Comme nous l’avons vu dans le précédent tutoriel d’interface d’entrée, un circuit d’interface permet à un type de circuit d’être connecté à un autre type de circuit qui peut avoir des niveaux de tension ou de courant différents.

Mais en plus d’interfacer des dispositifs d’entrée tels que des interrupteurs et des capteurs, nous pouvons également interfacer des dispositifs de sortie tels que des relais, des solénoïdes magnétiques et des lumières. L’interface des dispositifs de sortie aux circuits électroniques est couramment appelée : Interface de Sortie.

Interface de Sortie des circuits électroniques et des microcontrôleurs leur permet de contrôler le monde réel en faisant bouger par exemple, les moteurs ou les bras de robots, etc. Mais les circuits d’interface de sortie peuvent également être utilisés pour allumer ou éteindre des choses, telles que des indicateurs ou des lumières. Les circuits d’interface de sortie peuvent avoir un signal de sortie numérique ou analogique.

Moteur CC est un
Dispositif de Sortie

Les sorties de logique numérique sont le type d’interface de sortie le plus courant et le plus facile à contrôler. Les interfaces de sortie numériques convertissent un signal d’un port de sortie de microcontrôleur ou de circuits numériques en une sortie de contact ON/OFF en utilisant des relais avec le logiciel du contrôleur.

Les circuits d’interface de sortie analogiques utilisent des amplificateurs pour produire un signal de tension ou de courant variable pour des sorties de type contrôle de vitesse ou de position. La commutation de sortie pulsée est un autre type de contrôle de sortie qui varie le cycle de service du signal de sortie pour le réglage de la luminosité ou le contrôle de la vitesse d’un moteur CC.

Tandis que les circuits d’interface d’entrée sont conçus pour accepter des niveaux de tension différents provenant de différents types de capteurs, les circuits d’interface de sortie doivent produire une capacité de courant de conduite plus importante et/ou des niveaux de tension plus élevés. Les niveaux de tension des signaux de sortie peuvent être augmentés en fournissant des configurations de sortie à collecteur ouvert (ou drain ouvert). Cela signifie que la borne collectrice d’un transistor (ou la borne de drain d’un MOSFET) est normalement connectée à la charge.

Les étages de sortie de presque tous les microcontrôleurs, PIC ou circuits logiques numériques peuvent soit absorber, soit fournir des quantités utiles de courant de sortie pour commuter et contrôler une large gamme de dispositifs d’interface de sortie afin de contrôler le monde réel. Lorsque nous parlons d’absorber et de fournir des courants, l’interface de sortie peut “donner” (fournir) un courant de commutation ou “absorber” (absorber) un courant de commutation. Cela signifie qu’en fonction de la façon dont la charge est connectée à l’interface de sortie, une sortie HAUTE ou BASSE l’activera.

Peut-être que les dispositifs d’interface de sortie les plus simples de tous sont ceux utilisés pour produire de la lumière, soit comme un simple indicateur ON/OFF ou comme partie d’un affichage à plusieurs segments ou à barres. Mais contrairement à une ampoule normale qui peut être connectée directement à la sortie d’un circuit, les LED étant des diodes ont besoin d’une résistance en série pour limiter leur courant direct.

Circuit d’Interface de Sortie

Les diodes électroluminescentes, ou LED pour faire court, sont un excellent choix à faible puissance comme dispositif de sortie pour de nombreux circuits électroniques car elles peuvent être utilisées pour remplacer des ampoules à filament à haute wattage et haute température comme indicateurs de statut. Une LED est généralement alimentée par une source à basse tension et à faible courant, ce qui en fait un composant très attrayant pour une utilisation dans des circuits numériques. De plus, étant un dispositif à état solide, elles peuvent avoir une durée de vie opérationnelle de plus de 100 000 heures, ce qui en fait un excellent composant “à installer et oublier”.

Circuit d’Interface avec une LED

Nous avons vu dans notre Tutoriel sur les Diodes Électroluminescentes qu’une LED est un dispositif semi-conducteur unidirectionnel qui, lorsqu’elle est polarisée au direct, c’est-à-dire lorsque son cathode (K) est suffisamment négative par rapport à son anode (A), peut produire tout un éventail de lumière émise colorée et de brillances.

Selon les matériaux semi-conducteurs utilisés pour construire la jonction pn des LED, la couleur de la lumière émise et la tension de polarisation directe seront déterminées. Les couleurs de LED les plus courantes sont la lumière rouge, verte, ambre ou jaune.

Contrairement à une diode de signal conventionnelle qui a une chute de tension directe d’environ 0,7 volts pour le silicium ou d’environ 0,3 volts pour le germanium, une diode électroluminescente a une chute de tension directe plus importante que celle de la diode de signal classique. Mais lorsqu’elle est polarisée au direct, elle produit de la lumière visible.

Une LED typique lorsqu’elle est illuminée peut avoir une chute de tension directe constante, V_LED, d’environ 1,2 à 1,6 volts et son intensité lumineuse varie directement avec le courant LED direct. Mais comme la LED est effectivement une “diode” (son symbole en flèche ressemble à celui d’une diode, mais avec de petites flèches à côté du symbole LED pour indiquer qu’elle émet de la lumière), elle a besoin d’une résistance limitant le courant pour éviter de court-circuiter l’alimentation lorsqu’elle est polarisée au direct.

Les LEDs peuvent être pilotées directement depuis la plupart des ports d’interface de sortie, car les LEDs standard peuvent fonctionner avec des courants directs de 5 mA à 25 mA. Une LED colorée typique nécessite un courant direct d’environ 10 mA pour fournir un affichage raisonnablement lumineux. Donc, en supposant qu’une seule LED rouge a une chute de tension directe lorsqu’elle est illuminée de 1,6 volts, et sera alimentée par le port de sortie d’un microcontrôleur de 5 volts fournissant 10 mA. La valeur de la résistance en série limitant le courant, R_S, nécessaire est calculée comme suit :

Cependant, dans la série E24 (5%) des valeurs de résistance préférées, il n’y a pas de résistance de 340Ω donc la valeur préférée la plus proche choisie serait 330Ω ou 360Ω. En réalité, selon la tension d’alimentation (V_S) et le courant direct requis (I_F), n’importe quelle valeur de résistance en série entre 150Ω et 750Ω fonctionnerait parfaitement bien.

Notez également qu’étant un circuit en série, peu importe comment la résistance et la LED sont connectées. Cependant, étant unidirectionnelles, la LED doit être connectée dans le bon sens. Si vous connectez la LED à l’envers, elle ne sera pas endommagée, elle ne s’illuminera tout simplement pas.

Circuit d’Interface Multi-LED

Outre l’utilisation d’LEDs individuelles (ou d’ampoules) pour les circuits d’interface de sortie, nous pouvons également connecter deux ou plusieurs LEDs ensemble et les alimenter avec la même tension de sortie pour une utilisation dans des circuits et affichages optoélectroniques.

Connecter ensemble deux ou plusieurs LEDs en série n’est pas différent de l’utilisation d’une seule LED comme nous l’avons vu précédemment, mais cette fois, nous devons prendre en compte les chutes de tension directes supplémentaires, V_LED, des LED supplémentaires dans la combinaison en série.

Par exemple, dans notre exemple simple d’interface de sortie à LED ci-dessus, nous avons dit que la chute de tension directe de la LED était de 1,6 volts. Si nous utilisons trois LEDs en série, alors la chute de tension totale à travers toutes les trois serait de 4,8 (3 x 1,6) volts. Puis notre alimentation de 5 volts pourrait juste être utilisée mais il serait préférable d’utiliser une alimentation plus élevée de 6 volts ou 9 volts pour alimenter les trois LEDs.

En supposant une alimentation de 9,0 volts à 10 mA (comme précédemment), la valeur de la résistance en série limitant le courant, R_S, nécessaire est calculée comme suit : R_S = (9 – 4.8)/10mA = 420Ω. Encore une fois, dans la série E24 (5%) des valeurs de résistances préférées, il n’y a pas de résistance de 420Ω, donc la valeur préférée choisie serait de 430Ω.

Étant des dispositifs à faible tension, à faible courant, les LEDs sont idéales comme indicateurs de statut qui peuvent être pilotés directement à partir des ports de sortie de microcontrôleurs et des portes logiques numériques. Les ports des microcontrôleurs et les portes logiques TTL ont la capacité de soit absorber, soit fournir du courant et peuvent donc illuminer une LED soit en mettant la cathode à la terre (si l’anode est liée à +5v) soit en appliquant +5v à l’anode (si la cathode est à la terre) à travers une résistance en série appropriée comme indiqué.

Interface de Sortie d’une LED

Les circuits d’interface de sortie ci-dessus fonctionnent bien pour une ou plusieurs LEDs en série, ou pour tout autre dispositif dont les besoins en courant sont inférieurs à 25 mA (le courant direct maximum d’une LED). Mais que se passe-t-il si le courant de pilotage de sortie est insuffisant pour faire fonctionner une LED ou si nous souhaitons faire fonctionner ou commuter une charge avec une tension ou un courant nominal plus élevé, par exemple une ampoule à filament de 12 volts ? La réponse est d’utiliser un dispositif de commutation supplémentaire tel qu’un transistor, un MOSFET ou un relais comme indiqué.

Interface de Sortie pour Charge à Fort Courant

Des dispositifs d’interface de sortie courants, tels que les moteurs, les solénoïdes et les lampes, nécessitent de grands courants, ils sont donc mieux contrôlés ou alimentés par un arrangement de commutation à transistor, comme indiqué. De cette façon, la charge (lampe ou moteur) ne peut pas surcharger le circuit de sortie de l’interface de commutation ou du contrôleur.

Les commutateurs à transistor sont très courants et très utiles pour commuter des charges de haute puissance ou pour l’interface de sortie de différentes alimentations. Ils peuvent également être commutés “ON” et “OFF” plusieurs fois par seconde si nécessaire, comme dans les circuits de modulation de largeur d’impulsion, PWM. Mais il y a quelques choses que nous devons considérer d’abord concernant l’utilisation de transistors comme commutateurs.

Le courant circulant dans la jonction base-émetteur est utilisé pour contrôler le courant plus important circulant de l’émetteur au collecteur. Par conséquent, si aucun courant ne circule dans la borne de base, aucun courant ne circule du collecteur à l’émetteur (ou à travers la charge connectée au collecteur), le transistor est alors considéré comme complètement ÉTEINT (coupé).

En commutant le transistor complètement ON (saturation), le commutateur à transistor agit en effet comme un interrupteur fermé, c’est-à-dire que la tension du collecteur est à la même tension que la tension de l’émetteur. Mais étant un dispositif à état solide, même lorsqu’il est saturé, il y aura toujours une petite chute de tension à travers les bornes du transistor, appelée V_CE(SAT). Cette tension varie d’environ 0,1 à 0,5 volts selon le transistor.

Aussi, comme le transistor sera commuté complètement ON, la résistance de la charge limitera le courant du collecteur du transistor I_C au courant réel requis par la charge (dans notre cas, le courant à travers la lampe). Un courant de base excessif peut provoquer la surchauffe et endommager le transistor de commutation, ce qui contrecarrent quelque peu l’objectif d’utiliser un transistor pour contrôler un courant de charge plus grand avec un plus petit. Par conséquent, une résistance est nécessaire pour limiter le courant de base, I_B.

Le circuit d’interface de sortie de base utilisant un seul transistor de commutation pour contrôler une charge est montré ci-dessous. Notez qu’il est habituel de connecter une diode de roue libre, également connue sous le nom de diode de freinage ou diode de suppression d’auto-induction, telle qu’une 1N4001 ou 1N4148 pour protéger le transistor de toute tension d’auto-induction générée à travers des charges inductives comme les relais, les moteurs et les solénoïdes, lorsque leur courant est coupé par le transistor.

Circuit de Commutateur à Transistor de Base

Supposons que nous souhaitions contrôler le fonctionnement d’une lampe à filament de 5 watts connectée à une alimentation de 12 volts en utilisant la sortie d’une porte logique numérique TTL de 5.0 V via un circuit de commande de commutateur à transistor d’interface de sortie approprié. Si le gain en courant continu (le rapport entre le courant collecteur (sortie) et le courant de base (entrée)), beta (β) du transistor est de 100 (vous pouvez trouver cette valeur Beta ou h_FE dans la fiche technique du transistor que vous utilisez) et sa tension de saturation V_CE lorsqu’il est complètement ON est de 0,3 volts, quelle sera la valeur de la résistance de base, R_B, requise pour limiter le courant collecteur.

Le courant collecteur des transistors, I_C, sera la même valeur de courant qui suit à travers la lampe à filament. Si la puissance nominale de la lampe est de 5 watts, alors le courant lorsqu’il est complètement ON sera :

Comme I_C est égal au courant de la lampe (charge), le courant de base du transistor sera proportionnel au gain de courant du transistor comme I_B = I_C/β. Le gain en courant a été précédemment donné comme : β = 100, donc le courant de base minimum I_B(MIN) est calculé comme suit :

Avoir trouvé la valeur de courant de base requise, nous devons maintenant calculer la valeur maximale de la résistance de base, R_B(MAX). Les informations fournies ont indiqué que la base du transistor devait être contrôlée à partir de la tension de sortie de 5,0 V (Vo) d’une porte logique numérique. Si la tension de polarisation directe base-émetteur est de 0,7 volts, alors la valeur de R_B est calculée comme suit :

Ensuite, lorsque le signal de sortie de la porte logique est BAS (0V), aucun courant de base ne circule et le transistor est complètement éteint, c’est-à-dire qu’aucun courant ne circule à travers la résistance de 1kΩ. Lorsque le signal de sortie de la porte logique est ÉLEVÉ (+5V), le courant de base est de 4,27 mA et allume le transistor en mettant 11,7 V à travers la lampe à filament. La résistance de base R_B dissipe moins de 18mW lorsqu’il conduit 4,27 mA, donc une résistance de 1/4W fonctionnera.

Notez que lors de l’utilisation d’un transistor comme commutateur dans un circuit d’interface de sortie, une bonne règle est de choisir une valeur de résistance de base R_B afin que le courant de commande de base I_B soit d’environ 5% ou même 10% du courant de charge requis, I_C, pour aider à conduire le transistor bien dans sa région de saturation, minimisant ainsi V_CE et les pertes de puissance.

De plus, pour un calcul plus rapide des valeurs de résistance et pour réduire un peu les maths, vous pourriez ignorer la chute de tension de 0,1 à 0,5 volts à travers la jonction collecteur-émetteur et la chute de 0,7 volt à travers la jonction base-émetteur dans vos calculs. La valeur approximative résultante sera de toute façon suffisamment proche de la valeur calculée réelle.

Les circuits de commutation à transistor unique sont très utiles pour contrôler des dispositifs à faible puissance, tels que des lampes à filament ou pour commuter des relais qui peuvent être utilisés pour commuter des dispositifs à puissance plus élevée, par exemple, des moteurs et des solénoïdes.

Cependant, les relais sont de grands dispositifs électromécaniques qui peuvent être coûteux ou occuper beaucoup de place sur une carte de circuit lorsqu’ils sont utilisés pour interface d’entrée avec un microcontrôleur à 8 ports, par exemple.

Une façon de surmonter cela et de commuter directement des dispositifs à courant élevé à partir des pins de sortie d’un microcontrôleur, d’un PIC ou d’un circuit numérique, est d’utiliser une configuration de paires Darlington formée à partir de deux transistors.

Configuration Transistor Darlington

Les configurations de transistor Darlington peuvent être formées à partir de deux transistors NPN ou deux transistors PNP connectés ensemble ou en tant que dispositif Darlington prêt à l’emploi tel que le 2N6045 ou le TIP100 qui intègre les deux transistors et quelques résistances, pour aider à un arrêt rapide, dans un seul boîtier TO-220 pour des applications de commutation.

Dans cette configuration de Darlington, le transistor TR₁ est le transistor de contrôle et est utilisé pour contrôler la conduction du transistor de commutation de puissance TR₂. Le signal d’entrée appliqué à la base du transistor TR₁ contrôle le courant de base du transistor TR₂. L’arrangement Darlington, que ce soit des transistors individuels ou un seul boîtier, a les mêmes trois bornes : Émetteur (E), Base (B) et Collecteur (C).

Les configurations de transistor Darlington peuvent avoir des gains en courant continu (c’est-à-dire le rapport entre le courant collecteur (sortie) et le courant de base (entrée)) de plusieurs centaines à plusieurs milliers, selon les transistors utilisés. Il serait alors possible de contrôler notre exemple de lampe à filament ci-dessus avec un courant de base de seulement quelques microampères (µA), alors que le courant collecteur, β₁I_B1, du premier transistor devient le courant de base du second transistor.

Alors le gain en courant de TR₂ sera β₁β₂I_B1 puisque les deux gains sont multipliés ensemble en tant que β_T = β₁×β₂. En d’autres termes, une paire de transistors bipolaires combinés pour former une paire de transistors Darlington aura leurs gains en courant multipliés ensemble.

Donc en choisissant des transistors bipolaires appropriés et avec le bon biais, les configurations de Darlington à double suiveur d’émetteur peuvent être considérées comme un seul transistor avec une valeur très élevée de β et par conséquent une haute impédance d’entrée dans les milliers d’ohms.

Heureusement pour nous, quelqu’un a déjà regroupé plusieurs configurations de transistors Darlington dans un seul boîtier IC à 16 broches, ce qui nous facilite l’interface de sortie d’une large gamme de dispositifs.

Le Tableau de Transistors Darlington ULN2003A

Le ULN2003A est un tableau de transistors Darlington à unipolaire peu coûteux avec une haute efficacité et une faible consommation d’énergie, ce qui en fait un circuit d’interface de sortie extrêmement utile pour piloter une large gamme de charges, y compris des solénoïdes, des relais, des moteurs CC et des affichages LED ou ampoules à filament directement à partir des ports de microcontrôleurs, PIC ou circuits numériques.

La famille des tableaux Darlington se compose du ULN2002A, ULN2003A et ULN2004A, qui sont tous des tableaux Darlington à haute tension et haute courant contenant chacun sept paires Darlington à collecteur ouvert dans un seul boîtier IC. Le conducteur Darlington ULN2803 est également disponible, qui contient huit paires Darlington au lieu de sept.

Chaque canal isolé du tableau est noté à 500mA et peut supporter des courants de crête allant jusqu’à 600mA, ce qui le rend idéal pour contrôler de petits moteurs ou lampes ou les portes et bases de transistors de puissance. Des diodes de suppression supplémentaire sont incluses pour alimentations inductives et les entrées sont épinglées opposées aux sorties pour simplifier les connexions et la disposition du circuit imprimé.

Tableau de Transistors Darlington ULN2003

Le pilote Darlington ULN2003A a une impédance d’entrée et un gain en courant extrêmement élevés qui peuvent être pilotés directement à partir d’une porte logique TTL ou +5V CMOS. Pour la logique CMOS +15V, utilisez le ULN2004A et pour des tensions de commutation plus élevées allant jusqu’à 100V, il est préférable d’utiliser le tableau Darlington SN75468.

Si d’autres capacités de courant de commutation sont requises, alors les entrées et sorties des paires Darlington peuvent être parallèles ensemble pour une capacité de courant plus élevée. Par exemple, les broches d’entrée 1 et 2 connectées ensemble et les broches de sortie 16 et 15 connectées ensemble pour commuter la charge.

Circuits d’Interface de MOSFET de Puissance

En plus d’utiliser des transistors uniques ou des paires Darlington, les MOSFET de puissance peuvent également être utilisés pour commuter des dispositifs à puissance moyenne. Contrairement au transistor à jonction bipolaire, BJT, qui nécessite un courant de base pour faire saturer le transistor, le commutateur MOSFET consomme virtuellement aucun courant car la borne de grille est isolée du canal principal porte-courant.

Circuit de Commutation MOSFET de Base

Les MOSFET de puissance, de type amélioration N-channel (normalement éteint), avec leur tension de seuil positive et leur très haute impédance d’entrée, en font un dispositif idéal pour une interface directe avec les microcontrôleurs, les PIC et les circuits logiques numériques capables de produire une sortie positive comme indiqué.

Les commutateurs MOSFET sont contrôlés par un signal d’entrée de grille et en raison de l’extrêmement haute résistance d’entrée (grille) du MOSFET, nous pouvons mettre en parallèle, presque sans limites, de nombreux MOSFET de puissance jusqu’à ce que nous atteignions les capacités de charge du dispositif connecté.

Dans le MOSFET de type amélioration à canal N, le dispositif est coupé (Vgs = 0) et le canal est fermé, agissant comme un commutateur normalement ouvert. Lorsqu’une tension de polarisation positive est appliquée à la grille, le courant circule à travers le canal. La quantité de courant dépend de la tension de polarisation de la grille, Vgs. En d’autres termes, pour faire fonctionner le MOSFET dans sa région de saturation, la tension de grille à source doit être suffisante pour maintenir le courant de drain requis et donc le courant de charge.

Comme discuté précédemment, les eMOSFET à canal N sont pilotés par une tension appliquée entre la grille et la source, donc l’ajout d’une diode zener à travers la jonction grille-source des MOSFET comme montré, sert à protéger le transistor de tensions d’entrée positives ou négatives excessives telles que celles générées, par exemple, par la sortie d’un comparateur op-amp saturé. La zener clampe la tension de grille positive et agit comme une diode conventionnelle qui commence à conduire une fois que la tension de grille atteint –0,7 V, maintenant bien loin de la limite de tension de rupture inverse.

MOSFETs et Portes à Collecteur Ouvert

Interface de sortie d’un MOSFET de puissance à partir de TTL pose un problème lorsque nous utilisons des portes et des pilotes avec des sorties à collecteur ouvert, car la porte logique ne nous fournit peut-être pas toujours la sortie V_GS requise. Une façon de surmonter ce problème est d’utiliser une résistance de tirage comme montré.

La résistance de tirage est connectée entre le rail d’alimentation TTL et la sortie de la porte logique qui est connectée à la borne de grille des MOSFET. Lorsque la sortie de la porte logique TTL est à un niveau logique “0” (BAS), le MOSFET est “ÉTEINT” et lorsque la sortie de la porte logique est à un niveau logique “1” (ÉLEVÉ), la résistance tire la tension de grille à la ligne de +5V.

Avec cet arrangement de résistance de tirage, nous pouvons pleinement commuter le MOSFET “ON” en liant sa tension de grille à la ligne d’alimentation supérieure comme montré.

Interface de Sortie avec des Moteurs

Nous avons vu que nous pouvons utiliser à la fois des transistors à jonction bipolaire ou des MOSFET comme partie d’un circuit d’interface de sortie pour contrôler toute une gamme de dispositifs. Un dispositif de sortie courant est le moteur CC qui crée un mouvement rotatif. Il existe des centaines de façons dont les moteurs et les moteurs pas à pas peuvent être interfaced à des microcontrôleurs, des PIC et des circuits numériques en utilisant un seul transistor, un transistor Darlington ou un MOSFET.

Le problème est que les moteurs sont des dispositifs électromécaniques qui utilisent des champs magnétiques, des balais et des bobines pour créer le mouvement rotatif et à cause de cela, les moteurs, et surtout les moteurs à bas prix de jouets ou de ventilateurs d’ordinateur, génèrent beaucoup de “bruit électrique” et de “pics de tension” pouvant endommager le transistor de commutation.

Ce bruit électrique de moteur et la surtension peuvent être réduits en connectant une diode de roue libre ou un condensateur de suppression non polarisé à travers les bornes du moteur. Mais une façon simple d’empêcher le bruit électrique et les tensions inverses d’affecter les commutateurs de transistors semi-conducteurs ou les ports de sortie des microcontrôleurs est d’utiliser des alimentations séparées pour le contrôle et le moteur via un relais approprié.

Un schéma typique de connexion pour l’interface de sortie d’un relais électromécanique à un moteur CC est montré ci-dessous.

Contrôle ON/OFF d’un Moteur CC

Le transistor NPN est utilisé comme un commutateur ON-OFF pour fournir le courant désiré à la bobine du relais. La diode de roue libre est nécessaire, comme ci-dessus, car le courant circulant à travers la bobine inductive lorsqu’elle n’est pas alimentée ne peut pas instantanément être réduit à zéro. Lorsque l’entrée à la base est mise en ÉLEVÉ, le transistor est commuté “ON”. Le courant circule à travers la bobine du relais et ses contacts se ferment pour entraîner le moteur.

Lorsque l’entrée à la base des transistors est BASS, le transistor est éteint et le moteur s’arrête alors que les contacts du relais sont maintenant ouverts. Toute auto-induction générée par la désactivation de la bobine passe à travers la diode de roue libre et diminue lentement à zéro, empêchant les dommages au transistor. De plus, le transistor (ou MOSFET) est isolé et n’est pas affecté par tout bruit ou pics de tension générés par le fonctionnement du moteur.

Nous avons vu qu’un moteur CC peut être allumé et éteint en utilisant un couple de contacts de relais entre le moteur et son alimentation. Mais que se passe-t-il si nous voulons que le moteur tourne dans les deux sens pour une utilisation dans un robot ou un autre type de projet motorisé ? Le moteur peut alors être contrôlé en utilisant deux relais comme montré.

Contrôle Réversible d’un Moteur CC

La direction de rotation d’un moteur CC peut être inversée en changeant simplement la polarité de ses connexions d’alimentation. En utilisant deux commutateurs à transistor, la direction de rotation des moteurs peut être contrôlée via deux relais, chacun avec des contacts à un pôle double coup (SPDT) alimentés à partir d’une seule source de tension. En faisant fonctionner un des commutateurs à transistor à la fois, le moteur peut être fait pour tourner dans l’une ou l’autre direction (avant ou arrière).

Tandis que l’interface de sortie des moteurs via des relais nous permet de les démarrer et de les arrêter ou de contrôler la direction de rotation. L’utilisation de relais nous empêche de contrôler la vitesse de rotation, car les contacteurs des relais s’ouvrent et se ferment continuellement.

Cependant, la vitesse de rotation d’un moteur CC est proportionnelle à la valeur de sa tension d’alimentation. La vitesse d’un moteur CC peut être contrôlée en ajustant soit la valeur moyenne de sa tension d’alimentation en courant continu, soit en utilisant la modulation de largeur d’impulsion. C’est-à-dire en faisant varier le rapport de marquage-espace de sa tension d’alimentation de 5 % jusqu’à plus de 95 %, et de nombreux contrôleurs de pont H pour moteur font justement cela.

Interface de Sortie pour Charges Connectées au Réseau

Nous avons vu précédemment que les relais peuvent isoler électriquement un circuit d’un autre, c’est-à-dire qu’ils permettent à un circuit alimenté plus petit de contrôler un autre circuit potentiellement plus grand. Les relais offrent également en même temps une protection pour le circuit plus petit contre le bruit électrique, les pics de surtension et les transitoires qui pourraient endommager le dispositif de commutation délicat en semi-conducteur.

Mais les relais permettent également l’interface de sortie de circuits avec des tensions et des masses différentes, tels que ceux entre un microcontrôleur de 5 volts ou un PIC et l’alimentation du réseau. Mais en plus d’utiliser des transistors (ou des MOSFET) commutateurs et des relais pour contrôler des dispositifs alimentés au réseau, tels que des moteurs CA, des lampes de 100W ou des chauffages, nous pouvons également les contrôler en utilisant des opto-isolateurs et des dispositifs électroniques de puissance.

Le principal avantage de l’opto-isolateur est qu’il fournit un degré d’isolation électrique élevé entre ses bornes d’entrée et de sortie, car il est couplé optiquement et nécessite ainsi un courant d’entrée minimal (typiquement seulement 5mA) et tension. Cela signifie que les opto-isolateurs peuvent être facilement interfaced à partir d’un port de microcontrôleur ou d’un circuit numérique qui offre des capacités de pilotage LED suffisantes sur sa sortie.

La conception de base d’un opto-isolateur se compose d’une LED qui produit une lumière infrarouge et d’un dispositif photo-sensible semi-conducteur utilisé pour détecter le faisceau infrarouge émis. La LED et le dispositif photo-sensible, qui peuvent être un simple phototransistor, un photodarlington ou un photo-triac, sont enfermés dans un boîtier étanche à la lumière avec des pattes métalliques pour les connexions électriques comme indiqué.

Différents Types d’Opto-isolateurs

Comme l’entrée est une LED, la valeur de la résistance en série, R_S, requise pour limiter le courant de la LED peut être calculée comme ci-dessus. Les LEDs de deux opto-isolateurs ou plus peuvent également être connectées ensemble en série pour contrôler plusieurs dispositifs de sortie en même temps.

Les isolateurs opto-triac permettent de contrôler des équipements alimentés en courant alternatif et des lampes du réseau. Les triacs à couplage optique tels que le MOC 3020 ont des valeurs de tension d’environ 400 volts, les rendant idéaux pour une connexion directe au réseau et un courant maximum d’environ 100mA. Pour des charges à puissance plus élevée, l’opto-triac peut être utilisé pour fournir la pulse de gâchette à un autre triac plus grand via une résistance limitant le courant comme montré.

Relais à État Solide

Ce type de configuration d’opto-coupleur forme la base d’une application de relais à état solide très simple qui peut être utilisée pour contrôler toute charge alimentée en courant alternatif, telle que des lampes et des moteurs directement à partir de l’interface de sortie d’un microcontrôleur, d’un PIC ou d’un circuit numérique.

Résumé de l’Interface de Sortie

Les systèmes de contrôle logiciel à état solide qui utilisent des microcontrôleurs, des PIC, des circuits numériques et d’autres systèmes basés sur des microprocesseurs doivent pouvoir se connecter au monde réel pour contrôler les moteurs ou allumer ou éteindre des indicateurs LED et des lampes, et dans ce tutoriel électronique, nous avons vu que différents types de circuits d’interface de sortie peuvent être utilisés à cet effet.

De loin, le circuit d’interface le plus simple est celui d’une diode électroluminescente ou LED agissant comme un simple indicateur ON/OFF. Mais en utilisant des circuits d’interface à transistor ou à MOSFET standard comme commutateurs à état solide, nous pouvons contrôler un flux de courant beaucoup plus important même si les broches de sortie du contrôleur ne peuvent fournir (ou absorber) qu’une très petite quantité de courant. Typiquement, pour de nombreux contrôleurs, leur circuit d’interface de sortie peut être une sortie d’absorption de courant dans laquelle la charge est généralement connectée entre la tension d’alimentation et la borne de sortie du dispositif de commutation.

Si par exemple, nous souhaitons contrôler plusieurs dispositifs de sortie différents dans un projet ou une application robotique, il peut être plus pratique d’utiliser un circuit intégré pilote Darlington ULN2003 qui consiste en plusieurs commutateurs à transistor dans un seul boîtier. Ou si nous souhaitons contrôler un actionneur CA, nous pourrions faire interface avec un relais ou un opto-isolateur (opto-coupleur).

Alors nous pouvons voir que les circuits d’interface d’entrée et de sortie donnent au concepteur ou à l’étudiant en électronique la flexibilité d’utiliser de petits systèmes de signal ou des systèmes logiciels basés sur des microprocesseurs la capacité de contrôler et de communiquer avec le monde réel via ses ports d’entrée/sortie qu’il s’agisse d’un petit projet scolaire ou d’une grande application industrielle.