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3. Les microcontrôleurs

Les transistors MOSFET

Les transistors MOSFET

Présentation

Nous avons vu l'utilisation des transistors bipolaires.
Ces derniers sont assez contraignants à mettre en oeuvre car ils sont commandés en courant.

Nous allons utiliser cette fois-ci la technologie des MOSFET car ces derniers ont l'avantage d'être contrôlés en tension.

Ce composant possède trois broches :

La représentation du transistor MOSFET
La représentation du transistor MOSFET

Conventions

Afin de simplifier les calculs par la suite, posons également les normes suivantes :

Les familles de transistors MOSFET

Les transistors MOSFET sont classés en deux catégories :

Le principe de fonctionnement est similaire entre ces deux familles, seul le branchement et le niveau de commande diffère.
Transistors à canal N et P
Transistors à canal N et P

Les paramètres de sélection du transistor

Les paramètres de sélection de nos transistors MOSFET sont identiques aux transistors bipolaires, c'est à dire : Pour la suite de la présentation, on supposera que notre transistor a été dimensionné pour répondre à ces deux contraintes.

Le principe

Ce type de transistor fonctionne comme les transistors bipolaires mais est commandé en tension et non en courant.

Par analogie, le drain joue le rôle du collecteur, la source celui de l'émetteur et la porte celui de la base.
Le courant de l'élément à contrôler (moteur, résistance de puissance) transite entre le drain et la source et la tension de commande est aux bornes de la porte.
Les transistors MOSFET deviennent passant [3] lorsque la tension sur la porte dépasse une tension de déclenchement appelée $V_{GS_{th}}$. Cette valeur est généralement comprise entre $2$ et $4$ Volts.

Lorsque cette tension $V_{GS_{th}}$ est atteinte, notre transistor peut être remplacé d'un point de vue électrique entre le drain et la source par une résistance de très faible valeur, appelée $R_{DS_{on}}$

Comparaison avec les transistors bipolaires

Par nature, la porte du MOSFET est vue comme un condensateur. Le transistor ne consomme pas de courant, excepté pendant les commutations.
Ainsi, le courant est nul dans la porte pour maintenir le moteur en marche alors que pour un bipolaire, il faut maintenir un courant dans la base.

Les MOSFET sont donc plus économes en énergie que les bipolaires.
De plus, ils peuvent généralement supporter des courants plus importants que les bipolaires.

En revanche, en hautes fréquences, les MOSFET sont moins réactifs du fait de leur capacité en entrée.

Mise en pratique

Nous souhaitons faire tourner le même moteur que celui utilisé avec notre transistor bipolaire.

L'objectif va être d'utiliser un MOSFET 2N7000 pour allumer une LED. Bien que l'on ne soit pas obligé d'utiliser un transistor pour une simple LED, cela va permettre de mettre en pratique et de se familiariser avec ces composants.

Nous allons donc réaliser ce schéma soit avec une carte Arduino ou bien une carte ESP12 :

Le montage d'expérimention du MOSFET 2N7000
Le montage d'expérimention du MOSFET 2N7000
💡

Pour connaitre le branchement du transistor, il suffit de consulter sa fiche technique (datasheet). Par exemple, la datasheet du MOSFET 2N7000 représente le branchement de la façon suivante :

Branchement du 2N7000
Branchement du 2N7000

Notes

  1. G pour Gate

    ↑

  2. Le nom de ces familles provient du type de jonction utilisé en interne. Pour plus de renseignement, consulter les diodes et semi-conducteurs

    ↑

  3. Le transistor laisse passer tout le courant autorisé.

    ↑

Branchements avec une carte Arduino

Tout d'abord, il convient de placer notre charge entre notre alimentation et le drain (D).

Enfin, il ne nous reste plus qu'à relier une sortie numérique de l'Arduino vers notre porte sans résistance (Broche G). Nous obtenons donc le schéma suivant.

Branchement du transistor MOSFET
Branchement du transistor MOSFET
💡

Toutes les charges à contrôler avec ce type de transistor se placent entre l'alimentation et le drain.

Exemple de programme Arduino

Voici un code permettant de faire tourner le moteur périodiquement pendant 5 secondes puis de l'arrêter pendant 5 secondes. Il s'agit du même code que pour le transistor bipolaire.

C++

Code Arduino avec MOSFET

 
#define PIN 8     //GATE du transistor
 
  void setup() 
  
    pinMode(PIN, OUTPUT); //Mise en sortie de la broche
  
  //Fin setup
  
  void loop() 
  
    digitalWrite(PIN, HIGH);    //Mise en route du transistor
    delay(5000);               //Délai de 5s
    digitalWrite(PIN, LOW);     //Arret du transistor
    delay(5000);               //Délai de 5s
  
  //Fin loop

Branchements avec une carte ESP12 NodeMCU

Le schéma du branchement
Le schéma du branchement

Voici un code permettant de faire tourner le moteur périodiquement pendant 5 secondes puis de l'arrêter pendant 5 secondes. Il s'agit du même code que pour le transistor bipolaire.

C++

Code Arduino avec MOSFET

 
#define PIN D3     //GATE du transistor

void setup() 


pinMode(PIN, OUTPUT); //Mise en sortie de la broche


//Fin setup


void loop() 


digitalWrite(PIN, HIGH);    //Mise en route du transistor
delay(5000);               //Délai de 5s
digitalWrite(PIN, LOW);     //Arret du transistor
delay(5000);               //Délai de 5s


//Fin loop

Notre carte CREPP.io possède un MOSFET (référence IRF520N) qui permet de contrôler des composants consommant jusqu'à 10 ampères.
Un second transistor (2N700) est adjoint pour le système de contrôle isolé.

Le MOSFET de puissance et le MOSFET de signal
Le MOSFET de puissance et le MOSFET de signal
L'utilisation de ce transistor sera abordé dans la section suivante afin de voir le comportement de l'ensemble.
Le schéma du transistor sur la carte
Le schéma du transistor sur la carte

Pour aller plus loin

  1. En pratique, on rajoute une résistance entre la Gate et la source des MOSFET.

    Pourquoi donc ? Tout simplement parce que la broche Gate du MOSFET possède une capacité  [2] entre la Gate et la Source.

    Cela engendre plusieurs problèmes :

    • Le MOSFET peut s'activer avec un simple toucher de la main sur la Gate.

    • Lorsque les broches de contrôles sont mises en haute-impédance  [1], la grille du MOSFET reste au potentiel haut et le MOSFET reste passant.

      La résistance entre la Gate et la Source permet dont de décharger le condensateur parasite afin de ramener au potentiel BAS.

    • Cette capacité parasite augmente le temps de commutation du transistor

    Capacité parasite sur la Gate
    Capacité parasite sur la Gate
    Nous réalisons donc le montage suivant :
    Le montage typique d'un transistor MOSFET
    Le montage typique d'un transistor MOSFET

    Une valeur souvent utilisée est $100~k\Omega$.

  2. Pour certains montages, on souhaite couper l'alimentation sur le potentiel positif et non sur la masse comme le font les transistors MOSFET à canal N. Pour cela on va donc utiliser un transistor MOSFET à canal P en complément.

    Dans une datasheet de MOSFET à canal P, on retrouve les grandeurs ($I_D$...) mais avec un signe $-$ devant.
    Il ne s'agit que d'une convention adoptée.

    Un MOSFET Canal P
    Un MOSFET Canal P

    Pour les transistors MOSFET, on relier la charge à commander du coté du drain.

    💡

    On constate que certains transistors sont réprésentés avec une diode entre le Drain et la Source.
    Il s'agit d'une jonction naturelle et cela à pour conséquence de laisser passer le courant si on met l'alimentation du coté du drain et la charge du coté de la source.
    On perd dont le bénéfice du controle si on inverse la source et le drain.

    La figure suivante présente un montage pour utiliser un PMOS [3] :

    Un montage d'un MOSFET - Canal P
    Un montage d'un MOSFET - Canal P

    Le P-MOS est le IRF4905 et le NMOS un 2N7000.

    2. Lors d'un signal à l'état bas sur la grille du N-MOS, ce dernier n'est pas passant et toute la tension $V_{IN}$ se retrouve sur la grille du P-MOS [4]. Dans ce cas, la tension $V_{GS}$ est nulle car la tension sur la broche Source vaut aussi $V_{IN}$.

      Le transistor P-MOS n'est donc pas passant.

    3. Lors d'un signal à l'état haut sur la grille du N-MOS, ce dernier devient passant et la grille du P-MOS voit sa tension devenir nulle. La tension $V_{GS}$ vaut donc : $$ V_{GS} = 0 - V_{IN} = -V_{IN}$$ [5]

      Dans ce cas, le transistor P-MOS est passant et peut alimenter la charge.

  3. Il est fréquent de voir des montages qui mélangent différents types de transistors. La figure suivante montre la gestion de l'alimentation du moteur pour le tracker solaire, un projet réalisé au sein du CREPP. [6]Lien du projet}}

    Un montage avec plusieurs transistors différents
    Un montage avec plusieurs transistors différents

Les fiches techniques

L'intégralité des informations disponibles pour un transistor sont disponibles dans un document complet appelé Datasheet.

Ce document détaille les broches, les caractéristiques électriques, propose des schémas d'exemples....

Par exemple, voici quelques extraits de la documentation du transistors IRF520 [7] :

Extrait n°1 du IRF520
Extrait n°1 du IRF520
Extrait n°2 du IRF520
Extrait n°2 du IRF520

On retrouve sur cette figure la valeur de $R_{DS_{on}}$ et de $V_{GS_{th}}$

Notes

  1. physiquement, la broche n'est ni à un potentiel HAUT ni BAS, elle est vu comme si elle était déconnecté du circuit

    ↑

  2. c'est à dire un condensateur

    ↑

  3. Abréviation de Transistor MOSFET à canal P

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  4. Aucun courant ne passe dans le transistor 2N700

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  5. D'ou les valeurs négatives pour les transistors P-MOS

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  6. \link{\href{https://gitlab.com/crepp_git/crepp-projects/Tracker-solaire

    ↑

  7. Transistor de puissance

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