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Les diodes

Note complémentaire de la page énergie

  Diodes

Maj : 10/10/11

Technologie des diodes
Principe des diodes
Choix du modèle
Liens diodes

 

 

Diodes : technologie et utilisation

Les diodes sont très utilisées pour répartir les diverses sources de charge vers les coupe batteries.
Il est possible de relier les sorties de tous les alternateurs ainsi que la sortie du chargeur régulé en un point unique de charge, constitué par un gros boulon isolé qui sera relié aux répartiteurs à diodes, dont les anodes sont en commun (étoile).
Cette méthode inquiète souvent le débutant qui se demande si un alternateur ne va pas se vider dans un autre (pour en faire un moteur ) … Il n'en est rien, chacun des dispositifs possède ses propres diodes en ponts sur la sortie, il n'y a donc aucun risque. La seule conséquence est que le seul alternateur qui débitera de la puissance sera celui actif dont la régulation est la plus agressive, les autres chargeant peu. Les pertes dans les fils de liaison, très importantes à forts courants équilibrent les sources. Suivant le moment, une des sources sera dominante, les autres étant en sommeil.

 

Remarque importante sur les diodes montées en étoiles

Chaque diode de puissance classique (silicium bas de gamme) introduit une perte de 0.6 volt, et parfois beaucoup plus (quelques volts !) en chauffant. Si le régulateur de base de l'alternateur coupe la charge normalement à 14.3 volts, la batterie, sans compter les pertes du câblage, ne dépassera jamais les 13.5 volts, au mieux, et sera donc chargée à la moitié de sa capacité ou moins.
Il faut alors monter une diode de compensation dans le fil de retour de la borne de régulation. Elle créera une perte équivalente qui obligera le régulateur à monter d'autant la tension. Les pointilleux montent cette petite diode (de 1 A) collée à l'araldite contre la diode de puissance afin d'équilibrer les températures donc les pertes.
Dans les montages commerciaux soignés, une petite électronique permet de sortir une borne de référence correspondant à la tension la plus basse des batteries connectées. Cela évite la diode de compensation citée au-dessus.

Les diodes Schottky sont un peu plus chères que les silicium premiers prix, mais offrent des pertes beaucoup plus faibles et sont donc à privilégier.

Pour le chargeur de quai, la compensation sera faite en interne, il n'y a pas de feedback au niveau de la batterie.

 

Répartiteurs à diodes

Un répartiteur à diodes est un élément indispensable pour relier les diverses sources de charges aux diverses batteries. Toutes les sources (alternateurs, panneaux solaires...) sortent généralement d'origine sur des diodes internes, mais par sécurité en cas de doute, nous ajouterons des diodes d'entrées supplémentaires.
Ce radiateur est le point central de la répartition d'énergie en étoile.
Si le nombre de liaisons est important, les modèles commerciaux étant très limités, il est possible de coupler en parallèle plusieurs répartiteurs (avec de gros câbles). Chaque diode de sortie devra supporter le courant maximum (généralement celui de l'alternateur moteur, parfois une centaine d'ampères).
Une seule diode de référence suffit pour plusieurs radiateurs. Les entrées d'énergies douces ne s'effectuant pas en même temps que les gros débits (alternateur), l'équilibre thermique ne sera pas perturbé.
Il vaut faire très attention d'isoler parfaitement ce radiateur qui est au potentiel positif. Il ne faut jamais qu'un élément métallique (outil baladeur sur un coup de gîte), vienne faire un court-circuit désastreux avec la masse, cela provoquerait un incendie fatal. Ce radiateur doit à la fois être ventilé, car la dissipation thermique est importante, et parfaitement protégé des courts circuits. Ce montage devra être très soigné bien fixé avec tous les contacts graissés et solidement vissés.


Répartireur basique à diodes

Le schéma est très simple. Les diverses diodes sont adaptées aux intensités de chaque voie. Vous pouvez installer autant d'entrées et de sorties que vous voulez. Les diodes d'entrées sont à cathodes communes, les sorties sont à anodes communes.
Les sorties alimentent les divers parcs de batteries afin que toutes les entrées de charge puissent alimenter toutes les batteries, la moins chargée recevant le courant le plus fort.
Le positif commun est un gros boulon pris sur le corps du radiateur du répartiteur.

Un répartiteur bien réalisé par le plaisancier sera beaucoup moins cher et plus efficace qu'un modèle commercial à diodes médiocres.

Il est bien évident que vous pouvez réaliser des répartiteurs à multiples entrées et sorties en combinant des éléments simples, par exemple un répartiteur à quatre sorties peut être fait avantageusement en associant deux répartiteurs à deux diodes de type différent, un gros pour les servitudes de grande capacité, un petit pour la batterie moteur et une batterie de secours pour la VHF . Il suffit de relier les anodes des blocs. Vous pouvez donc rajouter un répartiteur si vous rajoutez des batteries sans jeter l'installation existante.

J'insiste encore sur les détails pratiques du montage, il ne faut pas mettre le feu au bateau !

Utilisez un bon profil de radiateur (rail en aluminium extrudé), sur pieds isolés, bien fixé et protégé par capot aéré.
Utilisez des diodes Schottky de bonne qualité qui chauffent très peu (faible chute).
Il est très intéressant de monter sous le radiateur un barreau de cuivre dans lequel se vissent les boulons des diodes. Le cuivre est bien meilleur conducteur que l'aluminium qui s'oxyde en surface en donnant de l'alumine totalement isolante.
Montez les diodes à la graisse thermique. 

Rappel : La diode de compensation doit être reliée sur la borne tension de référence de l’alternateur, elle ne sert qu’à décaler la référence pour compenser les pertes induites par les diodes de puissance de sortie.
Il ne circule qu’un faible courant dans cette diode. Sur le plan théorique, elle équivaut à une pile montée à l’envers dans le fil reliant le positif de la batterie à la borne de référence.
Ce fil n’a rien à voir avec le câble de gros diamètre véhiculant la puissance fournie par l‘alternateur, même s’ils arrivent tous les deux sur la borne positive de la batterie !

 

Complément sur ce montage de répartiteurs à diodes


J’ai reçu des appels de plaisanciers qui ne le comprennent pas bien et n’en voient pas l’intérêt, pensant qu’un montage idiot en parallèle est plus simple. Je précise donc.

Sur chaque diode d’entrée une source de charge
Entrée 1 : Alternateur
Entrée 2 : Panneaux solaires
Entrée 3 : Aérogénérateur
Entrée 4 : Chargeur de quai
Entrée 5 : La roue du hamster...

Sur chaque diode de sortie une batterie à charger
Sortie 1 : Charge de la batterie moteur
Sortie 2 : Charge du parc de batteries servitude 1
Sortie 3 : Charge du parc de batteries servitude 2…

Maintenant réfléchissons au courant maximum de chaque diode, il ne faut pas sous–dimensionner, elles claqueraient, mais il ne faut pas sur-dimensionner, le prix et la fuite augmente vite.

Cas simples, sorties de charge :
La batterie servitude, à décharge lente, se dégradera très vite si elle est chargée à plus de C/3 (la batterie démarrage supporte plus).
Donc si vous avez des parcs de 100 Ah, une diode 30 A est raisonnable pour les servitudes, une 50 A pour le démarrage.

Cas plus délicats, les, entrées :
Très souvent, il n’y aura pas besoin de diode car les régulateurs en possèdent déjà sur leurs sorties !
Pour s’en assurer, coupez la charge (arrêtez l’alternateur, couvrez les panneaux solaires aves une bâche, amarrez les pales de l’aérogénérateur, débranchez le chargeur de quai, anesthésiez le hamster….).
Débranchez chaque arrivée qui est donc maintenant  à tension nulle, et reliez-la provisoirement à une batterie par un ampèremètre.
Si la fuite est nulle (c'est-à-dire inférieure à C/1000, soit 0.1 A pour une 100 Ah), c’est gagné, les diodes en sortie d’origine font bien leur travail, il ne faut pas en rajouter une inutile, câblez directement sur le boulon commun.
Si une fuite est détectée, il faut rajouter une diode ou réparer ou changer le régulateur concerné.

Pour exemple sur mon installation, aucune diode n’a été nécessaire, j’ai simplement refait le chargeur qui était lamentable en sortie du shipchandler.
Attention, s’il vous faut une diode en sortie de l’alternateur (ce qui est fâcheux car il fuit), il faudra compenser les deux chutes des diodes en série sur l’entrée régulation.
Une Schottky 100 ou 200 A est chère.

 

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Principe des diodes

Cette annexe évoque la technologie très simplifiée des diodes de redressement de puissance pour le plaisancier.

Une diode idéale est un dispositif
qui ne laisserait passer un courant que dans un sens,
en bloquant celui de sens inverse.

D'un coté, résistance nulle, aucune perte, de l'autre résistance infinie, donc perte nulle et isolation parfaite. Malheureusement ce composant n'existera jamais, les diodes réelles essayent de s'en rapprocher. Je ne vais parler que des diodes de redressement qui nous intéressent pour cette application.

Une diode réelle moderne de puissance basique est une jonction Silicium, qui présente des défauts.

Une chute de tension dans le sens passant de 0.6 volt (silicium), parfois bien plus quand le courant augmente, qui pose bien des problèmes de pertes dans les applications. Les meilleures diodes Schottky ont une chute de 0,2 V au courant nominal.
Une résistance interne non nulle, qui produit des pertes d'énergie par thermiques, la diode chauffe et brûle si son courant limite est dépassé.
Une résistance inverse de fuite non infinie. La fuite est de l'ordre du millième du courant maximum, ce qui n'est pas négligeable.

Les autres inconvénients seront moins gênants pour notre application, je n'en parlerai pas : tension de claquage, capacité parasite, temps de réponse, etc.

La diode est donc à choisir soigneusement pour l'application souhaitée.
Il pourrait sembler évident de prendre une diode surdimensionnée pour l'application afin d'éliminer les problèmes de claquage, mais c'est une très mauvaise idée ! Cette diode, utilisée à un trop faible pourcentage de son courant limite, aura :
Un prix trop élevé.
De très fortes pertes dans le coude à faible courant.
Un courant de fuite très élevé, il est proportionnel au courant direct maximum.

Il faut donc bien choisir la bonne diode adaptée au courant maximum. Il est souvent délicat de connaître le courant de pic, surtout si le circuit est selfique (moteurs). Il n'est pas possible de protéger du claquage par fusible, une jonction explose mille fois plus vite qu'un fusible rapide. Mais l'intérêt du fusible n'est pas nul, car il coupera le courant de surcharge, une diode éclatée peut charbonner et se mettre en court-circuit, puis prendre feu si elle reste sous tension après claquage.

Autre condition, une diode de redressement chauffe, une grosse diode dissipe beaucoup. Il faut donc monter les diodes de puissance sur un radiateur bien dimensionné. Attention une diode de puissance se présente comme un boulon, le corps (anode ou cathode suivant le modèle) n'est jamais isolé. Pensez à isoler le radiateur sur entretoises et à le mettre dans un coffret plastique grillagé pour le protéger des objets métalliques qui se déplacent dans le coffre.

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  Diodes   

Choix de la bonne diode

Si vous acceptez de payer plus cher, prenez sans hésiter une diode Schottky. Entre autres avantages, pour un même courant les pertes sont beaucoup plus faibles.
Pour fixer les idées, voici quelques prix de détail unitaires de diodes très courantes. Les courants maximums sont en ampères et les tensions de claquage en volts (tension de crête limite). Il est possible de trouver beaucoup moins cher par quantités, ce n'est qu'un ordre de grandeur.

Diode type Courant Tension Technologie Prix
1 N 4007 1 1000 Si <0.1 €
BYV 10-20A 1 20 Schottky 0.6 €
BY 239-400 10 400 Si 2 €
BYW 78-150 100 150 Si 15 €

 

Il existe diverses autres présentations pour les diodes, en montage de surface, en boîtiers double, en pont de 4… Voici un petit exemple de ponts redresseurs de 4 diodes :

Pont type Courant Tension Technologie Prix
100 B6 1.5 600 Si 0.7 €
B250c5000 5 125 Si 2.1 €
10A/100V 10 100 Si 2.2 €
35A/600V 35 600 Si 5 €

Ne les détruisez pas en les soudant lors du montage, soudez rapidement avec un bon fer.

Pour réaliser un répartiteur de charge, il et très intéressant de monter des schottky doubles bien plus performantes que les silicium ordinaires et en boîtier isolés. Elles sont très faciles à trouver, dans le circuit de distribution d'électronique, voir le lien STS pour les multiples variantes. Le montage en doubles isolées permet de ne pas avoir le rail radiateur sous tension, c'est un avantage pour la sécurité.

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La diode idéale existe

Toutes les diodes présentent une tension parasite de seuil, en en présence de forts courants, P=V*I, la puissance dissipée en chaleur devient vide considérable.
La tension est de l'ordre du volt, à quelques dizaines d'ampères, cela fait des dizaines de watts à dissiper, c'est énorme, l'équivalent d'un gros fer à souder.
C’est pour cela que les répartiteurs à diodes chauffent, et (à courant égal) ce d’autant plus qu’ils sont mauvais, c’est à dire montés avec des diodes de bas de gamme.

La technologie évoluant très vite, les constructeurs ont développé une nouvelle technologie superbe à perte très faible. Cela a été possible grâce aux développements des MosFets, véritables relais sans pièce mobiles, à la résistance de contact (RDS on), presque nulle.
Leur tension résiduelle est de l'ordre de quelques dizaines de millivolts, très loin des 600 mV des diodes classiques, une fois passants, ils sont équivalents à un strap en cuivre.
L’astuce a été de mettre des MosFets en parallèle sur des diodes de qualité.

Quand la diode devient passante, la fameuse chute de tension parasite apparaît à ses bornes.
Une électronique mesure en permanence les tensions aux bornes. Dés qu’une diode est détectée passante, le MosFet parallèle est activé, et merveille de la technologie, la perte disparaît !
Si le courant s’inverse, l’électronique le détecte, ouvre le MosFet, et la diode refonctionne normalement en bloquant le courant inverse non désiré.


Ces composants de rêve se trouvent maintenant dans toutes les alimentations, distributeurs à diodes, etc., et remplacent très avantageusement les vieux relais mécaniques énergétivores et peu fiables.

Vous en trouverez facilement en cherchant sur Google "ideal diode".

Voici par exemple un extrait de la note du LTC4411 de Linear Technology. Vous voyez que pour 1 ampère, la chute n'est que d'un dixième de volt, soit cinq fois moins qu'une bonne shottky !

ideal_diode

La question m’est souvent posée de savoir si ce dispositif peut être fabriqué par un bricoleur.
Je le déconseille, sauf à posséder un très bon niveau en électronique de puissance, c’est plus subtil qu’il ne semble de bien manipuler de forts courants.
Il est préférable d’acheter un matériel sérieux, il existe des coupleurs pour toutes les puissances, depuis le petit moteur hors-bord, jusqu’aux énormes alternateurs, mais attention aux produits asiatiques bas de gamme.

Oh grand Gourou, quel modèle dois j'acheter ? La réponse est ici .
Regardez par exemple les produits Linear dans la page des liens diodes : Liens énergie

 

Note complémentaire de la page énergie

Liens diodes

Les liens énergie, batteries, diodes, alternateurs étant très liés, tout est regroupé dans une seule page: Liens énergie

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