Commutation de transistors pour relais, moteurs et LED

Un transistor peut fonctionner comme un interrupteur électronique pour contrôler le courant dans un circuit. Il utilise un petit signal pour allumer ou éteindre des charges plus importantes, ce qui le rend utile dans de nombreux systèmes électroniques. Cet article explique en détail comment les transistors BJT et MOSFET sont utilisés dans la commutation, y compris le contrôle côté bas et côté haut, les résistances de base et de grille, la protection contre les charges inductives et l’interface avec les microcontrôleurs.

Présentation de la commutation de transistors

Un transistor est un dispositif à semi-conducteur qui peut fonctionner comme un interrupteur électronique pour contrôler le flux de courant dans un circuit. Contrairement aux commutateurs mécaniques qui ouvrent ou ferment physiquement un chemin, un transistor effectue une commutation électronique à l’aide d’un signal de commande appliqué à sa base (BJT) ou à sa porte (FET). Dans les applications de commutation, le transistor ne fonctionne que dans deux régions principales : la région de coupure (état OFF), où il n’y a pas de flux de courant et où le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert, et la région de saturation (état ON), où le courant maximal circule avec une chute de tension minimale à travers celui-ci, agissant comme un interrupteur fermé.

États de commutation des transistors

Applications de transistors dans les circuits de commutation

Commande de relais et de solénoïde

Les transistors pilotent les relais et les solénoïdes en fournissant le courant de bobine requis que les microcontrôleurs ne peuvent pas fournir directement. Une diode flyback est utilisée pour la protection contre les pics de tension.

Commutation des LED et des lampes

Les transistors commutent les LED et les petites lampes en utilisant de faibles signaux de contrôle tout en protégeant le circuit de commande contre les courants excessifs. Ils sont utilisés dans les indicateurs, les affichages et le contrôle de l’éclairage.

Pilotes de moteur

Les transistors pilotent les moteurs à courant continu en agissant comme des commutateurs à courant élevé. Les BJT ou MOSFET de puissance sont utilisés pour un contrôle fiable dans la robotique, les ventilateurs, les pompes et les systèmes d’automatisation.

Circuits de gestion de l’alimentation

Les transistors sont utilisés dans la commutation électronique de puissance, la protection et la régulation. Ils apparaissent dans les chargeurs de batterie, les convertisseurs CC et les circuits de contrôle automatique de l’alimentation.

Interfaces de microcontrôleur

Les transistors interfacent les microcontrôleurs avec des charges de puissance élevées. Ils amplifient les signaux logiques faibles et permettent de contrôler les relais, les moteurs, les buzzers et les LED à courant élevé.

Transistor NPN en tant que commutateur

Un transistor NPN peut être utilisé comme interrupteur électronique pour contrôler des charges telles que des LED, des relais et de petits moteurs à l’aide d’un signal de faible puissance provenant de dispositifs tels que des capteurs ou des microcontrôleurs. Lorsque le transistor fonctionne comme un commutateur, il fonctionne dans deux régions : la coupure (état OFF) et la saturation (état ON). Dans la région de coupure, aucun courant de base ne circule et le transistor bloque le courant du côté du collecteur, de sorte que la charge reste éteinte. Dans la région de saturation, suffisamment de courant de base circule pour allumer complètement le transistor, permettant au courant de passer du collecteur à l’émetteur et d’alimenter la charge.

Pour utiliser un transistor NPN comme commutateur, une résistance de base (RB) est nécessaire pour limiter le courant entrant dans la base. Le courant de base est calculé à l’aide de :

où IC est le courant traversant la charge, et βforced est une valeur de gain réduite utilisée pour une commutation sûre, β/10. La résistance de base est ensuite calculée à l’aide de :

où VIN est la tension de commande et VBE est la tension base-émetteur (environ 0,7 V pour les transistors en silicium). Ces formules permettent de s’assurer que le transistor reçoit suffisamment de courant de base pour commuter correctement sans être endommagé.

Transistor PNP en tant que commutateur

Un transistor PNP peut également être utilisé comme commutateur, mais il est appliqué dans la commutation côté haut, où la charge est connectée à la terre et le transistor contrôle la connexion à la tension d’alimentation positive. Dans cette configuration, l’émetteur du transistor PNP est connecté à +VCC, le collecteur est connecté à la charge et la charge se connecte à la terre. Le transistor s’allume lorsque la base est tirée vers le bas (en dessous de la tension de l’émetteur), et il s’éteint lorsque la base est tirée vers le haut (proche de +VCC). Cela rend les transistors PNP adaptés aux circuits de commutation où la charge doit être connectée directement au rail positif, comme dans le câblage automobile et les systèmes de distribution d’énergie.

Pour limiter le courant circulant dans la base, une résistance de base (RB) est nécessaire. Le courant de base est calculé à l’aide de :

où IC est le courant collecteur et βforced est considéré comme un dixième du gain typique du transistor pour une commutation fiable. La valeur de la résistance de base est ensuite calculée à l’aide de :

Dans les transistors PNP, VBE est d’environ -0,7 V lorsqu’il est polarisé vers l’avant. Le signal de commande doit être tiré suffisamment bas pour polariser la jonction base-émetteur et allumer le transistor.

Résistance de base dans la commutation BJT

Lors de l’utilisation d’un transistor BJT comme commutateur, une résistance de base (RB) est nécessaire pour contrôler le courant entrant dans la borne de base. La résistance protège le transistor et la source de contrôle, telle qu’une broche de microcontrôleur, d’un courant trop important. Sans cette résistance, la jonction base-émetteur pourrait consommer un courant excessif et endommager le transistor. La résistance de base garantit également que le transistor bascule correctement entre les états OFF et ON.

Pour allumer complètement le transistor (mode de saturation), il faut fournir suffisamment de courant de base. Le courant de base IB est calculé à l’aide du courant collecteur IC et d’une valeur de gain sûre appelée bêta forcé :

Au lieu d’utiliser le gain normal (bêta) du transistor, une valeur inférieure appelée bêta forcée est utilisée pour la sécurité :

Après avoir calculé le courant de base, la valeur de la résistance de base est déterminée à l’aide de la loi d’Ohm :

Ici, VIN est la tension de commande, et VBE est la tension base-émetteur, environ 0,7V pour les BJT en silicium.

Commutation MOSFET dans le contrôle de niveau logique

Les MOSFET sont utilisés comme commutateurs électroniques dans les circuits modernes car ils offrent un rendement plus élevé et une perte de puissance plus faible par rapport aux BJT. Un MOSFET fonctionne en appliquant une tension à sa borne de grille, qui contrôle le flux de courant entre le drain et la source. Contrairement aux BJT qui nécessitent un courant de base continu, les MOSFET sont entraînés par une tension et ne consomment presque pas de courant à la porte, ce qui les rend adaptés aux systèmes alimentés par batterie et basés sur des microcontrôleurs.

Les MOSFET sont préférés pour les applications de commutation car ils prennent en charge des vitesses de commutation plus rapides, une gestion du courant plus élevée et une très faible résistance ON RDS(on), ce qui minimise l’échauffement et les pertes d’énergie. Ils sont couramment utilisés dans les pilotes de moteurs, les bandes LED, les relais, les convertisseurs de puissance et les systèmes d’automatisation. Les MOSFET de niveau logique sont spécialement conçus pour s’allumer complètement à de faibles tensions de grille, 5 V ou 3,3 V, ce qui les rend idéaux pour l’interfaçage direct avec des microcontrôleurs tels qu’Arduino, ESP32 et Raspberry Pi sans avoir besoin d’un circuit de pilote de grille.

Les MOSFET de niveau logique couramment utilisés sont les suivants :

• IRLZ44N – convient pour commuter des charges à haute puissance telles que les moteurs à courant continu, les relais et les bandes LED.

• AO3400 – MOSFET SMD compact adapté aux applications de commutation numérique à faible consommation.

• IRLZ34N – utilisé pour les charges de courant moyennes à élevées dans la robotique et l’automatisation.

Commutation côté bas et côté haut

Commutation côté bas

Dans la commutation côté bas, le transistor est placé entre la charge et la terre. Lorsque le transistor est allumé, il complète le chemin vers la terre et permet au courant de circuler à travers la charge. Cette méthode est simple et facile à utiliser, c’est pourquoi elle est courante dans les circuits numériques et basés sur des microcontrôleurs. La commutation côté bas se fait à l’aide de transistors NPN ou de MOSFET à canal N, car ils sont faciles à piloter avec un signal de commande référencé à la terre. Cette méthode est utilisée pour des tâches telles que la commutation de LED, de relais et de petits moteurs.

Commutation côté haut

Dans la commutation haut côté, le transistor est placé entre l’alimentation et la charge. Lorsque le transistor s’allume, il connecte la charge à l’alimentation en tension positive. Cette méthode est utilisée lorsque la charge doit rester connectée à la terre pour des raisons de sécurité ou de référence de signal. La commutation haut côté s’effectue à l’aide de transistors PNP ou de MOSFET à canal P. Cependant, il est légèrement plus difficile à contrôler car la base ou la grille doit être entraînée à une tension inférieure à celle de l’alimentation pour l’allumer. La commutation haut côté est couramment utilisée dans les circuits automobiles, les systèmes alimentés par batterie et les applications de contrôle de puissance.

Protection contre la commutation de charge inductive

Lorsqu’un transistor est utilisé pour contrôler des charges inductives telles que des moteurs, des relais, des solénoïdes ou des bobines, il a besoin d’une protection contre les pics de tension. Ces charges accumulent de l’énergie dans un champ magnétique pendant que le courant les traverse. Au moment où le transistor s’éteint, le champ magnétique s’effondre et libère cette énergie sous la forme d’un pic soudain de haute tension. Sans protection, cette pointe peut endommager le transistor et affecter l’ensemble du circuit.

Pour éviter cela, des composants de protection sont ajoutés à l’ensemble de la charge. La plus courante est une diode flyback, telle que 1N4007, connectée à l’envers à travers la bobine. Cette diode donne au courant un chemin sûr pour circuler lorsque le transistor s’éteint, arrêtant ainsi le pic de tension. Dans les circuits où le bruit électrique doit être contrôlé, un amortisseur RC (une résistance et un condensateur en série) est utilisé pour réduire les impulsions fortes. Pour les circuits qui traitent des tensions plus élevées, une diode TVS (Transient Voltage Suppression) est utilisée pour limiter les pointes dangereuses et protéger les pièces électroniques.

Interface de microcontrôleur avec commutation de transistors

Les microcontrôleurs comme Arduino, ESP32 et STM32 ne peuvent fournir qu’un petit courant de sortie à partir de leurs broches GPIO. Ce courant est limité à environ 20 à 40 mA, ce qui n’est pas suffisant pour alimenter des appareils tels que des moteurs, des relais, des solénoïdes ou des LED haute puissance. Pour contrôler ces charges de courant plus élevées, un transistor est utilisé entre le microcontrôleur et la charge. Le transistor fonctionne comme un interrupteur électronique qui permet à un petit signal du microcontrôleur de contrôler un courant plus important provenant d’une source d’alimentation externe.

Lorsque vous choisissez un transistor, assurez-vous qu’il peut s’allumer complètement avec la tension de sortie du microcontrôleur. Les MOSFET de niveau logique sont un bon choix pour les charges plus importantes, car ils ont une faible résistance à l’état passant et restent froids pendant le fonctionnement. Les BJT tels que le 2N2222 conviennent aux petites charges.

En conclusion 

Les transistors sont des commutateurs électroniques fiables utilisés pour contrôler les LED, les relais, les moteurs et les circuits d’alimentation. En utilisant la bonne résistance de base ou de grille, en ajoutant une protection contre le retour pour les charges inductives et en choisissant la bonne méthode de commutation, les circuits deviennent sûrs et efficaces. Comprendre la commutation des transistors permet de concevoir des systèmes électroniques stables avec un contrôle et une protection appropriés.

Foire aux questions [FAQ]

Pourquoi choisir un MOSFET au lieu d’un BJT pour la commutation ?

Un MOSFET commute plus rapidement, a une perte de puissance plus faible et n’a pas besoin de courant de grille continu.

Qu’est-ce qui cause la surchauffe d’un transistor dans les circuits de commutation ?

La chaleur est causée par une perte de puissance pendant la commutation, calculée comme suit : P = V × I, si le transistor n’est pas complètement allumé.

Qu’est-ce que RDS(on) dans un MOSFET ?

Il s’agit de la résistance ON entre le drain et la source. Un RDS(on) plus faible signifie une chaleur plus faible et une meilleure efficacité.

Un commutateur à transistor peut-il charger AC ?

Pas directement. Un seul transistor ne fonctionne que pour le courant continu. Pour les charges CA, des SCR, des TRIAC ou des relais sont utilisés.

Pourquoi la porte ou la base ne devraient-elles pas être laissées flottantes ?

Une porte ou une base flottante peut capter du bruit et provoquer des commutations aléatoires, entraînant un fonctionnement instable.

Comment une grille MOSFET peut-elle être protégée contre la haute tension ?

Utilisez une diode Zener entre la grille et la source pour fixer la tension supplémentaire et éviter d’endommager la grille.