Composants et circuits de protection

En cas de surtensions, les conducteurs et appareils concernés doivent être rapidement court-circuités avec le système d'équipotentialité. Pour ce faire, il existe différents composants avec les caractéristiques correspondantes. Ces composants se distinguent principalement par leur temps de réponse et leur pouvoir de décharge.

Diodes Zener bidirectionnelles

Symbole et courbes caractéristiques U/I dune diode Zener bidirectionnelle  

Symbole et courbes caractéristiques U/I d'une diode Zener bidirectionnelle

Propriétés :

  • La fonction est généralement définie comme une protection fine.
  • Réaction très rapide.
  • Faible tension maximale admissible.
  • Modèle standard avec un courant admissible faible et une capacité élevée.
    • Pour une tension nominale de 5 V, le pouvoir de décharge maximum est d'environ 750 A.
    • Pour des tensions nominales supérieures, le pouvoir de décharge diminue nettement.

Particularités :

Il existe également des diodes avec une tension nominale plus élevée et un plus grand pouvoir de décharge. Ces types de diodes sont cependant beaucoup plus grands et ne sont donc presque jamais utilisés dans les circuits de protection combinés.

Légende :

UR = tension inverse
UB = tension de claquage
UC = tension de limitation
IPP = impulsion de courant de choc
IR = courant inverse

Varistances

Symbole et courbes caractéristiques U/I des varistances à oxyde métallique  

Symbole et courbes caractéristiques U/I des varistances à oxyde métallique

Propriétés :

  • La fonction est généralement définie comme une protection moyenne.
  • Les temps de réponse sont de l'ordre de la nanoseconde.
  • Réaction plus rapide que les équipements de protection à gaz.
  • Aucun courant de suite de réseau engendré.

Particularités :

Des varistances dont le courant nominal de décharge peut atteindre 2,5 kA sont utilisées comme niveau de protection moyen dans le cadre de la technologie MCR. En ce qui concerne l'alimentation, des varistances, dont le courant nominal de décharge peut atteindre 3 kA représentent des éléments essentiels des circuits de protection dans les parafoudres de type 3 pour la protection d'appareil. Les varistances utilisées dans les parafoudres de type 2 sont beaucoup plus performantes. Dans ce domaine d'application, la version standard supporte des courants nominaux de décharge allant jusqu'à 20 kA. Pour les applications spéciales, il existe aussi des parafoudres de type 2 avec jusqu'à 80 kA.

Légende :

A = plage de service à haute impédance
B = plage de service à faible impédance/plage de limitation

Parafoudres à gaz

Symbole et caractéristique damorçage dun éclateur à gaz  

Symbole et caractéristique d'amorçage d'un éclateur à gaz

Propriétés :

  • La fonction est généralement définie comme une protection moyenne.
  • Les temps de réponse sont de l'ordre de la nanoseconde.
  • Les versions standard évacuent des courants d'une intensité pouvant atteindre 20 kA.
  • Malgré un pouvoir de décharge élevé, les dimensions de ce composant sont très réduites.

Particularités :

La caractéristique d'amorçage liée au temps et à la tension engendre dans ce composant des tensions résiduelles, qui peuvent même atteindre 100 V.

Légende :

1) Temps de réponse statique
2) Temps de réponse dynamique

Éclateurs

Symbole et caractéristiques damorçage dun éclateur  

Symbole et caractéristiques d'amorçage d'un éclateur

Propriétés :

  • Cœur d'un parafoudre
  • Grande capacité d'extinction des courants de suite de réseau
  • Vitesse de réponse relativement élevée
  • Caractéristique d'amorçage dépendante d'une élévation de la tension sur la durée

Particularités :

Dans la plupart des cas, le cœur d'un parafoudre performant est constitué d'un éclateur. Dans ce composant, deux cornets électromagnétiques sont placés à une faible distance l'un de l'autre. Les surtensions provoquent un claquage entre les cornets électromagnétiques et un arc se forme. Cette trajectoire de plasma court-circuite la surtension. Des intensités élevées et en forte augmentation sont observées avec des valeurs atteignant des centaines de kA. Il existe des éclateurs ouverts ou fermés. Du point de vue physique, la capacité d'extinction et le pouvoir de décharge des éclateurs ouverts sont plus élevés.

La technologie Arc Chopping s'avère particulièrement performante pour les éclateurs. Un déflecteur est en outre placé en face des électrodes. L'arc est repoussé entre les électrodes vers ce déflecteur et y est écrasé. Des fragments d'arc se forment et sont soufflés hors de l'éclateur puis s'éteignent facilement. L'impédance élevée de l'éclateur est rétablie lorsque la surtension est éliminée.

Légende :

UZ = tension d'amorçage/tension d'allumage
tZ = temps de réponse

Circuits de protection combinés pour interfaces de signaux

Selon l'application, différents composants sont utilisés. Ils peuvent être combinés individuellement ou sous forme de circuits de protection complexes.

Circuit de protection à deux niveaux avec découplage ohmique (gauche) et circuit de protection à trois niveaux avec découplage inductif (droit)

Circuit de protection à deux niveaux avec découplage ohmique (gauche) et circuit de protection à trois niveaux avec découplage inductif (droit)

En combinant différents composants, il est possible de regrouper les avantages propres aux éléments en fonction des besoins. Par exemple, les combinaisons d'éclateurs à gaz et de diodes Zener bidirectionnelles constituent un circuit de protection standard pour les interfaces de signaux sensibles. Cette combinaison offre une protection performante, à réactivité rapide, avec le meilleur niveau de protection possible.

Les composants, classés comme niveaux de protection, sont montés en parallèle de façon indirecte. Des éléments de découplage ohmiques ou inductifs sont ainsi insérés entre les composants. Cela produit un amorçage différé des niveaux de protection échelonnés.

En principe, les circuits de protection se distinguent par les points suivants :

  • Nombre de niveaux de protection
  • Sens d'action du circuit (protection en mode commun ou différentiel)
  • Tension nominale
  • Effet d'atténuation sur les fréquences de signaux
  • Niveau de protection (tension de limitation)

Fonction de circuits de protection à plusieurs niveaux

Répartition de la tension dans un circuit de protection à deux niveaux  

Répartition de la tension dans un circuit de protection à deux niveaux

Lorsqu'une surtension se produit, l'élément le plus rapide, à savoir la diode Zener bidirectionnelle, est le premier à répondre. Le courant de décharge parcourt la diode Zener bidirectionnelle et la résistance de découplage montée en amont. La résistance de découplage permet de faire baisser une tension. Elle correspond à la différence entre les différentes tensions d'amorçage de la diode Zener bidirectionnelle et du parafoudre rempli de gaz.

Ainsi, la tension d'amorçage de l'éclateur à gaz est atteinte avant que le courant de choc n'exerce une surcharge sur la diode Zener bidirectionnelle. En d'autres termes, lorsque l'éclateur à gaz se déclenche, la quasi-totalité du courant de décharge le parcourt. La tension résiduelle dans l'éclateur à gaz s'élève à 20 V max. afin de décharger la diode Zener bidirectionnelle. En cas de faible courant de décharge, qui n'exerce pas de surcharge sur la diode Zener bidirectionnelle, l'éclateur à gaz n'intervient pas.

Le circuit représenté assure une réponse rapide en limitant la tension à une faible valeur et possède en même temps un pouvoir de décharge élevé. Un circuit de protection à trois niveaux avec découplage inductif fonctionne selon le même principe. La commutation s'effectue cependant en deux étapes : d'abord de la diode Zener bidirectionnelle à la varistance, puis à l'éclateur à gaz.

Le principe de répartition de la tension s'applique également entre les différents niveaux de protection, pour ce qui est de l'alimentation. Ainsi, la tension UW diminue par le câble situé entre les parafoudres de type 1 et 2 ainsi qu'entre ceux de type 2 et 3. Il existe toutefois aussi des parafoudres pour l'alimentation permettant une coordination sans câbles entre les niveaux de protection.

Légende :

UG = tension d'amorçage de l'éclateur à gaz
UD = tension de limitation de la diode Zener bidirectionnelle
UW = tension différentielle par la résistance de découplage

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