Le Raspberry est de plus en plus utilisé pour communiquer avec le monde extérieur dans des applications divers, internet des objets, système industriel et périphériques en tout genre Je vous présente une carte industrielle pour gérer les entrées-sorties de votre Raspberry.

Comme vous avez certainement déjà pu le constater, les possibilités d’applications sont pratiquement infinies, mais dès que vous devez relier votre Raspberry au monde extérieur, vous allez vite être confronté à toute une série de problématique.

Les IO disponibles sont à manipuler avec beaucoup de précautions sous peine de les voir tout simplement partir en fumée.

Je vous propose dans cet article, une étude complète, d’un circuit qui vous permettra de connecter 8 entrées et 8 sorties « tout ou rien » au monde extérieur en toute fiabilité et sécurité.

Voici sans plus attendre un aperçu de cette carte très utile.

 

Cette carte vous permet de connecter des systèmes industriels 24V, boutons poussoir, capteurs, lampes témoins, relais, électrovannes, etc. sans aucun problème. Attention, il faudra veiller à ne pas dépasser certaines valeurs, tout cela sera abordé dans l’article.

Pour commencer la réalisation du montage, je voudrais attirer votre attention sur différents points importants à comprendre lorsque vous utilisez des modules tels les Raspberry, Arduino, et autres modules électroniques.

Gestion du courant de sortie d’un IO

Un premier exemple qui me vient à l’esprit, c’est de connecter une ou plusieurs Led’s avec les résistances associées, il faut savoir que pour le Raspberry, le courant max que peut fournir une pine configurée en sortie est de seulement 16mA et de 50mA au total pour l’entièreté des IO.

Il est clair qu’il ne faut pas un courant de 16mA pour commander une petite led témoin, mais sans parler des LED’s de puissance, il n’est pas rare de commander des Led’s avec des courants de 20-30mA voir plus, dès que l’on recherche un peu plus de luminosité.

Dans ce cas, vous ne pourrez pas commander directement ces Led’s avec les IO’s de votre Raspberry ou Arduino.

Pour les cartes Arduino et autres modules à base de microcontrôleurs, les intensités de courant que peuvent fournir ces cartes sont du même ordre de grandeur.

Vous devrez donc utiliser un buffer ou driver entre la pine de sortie et la charge que vous souhaitez connecter. Il faudra bien sûr choisir le type de driver adapté à la charge à commander.

Un autre exemple serait de commander un relais 24V, il est tout bonnement impossible de le faire sans une circuiterie supplémentaire à placer entre la sortie de votre module et le relais.

Idem si vous voulez relier un signal logique de 24V en provenance de l’extérieur directement à une entrée de votre Raspberry.

En plus de ces considérations d’intensité de courant ou de niveau de tension adaptés à la carte, il y a également le côté « fragilité » des IO de tout type de microcontrôleur. Toutes les entrées sorties d’un microcontrôleur sont très fragiles électriquement dès qu’il est question de les relier au monde extérieur. Un exemple très connu est le problème des décharges électrostatiques que vous pouvez provoquer par un simple touché de votre doigt sur une des entrées du composant. C’est hyper fréquent et trop souvent négliger!

D’une manière générale, dès que vous souhaitez connecter votre électronique au monde extérieur, vous devez prendre un maximum de précaution.

Je ne vais pas dans cet article, passer en revue tous les cas de figure des différents dangers que vous pourriez rencontrer, mais vous présenter une technique très rependue utilisée dans les modules industriels.

Technique utilisée dans les modules industriels.

L’idée est d’utiliser une isolation galvanique entre les IO du Raspberry et le monde extérieur. Entre d’autres thermes, il n’y aura aucun lien électrique entre le Raspberry et les périphériques extérieurs. Le module « sera sur son petit nuage » et protégé du monde rude tout en permettant d’envoyer et de recevoir des informations.

Le transfert de l’information se fera par la lumière à l’aide d’un composant électronique appelé « Optocoupleur » Voici un petit schéma qui illustre le principe.

 

L’alimentation du Raspberry et des entrées/sorties sera différente. En pratique, la tension des entrées et des sorties sera la même, mais pourrait être différente, bien entendu.

Comme vous avez pu le voir sur la photo en début d’article, la carte d’entrées/sorties se connecte au Raspberry grâce au connecteur 40 broches.

Ce procédé a plusieurs avantages :

• Protection du Raspberry en cas de problème du côté de la puissance.
• Bonne immunité aux perturbations électromagnétiques (parasites).
• Possibilité de commander de grosse puissance.
• …

Principe de fonctionnement d’un optocoupleur

Un optocoupleur est constitué d’une diode émettrice et d’un transistor dont la base est photo sensible. Les photons émis par la diode auront un effet sur la conductivité du transistor (comme le courant IB pour le transistor bipolaire classique). Plus la base reçoit de photons, plus le transistor est passant.

Dans le cas qui nous intéresse, le principe consiste à faire passer un courant dans la diode électroluminescente D1 pour émettre suffisamment de photons à destination de la base photosensible du transistor Q1 pour le rendre passant et ainsi le saturer. En pratique D1 et Q1 sont souvent renfermés dans le même circuit intégré.

La diode est en relation avec l’alimentation extérieure et le transistor avec l’alimentation du Raspberry.

Il existe beaucoup de types de photo transistor, dans le cas de notre montage, j’ai sélectionné le 4N25, un composant très connu.

En fait, il existe une relation entre le courant IC du transistor et la lumière émise par la LED. Comme on sait que la lumière émise par une LED est fonction du courant qui traverse celle-ci, alors le courant IC de l’optocoupleur sera fonction du courant ID.

Il y a un rapport entre le courant IC et le courant dans la LED. Ce rapport, dans la datasheet, est nommé CTR et va dépendre du type d’optocoupleur.

Ce rapport est très important pour le dimensionnement du montage. Le constructeur vous donnera très souvent un rapport typique (celui que l’on retrouver très fréquemment pour un type de composant donné) et le rapport minimum que le constructeur vous garantit. C’est ce dernier qu’il faudra utiliser pour être sûr que votre montage soit fonctionnel dans tous les cas de figure.

Voici un extrait de la datasheet pour le 4N25.

Nous prendrons donc un CTR de 20% pour nos différents calculs.

Comme on peut le constater, ce rapport est relativement faible par rapport à un transistor bipolaire classique. Dans ce cas-ci, il est de 0.2 alors que gain en courant (hfe) d’un transistor est souvent supérieur à 100. Attention, je ne dis pas que le CTR est égal au Hfe, mais je les assimile.

Le but d’un optocoupleur n’est pas d’avoir une amplification, mais de permettre une commande, grâce à la lumière, le principe même de l’isolation galvanique.

Simulation LTSpice pour bien comprendre le fonctionnement de l’optocoupleur.

J’ai volontairement remplacé V1 du schéma ci-dessus pour une source de courant pour mettre plus facilement le principe en évidence.

Le courant injecté dans la diode varie entre 1mA ==> 70mA par pas de 1mA. La tension appliquée au collecteur du transistor est de 10V. R1 et R2 seront utilisées pour la suite de la simulation, pour le moment elles sont pratiquement égales à 0R. L’idée est de voir comment évolue de courant dans le collecteur du transistor en fonction du courant injecté la diode de l’opto.

Résultat de la simulation.

En abscisse : courant injecté dans la diode (représenté également en rouge)

En ordonnée :la tension aux bornes de la diode (on constate bien l’allure générale d’une diode) et en rose, le courant dans le collecteur. On peut constaté également que le rapport en I(R2) et I(R1) n’est pas constant, il diminue au fur et à mesure avec la croissance de I(R1).

Modifions légèrement notre schéma, donnons à R2 une valeur de 4700 Ohms et à V2 une tension de 3V3 (tension de travail des IO’s du Raspberry).

De ce fait, la tension aux bornes de R2 va évoluer selon la loi d’ohm:  \(U=R\times I\), la tension Vout est proportionnelle au courant dans R2. Cependant, cette tension va atteindre un niveau max (saturation) légèrement inférieur à 3V3 dû à la tension de saturation résiduelle entre le collecteur et l’émetteur du phototransistor de l’optocoupleur 4N25.

Selon la datasheet, cette tension de saturation est de 0.5V (max) pour un courant IC de 2mA

En regardant la datasheet du Raspberry, la tension minimale que doit valoir la tension présente sur une entrée du module pour que celle-ci soit considérée comme un « 1 » logique est de 1.6V.

Dans notre cas, si on prend Vce saturation égale à 0.5V, alors Vout est égale 3.3-0.5=2.8V, ce qui est bien sûr tout à fait correct.

Voici quelques courbes qui illustrent un peu tout cela.

Modifions de nouveau le schéma de base pour se rapprocher du schéma final.

Pour rappel, le but est de pouvoir détecter à l’aide de notre Raspberry des signaux logiques pouvant varier de 0V à 24V en toute sécurité.

La source de courant est remplacée par une source de tension pouvant varier entre 0V et 24V. Il faudra bien sûr augmenter la valeur de R1 afin de limiter le courant à une valeur acceptable.

Pour cette simulation, nous allons appliquer un signal carré à Vin variant entre 0V et 24V et une valeur à R1 égale à 2K7.

Regardons comment le circuit se comporte en pratique.

On peut voir que le signal V(out) est de type carré comme le signal de commande et que son amplitude évolue entre 0V et 2.9V (voir figure ci-dessous).

C’est cette tension V(vout) qui sera appliquée à l’entrée d’un IO du Raspberry et est donc bien conforme à ses spécifications.

Comme ce circuit sera relié au monde industriel, regardons les limites de ce montage. Quand je dis limite, c’est de calculer la tension minimale appliquée à l’entrée tout en gardant un fonctionnement correct et la valeur max de cette tension sans détruire le système. Nous allons tout de même nous donner une petite marge de sécurité.

C’est ici que j’attire votre attention sur certains aspects, je viens d’utiliser un outil de simulation pour mettre en évidence le fonctionnement de l’ensemble, mais il faut toujours être attentif aux paramètres (mathématiques) que cet outil utilise par rapport à ceux de la datasheet du constructeur.

Dans un outil de simulation, l’exactitude des signaux obtenus dépendra toujours du niveau de modélisation mathématique du composant. Certains modèles peuvent se rapprocher très fort de la réalité alors que d’autres peuvent être beaucoup plus basiques.

Je vous conseille donc de toujours prendre la datasheet du composant que vous utilisez et de valider avec les paramètres de celle-ci, les résultats de votre simulation.

Je pousse le bouchon un peu plus loin (j’ai déjà rencontré le cas), prenez bien la datasheet du fabricant de votre composant et non une autre !!

En fait, le 4N25 est fabriqué par plusieurs fabricants, donc il devrait avoir les mêmes caractéristiques, mais vous risquez de vous rendre compte que certains paramètres peuvent varier d’un fabricant à l’autre.

Décidons, par exemple, de faire en sorte que la tension Vout ne descende pas en dessous de 2.8V (ce qui correspond au 0.5v max de VCE sat de la datasheet).

\( Ic_{min} =\frac{2.8}{4700}=596µA\)

CTR=20%

\(IF=\frac{IC} {CTR}=\pm3mA\)

La tension directe (Forward Voltage) de la diode VD(max)=1.5V

Selon la loi des mails du circuit d’entrée, la tension \(Vin=VR1+Vd\) donc \(Vin=3\times 10^{-3}\times 2.7\times 10^{3}+1.5V =9.6V\)

Si dans une de vos applications, les signaux logiques fluctuent en 0 et 10V, cette carte fonctionnera parfaitement. Si vous deviez travailler avec des tensions plus faibles, exemple 0-5V, il suffit alors de modifier la valeur de la résistance R1.

Ces petits calculs sont là pour attirer votre attention sur les différents paramètres de la datasheet qui sont très importants pour réaliser un dimensionnement correct. A cela, vous devriez ajouter les variations des paramètres liées à la température. Il faut savoir que le fonctionnement des composants électroniques est fort dépendant de la température. Voici un exemple de graphe qui illustre la variation de la tension directe de la diode d’entrée pour un courant et une température donnée.

Il est clair que la manière avec laquelle vous analysez en détail tous les paramètres de la datasheet dépendra de votre application.

Le concepteur d’une carte électronique destinée à une utilisation spatiale et militaire analysera beaucoup plus en profondeur les paramètres de la datasheet que le concepteur d’une carte pour « monsieur tout le monde ».

Le but ici est d’attirer votre attention sur tout cela et de vous montrer comment utiliser les valeurs retrouvées dans une datasheet.

Regardons maintenant, la valeur maximale de la tension d’entrée afin de ne pas détruire le circuit.

De nouveau, si on regarde dans la datasheet, le courant de la diode IF ne peut dépasser 60mA en continu.

\(Vin_{max} = VR1+Vd\), donc \(Vin=60\times 10^{-3}\times{2.7}\times 10^3+1.5V =162V\), énorme vous allez me dire.

Regardons s’il ne faut pas voir cette valeur à la baisse ?

Quelle est la puissance dissipée par la résistance R1 \(\rightarrow PR1=R1 \times I^2= 2.7\times 10^3 \times (60 \times 10^{-3})^2=9.7W\) !!

Valeur qu’il faut bien sûr prendre en compte, car si vous travaillez avec les résistances classiques traversantes, elles sont seulement de 1/4w. Si ce sont des résistances SMD, c’est encore moins en fonction de leur format.

On sait également que la puissance dissipée par une résistance est \(P=\frac{U^2}{R}\rightarrow U=\sqrt{p\times R}= \sqrt{0.25 \times 2.7 \times 10^3}=26V\)

A cela, on peut ajouter la tension directe de la LED de +-1.3V (dans ce cas on va prendre la valeur type puisque le courant sera inférieur à 50mA)

Cela nous donne une tension de +-27,3V

Donc pour une tension industrielle classique de 24V, ce montage fonctionnera parfaitement.

Un dernier aspect dont je voudrais vous parler, c’est de protéger votre montage en cas d’inversion de polarité. En effet dès que vous réalisez un circuit qui sera connecté par la suite vers le monde extérieur, vous risquez de vous tromper dans votre câblage. Une erreur très classique est l’inversion de polarité !

Que se passe-t-il dans ce cas, la diode de l’optocoupleur est polarisée en inverse, donc a priori, pas de courant. Cependant, si vous regardez de nouveau la datasheet, la tension inverse max que peut supporter cette diode ne peut dépasser 5V.

Pour protéger cette diode, il suffit d’en placer une autre en « tête bêche » comme sur le schéma ci-dessous :

J’ai choisi la diode 1n4148 qui accepte un courant de 300mA, donc pas de problème. La présence ce cette diode permet de ne pas dépasser cette tension max de crête de 5V, en effet en polarisation inverser, cette diode est passante et imposera donc une tension inverse max de -+(-0.7v) aux bornes de la diode de l’opto. C’est une technique très courante.

Je le répète le but de cet article est de vous présenter un circuit fiable et robuste dans différentes situations.

Réfléchissons maintenant à la gestion des pins configurées en « output »

Pour les mêmes raisons que pour les entrées, j’aimerais avoir une isolation galvanique et pouvoir commander des accessoires industriels en 24VDC et fournir un courant de +-500mA par sortie.

Au vu de ces caractéristiques, il est impossible de le faire directement avec le Raspberry !

Pour la partie galvanique, j’utiliserai le même optocoupleur que celui utilisé pour les entrées.

Je propose de commander l’opto avec un courant de l’ordre de 10mA comme pour les situations de test reprises dans la datasheet :

Même en prenant un courant de 10mA par sortie pour commander les opto, les 50mA max pour l’ensemble des IO ne nous permettent pas de le faire.

Je propose de passer par un transistor bipolaire pour la commande des opto.

Nous allons utiliser le montage en tout ou rien bien connu comme sur la figure ci-dessous.

Comme le montre cette simulation, un courant de seulement 0.5mA fourni par un IO du Rapsberry, est capable de commander un courant de 10mA à travers la diode de l’opto grâce au transistor bipolaire. La LED ci-dessus correspond bien sûr à la diode émettrice de l’opto.

La tension de 5V représentée sur le schéma correspond au 5V général du Raspberry.

Quelques calculs pour déterminer la valeur des résistances.

Selon la datasheet du BC547, le constructeur garantit la saturation du transistor pour un rapport \(\frac{IC}{IB} =20\) (voir encadré ci-dessous). Comme le courant choisi dans la diode de l’opto est de 10mA, nous allons faire en sorte d’avoir un courant de \(\pm 0.5mA\) dans la base du transistor.

En reprenant le schéma de principe ci-dessus, la valeur de la résistance en série avec la LED se calcule comme suit :

Selon la loi des mailles :

\(VR1=Valim-Vce-Vd=5-0.25-1=3.75V\)

\(U=R \times I \rightarrow R1=\frac{VR1}{IAlim} =\frac{3.75}{10\times 10^{-3}}=375 Ohms \rightarrow\) la résistance (série E12) la plus proche est de 390 Ohms

\(VR2=VIN-VBE \rightarrow R2=\frac{VIN-VBE}{IB}=\frac {3.3-0.7}{0.5\times 10^{-3}}=5200 ohms\) (dans la série E12), la valeur juste inférieure est 4700 ohms)

Voici le schéma avec l’optocoupleur.

Le signal « Vout » servira de commande pour le dernier étage.

Il manque cependant un dernier élément avant de finaliser le montage, en effet, nous aimerions être capables de fournir un courant de 500mA par sortie. Pour rappel, si nous regardons la datasheet de l’opto, le courant du collecteur est égal à 20% de IF, donc 2mA.

Il existe différentes possibilités pour ajouter un étage de sortie en fonction de ce que l’on veut commander, pour ma part, j’ai choisi d’utiliser le célèbre driver ULN2803 très répondu dans la commande de périphériques logiques.

C’est un circuit intégré renfermant 8 étages de transistors Darlington avec une diode de roue libre pour chaque étage. Cette diode de roue libre est très utile pour la commande de charge selfique.

C’est un système de commande dit « low sight », en d’autres termes, une borne de la charge est reliée au potentiel positif et l’autre borne est connectée au collecteur du transistor de sortie, ce qui permet de commander la charge en mettant cette borne à la masse. On appelle ce type de sortie, « sortie à collecteur ouvert ».

 

 

 

 

 

 

 

 

Le l’interrupteur « SW » correspond à l’étage de sortie à collecteur ouvert du ULN2803 et la diode « D » à la diode de roue libre qui est intégrée dans le composant.

« R et L » représente une charge selfique tel un relais, par exemple.

Caractéristiques du ULN20803

En pratique le signal Vout est relié à une entrée du driver ULN2803 et va donc fluctuer en 0 et 24V (compatible pour l’entrée du driver).

La résistance R2 est utilisée comme résistance de « pull down » pour l’entrée du driver lorsque l’opto est bloqué, cela permet d’appliquer un vrai niveau logique « 0 » et non un signal flottant.

Schéma général de l’étage de sortie.

Connecteur 40 pines pour la connexion du Raspberry à la carte entrée-sortie.

Remarque importante.

Dans l’outil LtSpice, toutes les masses sont les mêmes, en pratique, la masse « OV_EXT » du schéma ci-dessus, ne sera pas connectée à la masse du Raspberry. Le Raspberry sera alimenté par une alimentation bloc secteur classique et les IO par une alimentation 24V DC industrielle.

Voici un exemple d’application de la carte.

Boiter pour « Rail Din »

Boutons poussoirs.

Schéma complet de la carte.

Version pdf téléchargeable.

 

Nous arrivons à la fin ce cet article, toutes mes félicitations pour être arrivé jusqu’au bout.

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A bientôt,

Denis.

Je vous mets les liens vers les différentes ressources que j’ai utilisées pour réaliser cet article:

Datasheet:

Optocoupleur 4n25

Transistor BC547

Driver ULN2803

Caractéristiques électriques Raspberry