Éviter le bruit de fond avec des diodes de roue libre

Parfois, les ingénieurs ont tendance à trop compliquer un problème au lieu de se concentrer sur des solutions logiques simples. 

Par exemple, la moto de mon copain est tombée en panne. Il a passé des heures à vérifier la batterie, le carburateur et le système électrique. 

Au final, tout ça pour rien. On a découvert que cette panne était due à un indicateur de carburant défectueux qui ne lui signalait pas que son réservoir était vide.

En électronique, les gros problèmes ont parfois une solution facile. 

Par exemple, lors de la conception de circuits imprimés dotés de relais mécaniques, vous pouvez éviter les pics de tension importants et supprimer les bruits de relais en ajoutant une diode de roue libre à votre circuit.

Mais si vous avez placé une diode de roue libre sur un relais et que votre contrôleur continue à se réinitialiser, il faut examiner d'autres sources de bruit électrique. 

Comme avec la moto, ces sources sont souvent cachées et le problème peut être résolu en utilisant les mêmes techniques de réduction du bruit que celles utilisées dans votre design. 

Je vais vous expliquer pourquoi et comment utiliser une diode de roue libre pour réduire les interférences électromagnétiques (IEM) dans vos relais, et ce qu’il faut prendre en compte si votre conception fait partie d'un système plus vaste.

Qu'est-ce qu'une diode de roue libre et pourquoi vous en avez besoin

Si vous avez créé des cartes de circuits imprimés qui comportent des relais mécaniques, vous avez probablement entendu parler de la diode de roue libre. 

Une diode de roue libre ou diode anti-retour, est placée avec une polarité inversée à celle de l'alimentation électrique et en parallèle de la bobine d'inductance du relais. 

L'utilisation d'une diode dans un circuit de relais empêche l'apparition d'énormes pics de tension lorsque l'alimentation est coupée. 

Pourquoi mettre une diode sur une bobine de relais ?

Lorsque l'alimentation électrique est connectée au relais, la tension de la bobine d'inductance augmente pour correspondre à celle de la source d'alimentation. 

La vitesse à laquelle le courant peut changer dans une bobine d'inductance est limitée par sa constante de temps. 

Le temps nécessaire pour minimiser le flux de courant dans la bobine est alors plus long que le temps nécessaire pour couper l'alimentation électrique. 

Lors de la déconnexion, la charge inductive dans la bobine inverse sa polarité pour tenter de maintenir le flux de courant selon sa courbe de dissipation (c'est-à-dire le % du flux de courant maximum par rapport au temps). 

Cela provoque l'accumulation d'un énorme potentiel de tension sur les jonctions ouvertes du composant qui commande le relais.

La diode de roue libre pour remédier au retour de tension

Il peut provoquer un arc électrique et endommager les composants qui contrôlent le relais. Il peut également introduire du bruit électrique qui peut s’ajouter à des signaux ou des connexions d'alimentation adjacents et faire crasher ou réinitialiser les microcontrôleurs. 

Si vous avez une unité de commande électrique (ECU) qui se réinitialise à chaque fois qu'un relais est mis hors tension, vous avez sûrement un problème de retour de tension.

Pour remédier à ce problème, on connecte une diode à polarité inversée à l'alimentation électrique. 

En plaçant une diode sur la bobine d'un relais, le champ électromagnétique arrière et son courant traversent la diode lorsque le relais est alimenté, car la force électromagnétique arrière entraîne la diode anti-retour en polarisation avant. 

Lorsque l'alimentation électrique est coupée, la polarité de la tension sur la bobine est inversée, et une boucle de courant se forme entre la bobine du relais et la diode de protection : la diode redevient polarisée en sens direct.

La diode de roue libre permet le passage du courant avec une résistance minimale et empêche la tension de retour de s'accumuler, d'où le nom de diode anti-retour.

_{De minuscules diodes de roue libre empêchent un retour de tension d'endommager vos composants.}

Bien câbler les diodes de roue libre pour supprimer le bruit de fond

Le placement d'une diode anti-retour est assez simple.

Elle doit être placée en parallèle de la bobine du relais. Le schéma ci-dessous montre le circuit d'une diode de roue libre dans un relais. 

Dans ce schéma, la résistance R en parallèle avec le câblage de la diode de roue libre représente la résistance continue intrinsèque de la bobine.

_{Câblage d'une diode de roue libre dans un circuit de relais.}

Notez que l'emplacement de la diode n'empêche pas un pic de tension de se propager vers une charge en aval. 

Au contraire, la diode fournit un chemin de moindre résistance qui réachemine le courant, de sorte que le pic de tension à la charge en aval sera beaucoup plus faible. 

L'utilisation d'une simple diode 1N4007 est suffisante pour supprimer les pics de tension importants dans un relais 24VDC avec un circuit de protection à diode.

Le chemin du courant dans la diode dépend de l’état ouvert ou fermé de l'interrupteur dans le relais. Lorsque l'interrupteur est initialement fermé, la charge d’inductance génère un champ électromagnétique inverse comme réponse transitoire, et la tension augmente lentement jusqu'à la valeur de la tension d'alimentation. 

Une fois que l'interrupteur est ouvert, le champ électromagnétique créé par l'inducteur change de direction et se dirige vers la masse, créant une réponse transitoire qui s'éteint lentement.

Grâce à la boucle à faible résistance créée par la diode de roue libre en sens direct, le courant est dévié à travers la diode plutôt que de créer un pic de tension important ailleurs dans le circuit.

_{Le courant passe par le câblage de la diode de roue libre dans un circuit de relais.}

Comment le bruit électrique peut interférer avec votre électronique malgré les diodes de roue libre embarquées

On peut penser que placer une diode de roue libre dans un relais résout tous les problèmes de bruit électrique.

C’était ce que je croyais, jusqu'à être confronté à un problème difficile : un contrôleur d'humidité que j'avais conçu se réinitialisait constamment, même s’il y avait une diode de protection sur chaque relais.

Le contrôleur d'humidité était connecté à des relais mécaniques externes qui contrôlaient des éléments de chauffe industriels. 

Ce projet de routine s'est transformé en véritable chasse au problème qui provoquait la réinitialisation du contrôleur. 

Quand les mêmes symptômes apparaissent sur des dizaines de configurations identiques, on a tendance à penser qu’il y a un problème de conception.

Après avoir passé des heures à essayer différentes alimentations, câbles, méthodes de mise à la terre et blindage d'interférences électromagnétiques (IEM), j’en suis arrivé à la conclusion que le problème venait des relais mécaniques externes.

J’avais raison : aucun des relais externes installés par le fournisseur n'avait de circuit de diode de roue libre connecté en parallèle des bobines d'inductance. 

Les retours de tensions provoquaient des interférences électriques sur le câble de connexion et dans le contrôleur d'humidité, provoquant ainsi la réinitialisation du système.

Même si on ne contrôle pas les conceptions des autres, il n’y a aucune excuse valable pour ne pas respecter les bonnes pratiques concernant les diodes de roue libre dans les circuits imprimés.

Il faut d’abord s’assurer que le courant direct de la diode de roue libre est plus important que celui de la bobine lorsqu'il est polarisé en sens direct par le champ électromagnétique de la bobine. 

Choisissez également une diode de roue libre dont la tension inverse est supérieure à la tension nominale de la bobine.

_{L'absence d'une diode de roue libre peut devenir un cauchemar électrique.}

Au quotidien, je place les diodes anti-retour au plus près du relais. Une diode 1N4007 standard suffit dans la plupart des cas et m'évite d'avoir à créer manuellement des empreintes. 

De plus, le fait de disposer d'un bon logiciel de nomenclature, comme l'outil de gestion d'Altium Designer, facilite la gestion de leur cycle de vie et de leur disponibilité. C'est particulièrement utile lorsque je réutilise d'anciennes conceptions.

Vous avez une question sur les diodes de roue libre ? Contactez un expert d'Altium Designer. 

Découvrez Altium Designer en action...

Conception puissante de circuits imprimés