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.

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.

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

Une problématique secondaire provient de la conception mécanique. En effet le système mécanique introduit une inertie et il est souhaitable de stopper (pas juste une roue libre) le moteur sitôt le switch relâché. L'utilisation d'un circuit de contrôle est l'occasion de remplir ce rôle de "frein moteur".

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).

Par l'ajout du frein moteur nous évitons que la mécanique continue à tourner après l'arrêt. Ainsi nous évitons un tir supplémentaire lors du "full auto" et arrêtons la mécanique en position de repos lors de tir en "semi auto".

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.

Et le frein moteur ?
Sur les moteurs électriques DC il est simple d'obtenir un frein moteur puisqu'il suffit de court-circuiter les bornes. Ainsi les courants générés par le moteur (inertie mécanique et charge inductive du bobinage) sont réinjectés dans le moteur produisant une force inverse.
Ce principe est généralement implémenté sous la forme d'une diode de roue libre servant à la fois de frein mais aussi de protection pour les circuits connectés en évitant que les courants et tensions générées ne reviennent dans ces circuits.

Un redressement synchrone aurait pu être appliqué. Il impose cependant un contrôle précis des 2 transistors afin d'éviter des phénomènes de cross-conduction, par exemple en utilisant un driver de MOSFET.

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.

La diode de roue libre (flyback, flywheel) devra protéger le circuit et remplir le rôle de frein moteur. 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 loins 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. Il joue également le rôle 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.