Sélectionner et appliquer les IsoMOV pour une suppression maximale des surtensions dans un espace minimal

Alors que les dispositifs électroniques prolifèrent et que les réglementations régissant la sécurité des utilisateurs évoluent, les concepteurs recherchent des options pour améliorer la protection des dispositifs tout en minimisant les coûts et l'espace carte. Le problème est que la protection des circuits est un peu comme une assurance : elle peut sembler être une dépense inutile jusqu'à ce que l'on en ait besoin. Cette protection est nécessaire contre une variété d'aberrations et de défauts internes et externes, y compris les situations de surintensité, de surtension et de courts-circuits internes et externes. Ces événements peuvent désactiver temporairement ou définitivement un système, endommager le système, ses composants internes ou la charge, et même causer des dommages à un utilisateur.

Aucune solution de protection unique ne fonctionne pour toutes les défaillances et toutes les situations. Par exemple, lorsqu'il s'agit de mettre en œuvre une protection contre les surtensions (OVP), les protecteurs à thyristor (ou crowbars) tels que les tubes à décharge gazeuse (GDT) sont généralement mieux adaptés aux défaillances à long terme, tandis que les dispositifs de fixation de niveau tels que les varistances à oxyde métallique (MOV) sont mieux adaptées aux événements transitoires. Cependant, les GDT souffrent d'un courant de maintien, et les MOV peuvent tomber en panne de manière permanente et atteindre des températures dangereusement élevées en raison d'un emballement thermique. L'utilisation de ces deux composants connectés en série dans une approche hybride compense les problèmes potentiels, mais cette approche complique la configuration des cartes et augmente les coûts. Des avancées supplémentaires sont nécessaires pour éliminer ce compromis.

Cet article décrit l'importance de la protection contre les surtensions et les différentes approches pour y parvenir. Il introduit ensuite la technologie IsoMOV, qui combine les avantages des GDT et des MOV dans un seul dispositif avec une durée de vie plus longue et sans courant de maintien. Il présente enfin des exemples de dispositifs de Bourns Inc. décrit leurs principales caractéristiques et explique comment les sélectionner et les utiliser pour une protection efficace, efficiente et économique.

La protection a de multiples perspectives

Il n'existe pas de solution unique pour la protection des circuits et des systèmes. Il y a deux raisons à cela : premièrement, il existe de nombreux types de défaillances et d'événements contre lesquels une protection est nécessaire ; deuxièmement, l'ampleur et la durée de la défaillance déterminent le type et la robustesse de la protection nécessaire.

Les nombreuses situations générales de défaillances incluent les suivantes :

• Surintensité, lorsque la charge consomme trop de courant en raison d'un défaut externe, d'un court-circuit ou de la défaillance d'un composant interne (y compris la défaillance de l'isolation)
• Surtension, lorsqu'une partie du système est soumise à une tension excessive en raison d'une connexion défectueuse
• Surchauffe, lorsqu'un composant surchauffe en raison d'une conception médiocre, d'une gestion thermique inadéquate ou d'une chaleur ambiante excessive
• Défaillance d'un composant, c'est-à-dire la défaillance d'un composant interne qui entraîne une situation de surintensité/surtension qui endommage d'autres composants ou la charge

Les défaillances ont souvent des conséquences qui vont au-delà de la simple altération ou même de l'endommagement d'un système, car elles peuvent entraîner un risque d'électrocution pour les utilisateurs.

Crowbars et dispositifs de fixation de niveau pour la protection contre les surtensions

L'une des conditions de défaut les plus difficiles sur les circuits CA et CC est la surtension, appelée événement de surtension temporaire (TOV). Cette brève impulsion ou pointe est souvent due à la foudre à proximité ou à une commutation électrique qui injecte des transitoires dommageables dans les équipements électriques et leurs composants électroniques sensibles.

Deux grandes catégories de dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) sont utilisées pour traiter les événements TOV et de surtension : le protecteur à thyristor ou crowbar et le dispositif de fixation de niveau. (Notez que ces termes sont parfois utilisés de manière interchangeable dans le langage parlé, mais ce n'est pas la même chose.)

En bref, un crowbar court-circuite la ligne protégée, détournant ainsi la surtension et son courant vers la terre, l'empêchant d'atteindre les circuits (Figure 1). Le crowbar est déclenché pour passer dans ce mode basse impédance lorsque la situation de surtension se produit.

Remarque intéressante : le terme crowbar, utilisé en anglais dans l'industrie, se traduit littéralement par « pied-de-biche » en français, et provient vraisemblablement de l'action des ouvriers industriels des premiers jours de l'électricité, qui jetaient un véritable pied-de-biche en métal dans les barres omnibus d'alimentation et de terre lorsqu'une situation de surtension se produisait.

Figure 1 : Lorsque la fonction de protection crowbar se déclenche, elle devient un chemin à faible impédance entre la ligne qu'elle protège et la terre, détournant ainsi la surtension vers la terre. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Le crowbar reste en mode basse impédance jusqu'à ce que le courant descende en dessous du courant de maintien, auquel cas il revient en mode haute impédance, état de fonctionnement normal. Il doit être capable de supporter le courant qui le traverse tant que l'alimentation est en état de surtension.

En revanche, un dispositif de fixation de niveau empêche la tension de dépasser un niveau prédéfini (Figure 2). Lorsque la tension transitoire atteint le niveau limite pour lequel le dispositif de fixation de niveau est conçu, il bloque la tension jusqu'à ce que le défaut disparaisse, après quoi la ligne revient à son mode de fonctionnement normal. Il est important que la tension de blocage nominale soit supérieure à la tension de fonctionnement normale.

Figure 2 : Contrairement au crowbar, le dispositif de fixation de niveau limite la surtension à une valeur prédéfinie. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Un dispositif de fixation de niveau conduit juste assez de courant pour maintenir la tension à ses bornes à une valeur sûre et souhaitée pendant que le transitoire est supérieur à la tension de conduction du dispositif de fixation de niveau. Ce courant, bien que faible, peut conduire à des problèmes de sécurité qui doivent être traités et qui peuvent nécessiter une protection supplémentaire, un aspect abordé plus loin. Il doit être dimensionné pour la puissance qu'il devra dissiper pendant une durée spécifique, généralement un événement transitoire relativement court.

Mise en œuvre des fonctions OVP

Les crowbars et les dispositifs de fixation de niveau étant des dispositifs de protection critiques, il est essentiel qu'ils soient simples, fiables et que leurs performances soient bien comprises et constantes. En ce sens, ils sont comme le fusible activé thermiquement, le composant classique de protection contre les surintensités souvent utilisé comme couche de protection supplémentaire.

Le dispositif crowbar : Le dispositif crowbar le plus courant est le GDT, un éclateur soigneusement construit et dimensionné dans un boîtier hermétique rempli d'un gaz inerte. En fonctionnement normal, avant un événement TOV, il apparaît comme une résistance quasi infinie (Figure 3). Cependant, lorsque la surtension survient et dépasse la tension de conception du GDT, le gaz s'ionise et le tube s'amorce comme un éclateur, et passe d'une haute impédance à une très basse impédance. Cette modification court-circuite temporairement la ligne jusqu'à ce que le défaut disparaisse.

Figure 3 : Le GDT est un dispositif d'éclateur sophistiqué qui ne conduit que lorsque la tension entre ses bornes dépasse sa valeur de conception ; sinon, il ressemble à un circuit ouvert presque parfait. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Le GDT est fréquemment utilisé dans les circuits CC, les circuits de télécommunications et les circuits de signalisation, qui sont tous généralement exposés à un courant assez faible d'un ampère ou moins. Notez que contrairement aux GDT spectaculaires que l'on voit dans les films, le GDT pour les surtensions de faible niveau est un petit composant encastré à montage sur carte, et l'étincelle n'est pas visible. Les petits GDT sont proposés avec des valeurs nominales de 75 volts (V) à 600 V ; les plus grands sont proposés avec des valeurs nominales de plusieurs milliers de volts. L'un des problèmes des GDT est leur courant de suivi (également appelé courant de maintien), c'est-à-dire le courant qui continue à circuler même après l'extinction du défaut.

Le dispositif de fixation de niveau : Deux des options les plus utilisées pour le blocage sont les diodes de suppression de tension transitoire de puissance (PTVS) et les varistances à oxyde métallique (MOV), toutes les deux fréquemment utilisées pour la protection contre les forts courants dans les circuits CA et CC, les moteurs, les lignes de communications et les circuits de détection (Figure 4). Les MOV sont disponibles avec des tensions nominales s'étendant de quelques dizaines à plus de mille volts.

Figure 4 : La varistance à oxyde métallique – et le suppresseur de tension transitoire de puissance – fournissent une tension de blocage couvrant de nombreuses conceptions. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Les MOV conduisent généralement une petite quantité de courant de fuite, même avec des tensions appliquées qui sont bien inférieures à leur tension de seuil nominale. Si un MOV est soumis à des surtensions supérieures à sa valeur nominale, des dommages permanents peuvent se produire et entraîner une augmentation du courant de fuite. Même si ce courant n'est généralement que de quelques milliampères, il peut présenter un risque d'électrocution dans certaines circonstances.

De plus, un auto-échauffement se produira à l'intérieur du MOV si ce courant de fuite devient suffisamment élevé. Lorsqu'un MOV est connecté en permanence au secteur CA, cet auto-échauffement peut créer une rétroaction positive où un courant de fuite plus élevé entraîne un auto-échauffement accru, qui à son tour entraîne un courant de fuite encore plus élevé. Des surtensions ultérieures peuvent encore accélérer ce cycle.

À un moment donné, le MOV passe en mode d'emballement thermique qui génère une chaleur considérable et détruit le MOV. Dans certaines situations, la chaleur produite par le MOV peut devenir une source d'inflammation potentielle (PIS) et provoquer l'embrasement des matériaux voisins. Cet effet doit être pris en compte et traité pour la sécurité de base et les normes liées à la sécurité.

Une meilleure solution OVP

Afin de fournir une solution OVP qui n'a pratiquement pas de courant de fuite et offre donc une durée de vie plus longue, les concepteurs utilisent souvent un arrangement à deux composants. Cette approche hybride combine deux dispositifs discrets : un GDT et un MOV connectés en série (Figure 5), avec une courbe tension-temps combinée (Figure 6).

Figure 5 : L'approche hybride consistant à connecter un GDT et un MOV en série offre une solution OVP plus efficace. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Figure 6 : La réponse par rapport au temps de l'arrangement hybride GDT + MOV montre comment il combine les attributs de réponse de base de chaque dispositif. (Source de l'image : Bourns Inc.)

C'est un moyen efficace de faire en sorte que chaque dispositif compense les éventuelles lacunes de l'autre. Toutefois, cette approche implique des coûts :

• Espace plus important requis sur le circuit imprimé
• Composant ajouté à la nomenclature (BOM)

Un autre défi est que la disposition du circuit imprimé dans la région MOV et GDT est compliquée par les exigences réglementaires définissant la distance d'isolement et la ligne de fuite minimum, où :

• La distance d'isolement est la distance la plus courte dans l'air entre deux composants conducteurs
• La ligne de fuite est la distance la plus courte le long de la surface d'un matériau isolant solide entre deux composants conducteurs

Le problème est que la distance d'isolement et la ligne de fuite augmentent avec la tension. Par conséquent, le positionnement des composants MOV et GDT ajoute un autre mandat et une autre contrainte à prendre en compte dans la disposition de la carte.

Pour aider les concepteurs à résoudre ces problèmes de coût, d'espace et de réglementation, Bourns, Inc. a développé la série IsoMOV de composants de protection hybrides. Cette série offre une solution alternative qui combine à la fois un MOV et un GDT dans un seul boîtier, offrant les fonctionnalités équivalentes d'un MOV et d'un GDT discrets en série (Figure 7).

Figure 7 : Le symbole schématique de l'IsoMOV (à droite) montre qu'il s'agit d'une fusion des symboles standard individuels GDT (centre, gauche) et MOV (haut et bas, gauche). (Source de l'image : Bourns Inc.)

Un examen plus approfondi de la construction de l'IsoMOV montre qu'il ne s'agit pas simplement du regroupement évident et simpliste d'un MOV et d'un GDT dans un seul boîtier partagé (Figure 8).

Figure 8 : La construction physique de l'IsoMOV est une réalisation complètement différente de la fonction hybride, et non un simple regroupement de deux dispositifs individuels existants dans un seul boîtier. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Après l'assemblage du cœur, les sorties sont fixées et l'unité est recouverte d'époxy. Il en résulte un boîtier MOV disque à sorties radiales familier, légèrement plus épais mais avec un diamètre plus petit que les dispositifs conventionnels de même valeur (Figure 9). En outre, grâce à la conception en instance de brevet de la technologie à oxyde métallique, le composant IsoMOV présente également un courant nominal plus élevé pour la même taille. La pénalité d'encombrement et les problèmes de distance d'isolement et de ligne de fuite sont éliminés.

Figure 9 : Le boîtier disque à sorties radiales de l'IsoMOV ressemble à celui d'un MOV standard, sauf qu'il présente un diamètre plus petit et un courant nominal plus élevé qu'un MOV équivalent seul. (Source de l'image : Bourns Inc.)

L'IsoMOV n'associe pas seulement le meilleur des deux mondes, il présente également d'autres avantages de conception. Les défaillances des MOV sont généralement caractérisées par un « trou de surtension » au bord de la zone métallisée, généralement causé par une température élevée dans le MOV pendant une surtension. La technologie EdgMOV unique de Bourns est conçue pour réduire considérablement voire éliminer ce mode de défaillance.

L'examen d'un modèle IsoMOV fournit un aperçu plus détaillé. L'ISOM3-275-B-L2 présente une tension de fonctionnement continue maximum (MCOV) de 275 V efficaces (rms) / 350 VCC ; le courant nominal est de 3 kiloampères (kA)/15 opérations, 6 kA/1 opération (maximum). Il est également intéressant de noter sa faible capacité de 30 picofarads (pF) à 20 kilohertz (kHz), ce qui en fait un composant idéal pour les lignes de données haute vitesse, et sa faible fuite de moins de 10 microampères (µA).

Le rôle des normes

Les ingénieurs de conception doivent mettre en œuvre diverses formes de protection contre les surtensions (et autres) pour de nombreuses raisons, qu'il s'agisse d'une pratique de conception prudente ou d'une obligation imposée par diverses normes réglementaires. Certaines de ces normes sont universelles et s'appliquent à tout équipement répondant à un scénario de fonctionnement général, tel que le fonctionnement d'une ligne CA ; d'autres sont spécifiques à une certaine classe d'applications, comme les dispositifs médicaux. Les organismes de normalisation incluent UL, IEEE et CEI ; nombre de leurs normes sont harmonisées et sont donc identiques, ou presque.

Toutes ces normes sont complexes et comportent de nombreux mandats ; elles comprennent également des exceptions qui mentionnent des étapes ou des caractéristiques qui peuvent être éliminées dans certaines circonstances, ainsi que des exigences supplémentaires qui doivent être prévues dans d'autres. Par exemple, la norme CEI 60950-1, Matériels de traitement de l'information – Sécurité, et la norme UL/CEI 62368-1, Équipements des technologies de l'audio/vidéo, de l'information et de la communication - Partie 1 : Exigences de sécurité (qui a remplacé la norme CEI 60950-1 en 2020), exigent que la tension nominale du MOV soit au moins égale à 125 % de la tension nominale de l'équipement. En conséquence, la tension nominale d'un MOV doit être d'au moins 300 Vrms pour un circuit secteur de 240 Vrms.

Prenons le cas fréquent d'une prise CA, qui existe en version à deux ou trois broches. En théorie, la version à trois fils fournit une mise à la terre de sécurité, mais dans la pratique, cette mise à la terre n'est souvent pas connectée ou n'est pas disponible. L'absence d'une véritable connexion de sécurité à la terre peut entraîner une situation potentiellement dangereuse lorsque seuls les fils de phase et de neutre sont disponibles. Dans ce cas, il est nécessaire d'ajouter des éléments de protection à la conception pour éviter tout risque de choc électrique si les utilisateurs touchent des pièces conductrices qui sont supposées être mises à la terre mais ne le sont pas. Cependant, dans ce cas, la petite quantité de courant de fuite MOV peut devenir un risque d'électrocution.

La solution la plus courante pour éviter que le courant de fuite du MOV ne devienne aussi dangereux consiste à placer au moins un GDT en série avec le MOV (Figure 10). En utilisant un dispositif IsoMOV, les fonctions MOV et GDT sont combinées dans un seul boîtier compact. Ainsi, l'IsoMOV est également un composant qui permet de résoudre les problèmes et qui simplifie le respect des exigences de sécurité définies par la norme UL/CEI 62368-1.

Figure 10 : Pour éliminer les risques d'électrocution dus au courant de fuite inévitable dans une application non mise à la terre, deux dispositifs — un MOV et un GDT — peuvent être placés en série entre les lignes CA de phase et de neutre. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Figure 11 : L'alternative à l'utilisation d'un MOV et d'un GDT individuels consiste à utiliser un seul dispositif IsoMOV, permettant d'obtenir des performances identiques, voire supérieures, dans une solution globale beaucoup plus compacte. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Conclusion

Les ingénieurs ont souvent la lourde tâche de sélectionner la « meilleure » solution. Dans la plupart des cas, il y a des compromis à faire et il n'y a pas de réponse unique et simple. En général, lorsqu'il s'agit de mettre en œuvre une protection contre les surtensions, les crowbars sont mieux adaptés aux défaillances à long terme, tandis que les dispositifs de fixation de niveau sont mieux adaptés aux événements transitoires. Cependant, l'utilisation des deux dispositifs augmente l'encombrement et complique la configuration de la carte.

Mais aujourd'hui, il n'est plus nécessaire de faire des compromis. Les dispositifs IsoMOV de Bourns offrent une durée de fonctionnement beaucoup plus longue que celle d'un MOV seul, mais sans les problèmes de courant de maintien du GDT. Ils fournissent une protection contre les surtensions répondant à toutes les normes pertinentes dans une empreinte compacte. De plus, leur faible courant de fuite minimise les problèmes de courant de maintien, tandis que leur très faible capacité les rend adaptés à la protection des circuits haute vitesse, basse tension.