Je m'en tiendrai aux principes les plus simples pour comprendre comment l'ensemble fonctionne. Je ne vais pas me lancer dans un cours magistral sur les diodes et les bobines ! Tout bon bouquin d'électronique, tout professeur, fera ça nettement mieux que moi et en plus je risque de raconter des clowneries (ça fait quand même 15 ans que j'ai quitté l'école..).
LA DIODE
Une diode "classique", par exemple la 1N4148 ou la 1N4007, est un composant de fonctionnement de base simple :
1- le courant circule dans le sens de la flèche dès que la tension à ses bornes dépasse sa valeur de seuil de conduction (0.6V à 0.7V pour toutes les diodes "classiques")
2- ensuite, la tension augmente peu avec le courant
3- si la tension à ses bornes est inférieure au seuil de conduction voire négative, le courant est bloqué (nul)
4- si la tension continue de décroitre jusqu'à la valeur de tension inverse maximale, le courant va se mettre brusquement à augmenter et la diode sera détruite
Une diode est caractérisée par le courant direct maximal admissible (1N4007: 1A) et la tension inverse maximale admissible (1N4007: -1000V). Pour des diodes plus spécifiques (schottky, fast recovery..) d'autres caractéristiques sont importantes, qui ne nous concernent pas ou peu dans notre application.
LA BOBINE
Une bobine génère dans ses spires un champ magnétique quand un courant les traverse, proportionnel au nombre de spires, au diamètre de la bobine, au courant, etc.. De fait, la bobine emmagasine une énergie magnétique et se comporte un peu comme un ressort ou comme un amortisseur : cette énergie ou force magnétique (ou son absence si aucun courant n'y circulait) s'oppose à tout changement qu'on veut lui imposer, lui donnant une certaine inertie de commande.
Si un amortisseur est relâché et qu'on veut le comprimer, il va d'abord s'opposer à cette action : par analogie, si on appplique brusquement une tension à une bobine au repos, elle va s'y opposer et va tenter de maintenir un courant nul à travers elle.
Si, une fois comprimé, l'amortisseur est relâché, l'effet n'est pas immédiat : par analogie, si on coupe l'alimentation d'une bobine, elle va s'y opposer en essayant de maintenir un courant non nul à travers elle, vu qu'elle doit évacuer toute l'énergie magnétique qu'elle a précédemment accumulée.
Mettre en conduction une bobine n'est donc pas instantané : le courant qui va la traverser sera d'abord nul puis va rapidement augmenter. C'est idéal pour les commander avec des transistors, qui n'auront donc pas un énorme courant d'appel à fournir tout de suite.
Par contre, quand on coupe la bobine, elle veut maintenir un courant à travers elle qui, si l'énergie emmagasinée ne s'écoule pas d'une manière ou d'une autre, va augmenter la tension à ses bornes instantanément. Cette tension peut atteindre, selon la bobine et la tension de commande, plusieurs centaines voire milliers de volts !! entrainant la fameuse étincelle qu'on a tous vus sur une interrupteur quand on l'ouvre (qui est dû au claquage de l'air entre les contacts de l'interrupteur qui se comporte comme un condensateur) ou bien conduisant à la destruction de l'organe de commande (transistor ou autre).
LA BOBINE ET SA DIODE
La diode qu'on trouve sur quasiment toutes les bobines va jouer un rôle crucial : lors de la coupûre de l'alimentation de la bobine, le courant que la bobine va tenter de maintenir à ses bornes sera évacué par la diode vers l'autre borne de la bobine. Cela forme un circuit fermé où le courant induit par la bobine va s'écouler en boucle jusqu'à ce qu'il diminue puis disparaisse quand toute son énergie magnétique sera épuisée. De fait, la tensions aux bornes de la bobine ne dépassera jamais la valeur de la tension aux bornes de la diode = sa valeur de seuil de conduction (0.6V à 0.7V).
La tension aux bornes de l'organe de commande (contact ou transistor) sera donc à peine plus élevée que la tension d'alimentation de la bobine, pour laquelle le circuit a été concu.
On appelle cette diode, dans cette fonction précise, diode de ROUE LIBRE (le courant de la bobine y circule librement et en boucle) ou diode d'ANTI-RETOUR (elle empêche le "retour de tension" consécutif à la coupûre brusque de la bobine).
CAS PRATIQUES
On prend un exemple : le fameux Black Hole de Gottlieb. L'extrait suivant du schéma général se passe de commentaires : les diodes sont partout, une sur chaque bobine !
Pour illustrer la théorie sur un vrai jeu, j'ai choisi mon propre Genie. J'ai repiqué le 24V continu sur la grosse capa que j'ai rajoutée pour "booster" le jeu (qui vaut alors 37V car lissé par la capa), j'ai pris une bobine A-5194 toute neuve, deux fils, un oscilloscope et zou.
Attention : pour protéger l'oscilloscope, j'ai utilisé une sonde haute tension spéciale (100X, 2.5kV max) pour les mesures.
Pour simuler une diode cramée en circuit ouvert, c'est tout simple : couper une des 2 pattes de la diode, comme sur la photo.
Ensuite, appliquer le 24V à la broche de la bobine du côté bandé de la diode (la pointe de la flèche, pince croco rouge sur la photo) et toucher brièvement (1 à 2s maxi) l'autre broche de la bobine du côté non bandé de la diode avec un fil de masse (pince croco verte sur la photo). La bobine est mise en conduction, puis coupée.
La diode de roue libre étant coupée, l'oscilloscope mesure la surtension aux bornes de la bobine : dans mon cas, elle atteint 440V !!!!
On imagine les dégats causés en amont sur la carte driver : les transistors usuels ne sont pas dimensionnés pour encaisser un pareil choc. En plus, ce n'est pas la plus grosse bobine d'un flip que j'ai utilisée pour mes essais. Pour d'autres bobines, les surtensions seraient plus importantes !!
De plus, ces pics de surtension sont véhiculés par les fils qui relient la bobine à l'alimentation, à la driver, à la masse... Ce sont autant de parasites qui vont se propager dans toute l'alimentation du jeu, y compris à travers les autres fils par couplage (de proximité) entre fils dans le même harnais. Donc les dommages peuvent être également causés sur d'autres organes. Bref, la vraie tuile.
Une fois la diode rétablie, le pic disparait car "raboté" par la diode.
La tension aux bornes de la bobine ne dépasse guère la tension d'alimentation générale.
Le transistor de commande est protégé, le tour est joué !
UNE BOBINE SANS DIODE ??
J'en ai vu, notamment sur les Williams WPC95. C'est trompeur, car la diode est pourtant bien présente : elle est déportée à côté de chaque transistor sur la driver elle-même. Je suppose que le constructeur devait avoir ses raisons, la bobine sans diode ainsi fabriquée devait-elle coûter moins cher ?..
L'astuce est bonne car le transistor est d'autant mieux protégé que la protection est proche de lui ; c'est une règle générale qui s'applique d'ailleurs à tous types de protection ! Par contre, la bobine (qui génère la surtension) se retrouve très éloignée de la diode (qui protège le transistor). De fait, le courant de coupûre, et les pics de surtension qui vont avec, vont circuler à travers des fils de longueur nettement plus importante que si la diode était montée directement sur la bobine. Et tout fil est également une.. bobine, faible mais réelle. Donc propagation des surtensions plus importante vers les fils proches.
L'ERREUR DU DEBUTANT : LA DIODE A L'ENVERS
On veut bien faire, on veut la changer.. et on la soude à l'envers (côté non bandé vers le 24V). Ou bien on soude une bobine à l'envers, ce qui revient au même. Que va-t-il se passer ?
Quand la bobine sera mise en conduction, le courant va aller au plus court chemin : la diode offrant moins de résistance au courant que la bobine, c'est donc la diode qui va tout "prendre" = équivalent d'un court-circuit franc entre le 24V et la masse ! Ce qui a pour effet immédiat de :
- flinguer la diode
- flinguer le transistor de commande
- flinguer le fusible, si on a de la chance
Par contre la bobine sera la plupart du temps intacte :) vu que c'est la diode qui s'est en quelque sorte "sacrifiée" !
Donc gaffe..
AUTRES PROTECTIONS COURANTES
Pour protéger l'organe de commande, on peut également utiliser, entre autres, un condensateur ou une diode transil.
Le condensateur sera mis aux bornes du contact à protéger : par sa nature, le condensateur va absorber l'énergie libérée par la bobine lors de sa coupûre, limitant le phénomène d'étincelage (claquage) qui bousille rapidement les contacts. C'est une technique très communément employée, qui peut venir en plus de la protection par diode de roue libre, comme par exemple sur le Haunted House :
Et sur le Stargate :
Rien ne vous empêche de faire de même sur les contacts de vos flippers (boutons et fin de course) et même sur les slingshots. Les contacts dureront bien plus longtemps !
Il faut choisir une capa de valeur pas trop élevée (sinon avec la bobine ça va créer un réseau oscillant LC du plus mauvais effet) mais pas trop faible non plus (sinon l'effet sera insignifiant). Sa tension max sera au moins égale à 100V, on a vu l'exemple pour la bobine et ses 440V sans diode ! Bien penser que c'est la capa qui se prend les surtensions à chaque ouverture du contact, donc prendre une capa de qualité ; les capas de type X2 sont très bonnes et autocicatrisantes en cas de courant interne trop élevé qui percerait le diélectrique, mais le prix est en rapport.
Autre possibilité : la diode transil. Plus chère qu'une diode classique, sa tension de conduction inverse est calibrée en usine. Une fois mise en conduction inverse, cette petite diode qui ne paye pas de mine peut débiter un courant monstrueux, jusqu'à plusieurs dizaines d'ampères selon le modèle, et en quelques microsecondes seulement ! Ce faisant, elle se déclenche et évacue instantanément le courant de coupûre de la bobine vers la masse.
Bien noter que la diode doit être montée en parallèle sur le contact ou le composant à progéter (comme la capa décrite précédemment) et la flèche en sens INVERSE du courant sortant de la bobine (la diode s'utilise "à l'envers").
On peut également coupler les deux : une diode transil sur le contact et une diode de roue libre sur la bobine.
La valeur de la diode transil (sa tension inverse en fait, à partir de laquelle elle commence à conduire légèrement) doit être supérieure à la tension normale d'alimentation de l'organe à protéger, pour éviter qu'elle ne se déclenche en fonctionnement normal. L'autre paramètre est la puissance maximale qu'elle peut dissiper : les plus petits modèles, de la taille d'une diode classique, peuvent dissiper jusqu'à 400W ! ce qui est ENORME.
Une diode transil type BZW06-33 protègera très bien les contacts des bobines sous 24V.
Une diode transil type BZW06-5V8 protègera très bien.. le 5V général ! contre toutes les pics de surtension que tout flip véhicule, aussi bien protégé (diodes, capas) qu'il puisse être. C'est une diode de ce type que j'installe systématiquement sur toute carte CPU qui passe entre mes mains.
J'espère avoir été clair et ne pas avoir trop raconté de carabistouilles..
Pascal
(février 2008)
