TP

Découverte des transistors MOS

Mise en situation et objectifs du TP

Objectifs à atteindre

Ce TP a pour but de découvrir un nouveau composant électronique : le transistor MOS. Pour se déplacer en zig-zag dans le jardin la tondeuse automatique RL500 a besoin d'alimenter ses moteurs dans les deux sens de rotation (sens direct pour la marche avant, et sens inverse pour la marche arrière). Le montage choisie par le concepteur de la tondeuse pour alimenter les moteurs est le pont en H. Dans la pratique, les ponts en H de la tondeuse sont réalisés avec 4 transistors MOS comme nous allons le voir dans ce TP.

Symbole d'un transistor MOS

Un transistor MOS est un composant électronique à 3 pattes se comportant comme un interrupteur :

Photo d'un transistor MOS réel

Les 3 bornes d'un transistor MOS sont appelées :

la grille (notée G)

la source (notée S)

le drain (noté D)

Il existe 2 types de transistor MOS :

- le transistor MOS à canal N

- le transistor MOS à canal P

Symbole d'un transistor MOS à canal N                                              Symbole d'un transistor MOS à canal P

Sur le symbole d'un transistor MOS :

- la source est la borne reliée à la flèche

- le sens de la flèche permet de distinguer les transistors MOS à canal N des transistors MOS à canal P

- une flèche en direction de la grille indique un transistor à canal N

Fonctionnement d'un transistor MOS

Un transistor MOS se comporte comme un interrupteur commandé par un niveau logique. Il est soit OUVERT soit FERME (entre son drain et sa source) en fonction de la commande arrivant sur la grille :

Un transistor MOS à Canal N sera fermé lorsqu'il reçoit un 1 logique sur sa grille.

Un transistor MOS à Canal P sera fermé lorsqu'il reçoit un 0 logique sur sa grille.

Dans Proteus nous utiliserons les transistors MOS IRF530 et IRF9530. Ajoutez ces deux nouveaux composants sur la page 1 de votre fiche mémo de Proteus :

Nom réel du composant

Nom du composant dans Proteus

Catégorie

Bibliothèque

un transistor MOS à canal N

IRF530

Transistors

FET

un transistor MOS à canal P

IRF9530

Transistors

FET

Travail demandé

PARTIE 1 : découverte expérimentale des transistors MOS dans Proteus

1 - Découverte du transistor MOS à canal N

Réalisez dans Proteus le Montage 1 ci-dessous utilisant un transistor MOS à canal N IRF530, une ampoule LAMP, et un générateur d'état logique LOGICSTATE. Configurez le point d'alimentation VCC à 12 V (par défaut VCC vaut 5 V). Pour cela :

cliquez sur "Configurer les liens d'alimentation" dans le menu Projet de Proteus

choisissez VCC/VDD dans la liste des lien d'alimentation déjà créés

configurez sa tension à 12 volts

fermez la boîte de dialogue des liens d'alimentation en cliquant sur OK

dans votre montage connectez le lien d'alimentation à VCC (élément POWER dans le Mode terminal)

Montage 1 : test d'un transistor MOS à canal N

On précise qu'un transistor MOS :

est dans l'état "saturé" s'il est équivalent à un interrupteur fermé

est dans l'état "bloqué" s'il est équivalent à un interrupteur ouvert

Lancez la simulation puis testez le montage 1 pour les deux niveaux logiques arrivant sur la grille du transistor.

Niveau logique arrivant sur la grille du transistor MOS à canal N

Etat du transistor MOS
(saturé ou bloqué)

Etat de la lampe
(allumée ou éteinte)

0 logique

1 logique

Remarque : la source du transistor MOS à canal N est directement reliée à la masse, et le récepteur (ici l'ampoule) est connecté entre le drain et VCC.

Relevez dans votre cahier marque tout :

- le schéma du montage 1
- le tableau ci-dessus en le complétant
- la conclusion suivante à encadrer en rouge et à retenir :

Un transistor MOS à Canal N sera fermé lorsqu'il reçoit un 1 logique sur sa grille.

2 - Découverte du transistor MOS à canal P

Réalisez dans Proteus le Montage 2 ci-dessous utilisant un transistor MOS à canal P IRF9530, un moteur à courant continu MOTOR, et un générateur d'état logique LOGICSTATE. Configurez le point d'alimentation VCC à 12 V (par défaut VCC vaut 5 V). Pour cela :

cliquez sur "Configurer les liens d'alimentation" dans le menu Projet de Proteus

choisissez VCC/VDD dans la liste des lien d'alimentation déjà créés

configurez sa tension à 12 volts

fermez la boîte de dialogue des liens d'alimentation en cliquant sur OK

dans votre montage connectez le lien d'alimentation à VCC (élément POWER dans le Mode terminal)

Montage 2 : test d'un transistor MOS à canal P

Lancez la simulation puis testez le montage 2 pour les deux niveaux logiques arrivant sur la grille du transistor.

Niveau logique arrivant sur la grille du transistor MOS à canal P

Etat du transistor MOS
(saturé ou bloqué)

Etat du moteur
(en marche ou arrêté)

0 logique

1 logique

Remarque : la source du transistor MOS à canal P est directement reliée à VCC, et le récepteur (ici le moteur) est connecté entre le drain et la masse.

Relevez dans votre cahier marque tout :

- le schéma du montage 2
- le tableau ci-dessus en le complétant
- la conclusion suivante à encadrer en rouge et à retenir :

Un transistor MOS à Canal P sera fermé lorsqu'il reçoit un 0 logique sur sa grille.

3 - Pont en H avec 4 transistors MOS

On étudie maintenant le montage 3 ci-dessous utilisant 4 transistors MOS T1, T2, T3 et T4. Ce montage, appelé "pont en H" permet d'alimenter le moteur à courant continu dans les deux sens de rotation.

Comme nous l'avons vu dans les montages 1 et 2, la source d'un transistor MOS à canal N doit être reliée à la masse, alors que la source d'un transistor MOS à canal P doit être reliée au potentiel positif de l'alimentation (+12V). Pour cette raison :

- les deux transistors du haut dans le pont en H sont des transistors à canal P (avec leur source reliée à + 12V)
- les deux transistors du bas dans le pont en H sont des transistors à canal N (avec leur source reliée à 0V)
- seulement les drains des transistors sont reliés au moteur

Montage 3 : pont en H avec 4 transistor MOS

RAPPEL : pour créer dans Proteus un nouveau lien d'alimentation de 12 V :

cliquez sur "Configurer les liens d'alimentation" dans le menu Projet de Proteus

cliquez sur le bouton Nouveau, nommez le lien d'alimentation +12V, validez par OK

configurez sa tension à 12 volts

fermez la boîte de dialogue des liens d'alimentation en cliquant sur OK

dans votre montage connectez le lien d'alimentation à +12V (élément POWER dans le Mode terminal) en écrivant +12V en toutes lettres dans le champ "Chaîne" des propriés du lien d'alimentaion

Explication du pont en H à 4 transistors MOS :

- Les transistors T1 et T2 sont des transistors MOS à canal P : ils seront fermés si leur grille est reliée à un 0 logique.
- Les transistors T3 et T4 sont des transistors MOS à canal N : ils seront fermés si leur grille est reliée à un 1 logique.

Réalisez dans Proteus le Montage 3 ci-dessous, lancez la simulation puis testez-le pour les 4 cas suivants en fonction des états logiques de A et B :

A

B

Etat de T1
(saturé ou bloqué)

Etat de T2
(saturé ou bloqué)

Etat de T3
(saturé ou bloqué)

Etat de T4
(saturé ou bloqué)

Etat du moteur
(sens direct, sens inverse, ou arrêté)

0

0

0

1

1

0

1

1

Relevez dans votre cahier marque tout :

- le schéma du montage 3
- le tableau ci-dessus en le complétant
- la conclusion suivante à encadrer en rouge et à retenir :

Pour réaliser un pont en H avec 4 transistors MOS on utilise 2 transistors à canal N (leur source est reliée à la masse) et 2 transistors à canal P (leur source est reliée à +12 V).

A retenir : on appelle "pont en H" un montage électronique à base de 4 interrupteurs permettant d'inverser le sens de rotation d'un moteur en fermant 2 interrupteurs parmi les 4.

Dans la pratique, un pont en H peut être réalisé :

par 4 interrupteurs à actionner manuellement
par 4 relais pilotés automatiquement
par 4 transistors commandés par un circuit logique (transistors bipolaires ou transistors MOS)
par un circuit intégré spécialisé, comme le circuit L298 contenant 2 ponts en H

PARTIE 2 : application à la tondeuse RL500

1 - Automatisation de la tonte en zig-zag

Lors de la tonte de l'herbe dans le jardin la tondeuse RL500 effectue un déplacement en zig-zag :

- elle roule en marche avant jusqu'à détecter un obstacle à l'avant (choc ou fil périmétrique)
- elle roule en marche arrière jusqu'à détecter un obstacle à l'arrière (choc ou fil périmétrique)
- puis elle repart en marche avant, et ainsi de suite ...

Les capteurs de choc avant et arrière seront ici simulés par deux générateurs logiques monostables LOGICTOGGLE :

Proposez puis validez dans Proteus une solution répondant au cahier des charges suivant en alimentant le moteur avec un pont en H constitué de 4 transistors MOS :

- si un obstacle est détecté à l'avant (impulsion sur le LOGICTOGGLE "Obstacle détecté à l'avant") alors le moteur doit tourner dans le sens inverse afin que la tondeuse recule pour s'éloigner de l'obstacle
- si un obstacle est détecté à l'arrière (impulsion sur le LOGICTOGGLE "Obstacle détecté à l'arrière") alors le moteur doit tourner dans le sens direct afin que la tondeuse avance pour s'éloigner de l'obstacle

Une fois parfaitement fonctionnel, faites valider votre montage par le professeur puis relevez-le dans votre cahier marque tout.

2 - Amélioration de la tondeuse avec le circuit L298

Si vous ne l'avez pas encore fait ou pas encore terminé, expérimentez sous Proteus la découverte du circuit L298 en effectuant le travail indiqué dans le document ressource du circuit L298 disponible sur NESSI (dans Documents Electronique + Le circuit L298). Vous prendez rapidement les tableaux à compléter ainsi que les schémas qui y sont associés dans votre cahier marque tout. Ajoutez, si ce n'est pas déjà fait, ce nouveau composant sur la page 1 de votre fiche mémo de Proteus :

Nom réel du composant

Nom du composant dans Proteus

Catégorie

Bibliothèque

un double pont en H intégré

L298

Analog ICs

ANALOG

Photo du circuit L298 réel

Brochage du circuit L298

En réalité la tondeuse RL500 ne possède pas un, mais deux moteurs distincts : un moteur pour la roue gauche et un moteur pour la roue droite. Chaque moteur étant alimenté par un pont en H à 4 transistor MOS, il y a sur la carte électronique de la tondeuse 8 transistors MOS pour alimenter les deux moteurs.

Dans le but de simplifier la carte électronique de la tondeuse, et de diminuer son coût, son encombrement et sa consommation, on décide de remplacer les 8 transistors MOS par un seul circuit intégré L298.

Rappel du fonctionnement du circuit intégré L298 :

Le circuit L298 contient en interne 2 ponts en H et permet de piloter séparément 2 moteurs à courant continu :

les entrées INx permettent de modifier le sens de rotation des moteur

les entrée ENx (EN=enable=validation) permette de mettre en marche ou d'arrêter les moteur

les entrées SENSx permettent de modifier la vitesse des moteur (grande ou petite vitesse)

Moteur commandé

Entrées

Rôle

MOTOR1

IN1 et IN2

Sens de rotation du moteur 1

ENA

Marche/Arret du moteur 1

SENSA

Vitesse du moteur 1

MOTOR2

IN3 et IN4

Sens de rotation du moteur 2

ENB

Marche/Arret du moteur 2

SENSB

Vitesse du moteur 2

Voici l'état logique à mettre sur chacune des entrée pour piloter les moteurs :

IN1

IN2

ENA

SENSA

Etat du moteur 1

x

x

0

x

Arrêté

0

0

1

x

Arrêté

1

1

1

x

Arrêté

1

0

1

0

Sens 1 en grande vitesse

0

1

1

0

Sens 2 en grande vitesse

1

0

1

1

Sens 1 en petite vitesse

0

1

1

1

Sens 2 en petite vitesse

Et pour le moteur 2 le principe est le même :

IN3

IN4

ENB

SENSB

Etat du moteur 2

x

x

0

x

Arrêté

0

0

1

x

Arrêté

1

1

1

x

Arrêté

1

0

1

0

Sens 1 en grande vitesse

0

1

1

0

Sens 2 en grande vitesse

1

0

1

1

Sens 1 en petite vitesse

0

1

1

1

Sens 2 en petite vitesse

En résumé :

le moteur est arrêté si ENx = 0 OU si les deux entrées INx sont dans le même état

le moteur tourne si ENx = 1 ET si les deux entrées INx sont dans des états différents. Dans ce cas :

les entrées INx commande le sens de rotation
l'entrée SENSx commande la vitesse

2 - 1 - Proposez puis validez dans Proteus une solution répondant au cahier des charges de la question précédente, mais en alimentant cette fois les deux moteurs de la tondeuse avec un circuit intégré L298 (à la place du pont en H) :

- si la tondeuse doit avancer alors ses deux moteurs doivent tourner dans le sens direct
- si la tondeuse doit reculer alors ses deux moteurs doivent tourner dans le sens inverse

Les capteurs de choc avant et arrière sont toujours simulés par deux générateurs logiques monostables LOGICTOGGLE :

Une fois parfaitement fonctionnel, faites valider votre montage par le professeur puis relevez-le dans votre cahier marque tout.

2 - 2 - En réalité, si la tondeuse détecte un obstacle, elle doit pivoter de 5° avant de repartir dans le sens inverse. C'est grâce à ce pivotement de 5° qu'elle suit une trajectoire en forme de zig-zag. Le principe mis en oeuvre sur la tondeuse pour qu'elle tourne est de faire tourner une roue plus vite que l'autre :

- si la roue gauche tourne plus vite que la roue droite alors la tondeuse fait un virage à droite
- si la roue droite tourne plus vite que la roue gauche alors la tondeuse fait un virage à gauche

Pour que la tondeuse pivote sur elle-même (sans avancer) le principe consiste à faire tourner les roues chacune dans un sens différent. Pour pivoter de 5° les roues doivent tourner en sens inverse et en petite vitesse pendant 1 seconde.

Lorsque la tondeuse avance en ligne droite les roues doivent tourner dans le même sens et en grande vitesse.

Afin d'introduire une temporisation de 1 seconde dans votre montage on donne ci-dessous le montage de la fonction monostable.

Ce montage utilise un circuit intégré NE555, une résistance RES de valeur 10kΩ (s'écrit 10k dans Proteus) et un condensateur CAP de capacité 100µF (s'écrit 100u dans Proteus). Le générateur LOGICTOGGLE connecté sur l'entrée du circuit (sur la borne n°2) est configuré pour délivré un 1 logique dans son état de repos (il délivre donc un 0 logique si on appuie dessus) :

Fonction MONOSTABLE

Testez seule la fonction MONOSTABLE dans Proteus, relevez son schéma et commenter son fonctionnement dans votre cahier marque tout, puis utilisez ce nouveau montage pour automatiser la tondeuse.

Dans le cas de la tondeuse, les moteurs sont toujours en marche. A aucun moment ils sont arrêtés, donc les entrées ENA et ENB du circuit L298 peuvent rester à 1 en permanence. Il reste donc à automatiser les entrées INx (pour le sens de rotation) et SENSx (pour la vitesse) pour répondre à la problématique :

- la tondeuse avance (moteurs en sens 1) en grande vitesse jusqu'à détecter un obstacle à l'avant : SENSA=SENSB=IN2=IN4=0 et IN1=IN3=1
- la tondeuse pivote de 5° dans un sens : SENSA=SENSB=IN1=IN4=1 et IN2=IN3=0 pendant 1 seconde
- la tondeuse recule (moteurs en sens 2) en grande vitesse jusqu'à détecter un obstacle à l'arrière : SENSA=SENSB=IN1=IN3=0 et IN2=IN4=1
- la tondeuse pivote de 5° dans l'autre sens : SENSA=SENSB=IN2=IN3=1 et IN1=IN4=0 pendant 1 seconde
- retour au début du cycle

Voici un exemple de câblage permettant d'effectuer une rotation de la tondeuse :

les capteurs "Obstacle AVANT" et "Obstacle ARRIERE" changent le sens de circulation de la tondeuse

le LOGICSTATE "Rotation" permet de commander les moteurs en sens inverse et en petite vitesse

les deux portes ou-exclusif permettent de complémenter l'état de IN3 et de IN4 pendant la phase de rotation afin que le moteur 2 tourne dans le sens inverse du moteur 1

les deux transistors MOS assurent un niveau de tension convenable (soit 0 V soit 5 V) sur les entrées SENSA et SENSB du circuit L298 (ce que ne font pas les portes logiques)

les entrée SENSA et SENSB du circuit L298 sont en réalité des entrées analogiques et non des entrées logiques : elles attendent une tension de puissance (source d'alimentation) et non un simple niveau logique

plus la tension arrivant sur les entrées SENSA et SENSB est grande, plus le moteur est freiné, et plus sa vitesse diminue

pour alléger le montage les deux entrées non utilisées ENA et ENB du circuit L298 peuvent rester déconnectées

Ce qu'il reste à faire sur ce montage de base est de remplacer le LOGICSTATE "Rotation" par un monostable déclenché lors d'une détection d'obstacle, et de finaliser l'ensemble afin qu'il réponde à la problématique de la tondeuse.

Proposez puis validez dans Proteus une solution à base de L298 permettant d'alimenter les moteurs comme dans un cycle en zig-zag :

- la tondeuse avance en grande vitesse jusqu'à détecter un obstacle à l'avant
- la tondeuse pivote de 5° dans un sens
- la tondeuse recule en grande vitesse jusqu'à détecter un obstacle à l'arrière
- la tondeuse pivote de 5° dans l'autre sens
- retour au début du cycle

Une fois parfaitement fonctionnel, faites valider votre montage par le professeur puis relevez-le dans votre cahier marque tout en le commentant et en expliquant le rôle de chaque élément dans le cadre du fonctionnement de la tondeuse.

PARTIE 3 : programmation de la tondeuse RL500 avec Flowcode

1 - Tracé des chronogrammes

Les 2 moteurs de la tondeuse sont toujours alimentés par l'intermédiaire d'un circuit de puissance L298. Mais cette fois les entrées logiques du circuit L298 sont pilotées grâce à un microcontrôleur PIC 16f88 programmé dans Flowcode :

Comme le montre le schéma électronique ci-dessus :

Le port A du PIC 16f88 est utilisé en entrée dans le but de lire l'état des capteurs :

Capteur

Entrées du PIC
(bits du port A)

Rôle

AVANT

A7

détecte un obstacle à l'avant de la tondeuse

ARRIERE

A6

détecte un obstacle à l'arrière de la tondeuse

Le port B du PIC 16f88 est utilisé en sortie dans le but de commander les entrées du L298 :

Sorties du PIC
(bits du port B)

Entrées du L298

Rôle

B0

IN1

modification du sens de rotation du moteur 1

B1

IN2

modification du sens de rotation du moteur 1

B2

IN3

modification du sens de rotation du moteur 2

B3

IN4

modification du sens de rotation du moteur 2

B4

SENSA et SENSB

modification de la vitesse des 2 moteurs

Remarques :

sur le port A du PIC, les bits A0 à A5 ne sont pas utilisés

sur le port B du PIC, les bits B5 à B7 ne sont pas utilisés

sur le circuit L298, les entrées de validation sont mise à 1 en permanence

la sortie B4 du PIC permet de configurer la vitesse des moteurs en modifiant la tension sur les entrées SENSA et SENSB du circuit L298 par l'intermédiaire d'une paire de transistor MOS complémentaire (un transistor MOS à Canal N et un transistor MOS à Canal P)

Tracez dans votre cahier marque tout les chronogrammes des 7 signaux logiques A7, A6, B0, B1, B2, B3 et B4 afin de montrer l'évolution de leur état (0 ou 1) durant 2 zig-zag consécutifs.

Commentez vos chronogrammes en indiquant le rôle de chaque signal dans le cadre du fonctionnement de la tondeuse ainsi que le type de signal (entrée ou sortie) du point de vue du PIC. Vous pouvez par exemple synthétiser toutes ces information sous forme d'un tableau.

2 - Programmation du PIC

Nous allons maintenant programmer le PIC 16f88 dans le logiciel Flowcode afin d'il pilote le circuit L298 en lui envoyant les bons niveaux logiques, au bon moment, et en fonction de l'état des deux capteurs.

Ouvrez le logiciel Flowcode, connectez 8 interrupteurs poussoirs au port A, une barre de 8 LED sur le port B, puis ajoutez sur les entrées/sorties utilisées les étiquettes correspondant à la problématique comme ci-dessous :

En utilisant toutes vos connaissances et tout votre savoir faire acquis durant cette année de première, proposez dans Flowcode un algorigramme correspondant à la problématique de la tondeuse :

au démarrage la tondeuse part en marche avant, à grande vitesse

si on appuie sur le capteur AVANT, elle pivote sur elle même dans le sens 1 en petite vitesse pendant 1 seconde, puis elle repart en marche arrière

si on appuie sur le capteur ARRIERE, elle pivote sur elle même dans le sens 2 en petite vitesse pendant 1 seconde, puis elle repart en marche avant et le cycle recommence

L'algorithme correspondant à la programmation de la tondeuse pour un déplacement d'un zig-zag est le suivant :

Répéter

Rouler en marche avant en grande vitesse

Jusqu'à ce qu'un obstacle soit détecté à l'avant

Répéter

Pivoter dans le sens 1 en petite vitesse

Jusqu'à ce que 1 seconde soit passée

Répéter

Rouler en marche arrière en grande vitesse

Jusqu'à ce qu'un obstacle soit détecté à l'arrière

Répéter

Pivoter dans le sens 2 en petite vitesse

Jusqu'à ce que 1 seconde soit passée

Ce cycle ce répète indéfiniment.

Validez votre algorigramme sous Flowcode en simulant le déplacement de la tondeuse sur plusiseus zig-zag, et en comparant l'état des 5 LED à vos chronogrammes.

Un fois fonctionnel, relevez votre algorigramme sur votre cahier marque tout en le commentant.

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