MOSFET Airsoft Trigger

Principe Général

Lorsqu'on souhaite contrôler une charge (moteur, lampe...) le plus simplement du monde nous utilisons généralement un interrupteur.
Cette solution présente des avantages tels que le coût ou la simplicité. Elle pose par contre des problèmes pour les courants de fortes intensité, en particulier la création d'arcs électriques qui détériorent les contacts de l'interrupteur et une résistance élevée provoquant un échauffement.

Dans le cadre de l'Airsoft ce problème est présent. Les répliques utilisées comportent des moteurs de forte puissance pouvant consommer plus de 20A en continu (et beaucoup plus en pointe) sur des tensions allant de 7 à 14v. Aussi il est courant de voir les switchs (interrupteurs) se détériorer avec le temps. Nous allons étudier la réalisation d'un circuit capable de remplacer le switch.
A noter que cette problématique se rapproche de celles rencontrées en robotique ou modélisme RC, le contrôle d'un moteur étant particulièrement similaire.

Ce document ainsi que ce circuit sont sous licence Creative Common: CC-by-nc-sa.

Conception

Quelle problématique ?

Comme présenté dans l'introduction nous cherchons à contrôle un moteur à courant continu (DC) intégré à une réplique airsoft de type AEG. Le moteur ne tournera que dans un seul sens, ce qui simplifiera grandement la conception d'un circuit. Le tout est déclenché par la pression sur un switch.
Par abus de langage les circuits proposant cette fonctionnalité sont nommés "MOSFET" dans le milieu de l'airsoft - le MOSFET n'est ici qu'un composant du circuit.

Les tensions d'alimentation peuvent varier de 7.4v (LiPo 2S) à plus de 14.8v (LiPo 4S) en passant par toute la gamme des tensions provenant de batteries LiPo (11.1v), LiFePo4 (9.9v), NiMh et NiCd (8.4v, 9.6v, 10.8v) couramment utilisées. Le courant nominal des moteurs particulièrement variant d'un modèle à l'autre. Nous pouvons cependant établir une limite haute à 30A.
Il faut garder en tête que lors du démarrage le moteur produira un appel de courant bien plus élevé pouvant avoisiner les 100A.

Le système se doit d'être sur ! On ne souhaite pas d'allumage sans raison et nous devrons être particulièrement vigilant aux conditions dégradées suivantes:

• Temps humide, voir présence d'eau liquide provenant de la condensation ou de la pluie
• Batterie faible
• Allumage à répétition, jusqu'à 30 déclenchements/sec (30Hz) en mode semi (au delà vous avez des doigts bioniques)
• Peu de place
• Peu de ventilation

Enfin, le coût et la simplicité de réalisation doivent être pris en compte. Le pratiquant d'airsoft, sans être manchot, n'est pas forcément électronicien et, sans être fauché, n'a rien contre quelques économies.

Quel gain ?

En réduisant les éléments résistifs nous permettons un courant plus élevé. Ainsi nous augmentons la réactivité et la vitesse de rotation du moteur (et donc la cadence) - nous réduisons l'usure des éléments électriques et les pertes d'énergie (donc une meilleure autonomie).

Quelle solution ?

La "solution de l'électronicien" est d'ajouter un transistor pour remplir le rôle d'interrupteur. Ainsi le courant de la charge ne circule plus dans le switch mais dans le transistor. Il en résulte une résistance moindre et l’absence de commutation mécanique supprime les arcs électriques. Le switch ne sert alors qu'à contrôler le transistor avec des courants bien plus faibles (de l'ordre de quelques mA).
Le principe d'un transistor ne sera pas détaillé ici mais vous pouvez aller voir ici: http://fribotte.free.fr/bdtech/elecnul/mpuissance.html Bien sur vu les tensions/intensités en jeu ici nous n'allons pas utiliser un simple transistor bipolaire mais plutôt un MOSFET (même un Hexfet Power MOSFET - vive le marketing) capable de tenir des intensités.

Choix des composants

En tant que composant central, le transistor aura en charge l'alimentation du moteur. Un MOSFET canal N est retenu. Les références sont nombreuses et nous avons choisis un IRLB3034.
Un survol de ses caractéristiques:

• Tensions maximale drain->source (Vdss) de 40V
• Intensité maximale drain->source élevée: 195A package limited, 345A silicon limited
• Intensité en pointe à plus de 1300A
• Faible résistance interne: moins de 2 mOhms
• Résistance à la chaleur: plus de 170°C
• facilement disponible pour moins de 3€
• packaging TO220, peu de place et facile à souder.

Il est important de noter que le package TO220 a été "perverti" afin d'augmenter les limites du composant. Les bornes Source et Drain subissent un fort courant, en conséquence la borne Drain a été sacrifiée pour laisser plus de place au Source. Le drain "de puissance" est disponible sur le dissipateur du boitier TO220. Nous souderons directement notre charge (le moteur) au radiateur !

La diode de roue libre (flyback, freewheel) devra protéger le circuit. On utilise couramment des diodes Schottky de forte puissance. Par exemple des 1N5822 qui se trouvent très facilement pour moins de 20 centimes. Elles présentent d'excellent temps de réponse ainsi qu'une faible tension de chute.

La 1N5822 tiens 40v et 80A en pointe de 8ms (3A en continu) et devrait donc faire l'affaire, même pour un gros moteur. Elle est packagé dans un DO-201AD à la fois facile souder et de taille limitée.
En conservant les mêmes dimensions les SB5x0 vont monter plus haut à la fois en tension et en intensité. Par exemple un SB560 est données pour 60v, 5A en continu, 150A en pointe et coute moins de 50 centimes.

Il est possible d'aller encore plus loin avec une MBR4060PT. Les spécifications sont plus élevées: 60v, 40A en continu, 400A en pointe mais attention on change de packaging (TO247) et de prix: généralement plus de 3€.

Comme souvent en électronique, et que ce soit pour le transistor ou la diode, nous avons un grand choix d'alternatives avec beaucoup de paramètres: prix, packaging, courant continu/pointe, tension max... Pour la diode nous retiendrons les 1N5822 et SB5x0 qui sont largement disponible, interchangeable (même packaging) et pourront être montées en parallèle pour augmenter la puissance dissipée.

Considérations supplémentaires

Afin de réduire le phénomène de "bounce" et de "faux positifs" liés à un switch de mauvaise qualité:

• nous ajoutons un condensateur à la Gate du transistor pour jouer le rôle de "debouncer" et de filtre HF sur cette entrée.
• la résistance de pulldown de la Gate est volontairement de faible valeur. Il est ainsi nécessaire de fournir plus de courant sur cette entrée.

Des connectiques optionnelles pour fusibles seront un plus. En prévoyant la connectique il suffira de gratter le PCB (coupure d'une piste au cutter) pour pouvoir adjoindre un fusible.

Par rapport aux autres ?

Les plus du circuit par rapport aux autres MOSFET existants:

• simple: 5 composants, board simple face
• peu couteux: 5€ de composants
• peu volumineux: board de 22mm*45mm
• composants facilement disponibles et récents proposant de meilleures performances
• présence d'un "debounce" basique sur la trigger
• licence CC-by-nc-sa : partagez !

Les moins:

• N'est pas programmable comme certains MOSFET évolués.
• Ne comporte pas de fusible intégré (type polyswitch par exemple). Vous devez toujours conserver le fusible de votre réplique.

Réalisation

Schéma

Composants

• Q1 - IRLB3034
• D1 - SB560
• D1 - Plusieurs diodes D1 peuvent être ajoutées en parallèle. Il est fortement conseillé de prendre les mêmes références.
• R1 - résistance 2.2 kOhms / 0.25w
• R2 - résistance 100 Ohms / 0.25w
• C1 - condensateur polyester 100nF

Alternatives:

• D1 - 1N5822 ou tout autre diode Shottky capable de tenir plus de 40v et plusieurs dizaines d'ampères en pointe.
• R1 - résistance 1w de 500 Ohms à 4.7 kOhms
• R1 - résistance 1/4w de 2 kOhms à 4.7 kOhms
• C1 - condensateur céramique/tantale/polyester de 100nF (0.1µF)

Choix de la valeur du condensateur de "debounce":
A 100nF il se chargera en 10µs au travers de la résistance de R1 (100 Ohms) et de déchargera en 230µs au travers de R1 et R2 (total de 2.3 kOhms). En augmentant sa capacité il est possible d'augmenter son effet en contrepartie d'un peu moins de réactivité de la trigger: on ajoute simplement de "l'inertie" au trigger.

Le coût des composants devrait avoisiner les 5€.
Le PCB bien qu'idéal n'est pas obligatoire et peut être remplacé par une plaque de prototypage: Veroboard ou PerfBoard par exemple. Le prix varie selon la taille de la plaque, environ 1.5€ pour 100mm*50mm.

Il est déconseillé de souder les composants les uns aux autres (sans board donc). En cas de court-circuit les courants mis en jeu peuvent facilement faire fondre des fils et déclencher un incendie !

PCB Board

Quelques remarques:

• Le transistor a volontairement été placé coté "pistes". Ainsi il est possible de souder directement le boitier du transistor (qui est relié au drain - voir plus haut) au PCB. Le PCB joue alors le role de radiateur et le "MOTOR-NEG" peut être relié directement au drain. Tous les autres composants sont placés de façon classique.
• Les pistes de puissance (les plus larges) seront épaissies à l'étain.
• Les connectiques de fusibles sont optionnelles.

http://www.penseeprofonde.org/images/2/22/Pdf_icon.png Typon à télécharger http://www.penseeprofonde.org/images/d/da/Info_circle.png

Finitions

• Le PCB est tropicalisé à l'aide d'un vernis pour PCB - y compris coté composant.
• Les fils sont retenus avec de la colle thermique (pistolet à colle).
• Les composants et pistes liés à la Gate sont noyés dans de la colle thermique pour éviter qu'un élément extérieur (eau, brindille...) établisse un contact.
• Le circuit entier est enveloppé dans une gaine thermo.

Fichiers et liens

• http://www.penseeprofonde.org/images/7/79/Application_x_bzip_compressed_tar.png Projet EAGLE 6 http://www.penseeprofonde.org/images/d/da/Info_circle.png: modifiable avec la version gratuite d'Eagle CADSOFT 6.0
• http://www.penseeprofonde.org/images/2/22/Pdf_icon.png Typon à télécharger http://www.penseeprofonde.org/images/d/da/Info_circle.png: format PDF. Directement imprimable sur transparents LASER
• Forum Airsoft Mechanics: pas mal de ressources autour des MOSFET en airsoft
• Exemple de MOSFET AB: Thread du forum FranceAirsoft présentant la fabrication d'un "MOSFET AB". Couramment rencontré, nous déconseillons la réalisation d'un tel circuit (risque de cross-conduction).
• MOSFET Extreme Fire: Schéma des MOSFET simples et AB d'ExtremFire. Le AB est sans risque de cross-conduction par l'ajout d'un condensateur. Attention, le simple ne dispose pas de protection de roue libre.