Pour commander un moteur DC, il faut pouvoir inverser la tension à ses bornes pour contrôler le sens de rotation du moteur. Pour ce faire, on utilise ce qu’on appelle un pont en H. Le pont en H est composé de 2 branches sur lesquelles on connecte les deux bornes du moteur. Chaque branche est composée de deux interrupteurs commandés en alternance.
Sur le schéma ci-dessus, on peut imaginer le chemin emprunté par le courant alimentant le moteur (connecté sur les bornes M1 et M2). Le premier chemin est constitué en coupant les interrupteurs U$4 et U$2 et en allumant les interrupteurs U$3 et U$1. Pour inverser le sens du courant et donc inverser le sens de rotation du moteur, on ouvre les interrupteurs U$4 et U$2 et on ferme les interrupteurs U$3 et U$1 (l’ordre d’ouverture/fermeture a son importance pour éviter les court-circuits…).
Choix des interrupteurs :
Transistors bipolaires : on peut utiliser les transistors bipolaires comme interrupteur. On utilise généralement des transistors PNP pour les interrupteurs du haut (1 et 2) et des transistors NPN pour les deux interrupteurs du bas (3 et 4). Un des problèmes souvent rencontré lors de l’utilisation de transistors bipolaires pour les ponts en H, est la puissance dissipée par ces transistors. En effet, chaque transistor possède une chute en ligne à ses bornes même lorsqu’il est saturé (tension résiduelle entre le collecteur et l’émetteur du transistor en saturation : VceSat). Cette chute en ligne multipliée par le courant passant dans la charge correspond à une puissance dissipée au sein du transistor limitant le courant dans la charge mais aussi ne permettant pas d’appliquer la pleine tension d’alimentation à la charge. La tension appliquée à la charge est donc la tension d’alimentation moins deux fois le VceSat.
Transistors MOS : les transistors MOS sont mieux adaptés pour l’utilisation d’un pont en H. En effet, leur chute en ligne est plus faible et correspond à la résistance résiduelle lorsqu’ils sont saturés multipliée par le courant de la charge. Les résistances en question (RdsOn) sont assez faibles et limitent donc la puissance dissipée. Comme pour les transistors bipolaires, on utilise des Mosfets à canal P pour les transistors du haut et des Mosfets à canal N pour les transistors du bas.
Précautions particulières :
Lorsque la charge est inductive (commande d’un moteur par exemple), il faut s’assurer que lorsque la tension aux bornes de celle-ci est inversée, les pointes de tension soient atténuées pour éviter la destruction des interrupteurs. On ajoute, pour ce faire, une diode de roue libre aux bornes des interrupteurs. Il faut s’assurer que la protection amenée par la diode se met en place le plus rapidement possible lors d’une commutation. C’est pourquoi, on choisit généralement une diode de type Schottky qui a pour caractéristiques d’avoir un seuil de jonction bas (0,3 volts) et un temps de retournement court (Trr dans les datasheets).
Une autre précaution à prendre pour éviter de détruire le pont est de s’arranger pour que les interrupteurs d’une même branche ne soient jamais allumés en même temps. Si cela arrive, un court-circuit se produit entre l’alimentation de la charge et la masse du pont détruisant celui-ci par un courant de court-circuit très élevé (d’autant plus élevé si l’alimentation du pont provient d’une batterie). Pour éviter cela, on s’arrange dans le montage pour toujours avoir une commande commune entre les transistors d’une même branche avec un montage inverseur entre chaque interrupteur. Une autre solution consiste à insérer une résistance limitant le courant dans la base du pont (Résistances R1à R4 dans le schéma ci-dessus). Attention, toutefois, à la dissipation thermique… Ces résistances permettent aussi, à un système extérieur au pont, de contrôler le courant transitant dans le pont lors de chaque commutation.
Les transistors NPN utilisés pour commander le pont permettent d’adapter les niveaux de tension entre la partie électronique de commande (souvent au niveau TTL) et l’alimentation du pont lui-même
(souvent à base de batterie et découplée de l’alimentation de l’électronique de commande pour éviter de transmettre les bruits de commutation de la charge).
Le montage à base de transistor NPN permet aussi d’éviter d’allumer simultanément les deux interrupteurs d’une même branche du pont en jouant simplement sur les caractéristiques des transistors
d’une même branche (canal P et canal N).
Pour pouvoir faire varier la vitesse de rotation du moteur, il faut pouvoir adapter le courant traversant le moteur. Pour ce faire, on utilise une commande de type PWM (Pulse Width Modulation ou MLI en français pour Modulation en Largeur d’Impulsion). Le principe d’une commande en PWM est très simple. Les transistors MOS sont allumés suivant une fréquence déterminée mais avec un rapport cyclique variable. Le rapport cyclique étant le rapport entre le temps où les transistors sont allumés et la période totale du signal. Il est géré par l’électronique de contrôle qui peut, par exemple, tenir compte de la valeur de I_S qui est une image du courant circulant dans les branches du pont (et donc du moteur aussi…).
Comme conclusion, on peut encore ajouter qu’il existe des ponts en H en circuit intégré. Comme exemples les plus connus, on peut mentionner les L293 et L298 en version bipolaire et les SHC3060 en version MOS. Ces circuits intégrés sont particulièrement utiles pour l’intégration au sein d’un robot car ils sont compacts mais attention toutefois à la dissipation thermique.
