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La sortie à collecteur ouvert

mercredi 22 janvier 2014, par Fred M

 Un rappel sur le fonctionnement du transistor

La notion simple, mais importante, à connaître pour cet article est qu’un transistor qu’il soit de technologie bipolaire (NPN/PNP) ou MOS (canal N ou P) se comporte comme un interrupteur quand il est utilisé en mode bloqué/saturé dans des circuits logiques.

Lorsqu’il est saturé (ou passant), c’est un interrupteur fermé, le courant peut passer entre le collecteur et l’émetteur ou entre la source et le drain.
Lorsqu’il est bloqué, c’est un interrupteur ouvert, le courant ne passe pas.

Transistor bipolaire NPN ou MOS canal N

Transistor bipolaire PNP ou MOS canal P

Nous n’irons pas plus loin dans la description du transistor, afin de rester simple et compréhensible par tout le monde.

Passons à la description rapide d’une sortie logique.

 La sortie logique

Les circuits intégrés logiques en technologie TTL (transistor to transistor logic) tels que ceux de la famille 7400, et les micro-processeurs / micro-contrôleurs en technologie CMOS (Complementary MOS) offrent des sorties sur lesquelles une tension représente la valeur logique.
Pour une tension d’alimentation de 5V :
en TTL, le 1 logique est représenté par une tension allant de 2,4V à 5V, le 0 logique par une tension de 0V à 0,8V.
en CMOS, le 1 logique est quasiment à 5V et le 0 logique à 0V.

Bien, continuons avec les deux types de sortie ’classique’ et ’collecteur ouvert’. Comme nous parlons uniquement de sorties logiques, on gardera sous silence la sortie analogique.

 La sortie logique ’classique’

Le schéma équivalent de la sortie correspond à 2 transistors NPN et PNP commandés de façon complémentaire. Lorsque l’un est bloqué, l’autre est passant et inversement.

Ainsi lorsque le transistor du bas est bloqué et celui du haut est saturé, on retrouve une tension proche de 5V en sortie. Dans le cas contraire, c’est le 0V qu’on retrouve en sortie.
Du fait de la technologie NPN/PNP des transistors, on retrouvera plutôt 4,6V (5V – 0,4V) pour un 1 logique et 0,4V pour un 0 logique. Ces 0,4V correspondent à la tension minimale aux bornes du transistor NPN (collecteur - emetteur).

Avec les circuits de technologie CMOS, au lieu d’avoir des transistors NPN/PNP, on retrouve deux transistors MOS complémentaire (d’où le terme CMOS).

Le fonctionnement est identique, mais en sortie on retrouve quasiment 5V pour la valeur logique 1 et 0V pour la valeur logique 0.

En résumé, la sortie ’classique’ impose une tension proche de 5V pour un 1 logique et proche de 0V pour un 0 logique.

 La sortie à ’collecteur ouvert’

« Ah, enfin, c’est pas trop tôt ! »

Cette fameuse sortie à collecteur ouvert est une sortie classique à laquelle on a supprimé le transistor du haut.
On ne retrouve que le transistor du bas et son collecteur est ouvert sur l’extérieur, d’où le nom !!

Dans ce cas particulier, on comprend bien que le 0 logique est pris en charge par le transistor restant. En effet, lorque le transistor est saturé, une tension de 0V sera présente en sortie (interrupteur fermé).
Par contre, lorsqu’on a un 1 logique en sortie, le transistor est bloqué (interrupteur ouvert) et finalement aucune tension ne se retrouve en sortie. Le boulot est fait à moitié !!!

Pour terminer le travail, il va falloir ’tirer’ la tension qu’on souhaite retrouver en sortie en utilisant une résistance qu’on placera entre la sortie et l’alimentation 5V. Ainsi, quand le transistor sera saturé, la sortie sera toujours à 0V (mais on aura une consommation de courant dans la résistance). Quand le transistor sera bloqué la résistance tirera la tension de sortie à une valeur proche de 5V (pour être précis, il y a des calculs à effectuer, mais on ne rentrera pas dans ces détails).
C’est ce qu’on appelle une résistance de ’pull-up’ puiqu’elle tire la tension vers le haut (+5V).

 Utilité

Bon, d’accord, on a à peu près compris comment ça marche, mais à quoi ça sert réellement, et où est-ce utilisé ?

1) commander une charge avec une tension différente de 5V

Supposons que nous ayons un voyant 12V à allumer, la sortie à collecteur ouvert nous permet de le commander directement (à condition que le courant demandé par la charge et que sa tension d’alimentation ne dépasse pas les caractéristiques du transistor dont le collecteur est ouvert).

Lorsque le transistor est saturé (interrupteur fermé), la tension au collecteur passe à 0V, le voyant est alors alimenté sous 12V.

Pour faire la même chose en sortie classique, il aurait fallu utiliser un transistor supplémentaire qui aurait joué le rôle du collecteur ouvert.

On a donc économisé un transistor et une résistance.

2) commander une sortie logique 5V à partir d’une sortie collecteur ouvert d’un micro-contrôleur alimenté en 3,3V.

On utilise dans ce cas une résistance de pull-up permettant d’appliquer une tension de 5V sur l’entrée.

3) réaliser un ET logique entre plusieurs sorties à collecteur ouvert, en connectant toutes les sorties entre-elles (attention, ceci n’est valable qu’avec des sortie à collecteur ouvert, dans le cas de sorties classique, au mieux, ça ne fonctionne pas, au pire on crame un ou plusieurs circuit : court circuit entre sorties). En effet, lorsque toutes les sorties sont à 1 (tous les transistors sont bloqués), et donc la valeur résultante est un 1 logique imposé par la résistance de pull-up.
Dès qu’une sortie passe à 0, elle force obligatoirement la sortie à l’état bas (on comprend mieux avec la représentation en interrupteurs).

Par exemple, le bus i2c fonctionne sur ce principe pour les lignes d’horloge SCL et de data SDA. Au repos, les lignes SCL et SDA sont au repos à l’état haut (via la résistance de pull-up). Dès que que le maitre veut parler, il l’indique en plaçant la ligne SDA à l’état bas (sortie collecteur ouvert passante) alors que SCL reste à l’état haut. Les autres circuits (esclaves) peuvent alors détecter que la ligne SDA est passée à 0 et donc se mettre en écoute (et surtout ne pas tenter eux même de parler).
On n’ira pas plus loin sur l’i2c pour l’illustration du collecteur ouvert.
Si vous le souhaitez vous pouvez consulter wikipedia sur le sujet http://fr.wikipedia.org/wiki/I2C.

 Flute

Mince, je n’arrive pas à allumer une LED en sortie de mon micro-contrôleur !

Je ne comprend pas, quand je branche ma LED de cette façon sur la patte P de mon circuit ça marche. Quand je la branche sur la patte N ça marche pas !!!
La LED aurait dû s’allumer en plaçant la sortie à 1.

Il reste à vérifier si on est en présence d’une sortie à collecteur ouvert sur la patte N.

On peut alors utiliser le schéma suivant pour câbler la LED. L’unique contrainte est qu’il faut placer la sortie à 0 pour allumer la LED.

 Conclusion

Avant d’utiliser une sortie logique, ou après avoir constaté que votre circuit ne fonctionne pas comme vous le pensiez, vous devez vérifier quel est le type de votre sortie logique : classique (TTL/CMOS) ou à collecteur ouvert.

Il vous faudra désormais lire la datasheet du circuit pour le savoir.

Bonne lecture !

Vos commentaires

  • Le 23 janvier 2014 à 00:11, par Eric P. En réponse à : La sortie à collecteur ouvert

    Super article, dont je vais conseiller la lecture aux deux élèves qui étaient là mardi soir : c’est tout juste le sujet dont nous parlions.

    Je ne comprends cependant pas ton avant-dernier schéma et à quoi font référence les pattes "P" et "N" que tu mentionnes dans le texte juste avant :
    « Je ne comprend pas, quand je branche ma LED de cette façon sur la patte P de mon circuit ça marche. Quand je la branche sur la patte N ça marche pas !!! »

    Eric

    • Le 23 janvier 2014 à 10:48, par Fred M En réponse à : La sortie à collecteur ouvert

      Content que ça puisse servir.

      Pour ta remarque, les pattes P et N sont deux sorties quelconques dont la première est une sortie classique et la seconde est en collecteur ouvert.

      Effectivement, l’emploi de P et N peut apporter une confusion avec les PNP et NPN des transistors. Je ferai donc une modif sur l’article pour les changer en X et Y. Je pourrai aussi rajouter quelques images afin de mieux illustrer le montage avec les deux sorties X et Y avant, et après modification pour que la sortie Y (collecteur ouvert) fonctionne.

      Enfin, pour un lecteur non électronicien, il y a peut-être quelques réorganisations du texte et des images à faire. J’ai en effet pris quelques raccourcis qui demanderaient à être explicités (ex : explication vite fait du transistor en mode bloqué/saturé).

      On pourra en discuter lors d’un atelier et peaufiner l’article !

    • Le 25 janvier 2014 à 12:49, par Eric P. En réponse à : La sortie à collecteur ouvert

      OK, je crois comprendre.

      Ta démarche est de montrer pourquoi ça ne fonctionne pas lorsqu’on veut utiliser une logique positive en sortie avec un transistor en CO. Si c’est bien cela, il faudrait que le texte l’explicite dans ce cas, car sinon on se pose des questions sur le schéma. La preuve ;)

    Répondre à ce message

  • Le 23 janvier 2014 à 10:50, par Nirgal En réponse à : La sortie à collecteur ouvert

    Bonjour,

    Dans la partie "Transistor bipolaire PNP ou MOS canal P", les MOSP sont dessinés dans le mauvais sens... Il faut inverser drain et source pour que la source soit reliée au 5V... Sinon, la diode intrinsèque risque de jouer de mauvais tours...

     ;)

    Répondre à ce message

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