CUI: Les principes fondamentaux de la protection des alimentations électriques contre les surtensions
Cet article aborde les principes fondamentaux de la protection contre les pics soudains en identifiant les causes des surtensions électriques, en se familiarisant avec les normes réglementaires des tests de surcharge et en présentant les concepts et les composants de suppression de la surtension.
Les surtensions électriques font partie des problématiques rencontrées par de nombreux appareils branchés sur secteur. Ces variations peuvent endommager les alimentations électriques ainsi que les appareils alimentés qui ne sont pas correctement conçus pour l’environnement prévu.
Quelles sont les causes des surtensions électriques ?
Les trois causes principales sont les suivantes :
- La foudre
- Le régime transitoire
- Les défauts électriques
La foudre est une source commune de surtension transitoire générée à l'extérieur et transporte une charge électrique beaucoup plus importante à des tensions beaucoup plus élevées que la plupart des coefficients prévus par les systèmes électroniques. Ces surtensions sont en règle générale assez importantes pour causer une défaillance immédiate de l’appareil électronique si le niveau de protection adéquat n’a pas été appliqué.
Les surtensions sur la ligne d’alimentation CA peuvent également survenir lorsque d’autres appareils se trouvant sur un circuit électrique sont allumés ou éteints. Des variations rapides et importantes dans le câblage peuvent entraîner des pics de tension.
Des défauts électriques peuvent également entraîner des tensions excessives à l’entrée de l’alimentation. Une panne des composants du système et des appareils provoqués par l’ouverture des circuits ou un court-circuit accidentel,peut engendrer des tensions et des courants transitoires dans d’autres parties du système.
L’intensité et l’ampleur de la surtension à l’entrée de l’alimentation électrique dépendent de nombreux facteurs parmi lesquels la localisation, le câblage ainsi que le niveau de protection contre la surtension appliqué à l’entrée de l’alimentation électrique, qu’elle soit interne ou externe.
Les normes internationales définissent les niveaux de protection
Les normes ont été développées pour classifier et orienter les niveaux de protection nécessaires. Pour l’alimentation, la plus commune est IEC 61000-4-5 de la Commission électrotechnique internationale. C'est un référentiel pour de nombreuses normes nationales telles que la norme EN 55035, qui définit les critères d’immunité pour les appareils multimédias.
La norme IEC 61000-4-5 définit une méthode d'essais standardisés et différents niveaux de protection basés sur la classe d’installation et les méthodes de couplage. Les alimentations électriques DC sont en règle générale concernées parles classes d’installation 3-5 dont les exigences de test vont de 1 kV à 4 kV (tableau 1).
Tableau 1 : Test de surtension IEC 61000-4-5 pour les alimentations électriques AC et DC sur secteur
Circuits et dispositifs parasurtenseurs
Protéger les alimentations électriques et leurs charges des surtensions nécessite certaines formes de circuits de protection de surtension internes ou externes.
Il existe deux principales catégories de circuits de protection contre les surtensions :
- Les pinces
- Les pieds-de-biche
- Limiteurs de tension
Les limiteurs de tension empêchent la tension de dépasser la tension d’écrêtage choisie. Au cours de l’évènement de surtension, la tension sera maintenue par le limiteur de tension et le courant sera dévié à travers le limiteur jusqu’à la fin de la surtension. Il existe trois composants communément utilisés en tant que limiteurs : les diodes transil, les varistors à oxyde métallique et les tubes à décharge de gaz. La vitesse et les capacités de traitement de l’énergie de chacun d’entre eux sont inversement proportionnelles, comme indiqué dans le tableau 2. L’association de différents types de limiteurs peut ainsi être nécessaire.
Diodes transil
Les diodes transil sont des diodes conçues pour absorber l’excédent d’énergie provenant d’un pic de tension et donc de le « pincer ». Elles peuvent être soit unidirectionnelles soit bidirectionnelles. Ces diodes possèdent un seuil de tension comme une diode Zener au-delà duquel la diode va commencer à être conductrice. Cela entraîne le pincement de la tension au niveau de la tension seuil et détourne l’excédent d’énergie de l’alimentation électrique.
Varistances
Le varistor à oxyde métallique semiconducteur bidirectionnel est une résistance variable sensible à la tension. Les varistors disposent d’une haute résistance aux faibles tensions et d’une faible résistance aux tensions élevées. La tension de pincement est plus souple et leur temps de réaction plus lent que les diodes transil. Les varistors ont une durée de vie limitée et ne peuvent également traiter qu’un nombre limité d’évènements de surtension. Néanmoins, en raison de leur faible cout et de leur capacité de gestion des surtensions, ils sont communément utilisés pour la protection contre les surtensions dans les alimentations électriques.
Tableau 2 : Caractéristiques et composants des limiteurs de surtension communs
Circuits pied de biche
Il s’agit d’un autre type de circuit de protection contre les surtensions. Les dispositifs à pied de biche ou éclateurs, plutôt que de limiter la tension à une valeur maximale, réalisent des court-circuits, amenant la tension à un niveau proche de zéro. Les tubes à décharge de gaz sont généralement utilisés en tant qu'éclateurs. Les tubes, similaires aux varistors, agissent en tant que commutateur dépendant de la tension. Ce dispositif agit comme un circuit ouvert normalement et un court-circuit lorsque le seuil de tension est dépassé. Les tubes peuvent gérer davantage de courant, mais tendent également à être le moins réactif contre les surtensions . Ils sont parfois utilisés par les alimentations électriques en conjonction avec d’autres méthodes pour être plus efficaces.
Immunité de tension dans les alimentations électriques du commerce
Les alimentations électriques disponibles dans le commerce peuvent être équipées ou non d’une protection interne contre la surtension. Les alimentations électriques montées sur circuit offrent une gamme d’options depuis l’absence de protection interne jusqu’à un niveau de protection maximal. Souvent, les fabricants proposent des conceptions de référence afin d’améliorer les niveaux de performance inhérents. Le concepteur doit porter son attention à la fiche de données afin de vérifier si le circuit externe du fabricant répond au niveau de performance appropriée pour l’application visée.
Conclusion
La nature des surtensions électriques repose sur l’imprévisibilité totale d’une surtension individuelle. Ceci étant dit, il est toujours possible d’évaluer un système, d’anticiper à quels types de surtensions il peut être sujet et de recommander une protection appropriée contre les surtensions. Le niveau approprié peut varier. On peut s’attendre à ce que certains systèmes gèrent des surtensions communes et relativement simples. Par exemple, d’autres équipements à proximité qu'on allume et qu'on éteint. L’autre extrême peut être un système situé dans une zone de forte activité orageuse.
Dans ce cas, une protection permettant de gérer des pics d’une plus grande sévérité pourrait être recommandée. Il existe de nombreuses situations différentes entre ces deux extrêmes, et des professionnels tels les experts de CUI peuvent vous aider à opter pour une alimentation électrique optimale.
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