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2011-12-30T17:07:08Z

Rom1 :

=Principe Général=
Lorsqu'on souhaite contrôler une charge (moteur, lampe...) le plus simplement du monde nous utilisons généralement un interrupteur.<br />
Cette solution présente des avantages tels que le coût ou la simplicité. Elle pose par contre des problèmes pour les courants de fortes intensité, en particulier la création d'arcs électriques qui détériorent les contacts de l'interrupteur et une résistance élevée provoquant un échauffement.

Dans le cadre de l'Airsoft ce problème est présent. Les répliques utilisées comportent des moteurs de forte puissance pouvant consommer plus de 20A en continu (et beaucoup plus en pointe) sur des tensions allant de 7 à 14v. Aussi il est courant de voir les switchs (interrupteurs) se détériorer avec le temps. Nous allons étudier la réalisation d'un circuit capable de remplacer le switch.<br />
A noter que cette problématique se rapproche de celles rencontrées en robotique ou modélisme RC, le contrôle d'un moteur étant particulièrement similaire.

=Conception=
==Quelle problématique ?==
Comme présenté dans l'introduction nous cherchons à contrôle un moteur à courant continu (DC) intégré à une réplique airsoft de type AEG. Le moteur ne tournera que dans un seul sens, ce qui simplifiera grandement la conception d'un circuit. Le tout est déclenché par la pression sur un switch.

Les tensions d'alimentation peuvent varier de 7.4v (LiPo 2S) à plus de 14.8v (LiPo 4S) en passant par toute la gamme des tensions provenant de batteries LiPo (11.1v), LiFePo4 (9.9v), NiMh et NiCd (8.4v, 9.6v, 10.8v) couramment utilisées. Le courant nominal des moteurs particulièrement variant d'un modèle à l'autre. Nous pouvons cependant établir une limite haute à 30A.<br />
Il faut garder en tête que lors du démarrage le moteur produira un appel de courant bien plus élevé pouvant avoisiner les 100A.

Le système se doit d'être sur ! On ne souhaite pas d'allumage sans raison et nous devrons être particulièrement vigilant aux conditions dégradées suivantes:
* Temps humide, voir présence d'eau liquide provenant de la condensation ou de la pluie
* Batterie faible
* Allumage à répétition, jusqu'à 30 déclenchements/sec (30Hz) en mode semi (au delà vous avez des doigts bioniques)
* Peu de place
* Peu de ventilation

Une problématique secondaire provient de la conception mécanique. En effet le système mécanique introduit une inertie et il est souhaitable de stopper (pas juste une roue libre) le moteur sitôt le switch relâché. L'utilisation d'un circuit de contrôle est l'occasion de remplir ce rôle de "frein moteur".

Enfin, le coût et la simplicité de réalisation doivent être pris en compte. Le pratiquant d'airsoft, sans être manchot, n'est pas forcément électronicien et, sans être fauché, n'a rien contre quelques économies.

==Quel gain ?==
En réduisant les éléments résistifs nous permettons un courant plus élevé. Ainsi nous augmentons la réactivité et la vitesse de rotation du moteur (et donc la cadence) - nous réduisons l'usure des éléments électriques et les pertes d'énergie (donc une meilleure autonomie).

Par l'ajout du frein moteur nous évitons que la mécanique continue à tourner après l'arrêt. Ainsi nous évitons un tir supplémentaire lors du "full auto" et arrêtons la mécanique en position de repos lors de tir en "semi auto".

==Quelle solution ?==
La "solution de l'électronicien" est d'ajouter un transistor pour remplir le rôle d'interrupteur. Ainsi le courant de la charge ne circule plus dans le switch mais dans le transistor. Il en résulte une résistance moindre et l’absence de commutation mécanique supprime les arcs électriques. Le switch ne sert alors qu'à contrôler le transistor avec des courants bien plus faibles (de l'ordre de quelques mA).<br />
Le principe d'un transistor ne sera pas détaillé ici mais vous pouvez aller voir ici: http://fribotte.free.fr/bdtech/elecnul/mpuissance.html
Bien sur vu les tensions/intensités en jeu ici nous n'allons pas utiliser un simple transistor bipolaire mais plutôt un MOSFET (même un Hexfet Power MOSFET - vive le marketing) capable de tenir des intensités.

Et le frein moteur ?<br />
Sur les moteurs électriques DC il est simple d'obtenir un frein moteur puisqu'il suffit de court-circuiter les bornes. Ainsi les courants générés par le moteur (inertie mécanique et charge inductive du bobinage) sont réinjectés dans le moteur produisant une force inverse.<br />
Ce principe est généralement implémenté sous la forme d'une diode de roue libre servant à la fois de frein mais aussi de protection pour les circuits connectés en évitant que les courants et tensions générées ne reviennent dans ces circuits.

Un [http://fr.wikipedia.org/wiki/Redressement_synchrone redressement synchrone] aurait pu être appliqué. Il impose cependant un contrôle précis des 2 transistors afin d'éviter des phénomènes de cross-conduction, par exemple en utilisant un driver de MOSFET.

==Choix des composants==
En tant que composant central, le transistor aura en charge l'alimentation du moteur. Un MOSFET canal N est retenu. Les références sont nombreuses et nous avons choisis un [http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlb3034pbf.pdf IRLB3034].<br />
Un survol de ses caractéristiques:
* Tensions maximale drain->source (Vdss) de 40V
* Intensité maximale drain->source élevée: 195A package limited, 345A silicon limited
* Intensité en pointe à plus de 1300A
* Faible résistance interne: moins de 2 mOhms
* Résistance à la chaleur: plus de 170°C
* facilement disponible pour moins de 3€
* packaging TO220, peu de place et facile à souder.

Il est important de noter que le package TO220 a été "perverti" afin d'augmenter les limites du composant. Les bornes Source et Drain subissent un fort courant, en conséquence la borne Drain a été sacrifiée pour laisser plus de place au Source. Le drain "de puissance" est disponible sur le dissipateur du boitier TO220. Nous souderons directement notre charge (le moteur) au radiateur !

La diode de roue libre (flyback, flywheel) devra protéger le circuit et remplir le rôle de frein moteur. On utilise couramment des diodes Schottky de forte puissance. Par exemple des [http://www.fairchildsemi.com/ds/1N%2F1N5822.pdf 1N5822] qui se trouvent très facilement pour moins de 20 centimes. Elles présentent d'excellent temps de réponse ainsi qu'une faible tension de chute.

La [http://www.fairchildsemi.com/ds/1N%2F1N5822.pdf 1N5822] tiens 40v et 80A en pointe de 8ms (3A en continu) et devrait donc faire l'affaire, même pour un gros moteur. Elle est packagé dans un [http://www.fairchildsemi.com/dwg/DO/DO201A.pdf DO-201AD] à la fois facile souder et de taille limitée.<br />
En conservant les mêmes dimensions les [http://www.fairchildsemi.com/ds/SB/SB560.pdf SB5x0] vont monter plus haut à la fois en tension et en intensité. Par exemple un SB560 est données pour 60v, 5A en continu, 150A en pointe et coute moins de 50 centimes.

Il est possible d'aller encore plus loins avec une [http://www.fairchildsemi.com/ds/MB/MBR4045PT.pdf MBR4060PT]. Les spécifications sont plus élevées: 60v, 40A en continu, 400A en pointe mais attention on change de packaging ([http://www.fairchildsemi.com/products/discrete/packaging/to247.html TO247]) et de prix: généralement plus de 3€.

Comme souvent en électronique, et que ce soit pour le transistor ou la diode, nous avons un grand choix d'alternatives avec beaucoup de paramètres: prix, packaging, courant continu/pointe, tension max...
Pour la diode nous retiendrons les 1N5822 et SB5x0 qui sont largement disponible, interchangeable (même packaging) et pourront être montées en parallèle pour augmenter la puissance dissipée.

==Considérations supplémentaires==
Afin de réduire le phénomène de "bounce" et de "faux positifs" liés à un switch de mauvaise qualité:
* nous ajoutons un condensateur à la Gate du transistor. Il joue également le rôle de filtre HF sur cette entrée.
* la résistance de pulldown de la Gate est volontairement de faible valeur. Il est ainsi nécessaire de fournir plus de courant sur cette entrée.

Des connectiques optionnelles pour fusibles seront un plus. En prévoyant la connectique il suffira de gratter le PCB (coupure d'une piste au cutter) pour pouvoir adjoindre un fusible.

=Réalisation=
==Schéma==
[[Image:Airsoft-mosfet-schematic.png]]

==Composants==
* Q1 - [http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlb3034pbf.pdf IRLB3034]
* D1 - [http://www.fairchildsemi.com/ds/SB/SB560.pdf SB560]
* D1 - Plusieurs diodes D1 peuvent être ajoutées en parallèle. Il est fortement conseillé de prendre les mêmes références.
* R1 - résistance 3.3 kOhms / 0.25w
* R2 - résistance 100 Ohms / 0.25w
* C1 - condensateur polyester 100nF

Alternatives:
* D1 - [http://www.fairchildsemi.com/ds/1N%2F1N5822.pdf 1N5822] ou tout autre diode Shottky capable de tenir plus de 40v et plusieurs dizaines d'ampères en pointe.
* R1 - résistance 1w de 500 Ohms à 4.7 kOhms
* R1 - résistance 1/4w de 2 kOhms à 4.7 kOhms
* C1 - condensateur céramique/tantale/polyester de 100nF (0.1µF)

==PCB Board==
Quelques remarques:
* Le transistor a volontairement été placé coté "pistes". Ainsi il est possible de souder directement le boitier du transistor (qui est relié au drain - voir plus haut) au PCB. Le PCB joue alors le role de radiateur et le "MOTOR-NEG" peut être relié directement au drain. Tous les autres composants sont placés de façon classique.
* Les pistes de puissance (les plus larges) seront épaissies à l'étain.
* Les connectiques de fusibles sont optionnelles.

==Finitions==
* Le PCB est [http://fr.wikipedia.org/wiki/Tropicalisation tropicalisé] à l'aide d'un vernis pour PCB - y compris coté composant.
* Les fils sont retenus avec de la colle thermique (pistolet à colle).
* Les composants et pistes liés à la Gate sont noyés dans de la colle thermique pour éviter qu'un élément extérieur (eau, brindille...) établisse un contact.
* Le circuit entier est enveloppé dans une gaine thermo.

MOSFET Airsoft Trigger

2011-12-30T16:49:57Z

Rom1 :

Fichier:Airsoft-mosfet-schematic.png

2011-12-30T16:35:04Z

Rom1 : Airsoft MOSFET Trigger by Rom1 Licence CC-by-nc-sa (Creative Common)

Airsoft MOSFET Trigger by Rom1
Licence CC-by-nc-sa (Creative Common)

MOSFET Airsoft Trigger

2011-12-30T16:28:39Z

Rom1 :

2010-04-24T19:22:47Z

Rom1 :

=Principe Général=
Les batteries LiPo sont de plus en plus utilisées car elles offrent de nombreux avantages en terme d'encombrement et de poids. Elles nécessitent par contre une attention permanente, en particulier lors de la charge.<br />
De nombreux chargeur existent dans le commerce, notamment dans le monde du modélisme. Malheureusement en raison d'un courant de charge trop élevé ils sont trop souvent incapables de charger les batteries de très petite capacité (moins de 100mAh). Par rappel, une batterie ne doit pas être chargée avec un courant supérieur à sa capacité (batterie de 100mAh => courrant de 100mA) si on veux éviter de la dégrader.

Nous allons donc étudier la réalisation d'un chargeur à la fois simple et peu couteux capable de charger les batteries LiPo de petite capacité.

==Le choix des composants==
===Un bon chargeur ?===
Le chargeur le plus simple se doit d'être une source de tension de 4.2v à courant constant. Mais ce n'est pas suffisant pour faire un bon chargeur car il faut également réduire considérablement le courant de charge si la tension descend sous les 2.9v et stopper la charge si la tension dépasse 4.2v ou que l'intensité est réduite.

Nos critères sont les suivants:
* Pouvoir charger 1 cellule LiPo
* Effectuer toutes les vérifications et automatismes nécessaires
* Proposer un choix facile du courant de charge
* Être simple à fabriquer

===Les IC "tout en un" ===
De nombreux fabricants proposent des IC "tout en un" qui ne nécessitent que quelques condensateurs et résistances. Certains sont disponibles dans des packaging SOIC ou SOT23 plus facile à souder que du TDFN/TQFN. Le choix du courant se fait via une résistance.

Deux composants sortent du lots: le [http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21984e.pdf MCP73831 de MicroChip] et le [http://cds.linear.com/docs/Datasheet/405442xf.pdf LT4054 de Linear].

Ils existent de nombreuses variantes de ces composants selon leur courant de précharge, le tension d'arrêt et leur packaging. Attention à bien lire la Datasheet ! Pour notre prototype nous allons utiliser un MCP73831-2ACI/OT, ce qui correspond à:
* Device: MCP73831 // Single-Cell Charge Controller
* Voltage: 2 // VREG = 4.20V
* Options: AC // IPREG/IREG = 10
* Temperature Range: I // -40°C to +85°C (Industrial)
* Package: OT // Small Outline Transistor (SOT23), 5-Lead

==Réalisation==
Le schéma:<br />
[[Image:ChargeurSH-IC.png]]

'''''Quelques explications:'''''
Le '''MCP73831 a été remplacé par un AOP''' adoptant le même packaging SOT23 car Eagle ne disposait pas du composant. La correspondance de brochage est respectée (voir datasheet).

'''L'alimentation''' doit se faire en 5V. On peut donc utiliser l'USB ou un 7805 branché sur une alimentation externe.<br />
Dans le cas de l'USB il ne faut faire attention à ne pas dépasser la limite que peux fournir la source: 100mA normalement, mais jusqu'à 1A sur certains hub/chargeurs USB.<br />
Dans le cas du 7805 il doit être capable de fournir les 500mA que le chargeur peut débiter. Un régulateur en TO220 devrait fournir 1A sans problème à condition de lui adjoindre une petit radiateur.

Le '''choix des résistances''' n'est pas fait au hasard et suit une logique binaire (forcément avec des DIPswitch). On peut facilement régler l'intensité de 10mA jusqu'au maximum du composant (500mAh) avec un pas de 10mA. Par exemple en activant R1 => 10mA, en activant R4 => 80mA et en activant R1+R4 => 90mA.
On peut s'approcher des valeurs théoriques du schéma en piochant dans la série E24 (et même E12 avec quelques compromis).
* R1: 100kOhm => 100kOhm => 10mA
* R2: 50kOhm => 51kOhm => 19.6mA
* R3: 25kOhm => 24kOhm => 41.6mA
* R4: 12.5kOhm => 12kOhm => 83.3mA
* R5: 6.25kOhm => 6.2kOhm => 161.3mA
* R6: 3.125kOhm => 3kOhm => 333.3mA
Avec cette configuration il est possible de débiter plus que le MCP73831 peut fournir. Il faut donc faire attention même si on risque pas la destruction du composant car celui-ci dispose d'une protection intégrée.<br />
On peut aussi adopter une configuration évitant de dépasser les 500mA, cette fois ci avec une graduation par 8mA. C'est aussi plus précis mais moins pratique à calculer:
* R1: 128kOhm => 130kOhm => 7.7mA
* R2: 64kOhm => 62kOhm => 16.1mA
* R3: 32kOhm => 30kOhm => 33.3mA
* R4: 16kOhm => 16kOhm => 62.5mA
* R5: 8kOhm => 8.2kOhm => 121.9mA
* R6: 4kOhm => 4.3kOhm => 232.5mA

=Liens=
Quelques liens:
* [http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=793441 Un chargeur basé sur le MCP73833].

Chargeur LiPo 1cell

2010-04-24T19:19:29Z

Rom1 :

=Principe Général=
Les batteries LiPo sont de plus en plus utilisées car elles offrent de nombreux avantages en terme d'encombrement et de poids. Elles nécessitent par contre une attention permanente, en particulier lors de la charge.<br />
De nombreux chargeur existent dans le commerce, notamment dans le monde du modélisme. Malheureusement en raison d'un courant de charge trop élevé ils sont trop souvent incapables de charger les batteries de très petite capacité (moins de 100mAh). Par rappel, une batterie ne doit pas être chargée avec un courant supérieur à sa capacité (batterie de 100mAh => courrant de 100mA) si on veux éviter de la dégrader.

Nous allons donc étudier la réalisation d'un chargeur à la fois simple et peu couteux capable de charger les batteries LiPo de petite capacité.

==Le choix des composants==
===Un bon chargeur ?===
Le chargeur le plus simple se doit d'être une source de tension de 4.2v à courant constant. Mais ce n'est pas suffisant pour faire un bon chargeur car il faut également réduire considérablement le courant de charge si la tension descend sous les 2.9v et stopper la charge si la tension dépasse 4.2v ou que l'intensité est réduite.

Nos critères sont les suivants:
* Pouvoir charger 1 cellule LiPo
* Effectuer toutes les vérifications et automatismes nécessaires
* Proposer un choix facile du courant de charge
* Être simple à fabriquer

===Les IC "tout en un" ===
De nombreux fabricants proposent des IC "tout en un" qui ne nécessitent que quelques condensateurs et résistances. Certains sont disponibles dans des packaging SOIC ou SOT23 plus facile à souder que du TDFN/TQFN. Le choix du courant se fait via une résistance.

Deux composants sortent du lots: le [http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21984e.pdf MCP73831 de MicroChip] et le [http://cds.linear.com/docs/Datasheet/405442xf.pdf LT4054 de Linear].

Ils existent de nombreuses variantes de ces composants selon leur courant de précharge, le tension d'arrêt et leur packaging. Attention à bien lire la Datasheet ! Pour notre prototype nous allons utiliser un MCP73831-2ACI/OT, ce qui correspond à:
* Device: MCP73831 // Single-Cell Charge Controller
* Voltage: 2 // VREG = 4.20V
* Options: AC // IPREG/IREG = 10
* Temperature Range: I // -40°C to +85°C (Industrial)
* Package: OT // Small Outline Transistor (SOT23), 5-Lead

==Réalisation==
Le schéma:<br />
[[Image:ChargeurSH-IC.png]]

'''''Quelques explications:'''''

'''L'alimentation''' doit se faire en 5V. On peut donc utiliser l'USB ou un 7805 branché sur une alimentation externe.<br />
Dans le cas de l'USB il ne faut faire attention à ne pas dépasser la limite que peux fournir la source: 100mA normalement, mais jusqu'à 1A sur certains hub/chargeurs USB.<br />
Dans le cas du 7805 il doit être capable de fournir les 500mA que le chargeur peut débiter. Un régulateur en TO220 devrait fournir 1A sans problème à condition de lui adjoindre une petit radiateur.

Le '''choix des résistances''' n'est pas fait au hasard et suit une logique binaire (forcément avec des DIPswitch). On peut facilement régler l'intensité de 10mA jusqu'au maximum du composant (500mAh) avec un pas de 10mA. Par exemple en activant R1 => 10mA, en activant R4 => 80mA et en activant R1+R4 => 90mA.
On peut s'approcher des valeurs théoriques du schéma en piochant dans la série E24 (et même E12 avec quelques compromis).
* R1: 100kOhm => 100kOhm => 10mA
* R2: 50kOhm => 51kOhm => 19.6mA
* R3: 25kOhm => 24kOhm => 41.6mA
* R4: 12.5kOhm => 12kOhm => 83.3mA
* R5: 6.25kOhm => 6.2kOhm => 161.3mA
* R6: 3.125kOhm => 3kOhm => 333.3mA
Avec cette configuration il est possible de débiter plus que le MCP73831 peut fournir. Il faut donc faire attention même si on risque pas la destruction du composant car celui-ci dispose d'une protection intégrée.<br />
On peut aussi adopter une configuration évitant de dépasser les 500mA, cette fois ci avec une graduation par 8mA. C'est aussi plus précis mais moins pratique à calculer:
* R1: 128kOhm => 130kOhm => 7.7mA
* R2: 64kOhm => 62kOhm => 16.1mA
* R3: 32kOhm => 30kOhm => 33.3mA
* R4: 16kOhm => 16kOhm => 62.5mA
* R5: 8kOhm => 8.2kOhm => 121.9mA
* R6: 4kOhm => 4.3kOhm => 232.5mA

=Liens=
Quelques liens:
* [http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=793441 Un chargeur basé sur le MCP73833].

Chargeur LiPo 1cell

2010-04-24T15:27:33Z

Rom1 :