Variateur Electronique
Transcription
Variateur Electronique
Variateur Electronique avec marche arrière et système B.E.C. pour moteur 6V I. Présentation Ce variateur électronique faible coût a été conçu en évitant les circuits spécialisés tels que le ZN409 et le NE544 qui deviennent quasiment introuvables. Il n’utilise exclusivement que des circuits intégrés classiques de la famille CMOS (la série 40xx), circuits, qui existeront toujours dans 20 ans, à la différence des circuits précités … Il est doté d’une marche avant, d’une marche arrière, d’un système BEC et d’un moniteur d’alimentation. La marche arrière est réalisée à l’aide d’un relais afin d’éviter l’emploi des coûteux transistors MOS canal P. Le système BEC est réalisé avec un régulateur 5V faible perte pouvant délivrer 1A. Le moniteur d’alimentation rend le système BEC (radio) prioritaire par rapport au moteur si la tension batterie descend trop bas. Les seuls composants légèrement exotiques sont : le régulateur 5V faible perte, le double comparateur de tension et le ou les transistors MOS de puissance. Ces derniers pourront être facilement remplacés par des équivalents. Ce variateur pourra donc être réparé sans difficulté dans 20 ans… Ces contraintes impliquent donc l’utilisation de trois circuits intégrés (à 0,5 €) pour recréer les fonctionnalités intégrées dans le ZN409, par exemple. Ceci se traduit par un variateur légèrement plus volumineux. Le prix de revient (hors circuit imprimé et boîtier) pour la version utilisant un seul transistor MOS 50A (Ron=0,009Ω) est d’environ 15 €. Ensuite, il convient d’ajouter environ 4 € par transistor MOS supplémentaire. Il est essentiellement destiné aux moteurs de la série 400. II . Principe PWM: 1 à 2ms Neutre à 1,5 ms Convertisseur Sortie BEC Servo Batterie Propulsion Inverseur à Relais Moteur 6V Sortie Récepteur Direction Détection Marche Arrière Récepteur Comparateur PWM --> Tension de Tension Régulateur +5V Transistor(s) MOS de Puissance Générateur (System BEC) de Rampe Surveillance Tension Batterie Variateur Electronique avec Système B.E.C. 1 Auteur : Philippe LOUSSOUARN III. Schéma Batterie 6V +6V 0V IC1 +5V / 1A +6V LM Out In 2940CT5 +6V +6V D4 +5V C2 100nF C1 10uF +5V R8 33K BYW 81P-150 R11 2.2K R10 100K 3 C 1/2 LM393 IC4a R9 Moteur 1KHz 1 2 R12 10K C 47K 47nF BEC +6V +6V IC2d IC2a 1N4148 Signal 2 0V 1 3 D3 1/4 4070 R4 120K R5 12 C4 11 13 1/4 4070 22nF 6 R6 1K 8 1/2 LM393 5 4 DZ1 4,7V 1N4148 R13 1.2K 9 D Q CLK Q R 10 5 13 12 R2 100K D1 1N4148 9 D Q R3 1 2.2K 1/2 4013 3 CLK Q R D2 1N4001 DEL1 T1 BC337 Reverse 2 +5V 14 IC2 IC2c 8 S IC3b 4 C3 22nF +5V 6 Neutral 1/2 4013 11 +6V C9 220nF K1 IC3a S BUK101-50 GL ou IRL2203N IC4b 100 +6V 1/4 4070 8 T2 R7 7 D5 4 +5V R1 10K 6 100K C5 1uF IC2b 5 T R C6 +5V ou BYW 80-200 R T 7 C7 100nF +5V 14 IC3 C8 100nF 7 10 1/4 4070 2 Auteur : Philippe LOUSSOUARN IV. Nomenclature Repère R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 IC1 IC2 IC3 IC4 D1 D2 D3 D4 D5 DZ1 DEL1 Valeur Référence Résistances 10K 100K 2,2K 120K 100K 1K 100 33K 47K 100K 2.2K 10K 1,2K Condensateurs 10uF 100nF 22nF 22nF 1uF 47nF 100nF 100nF 220nF Circuits Intégrés LM 2940 CT 5 CD4070 CD4013 LM 393 Diodes 1N4148 1N4001 1N4148 BYW 81P-150 1N4148 BZX55C4V7 Remarque Désignation Résistance 1/4W Ajustable multi-tours Résistance 1/4W Résistance 1/4W Résistance 1/4W Résistance 1/4W Résistance 1/4W Résistance 1/4W Résistance 1/4W Résistance 1/4W Résistance 1/4W Ajustable multi-tours Résistance 1/4W Condensateur électro-chimique 16V ou plus Condensateur Milfeuil Condensateur Milfeuil Condensateur Milfeuil Condensateur électro-chimique 16V ou plus Condensateur Milfeuil Condensateur Milfeuil Condensateur Milfeuil Condensateur Milfeuil Régulteur 5V low drop 1A Quadruple Ou Exclusif à 2 entrées Double bascule D avec Set et Reset Double comparateur Mono Tension Diode faible signal Diode 1A Diode faible signal Diode Shottky 15A Diode faible signal Diode Zener 4,7V LED 3mm rouge haut rendement (IF=2mA) Transistors T1 T2 à T2'''' BC 337 IRL2203N Transistor NPN petit signal Transistor MOS canal N 116A Ron=0.007 Ohm Qté selon puissance Relais K1 Relais 6 V 2RT 5A ou plus Divers IC2 IC3 IC4 Support CI tulipe 14 broches Support CI tulipe 14 broches Support CI tulipe 8 broches 3 Auteur : Philippe LOUSSOUARN V. Description du fonctionnement : V.1. Rappel des caractéristiques du Signal en sortie du Récepteur: Le signal de commande sortant du récepteur est un signal rectangulaire de fréquence fixe (50 Hz => période 20 ms) et de rapport cyclique variable. La commande se fait en largeur d’impulsion (MLI ou PWM). La largeur varie entre 1 et 2 ms avec le neutre naturellement calé à 1,5 ms. Caractéristique du Signal en sortie du Récepteur Taux de répétition: 20 ms 2 ms Neutre=1.5 ms 1 ms Sortie Récepteur (Signal) 5V ... 0V t MAR MAV MAV: Marche Avant Neutre=1.5 ms MAR: Marche Arrière Neutre: Arrêt V.2. Génération de l’Impulsion de Référence du Neutre Pour détecter la marche arrière, il suffit de déterminer si l’impulsion délivrée par le récepteur est inférieure ou supérieure à 1,5 ms. Dans un premier temps, nous allons générer une impulsion de référence de largeur fixe et égale à 1,5 ms (Neutral). Cette opération peut être réalisée au moyen d’un monostable calé sur 1,5 ms. Celui-ci est déclenché par le front montant de l’impulsion sortant du récepteur. Ce monostable est construit autour d’une bascule D type CD4013. Le fonctionnement d’une bascule D est très simple : sa sortie Q recopie l’état présent sur l’entrée D au moment du front montant de son entrée horloge (CLK). Cet état restera mémorisé sur sa sortie Q au moins jusqu’au prochain front montant d’horloge. Un niveau haut sur les entrées Set et Reset force respectivement à 1 et 0 la sortie Q. La sortie Q\ est toujours complémentée par rapport à la sortie Q. 4 Auteur : Philippe LOUSSOUARN Génération de l'Impulsion de Référence du Neutre (1,5 ms) IC3a 8 +5V 9 S D Q Neutral 13 1/2 4013 Signal 11 CLK Q R 12 10 R2 100K C3 22nF D1 1N4148 1,5 ms Le fonctionnement est le suivant : Supposons que la sortie Q soit initialement à 0V. Le front montant du signal d’entrée provoque la propagation de l’état présent sur l’entrée D vers la sortie Q. Comme l’entrée D est en permanence à +5V, la sortie Q va passer à +5V. Le condensateur C3 va alors se charger à travers R2. Quand la tension aux bornes du condensateur aura atteint VR ≈ 3V (tension de seuil du Reset), l’entrée Reset devient active et force instantanément la sortie Q à 0V. Le condensateur va alors se décharger instantanément à travers la diode D1. La durée de l’impulsion de sortie est donc la durée que met le condensateur à se charger de 0V à +3V. La durée de l’impulsion de sortie est indépendante de celle d’entrée. Cette durée est donnée par la formule suivante : 1 1− VR VDD T(s) = 0,91.R2.C3 T(s)= R2.C3.ln ( ) avec VR ≈ 3V et VDD = 5V Avec R2 réglé à 75KΩ et C3=22nF, on obtient : T(s) = 0,91.75.103.22.10-9 T ≈ 1,5 ms Le Monostable: détection du neutre (Limite de la Marche Arrière) Taux de répétition: 20 ms 1 ms Sortie Récepteur (Signal) 2 ms 5V MAR MAV 0V t Neutre=1.5 ms Sortie Monostable ... Neutre=1.5 ms (Neutral) 5V 0V t 5 Auteur : Philippe LOUSSOUARN V.3. Génération du Signal de Marche Arrière : Maintenant que nous disposons d’une impulsion de référence (Neutral) de largeur correspondant au neutre (1,5 ms), nous allons comparer cette impulsion avec celle délivrée par le récepteur. Ceci se fait très simplement à l’aide d’une bascule D (IC3b). Ce signal de marche arrière (Reverse) commande la bobine du relais d’inversion de polarité du moteur. IC3a 8 +5V 9 D S Q 6 Neutral 5 13 1/2 4013 Signal CLK Q R 11 10 12 R2 100K D1 1N4148 S D IC3b Q Reverse 1 1/2 4013 3 CLK Q R 2 4 C3 22nF +5V IC2c 8 9 Signal inversé 10 1/4 4070 C’est l’état de la sortie du monostable au moment du front descendant du signal provenant du récepteur qui active ou pas la marche arrière. Comme les bascules D fonctionnent uniquement sur front montant, il suffit d’inverser le signal. Ainsi, les fronts descendants deviennent des fronts montants et inversement. L’inversion est réalisée à l’aide d’une porte logique OU exclusif (IC2c : 1/4 CD4070). Les chronogrammes suivants illustrent la génération du signal de marche arrière. 6 Auteur : Philippe LOUSSOUARN Génération du Signal de Marche Arrière ( impulsion < 1,5 ms ) Taux de répétition: 20 ms 1,433 ms 1,666 ms Sortie Récepteur (Signal) 5V MAR ... MAV 0V Sortie Monostable (=Entrée D) 5V t Neutre=1.5 ms ... 0V t 1,433 ms Sortie Récepteur après inversion (=Entrée CLK) 5V ... 0V t Sortie Q Bascule D (Reverse) Mémorisation Mémorisation Marche Arrière La Bobine du Relais est alimentée Marche Avant ... Bobine du Relais non alimentée 0V Q recopie Q recopie l'entrée D l'entrée D 7 t Auteur : Philippe LOUSSOUARN V.4. Exploitation du Signal PWM en Marche Avant et Arrière: IC2d IC2a Signal 1N4148 2 1 3 D3 1/4 4070 12 13 R4 120K R5 11 1/4 4070 C4 22nF 100K C5 1uF IC2b IC3a 8 +5V 9 D S Q Neutral 13 1/2 4013 11 CLK Q R 12 10 R2 100K D1 1N4148 C3 22nF Nous avons vu précédemment que le front montant du signal issu du récepteur déclenchait le monostable de Neutre. Pour recupérer le signal modulé en largeur d’impulsion (MLI ou PWM), nous allons faire un « OU exclusif » entre le signal issu du récepteur et l’impulsion du monostable de Neutre. Ceci permet de récupérer le signal proportionnel aussi bien en Marche Avant qu’en Marche Arrière. Dans le cas de la Marche Avant, c’est la largeur du signal issu du récepteur qui est supérieur à la largeur de l’impulsion du monostable. Dans le cas de la Marche Arrière, c’est strictement l’inverse. En résumé, la largeur de l’impulsion en sortie du « OU exclusif » (sortie 3 de IC2a) correspond à la différence entre la largeur du signal issu du récepteur et la largeur de l’impulsion du monostable de Neutre. L’assemblage D3, R4, C4 permet d’allonger de 1,25 ms l’impulsion différence en sortie du « OU exclusif » afin de récupérer une tension moyenne bien au-dessus de la masse. L’impulsion de sortir varie donc de 0+1,25=1,25ms à 0,5+1,25=1,75ms. Le fonctionnement est le suivant : Lorsque la sortie 3 passe a 1, R4 se charge quasi instantanément jusqu’à +5 V à travers D3, la sortie 11 du « OU exclusif » de IC2d passe alors à +5 V. Lorsque la sortie 3 de IC2a repasse à 0, D3 oblige C4 à se décharger « lentement » à travers R4. Lorsque la tension à ses bornes atteint 5/2=2.5V, la sortie 11 du « OU exclusif » de IC2d passe alors à 0V. La largeur d’impulsion en sortie 11 varie de 1,25 à 1,75 ms en fonction de la position du manche de l’émetteur. Ceci est vrai aussi bien en marche avant qu’en marche arrière. Ces impulsions se répètent toutes les 20 ms. R5 et C5 forment un filtre passe-bas. On récupère donc aux bornes de C5 une tension continue correspondant à la valeur moyenne de la tension. Vmoy(V)=5. Largeur Impulsion 20ms avec 0,3125V<Vmoy<0,4375V 8 Auteur : Philippe LOUSSOUARN Cas de la Marche Avant: ( 1,5 ms < impulsion < 2 ms ) Taux de répétition: 20 ms 1/3 Gaz Marche Avant ( 0,5 / 3 = 0,166 ms ) Sortie Récepteur 5V ... 0V t Neutre=1.5 ms Sortie Monostable 5V ... 0V t Sortie Ou Exclusif 5V ... 0V Bornes de R4 et C4 5V t 1,25 ms Retard ... 2,5V 0V Sortie 11 de IC2 t 1,416 ms 5V ... 0V t Bornes de C5 0,5V 5 x (1,416 / 20) = 0,354V ... 0,354V 0,1V 0V t Le principe est strictement le même pour la marche arrière (1 ms < impulsion < 1,5 ms). 9 Auteur : Philippe LOUSSOUARN Cas de la Marche Arrière: ( 1 ms < impulsion < 1,5 ms ) Taux de répétition: 20 ms 1/3 Gaz Marche Arrière ( 0,5 / 3 = 0,166 ms ) Sortie Récepteur (Signal) 5V ... 0V Sortie Monostable (Neutral) 5V t Neutre=1.5 ms ... 0V t Sortie Ou Exclusif 5V ... 0V Bornes de R4 et C4 5V t 1,25 ms Retard ... 2,5V 0V Sortie 11 de IC2 t 1,416 ms 5V ... 0V t Bornes de C5 0,5V 5 x (1,416 / 20) = 0,354V ... 0,354V 0,1V 0V t 10 Auteur : Philippe LOUSSOUARN V.5. Le Générateur de Rampe (Signal Triangulaire) Aux bornes de C5, nous récupérons donc une tension continue dépendante de la largeur d’impulsion PWM ou MLI régie par la relation suivante : Vmoy(V)=5. Largeur Impulsion 20ms Que l’on soit en marche avant ou en marche arrière, la largeur d’impulsion varie de 1,25 à 1,75 ms, ce qui correspond à une tension moyenne variant de 0,3125V à 0,4375V aux bornes de C5. A partir de cette fourchette de tension, nous devons commander le moteur de 0 à 100% de son régime. Ceci est facilement réalisé en comparant cette tension continue à un signal triangulaire. Nous allons utiliser un double comparateur de type LM393 (IC4) pour effectuer la comparaison, mais également pour générer le signal triangulaire (IC4a). Note : Le fonctionnement d’un comparateur de tension est le suivant : Si la tension présente sur l’entrée + est supérieure à celle présente sur l’entrée -, la sortie du comparateur bascule à +5V (si la résistance connectée à la sortie est reliée au +5V). Par contre, si la tension présente sur l’entrée + est inférieure à celle présente sur l’entrée -, la sortie du comparateur bascule à 0V. Le Générateur de Rampe (Signal Triangulaire) +5V +5V R8 33K R11 2.2K R10 100K 3 2 R9 ADJ1 10K 1/2 LM393 IC4a 1 KHz 1 47K C6 47nF A la mise sous tension, le condensateur C6 est déchargé, la tension sur l’entrée – vaut 0V. La tension sur l’entrée + est forcément supérieure à 0V, la sortie du comparateur est à +5V. La tension sur l’entrée + vaut une valeur que l’on appellera SH (Seuil Haut). C6 va alors se charger à travers R9 de 0V à +5V. Mais lorsque la tension à ses bornes aura dépassé SH, on aura V- supérieure à V+. La sortie du comparateur va basculer à 0V. La tension sur l’entrée + vaut une valeur que l’on appellera SB (Seuil Bas). C6 va alors se décharger à travers R9 de SH à 0V. Mais lorsque la tension à ses bornes sera passée sous SB, on aura V+ supérieure à V-. La sortie du comparateur va basculer à +5V. La tension sur l’entrée + vaut de nouveau SH. C6 va alors se charger à travers R9 de SB à +5V. Mais lorsque la tension à ses bornes aura dépassé SH, on aura V- supérieure à V+. La sortie du comparateur va basculer à 0V. On vient d’atteindre le régime établi. Le cycle se répète indéfiniment. R9 et C6 fixent uniquement la fréquence qui de l’ordre de 1 KHz. 11 Auteur : Philippe LOUSSOUARN 5V Sortie Comparateur SH=0.4375V Sortie Générateur de Rampe SB=0.3125V 0V t Nous avons vu précédemment que la tension moyenne aux bornes de C5 variait en fonction de la position du manche de l’émetteur de 0,3125V à 0,4375V. Afin de faire varier le régime du moteur de 0 à 100%, nous allons caler le seuil SB à 0,3125V et le seuil SH à 0,4375V. Détermination des deux seuils : - Le seuil haut (SH) est défini lorsque la sortie du comparateur vaut +5V, et vaut : SH =V. R1 R1+(R8// R10) SH ≈ 0,41V - Le seuil bas (SB) est défini lorsque la sortie du comparateur vaut 0V, et vaut : SB=V. R1 R1+ R8 SB ≈ 0,3125V Ces valeurs sont obtenues avec V=+5V,R8=33KΩ, R10=100KΩ, et R1=ADJ1 réglé à ≈ 2,2KΩ. V.6. Signal de commande du transistor MOS de puissance Le signal moyenné entre sur l’entrée + du comparateur IC4b. La sortie du générateur de rampe (Tension Triangulaire) entre quant à elle sur l’entrée - de IC4b. Commande PWM du (des) Transistor(s) de Puissance C6 47nF +6V +6V 6 1/2 LM393 5 C5 1uF R6 1K 8 7 4 IC4b 12 Commande Transistor(s) de Puissance Auteur : Philippe LOUSSOUARN Entrées Comparateur 0.4375V 0.3125V t Sortie Comparateur 6V 0V t Bas régime Entrées Comparateur 0.4375V 0.3125V t Sortie Comparateur (Cmde MOS)6V 0V t Haut régime 13 Auteur : Philippe LOUSSOUARN VI . Système de Surveillance de la Batterie +6V +6V 6 R6 1K 8 1/2 LM393 5 7 4 C5 1uF IC4b +6V DZ1 4,7V D5 1N4148 R13 1.2K C9 220nF L’ensemble D5, R13, C9 et DZ1 constitue un moniteur d’alimentation. Le fonctionnement est le suivant : Nous avons vu précédemment qu’en fonctionnement que la tension aux bornes de C5 variait de 0,3125V à 0,4375V. Si la batterie est bien chargée la diode zéner DZ1 est polarisée. La tension aux bornes de R13 et C9 vaut donc 6-4,7=1,3V. Cette tension étant supérieure à 0.4375V, la diode D5 est constamment bloquée et le comparateur fonctionne normalement. Par contre si la tension batterie descend trop bas, la diode zéner DZ1 n’est plus polarisée et se comporte comme un circuit ouvert. La tension aux bornes de R13 et C9 est alors nulle. La diode D5 est passante et court-circuite C5. La sortie du comparateur est forcée à 0. Les transistors MOS de sortie ne sont plus commandés. Par contre, le régulateur faible perte 5V est toujours alimenté afin de garantir le fonctionnement de la radio (radio prioritaire par rapport au moteur). VII . Calcul du nombre de transistor MOS Pour calculer le nombre de transistor MOS, il est nécessaire de connaître la consommation moyenne de votre moteur en charge. Pour ce faire, s’il s’agit d’un variateur destiné à un modèle réduit de bateau, il suffit de faire la manipulation suivante : Placer le bateau dans l’eau contre un mûr (pour faire « forcer » le moteur), alimenter le moteur directement avec sa batterie 6V en ayant pris soin de placer en série un Ampèremètre. Relever la valeur lue sur l’Ampèremètre. Multiplions cette valeur par 1,5 et nous obtenons la valeur IM que devra fournir le variateur sans que la tension moteur ne s’écroule sous 6V - ΔV. En général, on prend ΔV de l’ordre de 0,3V. C’est-à-dire que la tension aux bornes du moteur en pleine charge sera de : 6- ΔV=5,7V. Appliquer alors la formule suivante : NbTransi = Ron.IM ∆V 14 Auteur : Philippe LOUSSOUARN Exemple : Les moteurs de la série 400 avec des transistors IRL2203N Ces moteurs consomment en charge environ 10 A. ( IM = 10A ) La résistance Ron de ces transistors est 0,009Ω à VGS=6V.( Ron=0,009Ω ) On désire une perte maximale ΔV de 0,3V. ( ΔV = 0,3V ) Avec la formule ci-dessus, on obtient : NbTransi = 0,009.10 =0,3⇒1 0,3 Pour ce type de moteur, il convient de monter 1 seul transistor MOS IRL2203N. En prenant soin d’appliquer cette méthode, il n’est pas nécessaire de monter de radiateur sur les transistors MOS. VII . Réglages Brancher un Voltmètre à la place du moteur. Mettre le manche et le trim des gaz de l’émetteur au milieu. Allumer la radiocommande. 1) Réglage du Neutre : A l’aide d’un tournevis régler R2 jusqu’à ce que la LED « Marche Arrière » passe de éteinte à allumée. Revenir très légèrement en arrière au niveau du réglage. Manche au milieu la LED « Marche Arrière » doit être éteinte: début de la zone « Marche Avant ». 2) Réglage de la Zone morte : Pousser le manche d’un ou deux crans et toujours à l’aide d’un tournevis régler R12 jusqu’à ce que le Voltmètre affiche zéro (il faut qu’avant le réglage que le Voltmètre affiche une valeur différente de zéro, sinon déréglez R12 pour cela). Voilà, c’est tout, votre variateur est bon pour le service ! VIII . Conclusions Ce variateur rivalise sans problème avec les modèles commerciaux à 400 ou 500F. Je l’ai monté sur un chalutier au 1/33e équipé d’un moteur de la série 400. Ce chalutier tracte un chalut fonctionnel. Il fonctionne parfaitement en marche avant et en marche arrière. Il convient également de noter que contrairement à certains variateurs équipés des circuits spécialisés cités plus haut, que celui-ci atteint 100% de la tension batterie en marche arrière ! Si vous l’utilisez pour un modèle réduit de bateau, je vous souhaite de bonnes navigations !!! 15 Auteur : Philippe LOUSSOUARN ANNEXE I. Circuit Imprimé du Variateur 6 V avec Marche Arrière 50 mm 81 mm ATTENTION : Il s’agit des pistes vues en transparence (Elles sont en dessous). D’ailleurs, les habitués se repéreront à l’aide de la patte 1 des circuits intégrés qui est une pastille carrée. CONSEIL : Il est conseillé de charger en étain les pistes de puissance afin d’en augmenter la section pour diminuer la résistance ohmique de celles-ci. II. Implantation des Composants 16 Auteur : Philippe LOUSSOUARN