Circuit de protection contre les surtensions avec diode Zener : conception et fonctionnement

Comment réaliser un circuit de protection contre les surtensions à l'aide d'une diode Zener ?

Les circuits et composants électroniques modernes accordent une grande importance à la sécurité. Les alimentations sont généralement fiables, mais une défaillance reste possible. Le scénario le plus critique : l'élément de régulation en série (transistor ou FET) se court-circuite, appliquant la tension d'entrée non régulée directement sur le circuit alimenté, causant des dégâts catastrophiques. Une protection contre les surtensions (OVP) permet d'éliminer ou de minimiser ces dommages.

Les protections courantes incluent : court-circuit, inversion de polarité, sur/sous-tension. Les fusibles et disjoncteurs assurent une protection basique, mais présentent des limites : le fusible est à usage unique (il fond et doit être remplacé), et le disjoncteur peut ne pas réagir assez vite pour protéger des composants sensibles.

La protection contre les surtensions surveille la tension aux bornes de la charge et coupe l'alimentation si elle dépasse un seuil prédéfini. Le circuit "crowbar" (barre de court-circuit) est une topologie classique de protection OVP.

Deux approches avec diode Zener

1. Régulateur de tension Zener : maintient une tension de sortie stable mais ne coupe pas l'alimentation en cas de surtension.
2. Circuit de protection OVP à coupure : coupe effectivement l'alimentation vers la charge quand la tension dépasse le seuil.

Matériel nécessaire

• Diode Zener 1N4740A (10V, 1W)
• Transistor PNP FMMT718
• Transistor NPN 2N2222
• Résistances : 1 kΩ, 2,2 kΩ, 6 kΩ

Description des composants clés

Diode Zener

Contrairement à une diode standard qui ne conduit que dans le sens direct (anode → cathode), la diode Zener conduit aussi en sens inverse lorsque la tension dépasse sa tension Zener (Vz). Cette propriété permet la régulation de tension et la protection contre les surtensions. Les diodes Zener utilisent l'effet Zener (tensions basses, < 5V) ou l'avalanche (tensions plus élevées). Elles servent à créer des alimentations stabilisées basse puissance et à protéger contre les surtensions et décharges électrostatiques.

Transistor NPN 2N2222

Transistor bipolaire NPN très courant, pour amplification ou commutation faible puissance, vitesse modérée. Brochage (boîtier TO-92) : 1=Émetteur, 2=Base, 3=Collecteur (liaison au boîtier). Faible coût, petit format, bon courant max pour sa taille. Utilisé ici comme étage de commande.

Transistor PNP FMMT718

Transistor PNP de puissance (boîtier SOT-23) : collecteur et émetteur conduisent quand la base est à la masse (polarisation directe), se bloquent quand la base reçoit un signal. Brochage : 1=Collecteur, 2=Base, 3=Émetteur. Sa faible tension de saturation collecteur-émetteur (Vce(sat)) minimise la chute de tension dans le circuit de protection.

Circuit régulateur de tension Zener

Cette configuration régule la tension de sortie à la valeur Vz de la diode Zener (≈ 5,1V pour la 1N4740A). Le transistor Q1 conduit moins quand la tension de sortie monte, augmentant sa Vbe, ce qui stabilise la tension. Cependant, l'alimentation n'est pas coupée en cas de surtension massive.

Circuit de protection OVP à coupure (Crowbar)

Fonctionnement normal (tension nominale)

La base de Q2 est à l'état HAUT → Q2 bloqué. La base de Q1 est à l'état BAS → Q1 conduit. La charge est alimentée normalement.

En cas de surtension (dépassement du seuil Zener)

La diode Zener D2 entre en conduction (rupture). Elle tire la base de Q2 vers la masse → Q2 conduit. La base de Q1 (reliée au collecteur de Q2) passe à l'état HAUT → Q1 se bloque. La charge est isolée de l'alimentation : protection effective.

Le choix du FMMT718 pour Q1 garantit une chute de tension minimale (Vce(sat) faible), préservant la tension de sortie nominale.

Avantages de cette solution

• Réaction rapide (niveau microsecondes)
• Seuil précis défini par la diode Zener
• Réarmement automatique dès que la tension redevient normale
• Composants peu coûteux et faciles à trouver
• Meilleure protection qu'un simple fusible pour les composants sensibles