Tout ce qui est alimenté par une source d’électricité externe doit être protégé contre les transitoires et les surtensions, car il ne s’agit pas de savoir si de tels dangers se produiront, mais plutôt de savoir à quelle fréquence ils se produiront (et quelle sera leur gravité).

Comme on pouvait s’y attendre, il existe des réglementations internationalement reconnues pour l’immunité aux surtensions et aux transitoires (spécifiquement codifiées dans la CEI 61000-4-5, qui est essentiellement reflétée par les laboratoires d’essais reconnus au niveau national aux États-Unis) qui ont la témérité de prescrire la forme et valeurs maximales des formes d’onde de tension et de courant auxquelles l’EST ou l’équipement testé doit résister. En leur faveur, cependant, c’est que ces formes d’onde ont été dérivées de manière empirique au fil du temps et qu’elles présentent donc plus qu’une simple ressemblance passagère avec de véritables surtensions et transitoires rencontrés dans la nature : un chargeur conçu pour se conformer à la norme CEI 61000-4-5 aura en fait un en théorie, de meilleures chances de survivre à long terme. (Alors pourquoi tant d’entre eux sont-ils hors service ? Eh bien, un sujet pour un autre jour, peut-être.)

Transitoire et surtension sont des termes qui sont souvent utilisés de manière interchangeable mais, plus strictement parlant, les surtensions sont généralement de plus longue durée mais ont une tension de crête et/ou une amplitude de courant plus faible, tandis que les transitoires sont de durée plus courte et, généralement, une amplitude de crête plus élevée. Bien que les deux puissent être causés par les mêmes phénomènes, les transitoires sont plus probablement le résultat de coups de foudre à proximité et de changements progressifs dans la charge sur le réseau, tandis que les surtensions sont plus probablement le résultat des mêmes phénomènes se produisant beaucoup plus loin (l’équipement du réseau intermédiaire et lignes de distribution atténuant en quelque sorte les perturbations).

La cause la plus évidente de défaillance due à un transitoire ou à une surtension est la rupture de l’isolation (y compris les jonctions semi-conductrices, les diélectriques des condensateurs, etc.), mais un échauffement rapide dû au contenu énergétique lors d’un transitoire ou d’une surtension (en particulier ceux de plus longue durée) ne doit pas être considéré comme un problème. coupable. Des transitoires de courte durée à haute tension et à faible contenu énergétique (quelque chose qui s’apparente à une décharge d’électricité statique, disons) peuvent créer des défauts d’épingle dans l’isolation (en particulier le diélectrique en dioxyde de silicium dans les circuits intégrés) qui augmentent progressivement le risque de défaillance totale ultérieure. allumé, tandis que les transitoires à plus haute énergie, comme par exemple un coup de foudre indirect ou un gros moteur déconnecté du réseau, peuvent ouvrir des brèches majeures dans l’isolation et même provoquer un arc pur et simple, qui ont tous deux tendance à être immédiatement mortels. En revanche, les surtensions provoquent généralement une défaillance de l’équipement davantage en raison d’un échauffement excessif des composants de protection (l’ironie !) plutôt que d’un claquage diélectrique pur et simple des condensateurs, des semi-conducteurs, etc. Quoi qu’il en soit, c’est le contenu énergétique d’un transitoire ou d’une surtension qui provoque finalement une défaillance, et ainsi, une surtension avec une amplitude de tension/courant de crête relativement modeste mais qui dure plusieurs dizaines de millisecondes pourrait être tout aussi dommageable qu’un transitoire d’amplitude de crête plus élevée qui ne dure que quelques dizaines de microsecondes.

Bien qu’il ne soit pas pratique de durcir complètement un appareil électronique contre un coup de foudre direct avec des amplitudes maximales de l’ordre de 100 mégavolts et kiloampères, les chances que cela se produise sont également extrêmement faibles, heureusement (même ici en Floride). La foudre affecte plus souvent le réseau indirectement lorsqu’elle frappe à une certaine distance en induisant des courants sur toutes les lignes de distribution de manière égale – ou en mode commun, par rapport à entre phases ou entre phases ou chaud et neutre, ce qui est le mode normal. Par conséquent, la suppression des surtensions placée entre les conducteurs de phase pour la protection contre les changements de charge progressifs ne sera d’aucune utilité contre les transitoires ou les surtensions en mode commun, car elle nécessite des composants de protection entre les conducteurs de phase (y compris le neutre, le cas échéant) et la terre. . Il est donc nécessaire d’aborder séparément les phénomènes de mode commun et de mode normal, d’autant plus que les réglementations de sécurité électrique auxquelles les équipements doivent également se conformer limitent la quantité de courant de fuite entre le(s) conducteur(s) de phase et la terre. Ceci, comme nous le verrons bientôt, peut imposer de sérieuses restrictions sur les types de composants de protection qui peuvent être utilisés, en particulier lorsque l’inévitable filtre de mode commun est pris en compte pour se conformer aux exigences de CEM, ou compatibilité électromagnétique (qui est elle-même encore en vigueur). un autre facteur de complication).

L’autre source courante de transitoires//surtensions sur le réseau est un changement progressif de charge. L’exemple le plus évident est la mise en marche ou l’arrêt d’un moteur. Le courant de pointe consommé lors de la mise sous tension stocke de l’énergie dans l’inductance du réseau de distribution, et celle-ci est libérée une fois que le moteur atteint sa vitesse. D’autres exemples sont les réenclencheurs automatiques (terme de distribution électrique désignant un disjoncteur) qui tentent de remettre sous tension une ligne qui pourrait n’avoir été que temporairement surchargée et les changeurs de prises sur les transformateurs de sous-station qui compensent les changements de charge en aval. La grande majorité, sinon la totalité, des surtensions dues aux changements progressifs de charge consistent en une tension de crête relativement modeste (par rapport à la foudre, de toute façon) mais qui a tendance à durer plus longtemps en raison du L/R (c’est-à-dire, inductance sur résistance) constantes de temps impliquées.

Il existe trois manières principales de gérer les transitoires/surtensions : le blocage, le serrage et le « crowbarring ». Le blocage des transitoires et des surtensions peut être réalisé avec une inductance série et/ou une capacité shunt (ou un filtre passe-bas, en d’autres termes) et comme cela se produit pour décrire le filtre en mode commun omniprésent utilisé pour répondre aux exigences CEM dans tout ce qui a une alimentation à découpage. convertisseur, ledit filtre fait partie intégrante du système de protection contre les transitoires (que ce soit intentionnellement ou accidentellement). Le filtre de mode commun sera cependant beaucoup moins efficace (sans doute même inefficace) contre les surtensions, et les exigences de sécurité électrique limitent la quantité de capacité shunt entre le(s) conducteur(s) de phase et la terre (pour limiter la quantité de courant de fuite continu injecté). dans le sol par eux), ce qui limite également son efficacité potentielle. De plus, l’isolation des composants du filtre de mode commun pourrait ne pas être suffisamment robuste pour résister elle-même aux surtensions répétées, de sorte qu’elle pourrait passer du statut de protection à celui d’en avoir besoin.

Le serrage et le pied-de-biche sont des moyens liés pour dériver l’énergie transitoire/surtension, ce qui signifie essentiellement la convertir en chaleur. La principale différence est qu’une pince reste stable près de sa tension de claquage lorsqu’elle est en conduction, tandis que la tension aux bornes d’un pied-de-biche chute à une valeur faible une fois qu’elle commence à conduire. Les dispositifs de serrage se réinitialisent automatiquement après un événement de surtension, mais doivent résister à des puissances de pointe extrêmement élevées (dues au produit de leur tension de claquage élevée et du courant de surtension). Les dispositifs Crowbar peuvent gérer une énergie de surtension beaucoup plus élevée en raison de leur tension de claquage relativement faible, ce qui entraîne une puissance de crête inférieure lorsqu’elle est multipliée par le courant de surtension, mais comme cette tension de claquage est bien inférieure à la tension de « maintien » lorsqu’ils ne sont pas conducteurs, ils le feront. ne pas « réinitialiser » jusqu’à ce que l’alimentation en amont soit interrompue (soit par un interrupteur, soit, plus communément, par l’ouverture d’un fusible).

Le composant de loin le plus couramment utilisé pour la protection contre les transitoires et les surtensions est le MOV, ou Metal Oxide Varistor, principalement parce qu’il est à la fois efficace et très bon marché à fabriquer (le cynique en moi dit que ce dernier est bien plus important…), car il est essentiellement un morceau compacté de particules d’oxyde de zinc. Les MOV sont des dispositifs de serrage qui ne conduisent pas (ou ne devraient pas – plus d’informations ci-dessous) aucun courant jusqu’à ce qu’une certaine tension soit dépassée, auquel cas leur résistance effective chute pour tenter (mot clé, cela) de maintenir la tension aux bornes. les constantes à la valeur de claquage. Plus la résistance dynamique pendant le serrage est faible, plus la tension de serrage sera proche de la tension de claquage et moins la puissance instantanée dissipée pendant le serrage est importante, ce qui contribue à une meilleure protection et à une durée de vie opérationnelle plus longue. Comme ces objectifs sont atteints en utilisant un MOV de plus grand volume, il existe cependant une limite pratique à l’optimisation qui peut être effectuée ici. Une autre considération évoquée plus haut est que les MOV ont une durée de vie opérationnelle limitée (mesurée en joules d’énergie totale bloquée), car leur courant de fuite augmente après chaque surtension, c’est-à-dire qu’ils laissent passer un certain courant à travers eux alors qu’ils devraient être éteints. , et ce courant augmente chaque fois qu’un MOV est appelé à faire son travail. La fin de vie réelle se produit lorsque le courant de fuite est suffisamment élevé pour provoquer une surchauffe due à sa dissipation continue de puissance (plutôt que la dissipation instantanée subie lors d’un événement de surtension), ce qui peut être bien plus excitant que prévu si ladite surchauffe entraîne un incendie. Une solution consiste à câbler un MOV en série avec un dispositif de type pied-de-biche, car ce dernier a tendance à mieux bloquer le courant de fuite lorsqu’il n’est pas déclenché en conduction, tandis que le MOV réinitialisera automatiquement le pied-de-biche une fois l’événement de surtension passé.

Un autre type de dispositif de serrage est la diode Transient Voltage Suppressor, ou TVS, qui est un dispositif semi-conducteur construit de manière similaire à une diode Zener, sauf qu’il est optimisé pour la gestion du courant de crête plutôt que pour la stabilité de sa tension de claquage. Les diodes TVS sont disponibles dans des versions bidirectionnelles adaptées à une utilisation dans les circuits CA, mais elles sont beaucoup plus couramment déployées sur les lignes d’alimentation CC où leur tension de serrage plus précise est un plus et leur cote énergétique inférieure n’est pas vraiment un inconvénient.

Les dispositifs de protection à pied-de-biche incluent respectivement l’une des technologies les plus anciennes et l’une des plus récentes : le GDT, Gas Discharge Tube, et le thyristor « sans porte » (par exemple SIDACTor de Littelfuse). Le GDT est en fait un éclateur composé de deux ou plusieurs électrodes à l’intérieur d’un tube scellé. Lorsqu’une tension suffisamment élevée est appliquée sur deux électrodes, un arc se forme, auquel cas la chute de tension chute à 30 V ou moins. Ceci, ainsi que la construction intrinsèquement robuste du GDT, lui permet de gérer des courants de crête très élevés, mais l’un des inconvénients majeurs est un temps de réponse relativement lent conduisant à une tension de déclenchement imprévisible. Par conséquent, les GDT sont rarement utilisés seuls (exception notable : dans l’ancien POTS ou Plain Old Telephone System). Ces défauts sont résolus dans le thyristor sans grille, qui est à 4 couches (c’est-à-dire pnpn) dispositif semi-conducteur qui transforme un bug du thyristor à gâchette conventionnel en une fonctionnalité : le déclenchement en conduction lorsqu’une surtension est appliquée à ses principales bornes porteuses de courant. Les thyristors sans grille sont beaucoup plus rapides que les GDT, peuvent être conçus pour se déclencher à une tension beaucoup plus faible (et beaucoup plus constante) et présentent une chute de tension encore plus faible lorsqu’ils sont en conduction (<10 V). D’un autre côté, ils ont une capacité de traitement de puissance (et d’énergie) de pointe bien inférieure, tant en termes de volume unitaire que de coût, par rapport à un GDT.

La dernière considération est la proximité de la grille (c’est-à-dire le niveau « d’exposition » ou de « catégorie »). Une plus grande proximité entraîne une aggravation des conditions transitoires/surtensions. Ainsi, un chargeur de niveau 1 branché sur une prise résidentielle doit répondre à des conditions moins strictes qu’un chargeur de niveau 2 câblé directement à un panneau de disjoncteurs dans un bâtiment commercial ou qu’un chargeur rapide CC câblé directement à un transformateur de distribution triphasé. À certains égards, la gestion de puissance plus élevée qui s’accompagne généralement d’une plus grande proximité avec le réseau offre naturellement plus d’immunité aux transitoires et aux surtensions, mais ne commettez pas l’erreur de supposer que la même taille de MOV ou de GDT, etc., sera à la hauteur du défi partout !

Cet article a été initialement publié dans le numéro 66 : octobre-décembre 2023 – Abonnez-vous maintenant.