos-bobines)
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#Transistor
Dans un transistor, une « grille » ou une « base » permet de contrôler ce qui passe entre le collecteur et l’émetteur, ou le drain et la source, à l’image d’une vanne sur un tuyau.
Il existe principalement deux types de transistor : la technologie [bipolaire](https://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor_bipolaire), et la technologie [MOS (Metal‐Oxyde Semidiconductor)](https://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor_%C3%A0_effet_de_champ_%C3%A0_grille_m%C3%A9tal-oxyde). Dans le bipolaire, la grille injecte un peu de courant entre le collecteur et l’émetteur. Dans un MOS, la grille est posée sur un oxyde de silicium parfaitement isolant, c’est le champ électrique qui fait l’[effet tunnel](https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_tunnel) pour faire passer les charges entre le drain et la source. Les charges restent sur la grille. L’absence d’injection de charge change tout, au niveau de la consommation électrique.
Un transistor MOS fonctionne en stockant des charges sur sa base qui laisse, ou non (c’est la différence entre NPN et PNP), passer le courant entre le drain et la source. La quantité de charge nécessaire pour faire fonctionner la vanne du transistor est vue comme une capacité parasite, que l’on retrouve notamment dans tous les circuits intégrés.
Ces capacités sont à vider et à remplir, elles sont donc responsables de la consommation dynamique des circuits intégrés. On retrouve aussi cette capacité parasite en bien plus grand sur les entrées de circuit, car les transistors des _pads_ sont beaucoup plus gros ( de l’ordre du pF).
Les transistors sont d’une grande variété, au‐delà des types MOS et bipolaire. Par exemple, il existe des transistors dits intelligents, qui se coupent si leur température est trop élevée au lieu de griller. Il s’agit de transistors avec une logique de commande intégrée.
 _Transistor 5 A avec protection thermique et commande utilisant une tension compatible avec de la logique 5 V._
Les transistors MOS ont une résistance interne très faible (« RdsON ») lorsqu’ils sont passants. Cette faible résistance implique une faible consommation d’énergie (P = R ×ばつ I2). Si la résistance est faible, le transistor revient à un fil connecté à la « charge ». Si la résistance est forte, cela revient à un fil coupé. Dans les deux cas, la puissance dissipée dans le transistor est minime.
L’énergie est perdue surtout lors des phases de transition coupé/passant : le transistor passe alors d’une résistance faible à une résistance forte par rapport à la charge, ce qui implique une consommation transitoire.
Les transistors consomment lors de leur changement d’état, c’est le succès de la technologies CMOS qui ne consomme presque rien en statique.
Lors du choix d’un transistor de puissance, la résistance interne va déterminer sa consommation statique. Un « RdsON » de 10 mΩ et un courant de 10 A donne une consommation de 100 mW. L’autre caractéristique importante est la vitesse de commutation du transistor passant/coupé, qui va de quelques dizaines de μs à quelques ns. Souvent, un transistor très rapide dispose d’un « RdsON » plus grand qu’un transistor plus lent. Si la grille est plus grande, alors elle offre une résistance plus faible au canal, mais expose une capacité plus grande qu’il est plus long de remplir. Vous pouvez toujours associer deux transistors de types différents, l’association se comportera comme deux résistances en série : le transistor rapide conduira plus de courant, et limitera la consommation dans les transitions, tandis que le transistor lent conduira majoritairement en phase statique.
La capacité de dissipation thermique change en fonction du boîtier et de la présence ou non d’un radiateur. Cette résistance s’exprime en degré Celsius par watt (°C/W). En connaissant la température maximum du composant, on en déduit la puissance maximum que l’on peut dissiper dans le composant. Il est question ici uniquement des pertes dans le transistor.
Il peut être intéressant d’utiliser un composant dont les pattes sont courbées à 90°, afin de visser le transistor au circuit imprimé sur une petite zone de cuivre qui jouera ainsi le rôle de dissipateur thermique. La carte sera plus grande, mais plus solide qu’avec les composants simplement fixés par les soudures. Il faut également faire attention au fait que la partie métallique d’un transistor est souvent reliée à une de ses pattes : attention au court‐circuit, surtout si plusieurs composants sont fixés au même radiateur. Il existe des pastilles isolantes électriquement mais conductrices de chaleur (ce qui va rarement de pair, les bons conducteurs de chaleur étant souvent de bons conducteurs de courant).
La rapidité de commutation et leur faible consommation, en font un composant important pour le découpage (ou « hachage ») : la création d’un signal carré dont la valeur moyenne peut être contrôlée en faisant varier la période coupée par rapport à la période passante ([PWM](https://fr.wikipedia.org/wiki/Modulation_de_largeur_d'impulsion), ou *pulse width modulation* : modulation de largeur d’impulsion). On peut envoyer un tel signal directement à un moteur à courant continu, ou encore le passer dans un filtre passe‐bas LC pour obtenir une tension continue : c’est un des montages de base d’une alimentation à découpage (montage dit *step down*).
En cas d’usage pour un moteur, la fréquence de hachage est fixée autour de 10 à 20 kHz — voire un peu plus pour ne plus être dans les fréquences audibles (le sifflement peut être pénible). Certains moteurs, peu coûteux, peuvent ne pas tourner avec une fréquence de plus de 100 Hz. J’imagine que le très faible nombre de spires de ce genre de moteur ne permet pas de stocker assez d’énergie pour lisser la tension reçue.
Les transistors MOS peuvent être pénibles à mettre en œuvre, car la commande doit pouvoir atteindre la tension d’alimentation pour saturer complètement le transistor. Dans un système 24 V, avec un circuit de commande à 5 V (ou 3,3 V, voire moins), il faut un ou des composants « _drivers_ de MOS » qui ont pour fonction de monter la tension de 5 V à la tension d’alimentation des transistors et de fournir assez de courant pour aller assez vite. En effet, plus le transistor peut conduire de courant, plus la capacité d’entrée parasite est importante. Si la commande est trop lente, en ne fournissant pas assez de courant à la grille du transistor de puissance, celui‐ci bascule plus lentement et sa consommation ainsi que son échauffement augmentent. Cette augmentation peut devenir non négligeable, jusqu’à le griller.
Les « Hexfet » (du fabricant « International Rectifier’s ») sont des sortes de transistors MOS qui ont un avantage énorme : leur bascule a lieu vers 1,5 V, quelle que soit la tension d’alimentation. Cela permet de les relier directement à un microcontrôleur, sans *drivers*. Cela en fait des commandes parfaites pour des moteurs dont ne veut pas changer le sens de rotation, ou pour des LED de puissance. Il me semble que ce genre de composant est utilisé pour les alimentations de processeurs pour PC (1,8 V jusqu’à 100 A, ce n’est pas commun).
Il faut savoir qu’un transistor fonctionne facilement jusqu’à 30 V, mais le courant est rapidement limité à 3 voir 5 A. Si vous utilisez une batterie 6 V pour un robot, il sera plus facile, pour doubler la puissance des moteurs, de passer à une alimentation 12 V que de doubler le courant acceptable par la commande du moteur. Il est aussi possible de « doubler » le composant en mettant les transistors en parallèle, qui agissent ainsi comme un transistor deux fois plus gros.
Nous avons vu pour l’instant l’usage d’un transistor en mode saturé et bloqué. En mode linéaire, on s’éloigne un peu plus de l’électronique numérique. Je préfère un montage à base d’amplificateur opérationnel, plus simple à mettre en œuvre, voire un circuit intégré qui réalise une fonctionnalité complète.
Dans le cas d’une commande par un microcontrôleur, il faut faire attention à la mise sous tension, ainsi qu‘à l‘état de la sortie de la broche de commande reliée à une base. À la réinitialisation, la broche peut être en entrée, donc avec un potentiel flottant, ou en sortie haute ou basse. Cela peut provoquer des consommations ou des activations non voulues. Si le code d’initialisation n’est pas assez rapide et que la puissance est alimentée en même temps que la logique, une _pull‐up_ ou une _pull‐down_ feront l’affaire.
# Les ponts en H
 _Pont en H (source Wikipédia)_
Le pont en H est une structure utilisant quatre transistors pour faire tourner un moteur dans les deux sens, avec une commande de hachage (par exemple, la modulation de largeur d’impulsions d’un microcontrôleur) et deux broches de contrôle de sens ou de freinage).
Un composant intégré est bien plus compact que son équivalent discret (donc, plus fiable, plus facile et rapide à mettre en œuvre, etc.). Souvent les ponts en H discrets sont préférés, pour avoir des courants jusqu’à 20 A.
Pour les cas de robots mobiles de la taille de ceux de la Coupe de France de robotique, le moteur industriel typique est le Maxon RE25 de 20 W qui demande 1,5 A en continu sous 24 V. Deux moteurs de ce genre peuvent faire bouger rapidement (50 cm/s) un robot de 10 kg avec un réducteur d’environ 18. Vingt ampères, même sous 12 V, sont nécessaires à un moteur de presque dix fois plus de puissance. Est‐ce bien nécessaire ?
Il ne faut pas oublier qu’il est plus simple de passer de 12 V à 24 V que de trouver un pont en H qui supporte deux fois plus de courant. Il est rare de trouver un pont en H intégré qui supporte plus de 5 A, 3 A étant le plus courant.
 _Pont en H fonctionnant jusqu’à 4 A sous 48 V à 100 Khz sous 0,3 Ω_
Les moteurs vus à la Coupe de France de robotique étaient des moteurs à courant continu (à balais). La vitesse de rotation est proportionnelle à la tension et le courant électrique proportionnel au couple.
Dans l’industrie, ces moteurs sont remplacés par des moteurs synchrones, plus petits, plus fiables (plus de balais qui frottent) et beaucoup plus puissants. Mais leur commande est plus complexe, il y a minimum trois phases sur trois fils : trois signaux sinusoïdaux ou carrés décalés (comme le triphasé). La vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence. La tension et l’intensité donnent le couple maximum.
Les ponts en H intégrés ont pu avoir une mauvaise réputation, car certains modèles grillaient souvent (L298). Il ne faut jamais oublier, que les moteurs génèrent des parasites (ceux qui font des étincelles, entre autres). Par construction, à chaque mise à zéro et « allumage » ou « extinction » du courant par le transistor de commande, le moteur qui est composé de bobines, renvoie une haute tension en retour (par exemple 100 V). Il faut donc protéger correctement le pont avec des [diodes Transil](https://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_Transil) ou [Schottky](https://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_Schottky). Elles absorbent bien plus de courant en coupant les hautes tensions, que les diodes internes du pont en H, si elles existent. Il ne faut pas oublier non plus le petit condensateur céramique (10 nF) aux bornes du moteur. Celui‐ci court‐circuite les hautes fréquences parasites.
Certains ponts en H contiennent une sortie « sens », correspondant au bas du pont en H, pour permettre de mettre une résistance de puissance de faible valeur, pour mesurer le courant, ou directement la masse. Avec une résistance de 0,1 Ω, un courant de 1 A, générera une tension de 0,1 V lisible par un convertisseur analogique numérique. Certains ont remarqué que la présence de ce genre de petite résistance de puissance protégeait le pont. Elle doit sans doute absorber un reliquat de parasites, qui ne l’est plus par le pont. Une telle résistance sera une résistance de puissance de 1, 5 ou 10 W. Si la résistance est de trop petite dimension, elle va trop chauffer, sa résistance interne va augmenter, et donc avec elle, la tension à ses bornes, laissant peu de puissance au moteur.
Il ne faut pas oublier non plus le courant de démarrage quand le moteur part du point mort ou que celui‐ci est bloqué. Le courant peut monter à une dizaine d’ampères dans le cas du RE25, ce qu’un pont en H intégré ne peut fournir que brièvement avant coupure ou destruction.
Pour fournir plus de courant qu’un seul composant ne peut fournir, on peut en mettre deux en parallèle. J’ai déjà mis en parallèle trois puces, qui génèrent une modulation de largeur d’impulsions (PWM) de puissance, pour une alimentation à découpage. Il faut limiter au maximum la distance entre les composants, pour éviter les effets inductifs des pistes, ce qui pourrait fausser la répartition de courant en haute fréquence (> 1 MHz). Les hautes fréquences sont générées par les fronts très droits, ce qui est souhaitable pour avoir la transition la plus rapide.
Les ponts en H intégrés ont principalement quatre entrées de contrôle, une pour chaque transistor. Souvent, un demi‐pont est connecté à une sortie PWM d’un microcontrôleur et les deux autres sont connectées à des entrées‐sorties classiques pour déterminer le sens du courant. Il existe aussi des sorties PWM couplées sur certains microcontrôleurs. Ce genre de couplage permet de gérer une « _dead band_ », un moment où tout est coupé. Cela empêche la phase de court‐circuit, typique des inverseurs [CMOS](https://fr.wikipedia.org/wiki/Complementary_metal_oxide_semi-conductor), lorsque les deux transistors sont passants lors des transitions.
Il peut y avoir aussi des séries de trois PWM sur certains microcontrôleurs. Il s’agit d’une fonctionnalité dédiée pour gérer des moteurs synchrones qui utilisent trois phases pour les trois pôles du moteur.
#Les régulateurs linéaires
Il s’agit d’un composant tripode intégré, qui utilise un transistor en mode linéaire pour réguler une tension fixe de sortie.
Le plus connu est le 7805 qui fournit du 5 V et dont le rendement est faible. Dans le cas d’un 7805 qui fabrique du 5 V à partir de 12 V pour un courant de 1 A : `12 - 5 = 7 V` de perdus, `P = 7 ×ばつ 1 = 7 W, perdus en chaleur, pour `5 ×ばつ 1 = 5 W` « utiles ». Le rendement est donc de 41 %, ce qui est mauvais. Et il faut de plus prévoir la dissipation de chaleur en conséquence. Il peut être intéressant de mettre une résistance de puissance en amont du régulateur qui dissipera une partie de la puissance. Par exemple, avec 2 Ω, 2 W seront dissipés, en provoquant 2 V de chute de tension avant d’arriver au 7805.
Il faudrait avoir une faible différence entre la tension d’entrée et la tension cible, pour avoir un rendement plus intéressant. Technologiquement, il faut une différence minimum de 1,2 V, entre les deux tensions. Il existe des régulateurs « _low drop out_ » avec une différence minimum de 0,6 V, mais il faut faire attention à leur condition d’instabilité (leur sortie peut osciller en l’absence de condensateur de filtrage). Dans le cas d’une batterie 6 V, avec un régulateur 5 V « low drop out » de 0,6 V de chute, on a un rendement de 83 %, ce qui n’est pas mauvais du tout.
 _Régulateur linéaire LDO 5 V 1 A_
Ce genre d’alimentation est très simple à mettre en œuvre : un composant à trois pattes, plus une ou deux capacités de découplage. Il est aussi excellent pour filtrer le « bruit » d’alimentation, celui d’un moteur ou d’une alimentation à découpage en amont. C’est parfois utilisé pour l’audio, avant d’alimenter un amplificateur.
Dans le cas de courants très faibles (1 mW), il peut être plus intéressant d’utiliser un régulateur linéaire qu’une alimentation à découpage. En effet, celle‐ci consomme toujours un peu d’énergie, pour son fonctionnement interne. Dans le cas de très basses consommations (< 1 mA), on peut arriver au même ordre de grandeur que les besoins du circuit principal. Ainsi le rendement de l’alimentation à découpage tombe sous les 50 %, ce qui peut rendre le régulateur linéaire plus intéressant.
Il existe aussi des montages spécifiques pour transformer un régulateur linéaire en source de courant (le courant bouge moins, lorsque la tension bouge). Cela fait une meilleure source de courant qu’une résistance, pour une LED par exemple.
#Les amplificateurs‐opérationnels
Le Net regorge de schémas à base d’[amplificateurs opérationnels](https://fr.wikipedia.org/wiki/Amplificateur_op%C3%A9rationnel) (ampli‐op). Un tel circuit permet tout un tas de fonctionnalités et correspond à l’inverse de la fonction de rétro‐action (en mode linéaire).
La fréquence maximale, la précision de la sortie est dépendante de la qualité de l’ampli‐op. Je ne compte pas refaire le cours sur les circuits à ampli‐op que l’on revoit sans cesse au cours de ses études.
J’ai tout de même un petit faible pour le montage suiveur. Lorsqu’on l’étudie, on a l’impression qu’il ne sert à rien. Or, il permet de mettre de la distance (entre deux cartes, par exemple) entre un phénomène physique à mesurer, et un convertisseur analogique‐numérique. Le suiveur fournit autant de courant que nécessaire sur la liaison. Il permet aussi de se faire des sondes d’oscilloscope actives, à très peu de frais. Une sonde active d’oscilloscope de quelques gigahertz coûte autour de 1 000 ,ドル un ampli‐op rapide coûte quelques euros.
Il faut faire aussi attention aux amplis‐ops CMOS de conception ancienne, dont certains peuvent avoir un décalage de sortie non négligeable. Dans le cas d’ampli‐op de précision, il faut se rappeler que le bruit dans l’alimentation se retrouve, en partie, dans la sortie. Il faut pouvoir bien la découpler avec une capacité de découplage, une bobine de choc, voire un convertisseur linéaire dédié.
Dans le cas d’un montage amplificateur, il est parfois salvateur de rajouter une petite capacité (10 pF), entre l’entrée et la sortie. Cela crée un filtre passe‐bas qui enlève le bruit à haute fréquence qui n’intéresse pas le montage et cela augmente sa stabilité.
#Comparateurs
Les comparateurs peuvent être comparés à un amplificateur opérationnel ne fonctionnant qu’en mode saturé. L’avantage est que leur temps de basculement est plus rapide que pour un ampli‐op de prix équivalent.
Les comparateurs les plus rapides ont des sorties _collecteur ouvert_. La tension d’alimentation acceptable peut être centrée autour de 5 V ou, au contraire, être beaucoup plus large (3 à 15 V). Cela a l’énorme avantage de pouvoir utiliser directement une batterie sans régulation ou alimentation spécifique (pas de perte, pas de parasite, montage plus petit, plus fiable, etc.).
#L’ancêtre, la série 74
La série 74 définit des circuits DIP contenant des portes logiques simples. Le 74LS00 est par exemple une porte NAND. Les premiers Cray ont été construits avec ce genre de technologie. Elle paraît aujourd’hui totalement obsolète en électronique numérique. Il peut être intéressant d’utiliser leur capacité de conduire beaucoup de courant, par rapport aux technologies plus récentes. Le 74LS06 contient six inverseurs MOS pouvant sortir 20 mA par broche, soit de quoi alimenter des diodes de signalisation. On peut aussi lier les six entrées‐sorties, pour gérer plus de 100 mA.
En résumé, nous venons de faire un tour rapide sur la technologie MOS. Il faut se souvenir qu’il existe beaucoup de composants intégrés qui seront plus fiables qu’un montage en composants discrets. Un transistor MOS a une résistance (RdsON) de passage et une résistance thermique, mais aussi un temps de commutation.
Vous pouvez reprendre une activité normale (comme regarder les réseaux sociaux).
