Appliquer des limiteurs de surtension CA hybrides pour une meilleure protection contre les surtensions

Les dispositifs électroniques sont omniprésents et évoluent rapidement avec des circuits de plus en plus sensibles qui dépendent fortement de la protection frontale lorsqu'ils accèdent à l'infrastructure électrique, qui peut ou non disposer de la protection la plus récente contre les surtensions et les transitoires. Ces transitoires peuvent être le résultat de la foudre, d'une commutation ou d'une surtension similaire pouvant provoquer des événements de surtension et de surintensité susceptibles d'endommager ou de dégrader des dispositifs électroniques sensibles.

Les technologies existantes de protection contre les surtensions à faible coût, telles que les tubes à décharge gazeuse (GDT) et les varistances à oxyde métallique (MOV), détournent ou limitent l'énergie de surtension, l'empêchant ainsi d'atteindre le dispositif protégé. Chacun de ces deux dispositifs a ses avantages respectifs, mais tous les deux présentent des limites quant au nombre de transitoires qu'ils peuvent traiter avant de tomber en panne. De plus, les GDT peuvent ne pas couper complètement le courant, tandis que les MOV peuvent présenter des défaillances dues à un emballement thermique après un certain nombre d'activations d'événements transitoires.

Pour capturer le meilleur des GDT et des MOV tout en atténuant leurs faiblesses, des composants à technologies hybrides ont été créés dans un seul dispositif intégré avec un format physique comparativement plus petit pour un niveau donné de protection contre les surtensions. Bien que la nature complémentaire des composants intégrés améliore les performances des deux et étende leur durée de vie opérationnelle, pour être efficace, il est nécessaire de faire correspondre soigneusement les éléments GDT et MOV. Mis en œuvre correctement, ces limiteurs de surtension hybrides IsoMOV™ sont particulièrement utiles pour garantir la conformité avec la norme CEI/UL62368-1, une norme basée sur les risques pour les technologies de l'information et les équipements audiovisuels.

Cet article présente brièvement le fonctionnement des limiteurs de surtension GDT et MOV avant d'étudier des exemples de limiteurs hybrides IsoMOV de Bourns dans la pratique. Il conclut en montrant comment implémenter la technologie IsoMOV pour répondre à la norme CEI/UL62368-1.

Fonctionnement des dispositifs de protection contre les surtensions

Les composants de protection contre les surtensions fonctionnent de deux manières : ils peuvent fonctionner comme un commutateur, en déviant la surtension vers la terre (crowbarring), ou ils peuvent limiter la surtension en bloquant la tension maximum à un niveau réduit en absorbant et en dissipant l'énergie transitoire.

Le GDT est un exemple de protecteur crowbar. Il se compose d'un éclateur dans un gaz non réactif tel que l'argon, et il est câblé sur la ligne électrique. Si le niveau de tension est inférieur à la tension de claquage du GDT, le dispositif est en principe dans un état désactivé haute impédance. Si un transitoire augmente le niveau de tension au-dessus de la tension de claquage du GDT, ce dernier passe dans un état conducteur — ou activé — (Figure 1).

Figure 1 : Illustration des formes d'ondes de tension et de courant pour un GDT déclenché. Une fois la tension de claquage dépassée, la tension chute à environ 10 V, et le courant augmente de manière significative. (Source de l'image : Bourns)

Comme le GDT est câblé sur l'entrée d'alimentation, il court-circuite la source d'alimentation. Cela déclenche un fusible, un disjoncteur ou un autre dispositif de protection en série, protégeant ainsi les circuits en aval du GDT. Notez qu'à l'état désactivé, la tension est élevée et le courant est faible. À l'état activé, c'est le contraire qui se produit et la puissance dissipée est très faible, sauf à la transition entre les états. La réinitialisation de l'état du GDT nécessite que la tension d'entrée soit réduite en dessous de la tension de claquage. Si l'entrée de la ligne d'alimentation ne chute pas suffisamment, il se peut que le GDT ne soit pas réinitialisé et continue à conduire un courant « de suivi », le maintenant activé. La possibilité que le GDT reste activé est une limitation importante pour ce type de technologie de protection contre les surtensions.

Une varistance MOV est un dispositif de blocage. Comme le GDT, elle est placée sur la ligne électrique. En fonctionnement normal, la varistance MOV est dans un état haute impédance et n'absorbe qu'un faible courant de fuite (Figure 2).

Figure 2 : La caractéristique courant-tension d'une varistance MOV montre l'action de blocage bipolaire. (Source de l'image : Bourns)

Lors d'un événement de surtension, l'impédance de la varistance MOV diminue et absorbe plus de courant, dissipant ainsi la puissance. Cela réduit et limite la tension du transitoire. Lorsque le transitoire se termine, l'impédance MOV augmente et revient à son état normal. Les varistances MOV sont répertoriées en fonction du nombre de ces événements transitoires qu'elles peuvent tolérer. Après un certain nombre d'événements transitoires, le courant de fuite d'une varistance MOV peut augmenter. Cela augmente la puissance dissipée par le dispositif, ce qui provoque son échauffement. L'échauffement augmente le courant de fuite et peut provoquer l'emballement thermique de la varistance MOV, entraînant une défaillance catastrophique du dispositif.

Aucune de ces technologies de protection contre les surtensions n'est idéale en soi. Cependant, si les dispositifs GDT et MOV sont placés en série sur la ligne électrique, leur comportement complémentaire devient clair. En fonctionnement normal, le GDT est désactivé, et aucun courant de fuite ne circule dans la varistance MOV. Pendant une surtension transitoire, le GDT se déclenche, plaçant ainsi la varistance MOV dans le circuit. La varistance MOV bloque alors la surtension transitoire. Lorsque le transitoire est passé, la varistance MOV se désactive, réduisant le courant dans le GDT, lui permettant de se désactiver également.

Pour que les dispositifs GDT et MOV soient placés en série, il faut que leurs caractéristiques soient soigneusement adaptées afin qu'ils se complètent précisément. Les implémentations discrètes sont soumises à un large éventail de variables, de la conception à la fabrication, aux tests et au conditionnement, ce qui complique la tâche des concepteurs pour trouver les bonnes correspondances. Pour relever ces défis, les protecteurs hybrides IsoMOV de Bourns combinent un ensemble soigneusement adapté de MOV et un élément GDT dans un seul boîtier beaucoup plus petit que les composants individuels (Figure 3).

Figure 3 : Le dispositif de protection contre les surtensions IsoMOV est formé en intégrant le GDT entre deux varistances MOV (a). Le symbole schématique composite est illustré à droite (b). (Source de l'image : Bourns)

La réponse en tension transitoire composite du protecteur hybride IsoMOV dans la Figure 4 montre comment les deux éléments fonctionnent ensemble.

Figure 4 : La réponse en tension du protecteur hybride IsoMOV montre que le composant GDT se décompose pour activer les composants MOV, protégeant ainsi les circuits en aval. (Source de l'image : Bourns)

Les deux éléments du protecteur hybride IsoMOV sont conçus pour résister indépendamment à la tension de service en régime permanent maximum (MCOV). Comme mentionné, le GDT bloque les courants de fuite MOV lorsqu'il n'y a pas de transitoire. Même après de nombreux transitoires, le GDT coupe les niveaux croissants de courant de fuite de la varistance MOV. La varistance MOV empêche le courant de suivi après une surtension transitoire, protégeant ainsi le GDT. La géométrie du dispositif IsoMOV augmente la capacité de surtension par unité de surface par rapport à une seule varistance MOV.

Du point de vue de l'ingénieur de conception, les dispositifs IsoMOV offrent une protection renforcée dans un petit boîtier intégré qui minimise à la fois le nombre de composants et l'espace carte. Par exemple, l'ISOM3-175-B-L2 est un protecteur hybride IsoMOV avec une tension MCOV de 175 volts efficaces (V_RMS), capable de gérer au moins quinze surtensions nominales de 3 kilo-ampères (kA) avec une tension de blocage maximum de 470 V (Figure 5). Il présente un diamètre de 13,2 millimètres et une épaisseur de 6,1 mm. Le diamètre varie en fonction de la tenue en courant maximum, et l'épaisseur augmente avec une tension MCOV croissante.

Figure 5 : L'ISOM3-175-B-L2 est un exemple du facteur de forme compact du protecteur hybride IsoMOV. Bien qu'il comprenne deux varistances MOV et un GDT, il ne mesure que 13,2 mm de diamètre pour une épaisseur de 6,1 mm. (Source de l'image : Bourns)

La gamme IsoMOV de Bourns comprend trois courants nominaux distincts de 3 kA, 5 kA et 8 kA, avec des valeurs MCOV de 175 à 555 V_RMS. Les dispositifs de milieu de gamme incluent l'ISOM5-300-B-L2, un dispositif de 300 V_RMS, 5 kA avec un diamètre de 17 mm et une épaisseur de 7,1 mm. La gamme à fort courant inclut l'ISOM8-555-B-L2, un dispositif de 8 kA avec une tension MCOV de 555 V_RMS. Il présente un diamètre de 23 mm et une épaisseur de 9,4 mm. Tous ces dispositifs ont une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C.

Les limiteurs hybrides IsoMOV de Bourns offrent ces valeurs de surtension de pointe dans un facteur de forme compact par rapport à l'utilisation de dispositifs MOV et GDT séparés. Ils ont des courants de fuite ultrafaibles, et le GDT en série étend la durée de vie de la varistance MOV. En outre, tous les dispositifs de protection contre les surtensions IsoMOV sont répertoriés en tant que composants UL1449 de type 4, ce qui facilite leur intégration dans les dispositifs de protection contre les surtensions.

Mise en œuvre de la protection aux niveaux CEI/UL62368-1

Les composants IsoMOV sont des solutions utiles pour atteindre la conformité à la norme CEI/UL62368-1. La nouvelle norme de sécurité CEI/UL62368-1 pour les équipements audiovisuels et de technologie de l'information et des communications repose sur les principes HBSE (ingénierie de la sécurité basée sur les risques) pour la sécurité physique des utilisateurs d'équipements et la réalisation des mesures de sécurité. Elle identifie les sources d'énergie potentiellement dangereuses et les processus par lesquels l'énergie peut être transmise à un utilisateur, tant en fonctionnement normal qu'en conditions de fonctionnement défectueux.

La conception de protection d'entrée d'alimentation recommandée dans la Figure 6 inclut des dispositifs de protection de la ligne au neutre, de la ligne à la terre de protection et du neutre à la terre de protection.

Figure 6 : Le circuit de protection d'entrée d'alimentation recommandé, conformément à la norme CEI/UL62368-1, comporte des dispositifs de protection de la ligne au neutre, de la ligne à la terre de protection et du neutre à la terre de protection. (Source de l'image : Bourns)

Les GDT en série avec les varistances MOV ou les IsoMOV entre la ligne et la terre ou le neutre et la terre sont nécessaires pour protéger contre les chocs électriques qui pourraient se produire si une varistance MOV était utilisé seule. Si la terre de protection n'était pas connectée, le courant de fuite de la varistance MOV seule pourrait être suffisamment élevé pour causer des blessures si l'utilisateur touchait le chemin de terre isolé. En plaçant le GDT en série, on élimine ce courant de fuite.

Les risques associés aux varistances MOV et aux dispositifs contenant des varistances MOV incluent les chocs dus à des courants de fuite excessifs et la possibilité d'incendie. En raison de leur mode de défaillance, les varistances MOV sont considérées comme des sources d'inflammation potentielles (PIS), ce qui exige que la conception comprenne des mesures visant à réduire la possibilité d'inflammation et à bloquer la propagation de tout incendie.

Les limiteurs de surtension contribuent à augmenter la fiabilité des produits et ils doivent être conformes aux tests spécifiques requis par la norme. Par exemple, la tension MCOV d'une varistance MOV doit être d'au moins 1,25 fois la limite supérieure de la plage de tensions de l'équipement. Pour les équipements dont la plage d'entrée est comprise entre 85 VCA et 250 VCA, la tension MCOV minimum pour une varistance MOV de protection de ligne dans un tel équipement doit être de 313 V. Les circuits de protection de ligne qui incluent une varistance MOV sur la ligne sont soumis à un test basé sur une tension de ligne de deux fois la valeur nominale. Le courant d'entrée est séquentiellement limité par des résistances à des valeurs de 0,125 A, 0,25 A, 0,5 A, 1 A et 2 A. La varistance MOV étant une source d'incendie potentielle, les tests se poursuivent jusqu'à la défaillance MOV. Ce test n'est pas nécessaire pour les varistances MOV dont la tension MCOV est supérieure à deux fois la tension de ligne nominale maximum en raison de la très faible possibilité de défaillance de la varistance MOV dans ces conditions.

Conclusion

Les protecteurs hybrides IsoMOV fournissent une protection améliorée et plus compacte des systèmes électroniques à mesure qu'ils évoluent, diminuent en taille et se déploient à un rythme accéléré, dans un contexte d'infrastructures vieillissantes ou mal protégées et de normes de protection des utilisateurs en constante évolution. Outre des gains d'espace et des performances exceptionnels, ils offrent une plage de températures étendue, de faibles courants de fuite et une haute tenue en énergie. Bien qu'ils soient particulièrement intéressants pour les applications industrielles exposées à des surtensions élevées, ils peuvent être facilement mis en œuvre dans les équipements audiovisuels et de technologie de l'information et des communications pour répondre à la norme CEI/UL62368-1 reposant sur l'ingénierie de la sécurité basée sur les risques (HBSE).