Commutation

ISSLg - Cours d'électronique - Électronique (ELO)

Les transistors en commutation

Navigation> electronique/elo/transistors/commutation

Principe de base

C'est une utilisation de transistors bipolaire ou E-MOSFET comme interrupteur pour piloter des LED, des relais, des moteurs, des buzzers, des chargeurs de batteries, des alimentations à découpage, des onduleurs...

Si, en analogique, le transistor est polarisé pour rester toujours passant, en commutation, l'état passant est à proscrire (échauffement du transistor et perte de rendement).
En commutation, le transistor est soit bloqué (équivalent à un interrupteur OFF), soit saturé (équivalent à un interrupteur ON).
De plus, les passages de l'état bloqué à saturé et inversement doivent se faire en quelques dizaines de nanosecondes (flancs de commande bien raide).

L'état bloqué (OFF) est obtenu :
        Pour un bipolaire : avec un courant de base nul;
        Pour un E-MOSFET : avec une tension de grille nulle.

L'état saturé (ON) est obtenu :
        Pour un bipolaire : avec un courant de base largement supérieur (3x plus grand) à Ic/Hfe;
        Pour un E-MOSFET : avec une tension de grille largement supérieure (3x plus grande) à Vgsth.

La puissance est en tout ou rien (ON/OFF), mais elle peut être modulée par PWM (modulation du rapport ON/OFF à une fréquence de hachage).
L'avantage de ce mode de fonctionnement est un très bon rendement et un faible échauffement des transistors.
Il ne faut pas oublier les diodes de roue libre si la charge est selfique (relais, moteur, inductance...).
C'est un mode de fonctionnement très utilisé en électronique de puissance, mais à proscrire en HiFi.

Bipolaire, darlington ou E-MOSFET ?

Le E-MOSFET est nettement plus avantageux que le bipolaire en commutation : moins de pertes et d'échauffement, plus costauds, pour les (demi-)ponts les diodes de roue libre sont intégrées dans les E-MOSFET de par leur fabrication (jonction substrat-drain = diode en anti-parallèle)...

Pour des courants inférieur à 100mA, on utilise généralement des bipolaires.

Pour des courants entre 100mA et 1A, il faut utiliser des darlingtons, il existe des CI comme le ULN2803 qui contiennent 8 darlingtons (+ R de commande et D de roue libre).

Pour des courants supérieurs à 1A, on utilise généralement des E-MOSFET.

Le PWM

Le "Pulse Width Modulation" (modulation de largeur d'impulsion) permet de faire varier la tension moyenne appliquée à une charge (LED, moteur, résistance de chauffage...). La fréquence de découpage (f = 1/T) doit être suffisamment rapide, pour être masquée par la persistance rétinienne de l'oeil (LED clignotant tellement vite que l'on ne perçoit plus le clignotement : f = 70Hz), ou par l'inertie du moteur (n'a pas le temps de s'arrêter), ou encore par l'inertie thermique de la résistance chauffante (n'a pas le temps de refroidir).

Le transistor de commande applique à la charge une succession de temps allumés (ton) et de temps éteints (toff) à une période (T) fixe. La fréquence de hachage (f) est l'inverse de la période : T = ton + toff = cte = 1/f

Ce type de signal est caractérisé par son rapport cyclique :
Rapport_cyclique = ton / T = ton * f     (x100 si on veut l'exprimer de 0% à 100%)

La tension moyenne appliquée à la charge est alors de :
Vmoy = Rapport_cyclique * Vcc

Source : https://physique-microcontroleurs.readthedocs.io/fr/latest/3_bases/2_pwm_led.html

Avec des (demi-)ponts, il est possible de recréer par exemple une sinusoïde en faisant varier le rapport cyclique dans le temps. La fréquence de cette sinusoïde doit être beaucoup (100x) plus faible que celle de hachage.

Source : https://www.researchgate.net/figure/Ideal-pulse-width-modulation-PWM-inverter-output-voltage-instantaneous-component-blue_fig4_319071311

Commande d'une mise au GND avec un µC
Il n'y a pas de restriction pour Vcc (sauf la limite de Q1 -> voir datasheet).

Le transistor de commande est connecté au GND par son émetteur (NPN) ou sa source (E-MOSFET canal N).
La charge est placée en pull-up entre Vcc et le collecteur (NPN) ou le drain (E-MOSFET canal N) du transistor de commande.
La commande se fait par une sortie logique Dx ou PWMx du µC appliquée sur la base ou la grille.
La commande n'est pas inversée dans ce montage :
Si Dx=0V => le transistor Q1 est bloqué => il n'y a pas de courant dans la charge RL.
Si Dx=5V => le transistor Q1 est saturé => le courant circule dans la charge RL.

Calculer d'abord le courant dans la charge : Ic = Vcc / RL

Si Ic < 100mA
La commande se fait avec un simple NPN (ex BC547) avec le montage suivant :

Une simple diode de signal D1=1N4148 fait office de roule libre pour éviter les surtensions lorsque Q1 devient bloquant.
Calculer le courant de saturation pour la base : Ib = 5 * (Ic / Hfe)
Calculer la résistance de base Rb = (5V - 0V7) / Ib

Si 100mA < Ic < 1A
La commande se fait avec un darlington NPN (ex TIP122) avec le montage suivant :

NB : Le darlington doit être équipé de résistances entre B & E pour une coupure rapide (évacuation des porteurs des bases).
Une simple diode de redressement D1=1N4007 fait office de roule libre pour éviter les surtensions lorsque Q1 devient bloquant.
Calculer le courant de saturation pour la base : Ib = 5 * (Ic / Hfe) NB : ici Hfe est supérieur à 1000
Calculer la résistance de base Rb = (5V - 1V4) / Ib

Si 1A < Ic
La commande se fait avec un E-MOSFET canal N (ex STP16NF06L) avec le montage suivant :

Une simple diode de redressement D1=1N4007 fait office de roule libre pour éviter les surtensions lorsque Q1 devient bloquant.
La grille est directement commandée par le µC (Vérifier que Vgsth<<5V).

Commande d'une mise au 5V avec un µC
ATTENTION : uniquement si Vcc < ou = tension d'alimentation du µC (5V)

Le transistor de commande est connecté au 5V par son émetteur (PNP) ou sa source (E-MOSFET canal P).
La charge est placée en pull-down entre le GND et le collecteur (PNP) ou le drain (E-MOSFET canal P) du transistor de commande.
La commande se fait par une sortie logique Dx ou PWMx du µC appliquée sur la base ou la grille.
ATTENTION : La commande est inversée dans ce montage :
Si Dx=5V => le transistor Q1 est bloqué => il n'y a pas de courant dans la charge RL.
Si Dx=0V => le transistor Q1 est saturé => le courant circule dans la charge RL.

Calculer d'abord le courant dans la charge : Ic = Vcc / RL

Si Ic < 100mA
La commande se fait avec un simple PNP (ex BC557) avec le montage suivant :

Une simple diode de signal D1=1N4148 fait office de roule libre pour éviter les sous-tensions lorsque Q1 devient bloquant.
Calculer le courant de saturation pour la base : Ib = 5 * (Ic / Hfe)
Calculer la résistance de base Rb = (5V - 0V7) / Ib

Si 100mA < Ic < 1A
La commande se fait avec un darlington PNP (ex TIP127) avec le montage suivant :

NB : Le darlington doit être équipé de résistances entre B & E pour une coupure rapide (évacuation des porteurs de la base).
Une simple diode de redressement D1=1N4007 fait office de roule libre pour éviter les sous-tensions lorsque Q1 devient bloquant.
Calculer le courant de saturation pour la base : Ib = 5 * (Ic / Hfe) NB : ici Hfe est supérieur à 1000
Calculer la résistance de base Rb = (5V - 1V4) / Ib

Si 1A < Ic
La commande se fait avec un E-MOSFET canal P (ex NDP6020P) avec le montage suivant :

Une simple diode de redressement D1=1N4007 fait office de roule libre pour éviter les sous-tensions lorsque Q1 devient bloquant.
La grille est directement commandée par le µC.

Commande d'une mise à Vcc avec un µC
Si Vcc > tension d'alimentation du PIC (5V)

Le transistor de commande est connecté au Vcc par son émetteur (PNP) ou sa source (E-MOSFET canal P).
La charge est placée en pull-down entre le GND et le collecteur (PNP) ou le drain (E-MOSFET canal P) du transistor de commande.
La commande se fait par une sortie logique Dx ou PWMx du µC et une adaptation des niveaux logiques avec un NPN (Q2).
La commande n'est pas inversée dans ce montage :
Si Dx=0V => les transistors Q1 & Q2 sont bloqués => il n'y a pas de courant dans la charge RL.
Si Dx=5V => les transistors Q1 & Q2 sont saturés => le courant circule dans la charge RL.

Calculer d'abord le courant dans la charge : Ic1 = Vcc / RL

Si Ic1 < 1A
La commande se fait avec le montage suivant :

Une simple diode de redressement D1=1N4007 fait office de roule libre pour éviter les sous-tensions lorsque Q1 devient bloquant.
Calculer le courant de saturation pour la base de Q1 : Ib1 = 5 * (Ic1 / Hfe1)
Calculer la résistance de collecteur Rc2 = (Vcc - 0V7 - 0V3) / Ib1
Pour une coupure rapide de Q1 prendre Rc1 = Rc2
Calculer le courant de saturation pour la base de Q2 : Ib2 = 5 * (Ib1 / Hfe2)
Calculer la résistance de base de Q2 : Rb = (5V - 0V7) / Ib2
NB : Q2 permet d'amplifier le courant de base de Q1, ce qui permet d'atteindre les 1A dans le collecteur de Q1

Si 1A < Ic1
La commande se fait avec le montage suivant :

Rc1 = 1k et Rb = 4k7
Si la grille de Q1 peut supporter -Vcc (voir datasheet) alors Rc2 est inutile (la remplacer par un court-circuit) ; sinon faire un diviseur potentiométrique avec Rc1 & Rc2.

Le demi-pont
Utilisé pour des moteurs, des relais bi-stables, des piézzos, des onduleurs avec transformateur à point milieu...

Si Vcc < ou = tension d'alimentation du µC (5V)
Utilisez le montage suivant :

La charge est placée entre Vcc/2 (formé par C1 et C2) et les deux drains des transistors de commande.
La commande se fait par une sortie logique Dx ou PWMx du µC appliquée sur les grilles.
ATTENTION : La commande est inversée dans ce montage :
Si Dx=5V => Q1 saturé & Q2 bloqué => une tension de -2V5 est appliquée sur la charge RL.
Si Dx=0V => Q1 bloqué & Q2 saturé => une tension de +2V5 est appliquée sur la charge RL.

Si tension d'alimentation du µC (5V) < Vcc
Passez par une adaptation des niveaux logiques via un NPN avec le montage suivant :

Rc = 1k   et   Rb = 3k3
La charge est placée entre Vcc/2 (formé par C1 et C2) et les deux drains des transistors de commande.
La commande se fait par une sortie logique Dx ou PWMx du µC appliquée sur les grilles via l'adaptation des niveaux logiques par Q12.
La commande n'est pas inversée dans ce montage :
        Si Dx=0V => Q12 bloqué => Q1 saturé & Q2 bloqué => une tension de -2V5 est appliquée sur la charge RL.
        Si Dx=5V => Q12 saturé => Q1 bloqué & Q2 saturé => une tension de +2V5 est appliquée sur la charge RL.

Remarque avec le µC PIC16F690
Q1 est commandé par la broche P1B(RC4).
Q2 est commandé par la broche P1A(RC5).
Ce µC permet alors d'alors d'appliquer le PWM soit sur Q1 (et en bloquant Q2) soit sur Q2 (et en bloquant Q1).
De plus, l'inversion de commande peut être programmée sur chaque transistor (par exemple si on passe par un NPN pour la commande).

Le pont en H
Très utilisé pour commander le sens de rotation et la vitesse de moteurs DC, des moteurs AC, des relais bistables (Set/Reset via une bobine), commander des buzzers, des sirènes ou des HP à pleine puissance... (NB : il existe des Pont en H en CI pour 5€ à 10€)

La charge est placée entre 2 demi-ponts, ce qui permet de couper, d'appliquer ou d'inverser la tension d'alimentation appliquée sur la charge.
NB : pour des moteurs brushless ou des onduleurs triphasés, on utilise 3 demi-ponts.

Si Vcc < ou = tension d'alimentation du µC (5V)
Utilisez le montage suivant :

Dx/PWMx	Q1/Q2	Dy/PWMy	Q3/Q4	borne gauche de RL	borne droite de RL	Tension aux bornes de RL
0	B/S	0	B/S	5V	5V	0V
0	B/S	1	S/B	5V	0V	5V
1	S/B	0	B/S	0V	5V	-5V
1	S/B	1	S/B	0V	0V	0V

États des transistors Q1, Q2, Q3, Q4 : B = bloqué / S = saturé

Si tension d'alimentation du µC (5V) < Vcc
Passez par une adaptation des niveaux logiques via des NPN avec le montage suivant :

Remarque avec le µC PIC16F690
Q1 est commandé par la broche P1B(RC4).
Q2 est commandé par la broche P1A(RC5).
Q3 est commandé par la broche P1D(RC2).
Q4 est commandé par la broche P1C(RC3).
Ce µC permet alors d'alors d'appliquer le PWM soit sur Q1 (Q2 & Q3 bloqué + Q4 passant) soit sur Q3 (Q1 & Q4 bloqué + Q2 passant).
De plus, l'inversion de commande peut être programmée sur chaque transistor (par exemple si on passe par un NPN pour la commande).

Remarque pour les hautes tensions
Lorsque Vcc = 50V, 400V ou plus, l'adaptation des niveaux logiques ne peut plus se faire avec des NPN. Il faut alors passer par des opto-coupleurs et de petites alimentations "flottantes" pour commander les grilles (on peut alors travailler uniquement avec des E-MOSFET canal N)

Auteur : Philippot Marc - 23/05/2021