Est-ce que j'ai bien choisir mes transistors ?

Thu Aug 12, 2010 11:46 pm   

Bonjour,

Mon domaine est plus la programmation que l'électronique. Histoire
de ne pas faire trop original, j'ai décidé de faire une lampe à led
qui change de couleur. Il y aura 6x3x6 leds :

-Six couleurs différentes
-Chaque couleur est formées par 3 lignes de couleur différente
-Chaque ligne est formée de 6 leds (peut etre 9 pour les rouges, on
verra)

Chaque ligne n'ayant besoin de que 25mA pas en continu, en adaptant
les résistances pour n'avoir que 2V au maximum sur les pin mises à
Low, la dissipation par le µC serait de 0,9W. On arrive très proche de
la limite du CI.

Pour essayer d'avoir un peu plus de marge il semble que des
transistor soient une bonne idée. Au passage, ça pourrait être une
occasion pour monter les leds en parallèle à l'intérieur de chaque
ligne : il faudra probablement appairer les LED, mais c'est pas
faisable, j'en ai plein en stock.

Je suis donc parti en quête d'un transistor qui soit facilement
commandable par la sortie du pic (donc saturation a moins de 3.5V et
moins de 25mA), qui puisse arrêter complètement le courant (pour
pouvoir éteindre certaines lignes), qui réagisse vite (les leds
doivent s'allumer au 30 fois par seconde, et avoir 8 niveaux, donc
500Hz parait une bonne cible).

Au départ j'étais partis sur un 2N4401, en me basant sur les points
suivants. J'ai mis ce que j'avais comprit de ces points, merci de me
dire si je me suis pas trop trompé :

-Collector-Emitter Voltage a 40V max, en série il me faudrait 25V et
en parallèle 3.5, ca a l'air bon
-Collector-Base Voltage a 60V : de toute façon la sortie du µC ne sera
pas supérieure au + de l'alim
-Emitter-Base Voltage à 6V : le pic est alimenté en 4 ou 5V
-Collector Current - Continuous à 600mA max : 6x25 ca fait 150mA, j'ai
de la marge
-Collector Cutoff Current à 0.1µA : ca veut bien dire que la led sera
bien éteinte (courrant mini dans la led ?)
-Vce(sat) pour Ic = 150mA et Ib = 50mA = 0.4V : ca veut dire que le µC
narrivera a fournir 15mA sans probleme pour que les leds reçoivent
150mA, et que le transistor dissipera alors 80mW (la spec donne 625mW
max)
-Vbe(sat) à 0.95V : la aussi pas de probleme pour le µC (au moins 3V
en sortie)
-Delay a 15ns : sans importance
-Rise time et Fall time a peu pret égaux (10ns d'écart, négligeable)
-Storage time a 250ns : Avec au minimum 1/8 de 1/30s, on est a
plusieurs millions de nanoseconde, on peut en négliger 250.
-3€ les 50 sur ebay (de quoi faire deux lampes).

Sinon, je me suis aussi posé la question de mettre trois ULN2001A :
6€ les 10 (de quoi faire une troisième lampe), avec un courant de base
plus faible (250µA), probablement un montage plus joli aussi. Ca
fonctionne aussi ou j'ai raté quelque chose ?

Dernier point : Qu'est-ce qui détermine le Ib ? Mettons que le pic
soit alimenté en 3.5V, et que l'émetteur soit à la masse, le
transistor un NPN, la led entre le + et le collecteur. Il me faudrait
connaitre la tension émetteur - base pour chosir la résistance à
mettre entre le pic et la base pour avoir un courrant connu ? Ou ca se
fait autrement ? Je n'ai pas trouvé l'info dans les datasheet, mais je
ne sais pas ce que je cherchais exactement. Les montages que j'ai vu
sur le net, pour la plupart, connectent directement le pic à la base :
ca veut dire qu'ils laissent le courant être limité par le pic, a
25mA ? 18x28mA ca va faire beaucoup pour le pic quand meme.

Merci d'avance,
Eliott.

Fri Aug 13, 2010 1:02 am   

On Aug 12, 9:46 pm, Eliott Gentil


Tout semble nickel.
On peut dire que tu traces, Eliott :-)


Le courant de base ( Ib ) est le courant
de collecteur ( Ic ) divisé par le gain
statique en courant ( β ) du transistor.
Le gain et la tension base/émetteur sont
spécifiés dans la data sheet du composant.
( ils dépendent d'autres paramètres à vérifier )

Donc, connaissant la tension de sortie ( Vs )
d'un port du PIC à l'état haut, et le courant ( Ic )
que tu veux envoyer dans la LED,
la résistance ( R ) entre sortie et base vaut:

R = Vr / Ir = ( Vs - Vbe ) * β / Ic

Puisque le NPN fontionne en commutation,
il est bon de diminuer encore cette résistance pour
augmenter le courant de base et sur-saturer le NPN.


Note qu'une LED montée dans le collecteur
du NPN devra avoir une résistance en série.
Si tu montes plusieurs LED en parallèle,
chaque LED devra avoir sa propre résistance série.
Et si tu montes plusieurs LED en série dans un seul
collecteur, la somme des tensions des LEDs devra
rester inférieure à la tension d'alimentation du circuit.

HTH

Fri Aug 13, 2010 3:52 am   

On 12/08/2010 22:46, Eliott Gentil wrote:

Tu comptes réutiliser les LEDs pour les différentes couleur ou avoir un
circuit distinct par couleur ? Par exemple si tu comptes faire rouge,
vert et jaune, tu n'as besoin d'avoir que 2 groupes de LEDs (vert et
rouge). Ajoute du bleu et tu pourras faire 6 couleurs. Tu peux même
moduler ces 3 composantes pour obtenir n'importe quelle couleur (je ne
veux pas surcharger ma réponse, demande si tu veux plus d'infos sur ce
point)


Il faut plutôt essayer de les mettre en série le plus possible dans la
limite de ce que permet la tension d'alimentation, les pertes dans les
résistances sont moindres dans ce cas.


Cette info donne la tension Vce en saturation, pour certaines valeurs de
Ic et Ib telles que le transistor est en saturation. Ce que tu veux
savoir c'est le gain en courant (voir plus bas).


Hmm, ça fait beaucoup de transistors par lampe. Le transistor que tu as
choisi peut commuter 500mA max, soit 20 LEDs en parallèle et encore plus
en série.


Oui c'est aussi un bon choix. Le ULN2003 est encore mieux, il incorpore
la résistance de base qui va bien pour se brancher directement sur des
niveaux 0-5V.

Jean_Christophe t'a déjà répondu les derniers points, mais je vais le
faire quand-même histoire de compléter :


Exactement. C'est l'information Vbe(sat) que tu as mise plus haut :
R = (Vpatte_du_pic - Vbe(sat)) / Ib

Tu détermines ensuite Ib à partir de 2 infos : le courant collecteur Ic
voulu et le gain en courant Hfe. Par exemple pour 3 chaînes de LEDs à
25mA Ic = 75mA. Hfe est à trouver dans le datasheet (cherche mention de
"current gain", "beta" ou "Hfe"). Prenons 100.
Ib = Ic / Hfe
Ib = 75mA / 100 = .75mA
R = (3.5V - 0.95V) / .75mA = 3400 Ohm

Pour tenir compte de l'incertitude des valeurs des composants, prendre
une valeur 20% plus petite, soit 2700 Ohm.

En pratique il y a une incertitude au niveau du gain qui est donné dans
une plage très large, par exemple de 40 à 200. Dans ce cas il faut être
pessimiste et faire les calculs avec la valeur la plus faible.

Cette incertitude impose également de toujours mettre une résistance
limitatrice de courant en série avec les LEDs.


Il faut éviter. Pour un microcontrôleur en général les 25mA sont un
maximum, et la tension de sortie à ce courant n'est pas spécifiée. Ca
veut dire que si tu tire 25mA, la tension peut être à 5V comme à 2V ce
qui rend impossible de calculer la résistance de base correctement.

v.

Fri Aug 13, 2010 9:19 am   

Merci à vous deux. Finalement même en ayant pas mal cherché, les
réponses étaient toutes dans la datasheet, mais c'est plus évident
avec un peu d'aide :)


Ce serait différent avec un PNP ou en mettant la led sur l'émetteur du
NPN ? J'ai cru comprendre qu'il y avait beaucoup d'incertitudes
(tension BE, gain, et tension aux bornes de la led pour le courant
choisi), et qu'au final j'avais peu de chance de pouvoir contrôler
précisément le courant en sortie ?



J'aurai 6 lignes brillant chacune d'une couleur propre à un instant T
(arc-en-ciel avec 5 couleurs avec la lumière diffusée uniquement par
des petits points pour faire une veilleuse, plus une ligne de leds
placée derrière l'arc en ciel et qui éclairera vers le mur / plafond
pour faire une petite lampe)


résistances sont moindres dans ce cas.

En fait ma question était surtout de savoir les possibilités que
j'avais. Mais le plus déterminant sera de toute façon le choix de
l'alimentation : Les petits adaptateurs secteur 5V USB se trouvent
facilement à la décharge, avec un peu de chance j'en trouve un qui
fournit 1.5A. Si c'est le cas, il faut voir si passer a 4 led par
couleur par ligne permet un bonne répartition de la lumiere ou si je
peux me contenter d'un duty-cycle de 25% max (à 5V, je peux mettre
deux leds rouges en série). L'avantage, c'est que l'alim ne couterait
alors rien et que le PIC serait directement alimenté en 5V.

Sinon, l'autre option, c'est le chargeur d'ordinateur portable, 19V
3.5A : là il faut réfléchir à l'alimentation du pic,mais à 5 led par
ligne il n'y aura presque pas de perte dans les résistances


a tiens, c'était ma question de plus haut ca. C'est donc valable dans
tous les cas, pas uniquement pour le NPN avec la led sur le
collecteur ? Donc je mets bien ma led sur le collecteur, histoire de
déterminer ma résistance de base avec la tension base-émetteur et non
base-émetteur + led ?


Et en plus il est 50 centimes moins cher (pour 10 pieces), merci pour
l'information. Ca m'amène une autre question : Comment on cherche la
bonne référence ? Là j'ai pris des schema qui ressemblent à ce que je
veux faire, j'ai regardé ce qu'ils utilisent, et j'ai vérifiait que ca
collait à mon application (d'où toutes mes questions), mais dans le
cas général ? On utilise toujours les mêmes qui sont connus ? Il y a
des tables disponibles ? (le prochain bricolage c'est un contrôleur de
moteur brushless, cette fois j'aimerai essayer de trouver par moi même
une bonne référence)

Dans les schema de la datasheet de texas instrument, ils donnent un Ic-
max a 110mA si on utilise les 7 sorties en meme temps. Si j'achète le
truc le moins cher sur ebay dont la marque n'est meme pas spécifiée
( http://cgi.ebay.com/10-pcs-ULN2003AN-ULN2003-ARRAY-7-NPN-DARLINGTONS-/390140122343?pt=LH_DefaultDomain_0
), je peux compter en tirer 7x110mA aussi ou c'est pas gagné ? Il y a
d'autres paramètres qui peuvent être moins bons ? (Pour mon
application il y a de toute façon beaucoup de marge, mais c'est juste
pour savoir)

Merci,
Eliott.

Fri Aug 13, 2010 9:29 am   

Le 12/08/2010 22:46, *Eliott Gentil* a écrit fort à propos :


Cette valeur de 6V donnée dans la datasheet est la tension inverse à ne pas
dépasser pour éviter le claquage de la jonction. Dans ton cas, une tension
inverse ne sera jamais appliquée ce qui te met à l'abri du risque. (Mais
c'est parfois utile pour accélérer le blocage d'un transistor bipolaire.)

Dans le sens direct qui est celui qui t'intéresse, la jonction base-émetteur
peut être vue comme une simple diode et tu peux considérer que la tension
Vbe, voisine de 0,7 à 1 V, dépend peu du courant que tu injectes dans la
base. Pour saturer correctement ton transistor, c'est ce dernier que tu dois
imposer par application de la loi d'Ohm. Le fabricant garantit pour un Ib de
50 mA une pleine saturation pour Ic = 150 mA. On est loin de la relation Ic
= (β+1).Ib valable en régime linéaire. Pour être à peu près tranquille, on
adopte très souvent Ib = Ic/10, on vérifie que le transistor sature bien en
mesurant la tension Vce et on oublie le reste. (Du moins tant que la cadence
n'est pas trop élevée.)


Je ne comprends pas comment tu aboutis à cette valeur de 15 mA mais
j'aboutis à la même en appliquant la règle empirique ci-dessus.

et que le transistor dissipera alors 80mW (la spec donne 625mW

En négligeant la dizaine de mW dans la base (15mA * 0,7 à 1V)


Je connais mal les µC, vérifie bien qu'il puisse maintenir cette tension
pour un courant délivré de 15 mA et calcule la résistance de base en
conséquence.


Comme dit plus haut, la tension base-émetteur Vbe est à peu près constante.
Un transistor bipolaire se commande en courant et non en tension. Tu définis
ce courant en choisissant la valeur de la résistance de base par application
de la loi d'Ohm.


Un pic de puissance, ça existe peut-être.

Fri Aug 13, 2010 9:51 am   

Eliott Gentil a ecrit

c'est le genre de situation ou un petit mosfet est parfaitement à
l'aise
par exemple un bs170 courant et pas cher.
voir pour illustration un exemple ici
<http://www.enide.net/webcms/index.php?page=power-pic-rgb>
Rvl

Fri Aug 13, 2010 2:07 pm   

On Aug 13, 7:19 am, Eliott Gentil

| une LED montée dans le collecteur du NPN
| devra avoir une résistance en série.


Non, car dans ce cas le passage d'un NPN à un PNP ne
consiste qu'à multiplier par -1 les courants et tensions,
mais en valeur absolue tout reste identique.
( excepté qu'un NPN monte plus haut en fréquence
qu'un PNP, mais là ce n'est pas un problème )



Non, parce-que la tension d'émetteur est égale
à la tension de base (moins le Vbe du NPN)
Donc on retrouverait aux bornes de la LED
(à peu près) la meme tension qu'à la base du NPN.
Et contrairement à l'émetteur, le collecteur se comporte
comme un générateur de courant : c'est bien ce qu'on veut.

L'intéret d'ajouter un transistor en sortie d'un uC est double :

1) Cela permet de limiter la puissance fournie
par le uC, cette puissance étant fournie par le NPN.

2) Cela permet d'utiliser pour les LEDs une tension
plus élevée que celle qui est délivrée par le uC
(ce qui n'est pas le cas avec la LED dans l'émetteur)



Oui, avec une résistance en série dans la LED.



Si, parce-que le transistor est utilisé en commutation
(en tout ou rien) et que tu calcules une résistance
de base assez faible pour bien saturer le transistor,
de cette facon le NPN sera équivalent à un interrupteur
ouvert ou fermé (on néglige Vcesat) Donc le courant
dans la LED (Id) sera parfaitement déterminé par la
tension d'alim (Va) et la résistance de limitation (Rd).

D'ailleurs c'est le data sheet de la LED qui te donne
la tension à ses bornes (Vd) et le courant nécéssaire (Id)
connaissant la tension d'alim que tu vas utiliser, la seule
inconnue reste la résistance (Rd) en série avec la LED :

Rd = ( Va - Vd ) / Id


As-tu envisagé de piloter les LEDs par multiplexage ?
Pour N leds (avec N = X*Y) il faudra X*Y transistors,
avec un multiplexage il ne faut plus que X+Y transistors.


Tu peux alimenter le PIC sous 5 V (par exemple) tout en ayant
une tension d'alim des LEDs plus élevée (19 V par exemple)
C'est là un des avantages de piloter les LEDs par un NPN.
Et pour alimenter le PIC en 5 V à partir d'une alim de 19 V,
utilises un simple régulateur intégré de type 7805.
( qui donnera du 5 V à partir des 19 V de ton alim de PC )
http://cjoint.com/?inm2a0tWsh

Sat Aug 14, 2010 9:08 pm   

Oui, c'est ce que je voulais dire : Meme si en théorie le transistor
est une source de courant, dans la pratique on ne peut l'utiliser que
comme interrupteur (en tout cas pour un transistor pas cher controlé
par la sortie d'un pic) et donc on se repose sur l'alimentation, qui
est un générateur de tension.


J'y réfléchit toujours, mais pour l'instant ce n'est pas la piste
privilégiée parce que :
-Ca complexifie le PCB, il va falloir mettre min(x,y) ponts
-Puisque dans mon cas N=18, je vais passer de 18 transistors à 9
(4+5), mais je vais aussi perdre 1/4 de luminosité (peut etre un peux
moins si j'en profite pour monter un peu l'intensité). Hors la
luminosité est deja très juste sur cette version de la lampe (j'en ai
une autre qui n'a pas ce défaut, mais la fibre optique prends
plusieurs heures à installer, sur cette version c'est moins d'un quart
d'heures)


oui, ca a l'air d'être la meilleur solution, il faut que j'étudie ca
aussi !

Merci,
Eliott.

Sun Aug 15, 2010 3:45 am   

On Aug 14, 7:08 pm, Eliott Gentil


J'ai l'impression que tu généralises trop (?)
Dans tous les cas on a besoin de tension ET
de courant, sinon pas de puissance ni d'énergie.

Un NPN alimenté par une source de tension peut
trés bien se comporter comme une source de courant.
(cela dépend de la facon dont le NPN est monté)

Meme en aval d'une sortie binaire d'un uC, un transistor
peut etre piloté en mode linéaire et non en interrupteur.
(à nouveau cela dépend du circuit autour du transistor)
Dans ton cas cas il s'agit bien d'un switch tout-ou-rien.

| As-tu envisagé de piloter les LEDs par multiplexage ?


Disons que c'est rentable de strapper un peu
si cela permet d'économiser des composants.
Il est vrai que c'est d'autant plus rentable
que N est grand. Et puis le multiplexage n'est pas
toujours souhaitable, ca dépend de la finalité de l'appli.


C'est sur qu'en multiplexant, la luminosité diminue.
Mais on peut y remédier en augmentant la puissance envoyée
dans les LEDs, en diminuant la résistance de base des NPNs.
Dans ce cas il faut tout faire pour éviter qu'une sortie du
uC ne reste à l'état haut en permanence (reset ou plantage)
sinon les LEDs sont en surintensité et peuvent cramer.

Peut-etre aussi faudra t'il augmenter la fréquence
du multiplexage pour éviter que les LEDs scintillent.

Bon courage, et tiens-nous au courant.