La diode de roue libre

La diode de roue libre est nécessaire pour protéger contre une surtension lors de l'ouverture d'une charge inductive. Cela est le cas lorsqu'on pilote des relais : la diode de roue libre permet la continuité du courant dans la bobine du relais et évite toute surtension aux bornes du transistor qui pilote cette bobine.

La diode de roue libre se connecte en parallèle d'une charge inductive pour la continuité du courant électrique dans l'inductance.

Lorsqu'on pilote une indutance par un transistor (qui marche en tout ou rien, comme un interrupteur), du courant passe dedans. Et à l'ouverture du transistor, il faut que le courant puisse continuer à circuler : il faut assurer la continuité du courant.

la diode de roue libre 0

Diode de roue libre en parallèle avec l'inductance

En examinant les 2 phases du schéma ci dessous, on voit :

- A gauche : l'interrupteur K est fermé, le courant s'établit dans l'inductance L et est limité par la résistance r en régime établi. Par exemple, pour une bobine de relais 12V standard, la résistance se situe autour de 350 Ohms, ce qui limite le courant à 35mA environ (12V/350Ohms).

La diode de roue libre est bloquée. Elle voit en inverse la tension d'alimentation à ses bornes, mais aucun courant ne la traverse.

- A droite : l'interrupteur vient juste de s'ouvrir. Le courant qui circule dans l'inductance trouve un chemin dans la diode qui devient passante. Aux bornes de l'inductance, la tension change brutalement pour assurer la continuité du courant. Ce changement de tension est spontané. Si on néglige la tension aux bornes de la diode, la constante de temps vaut L/r, comme à l'établissement du courant lorsqu'on ferme K.

Comparaison entre inductance et volant d'inertie

L'inductance a comme propriété essentielle qu'on ne peut pas rompre brutalement le courant qui la traverse. Elle assure une continuité de courant, comme un objet en mouvement a une continuité de vitesse (si la vitesse passe brutalement d'une certaine valeur à 0, c'est un choc violent et destructeur !). Pour l'inductance, la rupture brutale du courant (di/dt très élevé) entraîne une surtension dangereuse pour les composants électroniques qui sont autour.

la diode de roue libre 1

Comparaison inductance et volant d'inertie

L'inductance en électricité correspond à la masse en mécanique. Les énergies stockées correspondantes valent :

1/2.L.i² (L : inductance, i : courant)

1/2.m.v² (m : masse, v : vitesse)

Rôle de la diode de roue libre

Si on ne met pas la diode de roue libre aux bornes d'un relais, d'un moteur à courant continu, etc, le courant ne peut "aller nulle part", va décroître ainsi très vite et créer une surtension qui détruira le transistor K. La diode de roue libre écrête cette surtension en offrant un passage pour le courant.

la diode de roue libre 2

Commande de charge inductive RL sans diode de roue libre !

Dimensionnement de la diode de roue libre

La diode de roue libre doit supporter en tension la tension d'alimentation. Si on pilote un moteur ou un relais en 24V, la diode doit supporter au moins 24V, mais il faut prendre une marge pour la fiabilité;

La diode de roue libre doit supporter en courant le courant circulant dans l'inductance. En effet, juste à l'ouverture du transistor, 100% du courant de l'inductance va dans la diode de roue libre.

Pour la commande de relais, la diode 1N4148 classique est idéale (100V, 200mA).

Exemple d'utilisation : diode de roue libre et commande d'un relais 12V

On souhaite commander un relais 12V avec un transistor NPN (BC547, 2N3904, 2SC945, etc). Lorsque le transistor est passant (saturé), c'est presque un fil. La tension à ses bornes (Vcesat) vaut 0.1V environ. Le relais fait contact et voit 12V-0.1V=11.9V à ses bornes.

la diode de roue libre 3

Relais et diode de roue libre

Note : sur ce schéma, on ne voit que la bobine du relais.

Quand on ouvre le transistor, la diode de roue libre D entre en conduction. La tension à ses bornes vaut environ 0,6V. Le potentiel du collecteur monte alors à 12,6V jusqu'à la fin du passage du courant. Quand il n'y a plus de courant dans la bobine, le potentiel du collecteur vaut à nouveau 12V précisément et la diode de roue libre est bloquée. Il ne se passe alors plus rien.

la diode de roue libre 4

Exemple de relais 12V et diode de roue libre 1N4148 standard

Applications de la diode de roue libre

Les diodes de roue libre sont nécessaires dans ce type d'applications

- commande de relais

- hacheur série (commande de moteur)

- alimentations à découpage Buck (convertisseur DC/DC non isolé)

la diode de roue libre 5

Relais et diodes de roue libre : fabrication industrielle de cartes en grande série

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Siteca
Le 18 déc. 2013 09:01

un peu de calcul pour différentes structures

Ajt
Le 9 oct. 2015 15:00

J'avais oublié tout ça..... Merci pour la clarté des explications

Alphani2000
Le 10 déc. 2015 19:14

tres interessant.

bilel belkhiri
Le 2 févr. 2016 15:56

Je veux faire une carte arduino c'est quoi le dimensionnent de diode , carte redresseur et capacité et merci

nina67 Nina67
Le 3 févr. 2016 21:43

bonsoir, pourquoi voulez vous redresser une tension pour une carte Arduino ? C'est pour l'alimenter ? Un port USB et le 5V ne vont pas ? Cordialement

Jamal
Le 22 avr. 2016 20:00

Merci c'est très intéressant

Chanoski
Le 24 déc. 2019 14:22

Merci, je vais essayer ce montage pour réduire la rémanence sur un relais de gâche électrique

Stephanie
Le 5 févr. 2020 22:21

On parle toujours dans le cas des bobines de diodes de roue libre mais ne pensez vous pas qu'une simple resistance ferait parfaitement l'affaire car beaucoup plus rapide que la diode dans les premières micro voire nanoseconde de courant inversé ? evidemment je ne balance pas cela au hazard j'ai constaté que dans les relais automobile du type FRC7 de chez Fiat il y a en serie avec la bobine une résistance. POur la bobine de 100 ohms la résistance est de 600 ohms. Résistance c'est plus de consommation mais une rapidité de protection bien supèrieur aux diodes et dans les deux sens en plus ! POUR MOI UNE DIODE DE ROUE LIBRE DEVRAIT S'APPELER RESISTANCE FACTEUR 6 ! ?

nina67 Nina67
Le 6 févr. 2020 09:57

Bonjour, remarque intéressante. La résistance doit être en parallèle pour jouer son rôle de limitation contre les surtensions. Si on met la résistance en série, c'est pour limiter le courant dans la bobine (par exemple si on n'a qu'un relais 5V sous la main et qu'on souhaite l'alimenter avec du 12V). La résistance en parallèle du relais présente le désavantage de consommer de la puissance pendant que le relais est activé. Pour une éventuelle surtension avant que la diode ne commence à conduire, on peut ajouter en parallèle un condensateur de 10nF ou 100nF par exemple. Pour la méthode de la résistance, on trouve ceci : https://electronics.stackexchange.com/questions/163852/resistor-instead-of-flyback-diode

Stephanie
Le 8 févr. 2020 11:45

Merci beaucoup de votre réponse très rapide ,evidemment la résistance est mise en parallèle c'est ce que je voulais dire,désolé de cette erreur. La résistance a l'avantage de créer un frein instantané au courant inverse issu de l'arrêt de la bobine et inversemment en ce qui concerne l'allumage de la bobine de plus c'est un composant passif beaucoup plus fiable qu'une diode dans quasi tous les cas de figure ! Bien plus resistance que le relais surlequel elle sera soudée en parallèle. donc une très bonne alternative à cette fameuse "diode de roue libre". Bon evidemment rien n'est parfait et elle consomme du courant en permanence mais dans le cas de la protection d'une pièce electronique sensible si j'ai à choisir entre diode et resistance je prends une resistance en facteur 6 voir 10 soit 6 ou 10 fois la valeur de la résistance de la bobine. Dans mon exemple du relais type FRC7 la bobine a une valeur d'une centaine d'ohms et sa resistance parallèle 600 ohms voila en espérant fournir une solution energivore aux diodes de roue libre MAIS INFINIEMENT PLUS FIABLE DANS LE TEMPS. Cordialement (merci encore de votre lien et de votre réponse rapide)

nina67 Nina67
Le 10 févr. 2020 10:39

bonjour, c'est vrai que la résistance est de valeur 6 fois plus élevée que la résistance de la bobine, la surconsommation liée à cette résistance parallèle n'est que de 17%, donc raisonnable. Quant à la surtension, elle atteindra 6 fois la tension nominale. Cordialement

Stephanie
Le 11 févr. 2020 18:39

oui,effectivement je trouve bien 116,6% de la consommation basal du relais soit environ 17% de plus. Par contre je ne comprends guère cette histoire de surtension,car de manière empirique l'energie fournie à la bobine est "dans l'idéale"egale à l'energie restituée. Donc si il ya surtension en facteur 6 il y a forcement sous ampérage dans les mêmes proportions Et ceci de manière à respecter la loi universelle de l'energie donc la puissance que devra absorbée la resistance devrait au maximum etre egale à celle absorbée par la bobine soit 1,44 watt dans le cas d'une resistance de bobine de 100 ohms sous 12 volts. Evidemment ma resistance est du type 1/4 de watts surêment trop petite si le phénomène se produit souvent ! Néenmoins il s'agit d'un relais dont l'enclenchement se fait au démarrage et à l'arrêt du moteur donc je présume que cette resistance aura largement le temps d'eliminer ses 1,44 watts par convection. Merci de votre réponse toujours aussi experte cordialement.

nina67 Nina67
Le 12 févr. 2020 10:07

Bonjour, la surtension qui a lieu aux bornes de la bobine est due à la continuité du courant dans la bobine du relais. A l'ouverture (qu'on suppose instantanée) du transistor, le courant dans la bobine du relais ne change pas et va ainsi en totalité dans la résistance (une boucle bobine - résistance). La loi d'Ohm pour cette résistance fait que U=RI, avec un R qui est 6 fois plus grand que celle de la bobine. La tension atteint donc 6 fois la tension nominale (12V) avant de décroître avec la constante de temps L/(R + R bobine). Plus le R est grand (résistance 600 Ohms pour nous), plus le courant décroît vite. On peut aussi voir Ldi/dt plus élevée, donc i décroît plus vite.