Circuits de commutation d'inducteur

Une utilisation courante des diodes est l'atténuation du "recul" inductif : les impulsions de haute tension produites lorsque le courant continu à travers un inducteur est interrompu.

Rebond inductif sans protection

Prenez, par exemple, ce circuit simple dans la figure ci-dessous sans protection contre le rebond inductif.

Rebond inductif :(a) Interrupteur ouvert. (b) Interrupteur fermé, le courant circule de la batterie à travers la bobine dont la polarité correspond à la batterie. Le champ magnétique emmagasine de l'énergie. (c) Interrupteur ouvert, le courant circule toujours dans la bobine en raison de l'effondrement du champ magnétique. Notez le changement de polarité sur la bobine. (d) Tension de la bobine en fonction du temps.

Lorsque l'interrupteur à bouton-poussoir est actionné, le courant traverse l'inducteur, produisant un champ magnétique autour de celui-ci. Lorsque l'interrupteur est désactivé, ses contacts s'ouvrent, interrompant le courant à travers l'inducteur et provoquant l'effondrement rapide du champ magnétique. Parce que la tension induite dans une bobine de fil est directement proportionnelle au taux de changement au fil du temps du flux magnétique (loi de Faraday :e =NdΦ/dt), cet effondrement rapide du magnétisme autour de la bobine produit un « pic » de haute tension.

Si l'inducteur en question est une bobine d'électro-aimant, comme dans un solénoïde ou un relais (construit dans le but de créer une force physique via son champ magnétique lorsqu'il est sous tension), l'effet du "recul" inductif ne sert à rien. En fait, il est assez préjudiciable à l'interrupteur, car il provoque un arc excessif au niveau des contacts, réduisant considérablement leur durée de vie.

Rebond inductif avec protection

Parmi les méthodes pratiques pour atténuer le transitoire haute tension créé lorsque l'interrupteur est ouvert, aucune n'est aussi simple que la soi-disant diode de commutation dans la figure ci-dessous.

Rebond inductif avec protection :(a) Interrupteur ouvert. (b) Interrupteur fermé, emmagasinant de l'énergie dans un champ magnétique. (c) Interrupteur ouvert, le rebond inductif est court-circuité par la diode.

Dans ce circuit, la diode est placée en parallèle avec la bobine, de sorte qu'elle sera polarisée en inverse lorsqu'une tension continue est appliquée à la bobine via le commutateur. Ainsi, lorsque la bobine est alimentée, la diode ne conduit aucun courant dans la figure ci-dessus (b).

Cependant, lorsque l'interrupteur est ouvert, l'inductance de la bobine répond à la diminution du courant en induisant une tension de polarité inversée, dans le but de maintenir le courant à la même amplitude et dans le même sens. Cette inversion soudaine de la polarité de la tension à travers la bobine polarise la diode vers l'avant, et la diode fournit un chemin de courant pour le courant de l'inducteur, de sorte que son énergie stockée est dissipée lentement plutôt que soudainement dans la figure ci-dessus (c).

En conséquence, la tension induite dans la bobine par son champ magnétique qui s'effondre est assez faible :simplement la chute de tension directe de la diode, plutôt que des centaines de volts comme auparavant. Ainsi, les contacts de l'interrupteur subissent une chute de tension égale à la tension de la batterie plus environ 0,7 volt (si la diode est au silicium) pendant ce temps de décharge.

Diode de commutation

Dans le jargon de l'électronique, commutation fait référence à l'inversion de la polarité de la tension ou du sens du courant. Ainsi, le but d'une diode de commutation est d'agir chaque fois que la tension inverse la polarité, par exemple, sur une bobine d'inductance lorsque le courant qui la traverse est interrompu. Un terme moins formel pour une diode de commutation est amortisseur , parce qu'il « snobe » ou « étouffe » le rebond inductif.

Inconvénients d'une diode à commutation

Un inconvénient notable de cette méthode est le temps supplémentaire qu'elle confère à la décharge de la bobine. Parce que la tension induite est limitée à une valeur très faible, son taux de changement de flux magnétique au fil du temps est comparativement lent. Rappelez-vous que la loi de Faraday décrit le taux de variation du flux magnétique (dΦ/dt) comme étant proportionnel à la tension instantanée induite (e ou v ). Si la tension instantanée est limitée à un chiffre bas, le taux de variation du flux magnétique dans le temps sera également limité à un chiffre bas (lent).

Si une bobine d'électro-aimant est « snobée » avec une diode de commutation, le champ magnétique se dissipera à une vitesse relativement lente par rapport au scénario d'origine (pas de diode) où le champ disparaissait presque instantanément lors du relâchement de l'interrupteur. La durée en question sera très probablement inférieure à une seconde, mais elle sera sensiblement plus lente que sans diode de commutation en place. Cela peut être une conséquence intolérable si la bobine est utilisée pour actionner un relais électromécanique, car le relais possédera un « retard » naturel lors de la mise hors tension de la bobine, et un retard indésirable, même d'une fraction de seconde, peut faire des ravages dans certains circuits.

Fonctionnement idéal avec une diode de commutation

Malheureusement, on ne peut pas éliminer le transitoire haute tension du rebond inductif et maintenir une démagnétisation rapide de la bobine :la loi de Faraday ne sera pas violée. Cependant, si une démagnétisation lente est inacceptable, un compromis peut être trouvé entre la tension transitoire et le temps en permettant à la tension de la bobine d'augmenter à un niveau plus élevé (mais pas aussi haut que sans diode de commutation en place). Le schéma de la figure ci-dessous montre comment cela peut être fait.

(a) Diode de commutation avec résistance série. (b) Forme d'onde de tension. (c) Niveau sans diode. (d) Niveau avec diode, pas de résistance. (e) Niveau de compromis avec diode et résistance.

Une résistance placée en série avec la diode de commutation permet à la tension induite de la bobine d'atteindre un niveau supérieur à la chute de tension directe de la diode, accélérant ainsi le processus de démagnétisation. Ceci, bien sûr, placera les contacts du commutateur sous une plus grande contrainte, et donc la résistance doit être dimensionnée pour limiter cette tension transitoire à un niveau maximum acceptable

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur la théorie des moteurs à courant continu
• Fiche de travail sur diverses applications de diodes