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Le tube à décharge gazeuse : un « ancien » composant de protection accroît sa polyvalence
La protection des circuits est comme une assurance : on n'en a pas besoin jusqu'au moment où on en a vraiment besoin, et on est alors soulagés de l'avoir. Cette protection se divise en deux grandes catégories : la protection contre les surintensités, par exemple au moyen d'un fusible, et la protection contre les surtensions, au moyen de dispositifs comme les varistances à oxyde métallique (MOV) et les parasurtenseurs à tube à décharge gazeuse (GDT) (Figure 1).
Figure 1 : Un GDT peut être utilisé pour la protection contre les surtensions, seul ou en association avec d'autres dispositifs de protection contre les surtensions et les surintensités. (Source de l'image : Bourns, Inc.)
L'idée des tubes à décharge gazeuse (GDT) et de leurs points de conduction peut évoquer des images tirées des films de Frankenstein, avec des composants et des assemblages volumineux et encombrants, créant des étincelles spectaculaires et très visibles. Cependant, les GDT destinés à la protection des circuits sont assez petits et les versions à deux électrodes se placent facilement entre la ligne ou le conducteur à protéger (généralement une ligne d'alimentation CA, un port E/S ou un autre conducteur exposé) et la mise à la terre du système.
Ces GDT offrent une fonctionnalité quasi idéale en déviant les surtensions plus élevées vers la terre. Dans des conditions de fonctionnement normales, le gaz à l'intérieur du dispositif agit comme un isolant et le GDT ne conduit pas le courant. Il est aussi invisible par le circuit que peut l'être un composant non idéal, avec une impédance de plusieurs gigaohms lorsqu'il n'est pas activé et seulement quelques picofarads (pF) de capacité parasite.
Cependant, lorsque la tension au niveau des bornes dépasse la tension d'amorçage du dispositif, le gaz dans le GDT devient complètement ionisé et ne fonctionne plus comme un isolant. Au lieu de cela, la conduction au niveau des bornes du dispositif se produit en une fraction de microseconde (Figure 2). L'effet crowbar du GDT limite efficacement la surtension à un faible niveau et détourne la surtension ou le flux de courant associé des composants et circuits en aval.
Figure 2 : Lorsque la limite de surtension est dépassée, le gaz GDT s'ionise et le dispositif passe d'une impédance quasi infinie à un trajet hautement conducteur en moins d'une microseconde. (Source de l'image : Bourns, Inc.)
Lorsque la surtension s'atténue et que la tension du système revient à des niveaux normaux, le GDT revient à son état de haute impédance (désactivé). Autre avantage : les GDT sont non polarisés (bidirectionnels) et ne s'usent pas avec les amorçages répétés, contrairement à d'autres dispositifs de protection contre les surtensions.
Malgré leur âge et le statut antique de leurs principes d'éclateur, remontant à Benjamin Franklin et à son expérience du cerf-volant (1752), et à l'utilisation de la formation d'arc à étincelles par Humphry Davy (début des années 1800), les GDT sont encore très viables. Ils évoluent constamment pour répondre aux besoins des circuits et des systèmes d'aujourd'hui.
Le chiffre habituellement cité pour la tension d'amorçage dans l'air est de 30 kilovolts/centimètre (kV/cm). En ajustant l'espacement des électrodes et d'autres facteurs, les GDT peuvent être construits avec des tensions de décharge en surface s'étendant de moins de 100 volts (V) à plusieurs milliers de volts.
Les améliorations des GDT se poursuivent
Par exemple, la série de GDT à fort courant nouvelle génération GDT28H de Bourns, Inc. améliore considérablement la protection contre les transitoires de tension provoqués par la foudre et d'autres perturbations de la ligne électrique CA. Leur courant de pointe nominal élevé permet de mieux limiter la tension lors d'événements à montée rapide, tout en conservant une taille compacte.
Ces tubes à décharge gazeuse haute tension à deux électrodes offrent une résistance d'isolement élevée et sont disponibles dans une plage de tensions d'amorçage CC de 1 kV à 3,3 kV, avec un courant de pointe nominal de 5 kiloampères (kA). Contrairement aux éclateurs spectaculaires que l'on voit dans les films, ces GDT sont des dispositifs entièrement fermés, et tous les produits de la gamme sont fournis en boîtier cylindrique de 8 millimètres (mm) × 6 mm à sortie axiale à montage traversant, avec une capacité inférieure à 1,5 pF (Figure 3).
Figure 3 : Le symbole schématique d'un GDT à deux électrodes (à gauche) représente les petits dispositifs à boîtier cylindrique de la série GDT28H. (Source de l'image : Bourns, Inc.)
Parmi les applications ciblées figurent les alimentations, l'éclairage, les applications CVC, ainsi que les produits devant être conformes à la norme CEI 62368-1:2018. Cette norme de sécurité très répandue s'applique aux équipements électriques et électroniques dans les domaines de l'audio, de la vidéo, des technologies de l'information et des communications, et des machines d'entreprise et de bureau dont la tension nominale est inférieure à 600 V.
La série GDT28H, certifiée UL, est particulièrement adaptée aux situations d'isolement CA. Elle atteint ces performances grâce à sa plage de tensions de fonctionnement étendue, à sa résistance d'isolement élevée et à son courant de pointe nominal plus élevé. De plus, la série GDT28H offre une vaste plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C, ce qui la rend particulièrement adaptée aux applications en conditions difficiles.
Le GDT28H-200-A, un GDT de 2000 ±400 V, est l'un des produits de cette gamme. Comme tous les produits de la gamme, il présente un courant nominal de choc de décharge de 5 kA en 8/20 microsecondes (µs). La tension d'amorçage au choc est de 2500 V (maximum) à 100 V/µs, et de 2750 V à 1 kV/µs.
Pour les concepteurs qui ont besoin d'évaluer ces GDT, Bourns propose également le kit de conception DK-GDT28H-01. Ce kit inclut 20 GDT de la série : 4 dispositifs avec tension d'amorçage typique de 1000, 1500, 2500 et 3300 V CC (5 de chaque).
La fonction GDT est un excellent exemple d'utilisation d'un principe physique fondamental dans des applications différentes et contradictoires. Tandis que les GDT sont entièrement fermés et utilisés pour forcer une surtension vers la terre, la bougie d'allumage d'un moteur à combustion interne utilise une décharge en surface exposée pour enflammer le mélange essence/air dans le moteur.
Voici la dichotomie : pour le fonctionnement des GDT, les étincelles résultent d'événements de surtension imprévisibles, mais pour les bougies d'allumage, les étincelles sont délibérément déclenchées de manière précise dans le temps.
Conclusion
La protection des composants d'un circuit contre les surtensions et les surintensités est essentielle à la conception d'un système. Les GDT détournent rapidement les transitoires vers la terre, empêchant ainsi une tension excessive d'atteindre, d'endommager ou de détruire les composants en aval. Bourns renforce l'utilité de ces dispositifs en les développant pour prendre en charge une large gamme de valeurs de surtension et de courants de pointe associés dans un petit boîtier cylindrique conforme à toutes les normes réglementaires applicables.
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À propos de l'auteur
Bill Schweber est ingénieur en électronique. Il a écrit trois manuels sur les systèmes de communications électroniques, ainsi que des centaines d'articles techniques, de chroniques et de présentations de produits. Il a auparavant travaillé en tant que responsable technique de site Web pour plusieurs sites spécifiques pour EE Times et en tant que directeur de publication et rédacteur en chef des solutions analogiques chez EDN.
Chez Analog Devices, Inc. (l'un des principaux fournisseurs de circuits intégrés analogiques et à signaux mixtes), Bill a œuvré dans le domaine des communications marketing (relations publiques). Par conséquent, il a occupé les deux côtés de la fonction RP technique : présentations des produits, des récits et des messages de la société aux médias, et destinataire de ces mêmes informations.
Avant d'occuper ce poste dans les communications marketing chez Analog, Bill a été rédacteur en chef adjoint de leur revue technique respectée et a également travaillé dans leurs groupes de marketing produit et d'ingénierie des applications. Avant d'occuper ces fonctions, Bill a travaillé chez Instron Corp., où il était chargé de la conception de circuits analogiques et de puissance, et de l'intégration de systèmes pour les commandes de machines de test de matériaux.
Il est titulaire d'un master en génie électrique (Université du Massachusetts) et d'un baccalauréat en génie électrique (Université Columbia). Il est ingénieur professionnel agréé, titulaire d'une licence de radioamateur de classe avancée. Bill a également organisé, rédigé et présenté des cours en ligne sur divers sujets d'ingénierie, notamment des notions de base sur les MOSFET, la sélection d'un CAN et la commande de LED.
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