Grâce à un régulateur PWM, cette platine permet de doser très précisément l’énergie fournie (et donc la vitesse de rotation de l’axe) à un moteur électrique, aussi bien à vide qu’en charge. L’adoption d’un MOSFET spécial avec capteur intégré permet de suspendre la fourniture de courant quand le moteur consomme trop.
CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES
- Alimentation : 12 à 24 Vcc
- Courant maximal de sortie : 10 A
- Conçu pour moteurs basse tension
- Fréquence réglable entre 300 Hz et 2 kHz environ
- Protection en courant réglable entre 0 et 10 A
- Vitesse de rotation réglable entre 0 et 100 %
- MOSFET avec capteur de courant intégré
- Tension du moteur : 12 à 24 Vcc
- Dimensions : 15 x 8,5 x 2,5 cm.
La technologie des composants et les techniques de conception sont en constante évolution et les montages que nous vous proposons en sont le refl et. Le variateur de vitesse pour moteurs à balais à courant continu qui fait l’objet du présent article en est un bon exemple : le composant qui en constitue le coeur est une nouveauté tout à fait remarquable. Le régulateur couple à la traditionnelle technologie PWM (modulation de largeur d’impulsions) un limiteur de courant fonctionnant grâce au fait que le MOSFET, auquel est confi ée l’alimentation impulsionnelle du moteur, dispose d’un terminal auxiliaire en mesure de fournir un courant dont l’intensité est proportionnelle à celle traversant la jonction drain-source. Un composant appartenant à une nouvelle classe de “POWER-MOSFET” (produite par International Rectifi er) et qui se contrôle exactement comme un traditionnel IRF540 ou BUZ10, etc.
Le montage proposé ici conviendra à toute personne voulant contrôler la vitesse de rotation de l’axe d’un moteur électrique : la régulation est assez précise car elle se base sur la variation d’amplitude de la tension appliquée aux balais du moteur relié aux points "OUT", soit sur la puissance délivrée. Cette régulation est obtenue en envoyant au moteur des impulsions de courant dont la durée est directement proportionnelle à la vitesse souhaitée. Par rapport à la régulation de la tension, la production des impulsions d’amplitude égales à celles dont le moteur a besoin, mais de largeur variable, permet d’obtenir une rotation assez uniforme, même en charge, car le couple moteur ne change pas : en fait l’axe ne tourne pas par crans (ou facettes) mais uniformément avec une vitesse angulaire dépendant, à parité de charge appliquée, du rapport impulsion/pause du train d’impulsions fourni par le régulateur.
Le schéma électrique
Schéma électrique du variateur de vitesse pour moteur DC.Le
schéma électrique de la fi gure 1 révèle un circuit assez complexe en
apparence, mais en fait plutôt simple. Le est constitué d’un générateur
d’impulsions rectangulaires modulables en largeur, d’un translateur de
tension, d’un fi nal de puissance et d’un étage capteur de courant
capable d’intervenir sur le générateur d’impulsions jusqu’à le bloquer.
Un régulateur de tension U2 7809 stabilise l’alimentation au 9 V
nécessaire au circuit : en effet, cette tension alimente le régulateur
PWM et la protection en courant qui, nécessitant des potentiels de
référence, réclament une bonne stabilité. Grâce à la respectable
capacité de fi ltrage obtenue avec C7, C8 et C10, U2 constitue un
véritable mur que les pics et les chutes de tension dus à la commutation
du MOSFET sur l’induit du moteur ne peuvent pratiquement pas franchir.
Le fusible intervient, en coupant la ligne d’alimentation principale,
quand le circuit ou le moteur tend à consommer plus de courant que la
limitation ne le permet.
Le coeur du système PWM est le générateur
réalisé par le couplage d’un multivibrateur astable particulier et d’un
comparateur à amplifi cateur opérationnel : en effet, pour produire les
impulsions à largeur modulée, nous comparons un potentiel continu à une
forme d’onde quasi triangulaire produite par une broche de U1, un NE555
monté en confi guration astable. Ce temporisateur produit une onde
rectangulaire en chargeant et déchargeant un condensateur inséré dans
son réseau de temporisation, c’est-à-dire en le laissant se charger à
travers R1, D1, R2 et R23, puis en le déchargeant à travers R2, R3, R23
et D2, au moment où le niveau logique de la sortie est inversé. La
broche 3, non utilisée, n’est pas sur le schéma.
La composante
exponentielle est prise aux bornes de C1 : la comparaison, dévolue à
l’opérationnel U3a (confi guré en comparateur), de l’onde quasi
triangulaire (broche 2) et de la tension continue acheminée à la broche 3
par T4 et par le trimmer R24, détermine à la sortie (broche 1) une
forme d’onde rectangulaire, dont le rapport cyclique dépend strictement
de l’amplitude de la tension due justement à T4 et R24.
Voyons
comment fonctionne le comparateur : sa sortie est au niveau logique haut
(à peu près le potentiel de l’alimentation positive) quand la valeur de
la composante présente aux bornes de C1 est inférieure à celle
appliquée à la broche 3 et, inversement, elle se met à peu près à 0 V si
la tension quasi triangulaire prélevée sur l’astable prend plus
d’amplitude que le potentiel de référence. Il en découle que le rapport
cyclique est directement proportionnel à l’amplitude de la tension
acheminée par T4 car, si elle augmente, les périodes pendant lesquelles
la broche 2 devient positive par rapport à la 3 se réduisent, ainsi que
la durée des pauses entre deux impulsions consécutives de l’onde
rectangulaire. Bien sûr, nous parlons ici de rapport impulsion/période
de la composante sortant de la broche 1 car, à la sortie, c’est-à-dire
aux bornes du moteur, la situation est inversée : plus élevée est la
tension de référence, plus faible est la largeur des impulsions de
courant produites.
Le schéma nous montre que la référence de
l’opérationnel est obtenue grâce à deux composantes : un potentiel fi
xe, paramétrable au moment du réglage de R24 et un variable venant du
circuit de limitation du courant de sortie.
Pour comprendre le fonctionnement de ce dernier, nous devons savoir où va fi nir l’onde PWM produite par le comparateur.
La
broche 1 pilote le MOSFET de puissance T3 à travers un étage
amplificateur et translateur à symétrie complémentaire constitué par T1
et T2 (respectivement PNP et NPN). Ce circuit permet d’obtenir un
comportement égal pour la demi-onde négative et pour la demi-onde
positive : il produit des impulsions de commande parfaitement carrées
(avec des fronts de montée et de descente nets) pour la gâchette du
MOSFET. Les collecteurs des pilotes T1 et T2 envoient donc les
impulsions à la patte 1 (gâchette) de T3. Notez que la zener D1 est
montée essentiellement comme protection extrême du MOSFET pour
l’éventualité où, par destruction de U2, la tension sur la ligne
d’alimentation du régulateur dépasserait 12 V. Chaque fois qu’il reçoit
une impulsion positive, le fi nal de puissance conduit entre drain et
source et se laisse ainsi traverser par le courant sans pratiquement
opposer de résistance : en effet, sa Rdson (résistance électrique
mesurée entre drain et source en pleine conduction) est typiquement de
0,077 ohm, ce qui n’infl uence pas la tension appliquée au moteur.
En
même temps la patte 2 fait traverser R18 par un courant directement
proportionnel à celui parcourant actuellement les enroulements du moteur
et donc le circuit drain-source, ce qui permet à l’étage de limitation
de jouer son rôle. En regard de chaque impulsion positive, aux bornes de
R18, une autre impulsion se crée (en phase et de durée proportionnelle
au courant produit) : il en découle une forme d’onde rectangulaire
laquelle, adéquatement fi ltrée par une cellule passe-bas (R17/C9)
devient une composante continue, ensuite envoyée au second opérationnel
de U3 (un CA3240).
U3b constitue l’élément qui, dans le circuit,
décide quand la protection en courant doit intervenir : en réglant
convenablement le trimmer R25, on en paramètre le seuil de commutation
et par suite le niveau que le courant fourni au moteur peut atteindre
sans que le régulateur suspende la production des impulsions.
Il va
de soi que plus on augmente le potentiel sur le curseur du trimmer, plus
élevée est l’intensité admise dans le MOSFET et vice versa. Pour un
fonctionnement précis et un déclenchement effi cace de la protection,
nous avons rendu stable le seuil de commutation en alimentant R25 à
travers un réseau résistif dont la tension est stabilisée par D3
(polarisée directement elle donne exactement 0,7 V). En outre, le
comparateur est de type avec hystérésis. Fonctionnalité obtenue en
rétroactionnant en positif l’opérationnel U3b : ainsi, une fois le
limiteur intervenu, le courant libéré par le MOSFET doit descendre
au-dessous de la valeur ayant provoqué le déclenchement, sinon l’étage
de sortie laisse le moteur hors circuit.
Voyons un dernier détail :
comment intervient la protection. La sortie du U3b commande le NPN T5,
monté en inverseur logique et en interface vers l’étage de régulation.
Son collecteur alimente la base du PNP T4. Nous pouvons voir que,
lorsque le courant dans le moteur dépasse le seuil de limitation
paramétré par R25 et que la broche 7 du CA3240, passant au niveau
logique haut, force T5 à la saturation, l’intensité dans le collecteur
de ce dernier détermine aux extrémités de R20 une différence de
potentiel suffi sante pour saturer aussi T4. Le courant de son
collecteur, acheminé vers R7, élève le potentiel de référence de U3a à
un niveau supérieur au maximum atteignable par l’onde quasi
triangulaire, ce qui empêche la sortie du comparateur de prendre le
niveau logique bas et de faire conduire le MOSFET de sortie T3.
En
dernière analyse, quand l’intensité paramétrée comme limite par R25 est
dépassée, U3a fait passer l’état de sa broche 1 du niveau logique bas au
niveau logique haut et l’y maintient. T1 reste interdit et T2 conduit,
en maintenant pratiquement à la masse la gâchette du MOSFET. Notez que,
le courant de drain manquant, le courant du capteur cesse aussi et aux
extrémités de R18 il n’y a plus aucune chute de tension : le comparateur
U3b peut à nouveau faire passer sa sortie du niveau logique haut au
niveau logique bas, en laissant interdire T5 et T4.
Ainsi le blocage
du modulateur PWM est libéré et le MOSFET peut redémarrer et alimenter
la charge…jusqu’à un nouvel éventuel excès de consommation de courant,
auquel cas la protection interviendra à nouveau et arrêtera une nouvelle
fois T3. Le circuit de limitation du courant a donc un comportement
dynamique : il est capable de "sentir" à chaque instant ce qui se passe à
la sortie, c’est-à-dire dans le moteur.
Concluons l’analyse avec la
zener U4, jouant le double rôle d’écrêteur des éventuels pics et de
suppresseur des tensions inverses, deux phénomènes occasionnés par la
commutation “ON/OFF” sur des charges for tement inductives (comme le
sont les moteurs). En fait cette zener empêche que ne se propage dans la
ligne d’alimentation des tensions plus élevées que la sienne et surtout
de polarité inverse (dans ce dernier cas la zener devient pratiquement
un court-circuit).
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