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Les transistors MOSFET (Field effect transistors)

Vous retrouverez ce terme de MOSFET dès qu’il s’agit de carte électroniques de commande de moteur, quelque soit la technologie (moteur pas à pas, à balais, sans balais, etc.)

Un transistor MOSFET est commandé en appliquant une tension sur la gâchette de commande.
A partir d’un certain niveau de tension de commande, le transistor laisse passer le courant, et se comporte comme une résistance de très faible valeur (typiquement de 0.4 à 0.02 Ohm).

Les MOSFET sont donc pratiquement toujours utilisés en commutation, c’est à dire en ‘tout ou rien’.

Ils sont néanmoins utilisés pour des applications analogiques en utilisant des séquences PWM, que ce soit pour des commandes de moteurs, des amplificateurs audios ou autre.

Dans le cadre de l’utilisation sur machine CNC, ils seront généralement commandés en PWM, pour commander des moteurs PAP ou des servomoteurs.

Souvent les MOSFET sont regroupés dans des circuits spécialisés qu’on appelle des PONTS en H, comportant quatre transistors montés de manière à permettre le passage du courant dans les deux sens.

Les MOSFET ont un intérêt particulier, c’est qu’ils se comportent comme une diode pour un courant inversé, ce qui fait qu’on peut se passer éventuellement des fameuse ‘diodes de retour’ destinées à l’évacuation des pics de courants à la commutation. Cependant, ces diodes ont une chute de tension normale de l’ordre de 0.7V ce qui fait que si le courant de retour est important, les MOSFET chauffent. C’est pourquoi, même quand on pourrait se passer de diodes, il en est quand même installé pour limiter la chauffe, particulièrement sur les circuits ou tout est dans le même boîtier. Par exemple, la carte Xylotex comporte des diodes alors que le circuit qu’elle utilise (A3977) permettrait en théorie de s’en passer.

L’exposé précédent tendrait à suggérer que commander un transistor MOSFET est très facile. Hélas, il y a deux problèmes:

La tension normale de commande est de l’ordre de 12 à 15V, et la résistance à l’état passant augmente beaucoup quand la tension de commande baisse. De plus, la capacité à passer un courant donné baisse aussi.
Pour la facilité de conception, les MOSFET sont souvent commandés par des circuits logiques en 5V. Un MOSFET classique (par exemple le IRFZ44) perd beaucoup de ses qualités à cette tension de commande, et celle-ci est un minimum. Une commande avec 4.5V au lieu de 5V pourra tout simplement ne pas fonctionner. D’ou l’utilisation de circuits C-MOS avec une sortie à 4.9V, ou de circuits TTL classiques, mais avec une sortie en collecteur ouvert et une résistance de ‘pull-up’, pour avoir 5V sur la commande. C’est ce qu’on trouve par exemple sur la carte CNC3AX de Laurent Fouga.
Il existe des transistors étudiés pour fonctionner avec des tensions de commande de 5V, ils sont dits ‘MOS Logic Level’ et sont à préférer. Un exemple est le IRLZ44 (notez la subtile différence de notation avec le précédent modèle, le ‘L’ à la place du ‘F’). Certains sont spécifiés pour une tension de commande de 2.5V, mais attention à la tension maximum admissible.
Une autre solution serait de commander en 12V, ce qui peut se faire avec des circuits spécialisés, certains circuit C-MOS ou un coupleur optique (dans ce cas, attention à la vitesse de commutation).
La commande du transistor a un effet capacitif (elle est équivalente à un condensateur) qui limite la vitesse de montée de la tension de commande. Donc le transistor ne fonctionne pas de manière optimale pendant la montée, et il chauffe. Hormis les circuits spécialisés (drivers de MOSFET), généralement capables de très fortes intensités pour compenser l’effet capacitif, il n’y a pas de solution simple à ce problème pour nos applications CNC amateurs.

Les ponts en H

Il existe deux types de MOSFET, ceux à canal N, et ceux à canal P.

Dans un pont en H ‘classique’, on utilise généralement deux MOSFET à canal N (en bas du pont), et deux MOSFET à canal P (en haut du pont). Hélas, les MOSFET à canal P chauffent trois fois plus que ceux à canal N.

D’ou l’idée de n’utiliser que des ‘canal N’, mais il faut que la tension de commande des transistors ‘en haut’ du pont soit plus élevée que la tension au point haut du bobinage (dito plus élevée que la tension d’alimentation du moteur).

Pour celà, on utilise des pompes de charge, qui servent à élever la tension par le biais de condensateurs, de diodes, et d’un circuit oscillant.

Du fait de la diminution de la chauffe permise par l’utilisation exclusive de MOSFET à canal N, cette pompe de charge est souvent incorporée dans les ponts intégrés de conception récente.

Les circuit drivers de MOSFET peuvent aussi inclure une telle pompe de charge.

Le circuit de commande de moteur pas à pas L6208, qui comprend toute la logique de commande en plus du pont, comporte une pompe de charge, pour laquelle on doit ajouter à l’extérieur du circuit deux diodes et deux condensateurs. C’est l’une des raisons qui permet à ce circuit de se passer de radiateur.

en anglais :

Pont en H mixte N-P (E. Blanchard)
Montage des ‘canal N’ sur les pont en H (E. Blanchard)
Exemple de montage (voir chap. 5)
Autre exemple de schéma (E. Blanchard)
Les transistors classiques bipolaires sont commandés par un courant et se comportent comme des amplificateurs de courant. La philosophie des MOSFET, qui sont utilisés en ‘tout ou rien’ est complètement différente.