Fig. 03 · Labo de robotique · La logique commande la puissance

Interrupteur moteur à transistor

Arduino Nano

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Banc

Pas encore de mesure

Broche 9 (rapport cyclique)

Pas encore de mesure

Consommation

0 mA

Monter et casser

1MonterÀ suivre
Démontez le Nano jusqu'au circuit nu
Partez de la carte nue pour voir chaque composant se poser. Ici, le Nano est le contrôleur ; le circuit du moteur est sur la platine d'essai.
2
Placement automatique des composants CMS, puis refusion
3
Posez les deux connecteurs 15 broches
4
Soudez les broches des connecteurs
5
Placez le TIP120 et sa résistance de base
6
Posez le moteur et la diode de roue libre
7
Branchez la batterie et la masse commune
8
Branchez l'USB
9
Téléversez « PWM 50 % »
10
Mesurez le gain
11
Débranchez et ouvrez la vue éclatée
12
Cassez-la : sans diode de roue libreCasser
13
Cassez-la : la diode à l'enversCasser
14
Cassez-la : le TIP120 à l'enversCasser
15
Cassez-la : oubliez la masse communeCasser
16
Cassez-la : sans résistance de baseCasser
17
Cassez-la : le moteur directement sur la broche 9Casser
18
Cassez-la : le moteur sur le 5 V du NanoCasser
19
Cassez-la : les fils de la batterie inversésCasser
20
Cassez-la : des piles Li-ion dans le boîtierCasser
21
Cassez-la : une soudure froide sur la cosse du moteurCasser
22
Cassez-la : bloquez la roueCasser

Casser exprès

Chaque panne est de celles qui piègent ceux qui montent pour de vrai. Déclenchez-la, lisez le symptôme sur le banc, puis réparez.

Pas de diode de roue libre
pièce manquante
Pourquoi ça arrive
Symptôme: Le moteur tourne, mais le pic du collecteur affiche 60 V ou plus à chaque blocage. En PWM, ça fait 490 coups par seconde : au bout de quelques secondes, le TIP120 claque en court-circuit et le moteur tourne à fond quoi que dise la broche 9.
Un moteur est une bobine. Quand le TIP120 se bloque, la bobine maintient son courant un instant et fait monter le collecteur jusqu'à ce que quelque chose cède : ici, le transistor claque à sa limite de 60 V et absorbe l'énergie. Un blocage, il y survit ; des centaines par seconde l'usent, et un transistor mort claque en général en court-circuit. Avec D1 en place, le courant tourne en boucle à travers la diode et le collecteur s'arrête à une chute de diode au-dessus de la batterie.
Solution: Débranchez, posez un TIP120 neuf et mettez D1 aux bornes du moteur, anneau vers le plus de la batterie.
Diode de roue libre à l'envers
pièce à l'envers
Pourquoi ça arrive
Symptôme: Dès que la broche 9 passe à HIGH, la diode chauffe, la tension de la batterie s'effondre et le moteur ralentit. Avec la broche 9 à LOW, rien ne se passe.
Retournée, D1 pointe du plus de la batterie vers le collecteur. Quand le TIP120 devient passant, il tire le collecteur à la masse, et la diode conduit alors directement du plus de la batterie à la masse : un court-circuit franc à travers D1 et le transistor, limité seulement par les piles. Plusieurs ampères dans une diode de 1 A la font cuire.
Solution: Débranchez la batterie et retournez D1 : anneau vers le plus de la batterie.
TIP120 à l'envers
pièce à l'envers
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La LED s'allume, la broche 9 est à HIGH, mais la roue ne tourne jamais et rien ne chauffe.
Retourner un TO-220 échange ses pattes extérieures : la résistance arrive maintenant sur l'émetteur et la base est à la masse. La jonction base-émetteur est polarisée en inverse : aucun courant de base ne passe et le transistor reste bloqué. Sur ce boîtier, ce ne sont pas le collecteur et l'émetteur qui s'échangent, mais la base et l'émetteur.
Solution: Débranchez et retournez le TIP120 : face imprimée vers vous, base à gauche.
Pas de masse commune
entrée flottante
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La LED s'allume, la broche 9 est à HIGH, mais le moteur ne tourne pas.
Le courant de base quitte la broche 9, traverse R1, la base et l'émetteur jusqu'au rail de masse, et doit revenir au GND du Nano pour boucler le circuit. Le moins de la batterie n'est pas la masse du Nano tant qu'aucun fil ne les relie : aucun courant ne passe donc et le TIP120 reste bloqué. La LED a son propre fil vers le GND du Nano : c'est pourquoi elle s'allume encore.
Solution: Tirez un fil du GND du Nano vers le rail moins de la batterie.
Pas de résistance de base
surintensité
Pourquoi ça arrive
Symptôme: Le moteur démarre d'un coup, puis la broche 9 cesse de fonctionner : la LED s'éteint et le moteur s'arrête. Le Nano chauffe près de la puce.
Avec un simple fil, la broche 9 attaque directement la jonction de base. La jonction tient la base vers 1,3 V : la seule chose qui limite le courant, c'est donc le transistor de sortie de la broche elle-même, qui essaie de fournir bien plus de 100 mA. L'ATmega328P accepte 40 mA par broche en maximum absolu, et son étage de sortie grille.
Solution: Débranchez et remettez la résistance de base de 1 kΩ. La broche 9 du Nano est abîmée : utilisez une autre broche PWM (3, 5, 6, 10 ou 11) ou un Nano neuf.
Moteur directement sur la broche 9
surintensité
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La roue tressaute ou ne fait rien, et au bout d'un moment la broche 9 est morte.
Le moteur a besoin d'environ 160 mA pour tourner et de plus de 1 A pour démarrer. La broche 9 peut donner 20 mA sans peine et 40 mA en maximum absolu. Pendant qu'elle essaie, la tension de la broche s'effondre bien en dessous d'un volt, trop peu pour démarrer le moteur, tandis que l'étage de sortie surchargé surchauffe et lâche.
Solution: Débranchez, remettez le TIP120 entre le moteur et la masse, et utilisez une autre broche : la broche 9 est abîmée.
Brown-out : le moteur sur le 5 V du Nano
brown-out
Pourquoi ça arrive
Symptôme: Chaque fois que le moteur démarre, le Nano redémarre : la LED s'éteint un instant, le message d'accueil série se répète, la roue donne un à-coup et s'arrête.
Alimenté par l'USB, le 5 V du Nano passe par un polyfusible de 500 mA et une diode Schottky. Un moteur qui démarre avale plus de 1 A, le rail 5 V chute sous le seuil de brown-out de 2,7 V de l'ATmega328P, et la puce redémarre. La broche 9 passe à l'état bas, le moteur cesse de tirer du courant, le rail remonte, le sketch redémarre et remet le moteur en marche : et ça tourne en boucle.
Solution: Alimentez le moteur par sa propre batterie et ne partagez que la masse.
Polarité inversée sur la batterie
polarité inversée
Pourquoi ça arrive
Symptôme: D1 chauffe aussitôt, quoi que fasse la broche 9, et les piles tiédissent. Le moteur ne tourne pas.
Fils inversés, le plus de la batterie est sur le rail de masse. Le courant passe alors en direct à travers la diode émetteur-collecteur intégrée du TIP120, puis en direct à travers D1 : deux chutes de diode directement aux bornes de la batterie, un court-circuit franc limité seulement par la résistance interne des piles.
Solution: Débranchez la batterie et inversez ses fils : rouge sur le rail plus, noir sur le rail de masse.
Mauvaise tension : des cellules Li-ion dans un boîtier AA
mauvaise tension
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La batterie affiche environ 16 V, la roue hurle à trois fois sa vitesse, et au bout d'un moment le moteur sent le chaud et s'arrête.
Une cellule Li-ion 14500 a la taille d'une AA mais donne 3,7 V en nominal et 4,2 V pleine : quatre d'entre elles font donc environ 16,8 V au lieu de 6 V. Le moteur 3-6 V tourne bien trop vite, ses balais font des arcs et ses bobinages surchauffent. Le TIP120 (60 V) et D1 (1000 V) s'en moquent ; le moteur, non.
Solution: Utilisez quatre piles AA alcalines de 1,5 V (ou NiMH de 1,2 V) : 4,8 à 6,4 V.
Soudure froide sur le moteur
soudure froide
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La roue hoquette : elle tourne, s'arrête, repart, alors que la broche 9 reste à HIGH.
L'étain n'a jamais mouillé la cosse du moteur : la soudure ne fait que reposer dessus. Les vibrations établissent et coupent le contact, et chaque coupure est aussi un petit blocage que la diode de roue libre doit rattraper.
Solution: Refaites la soudure jusqu'à ce que l'étain coule sur la cosse et forme un congé brillant.
Moteur calé
surchauffe
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La roue s'arrête, le courant moteur dépasse 1 A, la tension de la batterie baisse et le TIP120 chauffe.
Un moteur qui tourne génère une force contre-électromotrice qui retient son courant. À l'arrêt, seuls les quelques ohms du bobinage le limitent : environ 1,5 A sous 6 V. Le TIP120 fait alors chuter environ 1 V et dissipe plus d'un watt, près de sa limite de 2 W sans dissipateur, et les piles chutent sous la charge.
Solution: Lâchez la roue. Dans un robot, détectez le calage (par le courant ou une impulsion d'encodeur manquante) et coupez l'alimentation.

Présentation du banc

une broche de 20 mA commute un moteur de 160 mA

Une broche de Nano peut fournir environ 20 mA (40 mA, c'est la limite absolue). Un motoréducteur TT veut environ 160 mA rien que pour faire tourner sa roue, et plus de 1 A à l'instant où il démarre ou quand vous bloquez la roue. Branchez-le sur une broche et la broche meurt. Ici, la broche 9 envoie environ 3,4 mA à travers une résistance de 1 kΩ dans la base d'un Darlington TIP120, et ce petit courant commute l'alimentation propre du moteur : quatre piles AA, 6 V. Le moteur est entre le plus de la batterie et le collecteur du TIP120 (un interrupteur côté bas), l'émetteur va à la masse, et le moins de la batterie partage cette masse avec le Nano. Une diode 1N4007 aux bornes du moteur donne au courant de la bobine un chemin quand le transistor se bloque ; sans elle, la bobine fait grimper le collecteur au-delà des 60 V nominaux du TIP120. Une LED verte sur la broche 9 montre ce que fait la broche, à mi-luminosité en PWM parce que votre œil fait la moyenne, comme le moteur.

Sources

Sur le banc

Sélectionné

Le sketch utilise 1 568 octets d'espace programme

Code : Entrée HIGH

// Entrée HIGH : la broche 9 tient le TIP120 complètement passant
const int IN = 9;          // vers R1 (1 kΩ), puis la base du TIP120

void setup() {
  pinMode(IN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  digitalWrite(IN, HIGH);  // environ 3.4 mA dans la base...
  Serial.println("pin 9 HIGH: TIP120 on, motor runs");
}

void loop() {}             // ...laissent passer les 160 mA de la batterie dans le moteur
// une broche donne 20 mA au plus : n'y branchez jamais un moteur

Exercices pratiques

0/4 exercices

Écrivez le code, puis lancez les vérifications. L'exécution utilise une horloge virtuelle et un monde scripté : le même code donne toujours le même résultat.

Faites pulser le moteur sans delay()

Arduino C++

Allumez le moteur 1 s et éteignez-le 1 s, indéfiniment, avec millis() au lieu de delay(), pour que le sketch puisse encore lire des boutons ou des capteurs entre-temps.

Vérifications

Pas encore lancéLa broche 9 bascule avec une période de 2 s
Pas encore lancéLe moteur est en marche à 1,5 s
Pas encore lancéLe moteur est arrêté à 2,5 s
Pas encore lancéUtilise millis(), pas de delay()

Indices

Retenez quand vous avez basculé pour la dernière fois : unsigned long last = 0;
Dans loop(), quand millis() - last >= 1000, ajoutez 1000 à last et inversez la broche.
digitalWrite(MOTOR, on ? HIGH : LOW) écrit un drapeau bool sur la broche.

Code pour Faites pulser le moteur sans delay()

Démarrage progressif

Arduino C++

Démarrer à pleine puissance fait avaler au moteur plus de 1 A pendant un instant. Faites monter la broche 9 de 0 à 255 en 2 s avec analogWrite() et millis(), puis tenez la pleine vitesse.

Vérifications

Pas encore lancéEnviron 25 % de rapport cyclique à 0,5 s
Pas encore lancéEnviron 50 % de rapport cyclique à 1 s
Pas encore lancéEnviron 75 % de rapport cyclique à 1,5 s
Pas encore lancéComplètement en marche à 2,5 s
Pas encore lancéUtilise millis() et analogWrite(), pas de delay()

Indices

t = millis() - start vous dit où vous en êtes dans la rampe.
Le rapport cyclique vaut t * 255 / RAMP_MS tant que t < RAMP_MS : en unsigned long, il ne peut pas déborder ici.
Après la rampe, analogWrite(MOTOR, 255) tient la broche complètement à l'état haut.

Code pour Démarrage progressif

Molette de vitesse

Arduino C++

Un potentiomètre de 10 kΩ sur A0 règle la vitesse du moteur. Convertissez sa lecture de 0-1023 en 0-255 pour analogWrite(), et coupez complètement le moteur sous un rapport cyclique de 40, où le moteur TT ne fait que bourdonner et chauffer au lieu de tourner.

Vérifications

Pas encore lancéMolette à zéro : moteur arrêté
Pas encore lancéMolette à mi-course : environ 50 % de rapport cyclique
Pas encore lancéMolette à fond : moteur complètement en marche
Pas encore lancéMolette presque à zéro : moteur arrêté, sans bourdonnement
Pas encore lancéLit A0 et écrit la broche 9 avec analogWrite()

Indices

map(raw, 0, 1023, 0, 255) met la lecture à l'échelle.
if (duty < 40) duty = 0; donne la zone morte.
analogWrite(9, 0) et analogWrite(9, 255) donnent un LOW et un HIGH stables.

Code pour Molette de vitesse

Bouton bascule avec anti-rebond

Arduino C++

Un bouton-poussoir de D2 vers la masse (INPUT_PULLUP) fait basculer le moteur : un appui pour le mettre en marche, un autre pour l'arrêter. Les contacts rebondissent pendant quelques millisecondes, et le sketch de départ compte chaque rebond comme un appui. Ajoutez un anti-rebond avec millis().

Vérifications

Pas encore lancéLe premier appui met le moteur en marche en moins de 60 ms
Pas encore lancéIl reste en marche après les rebonds
Pas encore lancéLe deuxième appui l'arrête en moins de 60 ms
Pas encore lancéIl reste arrêté
Pas encore lancéUtilise millis() et INPUT_PULLUP, pas de delay()

Indices

Notez l'heure chaque fois que la lecture brute change.
N'acceptez un nouvel état qu'une fois que la lecture est restée la même pendant 30 ms.
Ne basculez que sur le passage à LOW : c'est l'appui, pas le relâchement.

Code pour Bouton bascule avec anti-rebond

Monter et casser

1MonterÀ suivre

Démontez le Nano jusqu'au circuit nu

Partez de la carte nue pour voir chaque composant se poser. Ici, le Nano est le contrôleur ; le circuit du moteur est sur la platine d'essai.

Placement automatique des composants CMS, puis refusion

Posez les deux connecteurs 15 broches

Soudez les broches des connecteurs

Placez le TIP120 et sa résistance de base

Posez le moteur et la diode de roue libre

Branchez la batterie et la masse commune

Branchez l'USB

Téléversez « PWM 50 % »

Mesurez le gain

Débranchez et ouvrez la vue éclatée

Cassez-la : sans diode de roue libreCasser

Cassez-la : la diode à l'enversCasser

Cassez-la : le TIP120 à l'enversCasser

Cassez-la : oubliez la masse communeCasser

Cassez-la : sans résistance de baseCasser

Cassez-la : le moteur directement sur la broche 9Casser

Cassez-la : le moteur sur le 5 V du NanoCasser

Cassez-la : les fils de la batterie inversésCasser

Cassez-la : des piles Li-ion dans le boîtierCasser

Cassez-la : une soudure froide sur la cosse du moteurCasser

Cassez-la : bloquez la roueCasser

Présentation du banc

une broche de 20 mA commute un moteur de 160 mA

Sur le banc

Sélectionné

Le sketch utilise 1 568 octets d'espace programme

Code : Entrée HIGH

// Entrée HIGH : la broche 9 tient le TIP120 complètement passant
const int IN = 9;          // vers R1 (1 kΩ), puis la base du TIP120

void setup() {
  pinMode(IN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  digitalWrite(IN, HIGH);  // environ 3.4 mA dans la base...
  Serial.println("pin 9 HIGH: TIP120 on, motor runs");
}

void loop() {}             // ...laissent passer les 160 mA de la batterie dans le moteur
// une broche donne 20 mA au plus : n'y branchez jamais un moteur

Interrupteur moteur à transistor

Le banc

Monter et casser

Démontez le Nano jusqu'au circuit nu

Placement automatique des composants CMS, puis refusion

Posez les deux connecteurs 15 broches

Soudez les broches des connecteurs

Placez le TIP120 et sa résistance de base

Posez le moteur et la diode de roue libre

Branchez la batterie et la masse commune

Branchez l'USB

Téléversez « PWM 50 % »

Mesurez le gain

Débranchez et ouvrez la vue éclatée

Cassez-la : sans diode de roue libreCasser

Cassez-la : la diode à l'enversCasser

Cassez-la : le TIP120 à l'enversCasser

Cassez-la : oubliez la masse communeCasser

Cassez-la : sans résistance de baseCasser

Cassez-la : le moteur directement sur la broche 9Casser

Cassez-la : le moteur sur le 5 V du NanoCasser

Cassez-la : les fils de la batterie inversésCasser

Cassez-la : des piles Li-ion dans le boîtierCasser

Cassez-la : une soudure froide sur la cosse du moteurCasser

Cassez-la : bloquez la roueCasser

Casser exprès

Pas de diode de roue libre

Diode de roue libre à l'envers

TIP120 à l'envers

Pas de masse commune

Pas de résistance de base

Moteur directement sur la broche 9

Brown-out : le moteur sur le 5 V du Nano

Polarité inversée sur la batterie

Mauvaise tension : des cellules Li-ion dans un boîtier AA

Soudure froide sur le moteur

Moteur calé

État en direct

Consommation

Testez-vous

Après : Placement automatique des composants CMS, puis refusion

Après : Soudez les broches des connecteurs

Après : Branchez la batterie et la masse commune

Après : Téléversez « PWM 50 % »

Après : Cassez-la : sans diode de roue libre

Après : Cassez-la : le moteur directement sur la broche 9

Après : Cassez-la : le moteur sur le 5 V du Nano

Quiz de fin de banc

Présentation du banc

Sources

Sur le banc

Exercices pratiques

Faites pulser le moteur sans delay()

Vérifications

Démarrage progressif

Vérifications

Molette de vitesse

Vérifications

Bouton bascule avec anti-rebond

Vérifications

Interrupteur moteur à transistor

Le banc

Monter et casser

Démontez le Nano jusqu'au circuit nu

Placement automatique des composants CMS, puis refusion

Posez les deux connecteurs 15 broches

Soudez les broches des connecteurs

Placez le TIP120 et sa résistance de base

Posez le moteur et la diode de roue libre

Branchez la batterie et la masse commune

Branchez l'USB

Téléversez « PWM 50 % »

Mesurez le gain

Débranchez et ouvrez la vue éclatée

Cassez-la : sans diode de roue libreCasser

Cassez-la : la diode à l'enversCasser

Cassez-la : le TIP120 à l'enversCasser

Cassez-la : oubliez la masse communeCasser

Cassez-la : sans résistance de baseCasser

Cassez-la : le moteur directement sur la broche 9Casser