La diode de roue libre

La diode de roue libre n'est pas un type de diode comme une diode laser, une led... C'est une diode qui a une fonction particulière. Quand on a besoin d'une diode de roue libre, on utilise plusieurs technologies de diodes: diode signal, diode de redressement, zéner... Mais cet emploi est un peu particulier et valait bien une page.

Des charges résistives ou inductives

Une charge est un élément que l'on va ou non alimenter. C'est une lampe, un voyant à led, un moteur, une électrovanne, un relais...

On parle de charge unipolaire si on l'alimente toujours dans le même sens. Le courant passera toujours dans le même sens.
On parle de charge bipolaire si on l'alimente des fois dans un sens, des fois dans l'autre. La tension s'inverse, et le courant passe dans les deux sens.

Une charge est inductive si on a dans celle-ci un enroulement (ou une bobine). Dans les charges qui nous intéressent, il y a un noyau ferrique. Les charges inductives peuvent être: une bobine de relais, un électroaimant, bobine à noyau plongeur, les moteurs à courant continu, les moteurs pas à pas, les transformateurs..
Une charge non inductive ne contient pas d'enroulement: résistances, leds...

Dans une résistance, le courant et la tension sont proportionnels, si on interrompt la tension, le courant devient instantanément nul.

Dans une inductance, si un courant passe, il y a de l'énergie électromagnétique qui s'emmagasine. L'énergie augmente avec le courant (½LI², voir L'inductance). Pas d'énergie = pas de courant. L'énergie accumulée dans un enroulement ne peut pas passer d'une valeur à une autre brusquement, car il faudrait apporter ou retrancher une puissance infinie. L'énergie peut varier de façon non discontinue. En conséquence dans une bobine le courant ne peut pas non plus s'annuler instantanément. On dira "le courant ne peut pas changer de valeur instantanément". Pour que le courant devienne nul, il faut évacuer l'énergie emmagasinée. Plus on dissipe vite cette énergie, plus vite le courant décroît. On cherche souvent à éliminer l'énergie, par exemple pour une relais, celui ci ne pourra décoller que si le champ magnétique est faible.

Un transformateur comporte deux enroulements sur le même noyau. L'énergie s'emmagasine dans le transformateur et pas dans un des deux enroulements. On peut donc mettre de l'énergie d'un côté, et le retirer de l'autre côté.

La ou les diodes de roue libre permettent d'évacuer l'énergie électromagnétique.

Avec une charge résistive

Ce sera le cas si on alimente un voyant à filament ou à led, ou lorsque l'on pilotera la commande d'un transistor. Le montage est le suivant, avec un transistor dit "bipolaire" (les vieux quoi! On parlera de bipolaires, de NPN...)

Quand la commande est au niveau logique 0 (tension proche de 0V) le transistor est bloqué (il ne laisse pas passer le courant).
Quand la commande est au 1 logique (proche de 5V), le transistor laisse passer le courant.

Dans ce montage tout se passe bien, il n'y a pas d'énergie électromagnétique stockée, et on n'a donc pas besoin de diode de roue libre.

Avec une charge inductive unipolaire

Je remplace la diode et sa résistance par une charge inductive composée principalement d'une bobine. Le schéma équivalent comporte une résistance, c'est la résistance du bobinage.

Quand on bloque le transistor, celui ci essaie de bloquer le courant. Mais la présence de l'inductance impose que "le courant ne peut pas changer de valeur instantanément". L'énergie doit se dissiper quelque part et se sera dans le transistor. Pour cela, le courant I continue de passer, et comme il n'a pas le choix, il passe dans le transistor. La tension aux bornes de ce transistor va augmenter jusqu'à ce qu'il "lâche". Cela peut faire une centaine de volts.

Deux écoles s'affrontent, la première affirme que la tension élevée va provoquer un arc électrique dans le transistor qui peut être détruit. La seconde école affirme que la jonction base/collecteur va se comporter comme une diode zéner et laisse passer le courant, avec une puissance trop faible et le transistor ne sera pas endommagé. Dans les deux camps on s'accorde pour dire qu'il y a une pointe très rapide de tension et que cela va générer une onde électromagnétique qui peut perturber l'environnement. C'est une raison suffisante pour éviter ce phénomène.

Si on utilise un contact sec (contact de relais, interrupteur), c'est pareil:

Il y a une étincelle car quand on ouvre l'interrupteur, le courant ne peut que passer dans l'air un court instant, ce qui en plus de l'émission parasite électromagnétique va oxyder les contacts. C'est pour cela que pour choisir un relais, il faut parler de pouvoir de coupure. C'est aussi pour cela qu'il vaut mieux éteindre un appareil avant de le débrancher; l'étincelle aura lieu dans l'interrupteur qui est conçu pour, et pas dans la prise.

Cela fonctionne parfaitement, mais ce n'est pas souhaitable. C'est quand même le montage le plus répandu: on trouve ce montage pour tous les petits moteurs des appareils électroménagers, les outils électriques du bricoleur. Il est vrai qu'en alternatif, on ne peut pas faire grand chose.

Pour éviter tout ceci et quand on est en continu, on met une diode de roue libre. Il faut donc permettre au courant I de passer quelque part lorsque la commande (transistor par exemple) bloque le passage du courant. Le montage est le suivant:

Quand la commande est au 0 logique (0V), le transistor est bloqué et le courant ne passe pas. Lorsque la commande passe au 1 logique (3,3V ou 5V), le courant augmente pour atteindre sa valeur nominale. Puis la commande repasse au 0. Le transistor ne laisse plus passer le courant, mais un chemin existe pour lui: par la diode.

Une diode de roue libre se met en parallèle avec la charge et en inverse. Elle ne laisse pas passer le courant pendant le fonctionnement "normal".

Avec une charge inductive bipolaire

Jusqu'à présent toutes les charges étaient alimentées avec une tension qui est toujours dans le même sens. On dira soit 0, soit V. C'est le cas pour les relais, les électroaimants, les moteurs à courant continu qui ne tournent que dans un seul sens. Nous allons maintenant nous intéresser aux charges bipolaires, alimentées avec deux polarités et éventuellement la tension nulle. Par exemple la charge doit pouvoir recevoir 0V, +10V ou -10V. Ce cas sera celui des moteurs à courant continu qui doivent tourner dans les deux sens (0V = arrêt; +10V = tourne dans un sens, -10V = tourne dans l'autre sens). C'est aussi le cas des moteurs pas à pas bipolaires (4 fils).

Voici le montage de principe dit en pont ou en H:

Pour avoir V_moteur positif, les transistors T1 et T3 doivent laisser passer le courant, T2 et T4 doivent être bloqués. T1 et T2 ne doivent jamais être passant en même temps (court-circuit de l'alimentation) ainsi que T3 et T4. Pour avoir 0V, on peut soit bloquer tous les transistors, soit laisser passants par exemple T1 et T4. On modélise le schéma par celui de droite. Les triangles représentent des amplificateurs, Le petit rond représente un inverseur: si l'amplificateur de gauche délivre V, l'amplificateur de gauche délivre 0. Si la commande est à 0V se sera l'inverse. Si on veut pouvoir mettre du 0V, il faut séparer les commandes ou utiliser une commande de blocage complet du pont.

Dans ce montage, on n'a pas mis en place les diodes de roues libre qui permettent le passage du courant lors du blocage ou de l'inversion du courant. Avec les 4 diodes de roues libre, voici le montage:

Quand on inverse la tension, "le courant ne peut pas changer de valeur instantanément", et continue donc de passer dans le même sens, décroît, s'annule puis croit dans l'autre sens. Voici une animation de l'inversion du courant si l'enroulement est toujours alimenté, soit dans un sens, soit dans l'autre:

Dès que la commande change, le courant passe par les diodes pendant qu'il décroît, puis passe dans le "bon" sens. Ici la décroissance du courant se fait via l'alimentation (le moteur est alimenté en inverse) et la décroissance est rapide.

Si on veut un temps d'arrêt entre les deux alimentations, on peut laisser les 4 transistors bloqués au repos:

Comme tout à l'heure, la décroissance est rapide car le moteur a la tension d'alimentation à ses bornes (en inverse) pendant la décroissance. On parlera de décroissance rapide (Fast Decay en anglais). Si on souhaite une décroissance lente, on va fermer les deux transistors du bas:

Le moteur est en court circuit, la décroissance est dû grâce à sa résistance interne seulement. Ce mode est appelé décroissance lente (slow decay). Ce peut être utilisé pour réguler le courant dans un moteur: si le courant est trop faible, on le branche sur l'alimentation, et si il dépasse la valeur souhaitée, on laisse décroître le courant le plus doucement possible.

Cas de 2 charges unipolaires couplées

C'est le cas des moteurs pas à pas unipolaires. est représenté ci-dessous une ébauche de l'alimentation de 2 bobines sur les 4:

Les deux bobines du dessous vont ensembles, Si on met le point A à la masse, le courant va de la droite vers la gauche, et si c'est le point C, le courant est dans l'autre sens. On alimente une bobine ou l'autre. Elles sont couplées, c'est à dire qu'elles partagent le même champ magnétique et l'on peut mettre de l'énergie magnétique d'un côté et la retirer de l'autre côté. Ce cas n'arrive aussi dans les alimentations à découpage et ces problèmes dépassent le cadre de cette initiation. Pour plus d'informations sur le montage avec un moteur pas à pas, se reporter au cours sur ce moteur (voir Diodes de roue libre avec un moteur unipolaire).