RC interrupteur embarqué

 

L’interrupteur électronique embarqué.

Dans un avion ou bateau de modélistes, il existe plusieurs solutions pour commander un circuit électrique indépendant.
Une observation des produits du marché donne plusieurs solutions. Toutes utilisent au moins une voie, un canal du récepteur.

Les produits le plus courant :

Un micro interrupteur associé à un servo.
Il faut ajouter un servo et un montage pour fixer ce micro interrupteur.
Lors de la rotation du servo, la fourche viendra presser la lame de l’interrupteur et établir le contact. Il n’y a pas de circuit d’alimentation.

Le circuit électronique (catalogue weymuller 0018445) donne à partir d’un canal la possibilité de commander jusqu’à deux relais qui s’enclencheront chacun suivant un seuil réglable. Les relais sont NO/NF. Le circuit de puissance est indépendant. Le modèle un relais pèse 18g, celui à deux relais pèse 24gr. Le coût ~22 € et 30 € pour le dual.

Des circuits plus simples (made in RPC) qui s’animent en tout ou rien. L’un semble posséder un relais, l’autre sans doute un transistor de commutation.

Il existe donc un choix raisonnable de produits, mais à mon avis pas de dispositif rassemblant toutes les options.
ce projet va tenter de réaliser un produit polyvalent.

Celui-ci se rapproche de la solution du catalogue « weymuller ».

 

Le principe

En mode PWM, le servo reçoit des impulsions de largeur variant de 1 à 2 ms pour une position de la manette correspondante à 0-100%. Ces signaux sont répétés toute les 20 ms.

La période de répétition (20ms) change légèrement suivant la marque du émetteur/récepteur.

Une autre manière de parler des durées des impulsion est de raisonner avec un servo et sa position médiane (cad à 50%). L’impulsion pour avoir cette position milieu est de 1.5 ms (1520 us pour certains). On dira donc que les servos sont de 1520 us.

Il existe des servos qui ont leur position médiane à 0.76 ms (760us) mais leur usage est réservé essentiellement pour les systèmes de contrôles gyroscopiques (Anti-couple d’hélicoptère sous boucle de régulation rapide)

Le travail est donc de mesurer ou de comparer la durée d’un signal et d’agir en conséquence.

 

L’objectif

Réaliser un circuit sans relais et qui offre beaucoup de possibilités.

À savoir :

  • Adaptation du circuit à toutes les marques de récepteur.
  • Ajustement du seuil d’enclenchement (0-100%).
  • Possibilité d’inverser la commande (circuit normalement ouvert ou fermé).
  • Utilisation de l’alimentation du récepteur ou d’une source externe.
  • Protection du circuit avec un fusible. (1.5A)
  • Commande si possible via un transistor de sortie.

Le schéma.

Le circuit se compose de :

  • La logique de détection des seuils temporels.
  • La génération d’un signal pour donner un ordre de commande au réseau de sortie.
  • Le circuit de sortie.

Première partie.

Détection du moment ou le signal dépasse la condition (0-100%)

Le choix du seuil de déclenchement entre 1 et 2 ms (0-100%) est réglable via le potentiomètre RV1. Quand la durée du signal dépasse ce seuil de temps alors une impulsion est générée en sortie.
Cette impulsion varie entre quelques micro secondes à 1 ms.
Le signal du récepteur a une période de 20 ms et donc cette impulsion, de durée courte, suit cette cadence.

 

Les difficultés :

  • Le temps de propagation différent des signaux aux entrées de la porte NAND (F3) crée des glitchs. Le filtre (F4) élimine ces signaux parasites.
  • Si l’écart entre la durée du signal et la valeur définie est trop faible alors il y a instabilité à la sortie de la porte NAND (F3). Il faudra choisir le signal et le réglage de Rv1 pour ne pas arriver dans cette situation ?

Deuxième partie

L’impulsion produite vas enclencher une autre impulsion (F5) de durée stable de 15 ms. Sa répétition sera faite toutes les 20 ms. Ce train d’impulsions est envoyé dans un circuit (F6) qui converti ce signal en une tension continue.
Ce signal continu est envoyé à l’étage de sortie.

 

 Troisième partie à relais.

A la mise sous tension du dispositif l’étage (F8) bloque, pendant une demi-seconde, la propagation de toute commande. Ceci n’est pas fondamental mais lors de la mise sous tension un état instable peut apparaitre.
Le circuit F9 à un relais qui permet d’alimenter la sortie via la tension de la logique, ou via une alimentation externe.  Un fusible protège le système et une LED informe l’état de fonctionnement.
Une sortie à deux choix permet de prendre la fonction Normalement Ouvert ou Normalement Fermé du circuit.

Troisième partie à transistor.

Dans une première version de ce projet, le circuit de sortie était construit avec un transistor.

Un étage (F7) permet d’inverser ou pas le signal pour avoir un effet relais NO ou NF.
L’étage de sortie (F8) transmet à la charge soit la tension du récepteur, soit une tension externe.
Une LED et un fusible informent et protègent le tout.

Ce circuit est valable mais, le transistor de sortie garde toujours une chute de tension de l’ordre de 1 volts sous un débit de 1A et sous une alimentation de 5V cela fait 20% de perte du potentiel disponible.

Les composants

Ce circuit est basé sur trois éléments.

  • Un circuit 74HC00 avec 4 portes NAND de type 7400.
  • Un circuit NE556comprenant deux « timer » type NE555.
  • Deux transistor basses puissance et un relais microscopique (1A).
  • Dans l’ancienne version, un transistor de puissance capable de piloter jusque 2A sans radiateur complémentaire.

 

 Les outils utilisés.

Le prototype à transistor.

Cette image de synthèse est produite par Kicad.
À droite, le fusible n’est pas représenté sur son socle.
En bas à gauche JP1 est le jumper pour inverser la fonction.
À coté, l’emplacement pour souder le câble venant du récepteur (câble servo).

En haut le potentiomètre pour ajuster le seuil de déclenchement. (0-100%)
En haut à droite les broches pour l’alimentation externe et les broches de sortie.
Ce circuit est fait avec des éléments discrets. Le fusible est facilement interchangeable.

Le prototype réalisé.

 

Le cout des composants pour un circuit (sans le PCB) est de l’ordre de 5,04€.
Les éléments les plus chers sont le socle et son fusible. Il y en a pour 1,4 €soit 26% du cout en composants.

La réalisation du PCB est l’élément le plus onéreux.

    • Pour 1 circuit le cout est de l’ordre de 45€ (45€/pcb)
    • Pour 10 circuits le cout est de l’ordre de 75€ (7,5€/pcb)
    • Pour 20 circuits le cout est de l’ordre de 87€ (4,4€/pcb)

Cela nous donne pour 20 circuits un cout de 12€

Les dimensions : surface du circuit, 49,3 mm x 26,5 mm Hauteur 16 mm (Avec le fusible soudé, la hauteur du circuit est de 13 mm).
Son poids est de 13,9gr et sa consommation de 15 mA

Remarque : Un servo micro avec un switch (sans la fixation) fait dans les 11,1 gr et consomme au repos dans les 8mA.

 

La version à venir avec un transistor.

Construite avec des SMD.

 

Les composants IC le fusible, le transistor d allumage sont des SMD.

Le prix de ce projet serait dans les 10€ par unité pour une production de 20 circuits.

La taille de cette réalisation serait de :
Longueur 31,4 mm largeur 26 mm hauteur ~ 8 mm.

Construite avec un mix des composants du prototype.

Cette réalisation utilisera seulement le fusible en SMD. Le transistor d’allumage et les IC seront discrets.  Le transistor sera le même ou alors un peu moins puissant.
Le cout de ce dispositif serait de 10 € pour un projet de 20 circuits.
Les dimensions du circuit seraient :
44.2 mm x 26.42 mm hauteur dans les 16 mm

Le dispositif à relais.

Cette image de synthèse est produite par Kicad.
À gauche les signaux venant du récepteur. À droite, en bas, à coté du relais la sortie NO, NF et au milieu le fusible SMD(non représenté) et en haut les options d’alimentation.
Ce circuit est fait avec des éléments discrets et des SMD. Le fusible doit être soudé.

Le produit réalisé.

L’élément le plus cher est le relais qui est à 5.74 €soit 26% du cout en composants. Ce micro-relais est très compact.
La valeur des composants pour un circuit (sans le PCB) est de l’ordre de 11.15€ (sans le relais : 5.45€).
La réalisation du PCB est de 77€ pour 20 unités. Soit un cout de l’ordre de 3.85€/pièce.

 

Cela nous donne pour 20 circuits un cout de 15€ par pièce.

 

Les dimensions : surface du circuit, 49,3 mm x 26,5 mm hauteur 16 mm.
Son poids est de xx gr et sa consommation de xx mA et xx mA, relais enclenché.

Bilan.

Pour une production de 20 dispositifs.

  •  Prototype à transistor.
    • Coût: 12 € (fusible 1,4€)
    • Dimension: 49,3 x 26,5
    • Poids: 13,9 gr
    • Remarque : Fusible interchangeable, Perte de 1V, courant 2A
  • cirucit DIP et transistor (non réalisé).
    • Coût: ~10 €
    • Dimension: 44,2 x 26,42
    • Poids: ? gr
    • Remarque : Fusible SMD à souder, Perte de 1V, courant 2A
  • cirucit SMD et transistor (non réalisé).
    • Coût: ~10 €
    • Dimension: 31,4 x 26,00
    • Poids: ? gr
    • Remarque : Fusible SMD à souder, Perte de 1V, courant 2A
  • Circuit SMD et relais
    • coût: 15 € (relais 5,7 €)
    • Dimension: 49,3 x 26,5
    • Poids: ? gr
    • Remarque : Fusible interchangeable, Perte de 1V, courant 2A
  • Remarque générale:
    • La broche de sortie est limitée pour son courant. Un fabricant,
      « Amphénol », donne une capacité maximale de 3A avec une durée de vie du nombre d’insertion de 50. Habituellement on limite le courant sur ces broches à 1A max.

Les utilisations.

Lié à une voie du récepteur, on pilote un circuit d’allumage.

  • Si cette voie est, au niveau de l’émetteur, un interrupteur.
    L’utilisation d’un circuit est facile.
  • Si cette voie est, au niveau de l’émetteur, un interrupteur 3 positions.
    Il peut y avoir la commande de deux circuits à partir d’un canal du récepteur. Ceci nécessite deux circuits de contrôles branchés en parallèle sur cette voie.  À la première position un des circuits s’enclenche et à la deuxième position, le premier circuit reste enclenché et l’enclenchement du second circuit est demandé.
  • Si cette voie est, au niveau de l’émetteur, analogique (0-100%).
    Toute position choisie peut être le seuil de déclenchement.

Par exemple, la mise en parallèle sur le servo des aérofreins peut enclencher, des les premiers % de leurs ouvertures, les feux d’atterrissage. Lié au canal du moteur, une sirène peut s’enclencher à haute vitesse.

 

Les défauts du prototype à transistor.

  • Les broches du transistor ne sont pas dans le bon ordre. Le transistor référencé est le 2SC1945 TO220 alors que celui utilise est le TIP110G TO220-3.
  • Une résistance de 10 ohms devrait être ajoutée en série avec la diode.
  • Ajouter une résistance de 1K au potentiomètre pour protéger le NE555.
  • Les deux IC sont trop rapprochés. Il faut en limer les extrémités pour résoudre le problème.
  • La broche jp1 a été prévue pour des connecteurs à 1.27 mm alors que le connecteur fait 2.54 mm.
  • Les œillets du choix d’alimentation interne ou externe (0,8 mm) sont trop petits pour pouvoir y insérer des broches.

Les modifications à apporter au prototype.

Les améliorations possibles

  • Trouver un fusible moins cher et moins volumineux
  • Le choix d’une nouvelle broche de sortie, du fusible et de la Led permettra de gagner au moins 9 mm sur la longueur.
  • Envisager la mise en place de SMD au lieu des DIP pour gagner en volume. Cela fera gagner 5 à 10 mm sur toutes les dimensions et diminuer le poids. Tout en n’augmentant pas le cout du produit.
  • Empêcher l’ouverture intempestive de la sortie lors de la mise sous tension.
  • Prévoir une enveloppe isolante.

La plupart de ces améliorations ont été prise en compte dans la version relais et dans les projets à venir des nouvelles propositions avec transistors.

Analyse du circuit

Le composante 74HC00

C’est un ensemble de 4 portes logique NAND, sa création date des années 1960.
Outre leur fonction (Not AND), leurs entrées possèdent un dispositif (trigger de schmitt) qui sert de remise en forme du signal logique.
Par exemple Le circuit F1 fait en fait office d’inverseur de niveau de signal.

Le composant NE556

Il est composé de deux circuit N555 qui sont des générateurs d’impulsions. Le temps d’impulsion est fixé par le couple R et C qui y est attaché.
Le circuit N555 date de 1971 mais toujours actualisé. Ce composant est piloté sur des flancs descendant du signal d’entrée. La logique est négative.

Par exemple, dans le circuit F2, à la détection du flanc descendant en entrée, le NE555 fait à sa sortie une impulsion de durée définie par les valeurs du potentiomètre et du condensateur (T1 = 1,1 x R x C)

Le principe :

Le signal venant du récepteur a une durée qui varie de 1 ms à 2 ms.  Une durée est définie sur le circuit et, quand cette période dépasse un seuil on active le dispositif de sortie.
Cette période de détection T1 est ajustable via le potentiomètre du circuit F2.

Description globale.

Le diagramme du signal dans le temps donne :

Signal venant du récepteur.
En vert signal plus court que la période T1, en bleu celui qui est supérieur.

Signal à la sortie du circuit F2.
Le timer (F2) démarre dès que le signal arrive. Il génère un signal Q5 qui va durer pendant un temps T1 défini par l’utilisateur (potentiomètre RV1).

Dessin fait avec l’outil « dia » : https://sourceforge.net/projects/dia-installer/

L’astuce :

  • Si le temps signal (vert) est moins long que T1 alors on aura un signal T1 en Q5 et donc en sortie de F3 pas de signal.
  • Si le temps du signal (bleu) est plus long que T1 alors le signal sera à la sortie Q5 le même temps que celui du signal et en sortie de F3 une impulsion.

Le signal d’entrée (inversé) est comparé au signal T1 venant de F2 à travers une porte NAND et conduit à la trace F3. Il y aura deux possibilités :

Dans le cas a) une impulsion négative.
Dans le cas b) un tension constante haute.

Avec les retards de propagations des signaux dans les composants, il y a apparition de petites anomalies lors de l’exécution de la fonction NAND, le filtre F4 va les éliminer.

 

Ce train d’impulsion obtenu par F5 sera transformé en signal continu par le circuit F6.
En effet comme toute cette analyse se répète toutes les 20 ms nous avons un signal périodique.

Le signal continu présenté par F6 (0 Volts ou environs 3 volts) servira à piloter le transistor de sortie.
L’étage F7 permet d’inverser la condition d’ouverture du transistor de sortie.

Quelques remarques.

Circuit F4
Le filtre F4 à une constante de temps de 0,1 us. C’est un filtre passe bas. Les bruits électriques de courtes durées ne passeront pas.

Circuit F2
Le courant de décharge pin 1 doit être limité, la valeur de la résistance au plus ne doit pas descendre en dessous de 1 K. Il est donc nécessaire de prévoir associer au potentiomètre une résistance.
La durée de impulsions variera de [1,1x1kx0,47u à 1,1x6kx0,47u] soit 0,52ms à 3,1 ms

Circuit F6
Le courant de charge du condensateur doit être limité.

  • Le NE555 peut délivrer en continu un courant de 225 mA.
  • La diode D2 a une limite en continu de 300 mA et peut aller en pointe de 0.5A à 2A. Sa chute de tension est de l’ordre de 1 Volt. Donc sa résistance interne est de l’ordre de 3 Ohms

La tension qu’il recevra au maximum est de 3,5 Volts. (5V – 0,5 Vsat – 1 Vdiode).
La résistance de limitation devra être de l’ordre de 3,5V/225mA = 15 Ohms.

Une mesure sous 20 E donne une impulsion de de courant de pointe de 100mA (Attention, le début de la charge est très fugace). Sous 10 E le courant est de 180 mA pour une impulsion de moins de 200us

Avec une résistance R6 de 10 E le courant de pointe sera de 3,5/13 = 269mA
En régime continu, le courant de pointe du NE555 mesuré est de l’ordre de 60 mA, et disparait après 200 us.

En charge, avec 13 E la constante RC de charge sera 13 x 4,7u = 61 us
En décharge avec ~30K (33K//circuit entrée) la constance RC sera 30kx4,7u = 140 ms

La constante de temps de charge et décharge du condensateur C8

En charge, avec 13 E la constante RC de charge sera 13 x 4,7u = 61 us

En décharge avec ~30K (33K//circuit entrée) la constance RC sera 30kx4,7u = 140 ms

Circuit F8
Pour le transistor de sortie, la condition de développement est, entre autres, de ne pas avoir de radiateur sur cet élément.

Il faut donc se baser sur les conditions thermiques de celui-ci.
Le TP110 a une limite d’échauffement interne, au niveau de la jonction (Tj) de 150 °c.
Il a une résistance thermique interne de 2,5 °C/w et une résistance thermique entre son support et l’air ambiant de 50°c/w. La température interne de l’avion est considérée à 30 °c

La formule : « Tjonction = Tambiante + Rth x Puissance » va nous donner la puissance maximale que le transistor peut accepter.
Soit 150 °c = 30°c + 52,5 °c/w * Pw. La puissance maximale du transistor ne doit pas dépasser est donc de 2,3 Watt.
Ce transistor est utilisé en mode « commutation » et sa tension de saturation est de l’ordre de 0,5 à 0,8Volt. On applique Pmax = Vcesat x Imax. Soit 2,3 = [0,5 à 0,8] x Imax.
Un courant max de 2,8 à 4,6 A est donc admissible.

 

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