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~JérômeAbel
ACCUEILARTCODEATELIERSRESSOURCESSOCIÉTÉ Contrôler des klaxons en PWM
Patatas de goma - DIY2013.01.21
Pour le projet Patatas de goma, nous devons contrôler des avertisseurs sonores et des phares de voitures. Après deux ou trois années de tests et de composants brûlés, j'aboutis aujourd'hui à une solution qui semble satisfaisante. Je partage dans ce document les notions techniques auxquelles j'ai été confronté et une méthode pas-à-pas pour réaliser le premier prototype fonctionnel. Celui-ci évoluera certainement lors d'une prochaine étape de développement.
Je remercie les personnes qui m'ont aidé et particulièrement Emmanuel Fléty pour ses conseils précieux et précis qui m'ont permis d'aboutir à ce prototype. Le livre Arduino Robotics a aussi été une ressource clé pour compléter mes connaissances. Toutes les remarques sont les bienvenues pour améliorer ce document et le prototype, n'hésitez pas à m'envoyer un message.
PDF: klaxons-en-pwm.pdf (6,7 Mo)
SOURCES: ./ressources/klaxons-en-pwm
URL: http://jeromeabel.net/ressources/klaxons-en-pwm
LICENCE: GNU/GPL
Analyse des besoins
1.1. Charge résistive et inductive
1.2. Consommation électrique
1.3. Analyse du signal
1.4. Commandes de puissances
1.5. Conclusions
1.6. Source des images
2.1. MOSFET
2.2. Dissipation thermique
2.3. Alimentation
3.1. Schéma
3.2. Liste du matériel
3.3. Préparation
3.4. Assembler les éléments
3.5. Placer les fils
3.6. Soudures
3.7. Communication
3.8. Monter le module
3.9. Résultat final
3.10. Source des images
1. Analyse des besoins
L'objectif technique est de contrôler deux phares et deux avertisseurs sonores par voiture pour synchroniser la lumière et le son. Il faut avant tout comprendre le comportement électrique d'un tel système afin de déterminer les composants appropriés. Ce système, comme celui d'une voiture, fonctionne en courant continu.
1.1.1. Phare
Les phares de voitures les plus répandus sont des lampes à incandescence halogène. Un filament métallique résiste au passage du courant, chauffe et émet de la lumière.
On parle alors de charge résistive. C'est un appareil passif qui chauffe ou génère de la lumière. Quelques exemples dans la vie quotidienne l'illustrent : un grille pain, un sèche-cheveux, une LED, une ampoule à filament, un fer à souder, etc.
1.1.2. Avertisseur sonore
Les avertisseurs sonores sont aussi appelés Klaxons qui est le nom d'une marque déposée devenue un nom commun. Le plus souvent ils sont de type électromagnétique. Une fois mis sous tension, un électroaimant attire un tube métallique (le plongeur) sur lequel est accrochée une membrane métallique et flexible. Au bout de la course, l'électroaimant est déconnecté. Le plongeur revient alors à sa position initiale du fait de l'élasticité de la membrane et repart aussitôt car l'électroaimant est de nouveau parcouru par le courant. Et ainsi de suite. Cette oscillation mécanique crée un son de très forte intensité, nécessaire à sa fonction d'avertisseur. Ce fonctionnement ressemble aux sonneries des anciens téléphones, où à chaque rebond une cloche est percutée.
On parle de charge inductive car elle crée un mouvement. Il s'agit en général de tous les moteurs qui comportent un enroulement selfique ou bobine : moteurs, solenoïdes, relais, etc.
1.1.3. Pour aller plus loin
http://home.howstuffworks.com/light-bulb1.htm
http://www.secondchancegarage.com/public/508.cfm
Explorons quelques méthodes pour mesurer la consommation électrique du système.
1.2.1. Hors fonctionnement
Hors fonctionnement, c'est-à-dire lorsque le circuit n'est pas alimenté, la technique est simple.
Dans le cas des phares, on a toujours deux informations écrites sur l'emballage : le voltage et la puissance. On obtient facilement la consommation de courant en divisant la puissance par les volts: I = P/U = 55W / 12V = 4,5A.
Dans le cas des klaxons, à part la tension de fonctionnement qui est celle d'une batterie de voiture de 12V, rien n'est écrit sur l'emballage... Il faut donc se débrouiller soi-même pour trouver l'intensité. Il suffit de mesurer la résistance aux bornes du klaxon, qui sont les bornes de la bobine. Ici, elle est de 1Ω (voir l'illustration). Donc : I = U/R = 12V / 1Ω = 12A. On en déduit la puissance : P = 12V x 12A = 240W.
Au total, si les deux phares et les deux klaxons sont à pleine puissance, on aurait une consommation de : I totale = 12x2 + 4,5x2 = 33A
C'est un système très gourmand, consommant beaucoup d'énergie. On n'est plus dans le cas de figure auquel nous sommes habitués, qui est d'actionner un ou deux moteurs à courant continu et quelques LEDs. C'est important, nous passons dans le domaine de l'électronique de puissance. Vouloir contrôler 33A en 12V par le biais d'un microcontrôleur n'est pas tout à fait banal. Des considérations sont à prendre dans le choix des composants, pour dissiper la chaleur, le diamètre des fils, etc. Ce n'est pas tout. La consommation totale de 33A calculée ici nécessite d'être affinée. Des pointes dépassant 33A soient envisageables. Nous verrons cela plus loin.
1.2.2. En fonctionnement
Je n'ai pas encore pu tester ces méthodes. J'attends la prochaine étape de développement pour ajouter ici mes résultats.
Avec un oscilloscope La meilleure méthode consisterait à utiliser un oscilloscope pour visualiser en temps-réel la consommation électrique. En analysant la courbe du signal, on aurait les tensions de crêtes maximales nous donnant ainsi la pire des situations. Avec une résistance bobinée Merci à Xavier des Open Ateliers pour cette technique. Son efficacité dépend du temps de réaction de votre multimètre, car bien souvent le multimètre met un certain temps à calculer, beaucoup d'événements importants comme des pics de tension rapides peuvent nous échapper. Cependant, cela peut nous donner une bonne idée de la consommation moyenne du système. La résistance bobinée est une très grosse résistance supportant de fortes puissances, plusieurs dizaines de watts. En générale, les résistances classiques, supportent 1/4 watt pour donner un ordre d'idée, alors que celle-ci supporte 50 watts et elle fait 4,7 ohms. En branchant cette résistance entre la source d'alimentation et le klaxon et en branchant en parallèle le multimètre, on mesure les volts. On en déduit alors l'intensité (voir l'illustration). Je me demande cependant si la résistance choisie ici n'est pas encore sous-dimensionnée. Les 50W sont nettement inférieurs à la puissance maximale supposée d'un klaxon qui semble être de 240W... Avec un galvanomètre L'autre technique est prévue pour supporter un courant de 30A. Elle paraît plus adaptée ici. Il s'agit d'utiliser un galvanomètre, aussi appelé shunt, qui jouera le rôle d'ampéremètre. On le branche en série comme la résistance dans le schéma précédent. La mesure est analogique, l'aiguille du cadran est donc très rapide. 1.3. Analyse du signal
Malgré l'absence de mesures dignes de ce nom, je peux mentionner quelques hypothèses sur le comportement du signal. Celles-ci s'inspirent de ce qui se passe quand on allume et éteint brusquement une charge résistive, notion que nous avons développé plus haut. Cette partie devra être confirmée par l'analyse du signal avec un oscilloscope.
Cette illustration présente ces hypothèses :
il est probable que l'allumage de la bobine provoque une surtension ou une surintensité très élevée.
la valeur mesurée du fonctionnement du klaxon de 12A pourrait correspondre à la période de maintien (sustain).
quand le circuit n'est plus alimenté, la bobine envoie un courant de fuite dans le sens inverse.
Reste aussi à vérifier si cette courbe peut être décrite via une équation comme celle de l'inductance d'une bobine : U = L x di/dt, et si cette équation nous aiderait à comprendre le comportement du signal.
1.3.1. Courant d'appel
"Quand vous utilisez un relais pour allumer un moteur, celui-ci consomme brutalement beaucoup de courant avant de se mettre à tourner. Dans ce cas, vous devriez choisir un relais capable de supporter un courant au double de ce que le moteur consomme quand il fonctionne à son régime normal." (traduit du livre Make: Electronics, p.58)
Ce courant deux fois supérieur est appelé courant d'appel ou courant d'enclenchement ou surintensité. Cela nous donne une idée du calibrage des composants. Si le klaxon est mesuré à 12A, alors il faut prévoir 24A. Sur des forums, certains parlent même de crêtes pouvant atteindre 30A ou 50A ! La valeur de 30A semble la plus probable, car c'est la valeur des fusibles pour le klaxon dans une voiture.
Si nous devions nous arrêter là, notre consommation totale en crête serait de : 2 x 30A (klaxons) + 2 x 4,5A (phares) = 69 A ! Un surdimensionnement des composants semble nécessaire pour être capable de supporter des courants aussi forts.
1.3.2. Courant de fuite
"Toute bobine est un inducteur. Les inducteurs se comportent en électricité comme la masse dans un système mécanique. Ils résistent aux changements de sens du courant comme la masse pour le mouvement physique. Faites obstacle à une voiture en mouvement et essayez de l'arrêter : sa masse continue de progresser. De la même façon, si vous arrêtez brutalement le courant traversant un inducteur, celui-ci résistera en générant du courant. Dans un système mécanique, la vitesse se transforme en pression. Dans un système électrique, le courant se transforme en pression électrique, une énorme tension se crée pour essayer de maintenir le courant." (traduit et adapté de http://www.4qdtec.com/catch.html)
Ce phénomène est appelé courant de fuite ou courant induit ou encore Back-EMF (Electro-Motive Force) en anglais. Il peut sérieusement endommager les appareils électriques comme un microcontrôleur car il revient en sens inverse (d'après la loi de Lenz). Une autre façon de décrire ce phénomène est de dire :
"Quand l'inducteur est alimenté, il se charge et crée un champ électromagnétique. Une fois déconnecté de la source d'alimentation, il met un certain temps à se décharger. Quand un interrupteur déconnecte brusquement l'inducteur, le champ magnétique s'effondre et rejete en sens inverse le courant restant vers les terminaux d'alimentation. (traduit et adapté du livre Arduino Robotics, p.13)
Pour éviter ce retour et ne pas endommager le circuit, il faut placer aux bornes de la charge inductive une diode appelée dans ce cas, diode de redressement ou diode de roue libre ou flyback diode en anglais. Elle empêche le courant de passer dans le mauvais sens.
Autres termes utilisés : Arc électrique, spark, voltage pulse, current leakage, noise spike, jolt, Transient-voltage-suppression diode (transorb) ou Diode transil, current transient, reverse transient
http://www.e-scio.net/index.html
http://www.schema-electrique.be/accueil-1.php?numlien=17
http://www.ehow.com/about_6501683_flyback-diode_.html
http://www.4qdtec.com/catch.html
http://curiosity.discovery.com/topic/computer-parts/electronics-parts-pictures.htm
http://electronics.howstuffworks.com/inductor.htm
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/indtra.html
http://www.nerdkits.com/