Arduino Uno R4 WiFi - Des broches E/S à 8mA seulement

Un billet blog de f-leb

Ce n'est pas la caractéristique la plus amusante des Arduino Uno R4, mais c'est quand même celle qui risque d'endommager votre carte si vous passez à côté...
Une caractéristique importante est le courant maximum que peut conduire une broche d'entrée-sortie numérique (ou DC current per I/O pin) :


Et le moins qu'on puisse dire, c'est que le seuil de tolérance pour une broche numérique est sacrément abaissé :

• [highlight]20 mA maximum pour l'Arduino Uno R3, contre 8 mA maximum pour l'Arduino Uno R4.[/highlight]

Avec l'avertissement :
Si vous êtes habitués aux branchements directs de LED 20 mA ou autres micro-actionneurs consommant près de 20 mA aux broches de l'Arduino Uno R3 (et même davantage, l'Arduino Uno R3 est tolérant), il va peut-être falloir revenir aux fondamentaux : Les broches E/S numériques sont là pour transporter de l'information, et non de la puissance aux actionneurs. Il faut intercaler une interface de puissance entre l'Arduino et la charge :

Certes, on pourrait augmenter la résistance en série de la LED pour réduire le courant absorbé entre 6 et 8 mA (voir le calcul de la résistance). Une LED rouge 5mm que l'on retrouve dans les kits pour débuter s'allumera quand même, mais elle sera un peu moins lumineuse. Si on veut lui redonner un peu de pêche sur une Arduino Uno R4, une interface de puissance à transistor pour amplifier le courant est une solution.


Par exemple, avec un transistor NPN BC547, la charge étant une LED rouge standard 5mm (I_F = 20 mA recommandé, tension de seuil V_F = 2 V), le schéma du montage est le suivant :


Le transistor doit fonctionner en commutation, en régime saturé. Pour calculer la résistance R_B (à la base du transistor) et celle de la charge R_C reliée au collecteur, il faut étudier la datasheet du BC547. Et le graphique ci-dessous qui en est extrait nous donne tous les renseignements en régime saturé dans le cas particulier I_C / I_B =10 :


Pour un rapport I_C / I_B = 10, et une intensité I_C de 20 mA qui traverse la LED et qui rentre dans le collecteur (soit un courant qui rentre dans la base I_B = 2 mA) :

• V_CE(sat) = 60 mV, et V_BE(sat) = 800 mV.

En conjuguant la loi des mailles et la loi d'Ohm dans les deux mailles du schéma :

• R_C = (5 - 2 - 0,06) / 20.10^-3 = 147 Ω, ou 2 V est la tension de seuil V_F de la LED ;
• R_B = (5 - 0,8) / 2.10^-3 = 2100 Ω.

Une simulation sur circuitlab.com avec les valeurs de résistance que l'on trouve dans les catalogues, et proches des valeurs calculées, confirme les prévisions :


Et voici ce qui se passe en pratique :


Remarque : le fabricant du transistor donne des caractéristiques en régime « sursaturé ». Avec une résistance R_B = 4,7 kΩ, le courant de base mesuré est I_B = 0,85 mA, et le courant qui traverse la LED se maintient, I_C = 18,45 mA. Soit une amplification d'un facteur 20 environ.

Le transistor joue bien son rôle d'amplificateur de courant, et pour conduire une LED à 15-20 mA, ce genre de composants redevient nécessaire avec une Arduino Uno R4. Le transistor BC547 (mais il y a plein d'autres références) en commutation convient bien pour amplifier des courants jusqu'à plusieurs dizaines de milliampères pour de faibles puissances (P_c < 0,5 W). Si votre montage doit comporter plusieurs transistors, songez à un ULN2803A/ULN2804A et son réseau de 8 transistors (quelques centaines de milliampères par transistor, mais pas plus de 2 W au total). Pour plus de courant et de puissance, envisagez un transistor à effet de champ (MOSFET).

Et voilà pour ce billet, encore et toujours des LED... Mais quitte à allumer une LED, autant le faire bien