Composants et circuits de protection

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

Diodes Zener bidirectionnelles

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

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

Propriétés :

  • La fonction est généralement définie en tant que protection fine.
  • Réaction très rapide.
  • Faible limitation de la tension.
  • Modèle standard avec faible capacité de charge 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 gros et ne sont donc presque jamais utilisés dans des circuits de protection combinés.

Légende :

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

Varistances

Symbole et caractéristiques U/I des varistances à oxyde métallique  

Symbole et caractéristiques U/I des varistances à oxyde métallique

Propriétés :

  • La fonction est généralement définie en tant que protection moyenne.
  • Les temps de réponse sont de l'ordre de la nanoseconde.
  • Réaction plus rapide que les éclateurs à gaz.
  • Aucun courant de suite 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 technique MCR. En ce qui concerne l'alimentation, des varistances dont le courant nominal de décharge peut atteindre 3 kA représentent des éléments essentiels de circuits de protection de type 3 pour la protection d'appareil. Les varistances 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, le type 2 permet de supporter jusqu'à 80 kA.

Légende :

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

Éclateurs à gaz

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

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

Propriétés :

  • La fonction est généralement définie en tant que 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 encore s'élever à environ 100 V.

Légende :

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

Éclateurs

Symbole et caractéristiques d'amorçage d'un éclateur  

Symbole et caractéristiques d'amorçage d'un éclateur

Propriétés :

  • Cœur d'un parafoudre
  • Grande capacité d'extinction des courants de suite
  • 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 branches sont placées l'une en face de l'autre, à une faible distance. Les surtensions engendrent un claquage entre les branches et un arc électrique 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. La capacité d'extinction et le pouvoir de décharge des éclateurs ouverts sont supérieurs.

La technologie Arc Chopping s'avère particulièrement performante pour les éclateurs. Une plaque d'impact est en outre placée en face des électrodes. L'arc électrique est repoussé entre les électrodes en direction de cette plaque d'impact et y est écrasé. Des fragments d'arc se forment ; ils sont soufflés hors de l'éclateur et 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 de façon isolée 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 (droite)

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

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 et à réactivité rapide.

Les composants, classés en niveaux de protection, sont connectés 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 valeur différentielle entre les différentes tensions d'amorçage de la diode Zener bidirectionnelle et du module de protection antisurtension rempli de gaz.

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 ci-dessus 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 via 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 concepts de parafoudre pour l'alimentation avec lesquels une coordination est possible sans câbles entre les niveaux de protection. Il existe toutefois aussi des concepts de parafoudre pour l'alimentation avec lesquels une coordination est possible 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 via la résistance de découplage

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