Nous aimerions penser que les alimentations électriques AC ou DC que nous utilisons pour alimenter nos circuits sont à la fois propres et bien régulées. Cependant, la commutation de charges inductives AC ou la commutation de contacts de relais DC et de moteurs DC combinent pour produire une qualité d’alimentation difficile à maintenir, d’où la nécessité de dispositifs de suppression des transitoires.

Les transitoires de commutation inductive se produisent lorsque une forme de charge inductive ou réactive, comme un moteur, une bobine électromagnétique ou une bobine de relais, est soudainement coupée. L’effondrement rapide de son champ magnétique induit une tension transitoire qui se superpose à l’alimentation en régime permanent. Ces transitoires de tension de commutation inductive peuvent atteindre des milliers de volts.

Les transitoires sont des variations de tension très abruptes qui se produisent dans les circuits électriques en raison de la libération soudaine d’une énergie précédemment stockée, soit inductive soit capacitive, entraînant la création d’un transitoire de haute tension ou d’une surcharge. Cette libération soudaine d’énergie dans le circuit en raison d’une action de commutation crée un pic de tension transitoire sous la forme d’une impulsion d’énergie abrupte, qui peut théoriquement avoir une valeur infinie.

Ce pic transitoire à haute dv/dt peut exister soit pendant une très courte période (millisecondes ou microsecondes), soit se produire de manière sporadique plusieurs fois par jour.

Nous devons également réaliser que les transitoires de tension ne commencent pas toujours à zéro volts ou au début d’un cycle, mais peuvent être superposés à un autre niveau de tension. Quoi qu’il en soit, les transitoires sont nuisibles car ils peuvent endommager les équipements électroniques, et doivent donc être supprimés et contrôlés.

Les dispositifs de suppression des transitoires peuvent prendre plusieurs formes, des contacts d’arc, des filtres, aux dispositifs semi-conducteurs à état solide. Les dispositifs de suppression des transitoires semi-conducteurs discrets, tels que les varistances à oxyde métallique (MOV), sont de loin les plus courants car ils sont disponibles dans une variété de capacités d’absorption d’énergie et de tensions, rendant possible un contrôle strict des transitoires indésirables et potentiellement destructeurs ou des pics de tension.

Les dispositifs de suppression des transitoires peuvent être utilisés en série avec la charge pour atténuer ou réduire la valeur énergétique d’un transitoire, empêchant sa propagation à travers un circuit, ou ils peuvent être utilisés en parallèle avec la charge pour détourner le transitoire, généralement vers la terre, et ainsi limiter ou maintenir la tension résiduelle.

L’atténuation d’un transitoire de tension est généralement réalisée à l’aide de filtres passe-bas connectés en série avec le circuit de charge. Lorsqu’un transitoire de tension se produit, il s’agit généralement d’un pic hautement rapide et à haute fréquence, de sorte que le filtre atténue ou bloque ce transitoire à haute fréquence tout en permettant aux composants d’alimentation ou de signal à basse fréquence de continuer sans perturbation. Un bon exemple d’atténuateurs de transitoires sont les rallonges filtrées du secteur.

Détourner un transitoire est généralement réalisé à l’aide d’un dispositif de type clamp de tension ou par l’utilisation de ce que l’on appelle communément un dispositif de type “crowbar”. Ces dispositifs connectés en parallèle présentent une caractéristique d’impédance non linéaire, car le courant qui y circule n’est pas linéaire par rapport à la tension à travers leurs bornes, comme l’indique la loi d’Ohm.

Un dispositif de clamp de tension tel qu’un MOV a une impédance variable selon le courant circulant à travers le dispositif ou selon la tension à ses bornes. Dans des conditions de fonctionnement normales à l’état stable, le dispositif offre une haute impédance et n’affecte donc pas le circuit connecté.

Cependant, lorsqu’un transitoire de tension se produit, l’impédance du dispositif change, augmentant le courant tiré à travers le dispositif à mesure que la tension à ses bornes augmente. Le résultat est un clamp apparent de la tension transitoire. Le caractère volt-ampère d’un dispositif de clamp est généralement dépendant du temps, car la grande augmentation du courant entraîne une dissipation importante d’énergie.

Les dispositifs de type “crowbar” sont un autre type de dispositif de suppression des transitoires qui détournent les pics de surcharge de tension à partir d’un circuit à la suite d’une action d’activation. Les dispositifs “crowbar” fonctionnent de manière similaire à une diode Zener, en ce sens qu’en conditions normales à l’état stable, ils n’affectent pas le circuit. Lorsque un transitoire est détecté, ils s’activent rapidement, offrant un chemin à très basse impédance qui détourne le transitoire de la charge connectée en parallèle.

Les dispositifs de suppression discrets des transitoires peuvent être divisés en trois catégories de base selon leur type de connexion et de fonctionnement.

• Filtres passe-bas en série (bloquant).
• Clampeurs de tension et coupeurs de tension en parallèle (détournant).
• Dispositifs “crowbar” connectés en parallèle (détournant).

Dispositifs de suppression des transitoires

Filtres de suppression des transitoires en série

Les transitoires sur une ligne d’alimentation AC peuvent varier de quelques volts à plusieurs milliers de volts au-dessus de la tension normale du secteur. Les dispositifs de suppression qui atténuent ou bloquent ces transitoires utilisent des circuits filtrants pour éliminer efficacement ces transitoires générés par le réseau en insérant un filtre de 100 Hz en série avec la charge connectée.

Le composant de fréquence d’un transitoire de tension à commutation rapide peut être bien plus élevé que la fréquence fondamentale lente de la source AC. Ainsi, un choix évident pour atténuer et contrôler ces transitoires indésirables est d’utiliser une section de filtre passe-bas entre la source et la charge.

Les filtres passe-bas, tels qu’un filtre LC, peuvent être utilisés pour atténuer tous les transitoires haute fréquence et permettre à la puissance ou au signal basse fréquence de passer sans perturbation. La forme la plus simple d’un filtre de suppression des transitoires est un filtre RC composé d’une résistance et d’un condensateur, placé directement sur la ligne d’alimentation pour atténuer les transitoires de haute fréquence.

Les filtres destinés à des applications d’alimentation AC comprennent généralement des inductances et des condensateurs pour former des filtres LC multistades dont le degré d’atténuation dépend du nombre de stades LC dans le filtre. Un filtre de suppression des transitoires AC typique est illustré ci-dessous.

Filtre de suppression des transitoires typique

Ce filtre AC passe-bas à deux étages fournit une forte atténuation entre ligne et terre sur toute la plage de fréquence, offrant ainsi une protection efficace contre les tensions transitoires en arrêtant tous les transitoires à haute fréquence et le bruit d’atteindre l’équipement de charge connecté. De plus, en réduisant les pics de tension et les transitoires, ces filtres d’alimentation secteur peuvent aider à éliminer toute interférence ou émission radiofréquence émise par l’alimentation.

Suppressors de transitoires clamping

Les dispositifs de clamp de tension sont utilisés pour limiter l’amplitude d’un transitoire à travers un circuit. Un dispositif de clamp de tension commence à conduire lorsqu’une tension seuil prédéfinie est dépassée, puis revient à un mode non conducteur lorsque la surpression de tension tombe en dessous de son niveau seuil. Ainsi, les pics de surpression de tension sont coupés à un niveau sûr par le dispositif de clamp.

Les dispositifs de clamp de tension sont généralement placés sur l’alimentation et en parallèle avec la charge pour la protéger contre les transitoires de tension haute dv/dt non souhaités. Un clamp de tension peut être aussi simple qu’une diode Zener sur une alimentation DC, mais pour les alimentations AC bidirectionnelles, nous devons utiliser des varistances à oxyde métallique (MOV), des diodes de suppression ou des résistances dépendantes de la tension (VDR) pour la protection contre les surtensions.

Notez que les dispositifs de clamp de tension détournent les courants de surcharge ; ils ne les absorbent pas comme le ferait un filtre, donc il faut faire attention à s’assurer que le chemin utilisé pour détourner le transitoire ne produit pas ou ne crée pas de problèmes supplémentaires pour le circuit.

Diodes Zener de suppression des transitoires

Les diodes Zener sont utilisées pour la protection des alimentations DC (unidirectionnelles) car elles se comportent comme des diodes normales dans leur direction polarisée vers l’avant, mais se mettent en conduction dans leur direction polarisée inverse. Ainsi, la tension de rupture inverse d’une diode Zener, V_Z, peut être utilisée comme référence ou niveau de tension de clamp.

Dans la direction inverse et en dessous de leur tension de rupture Zener, V_Z, les diodes Zener présentent une haute impédance à l’alimentation et conduisent très peu de courant de fuite. Cependant, lorsque la tension à travers le Zener est supérieure à sa tension Zener, elle commence à se décomposer avec sa conduction qui augmente progressivement à mesure que la tension augmente, offrant un chemin à très basse impédance vers le transitoire de surtension.

Suppression des transitoires Zener

Lorsqu’elle est connectée sur une alimentation ou à travers les composants protégés, la diode Zener est effectivement “invisible” jusqu’à ce qu’une tension transitoire apparaisse, car elle a une haute impédance en dessous de sa tension de rupture inverse et une basse impédance au-dessus de sa tension de rupture inverse.

Lorsque le Zener est en mode de rupture de fonction, c’est-à-dire lorsqu’il supprime un transitoire, la diode clampe instantanément la surtension pour limiter le pic à un niveau sûr, puis revient à la normale une fois que la tension transitoire est en dessous de la tension Zener, V_Z. Ainsi, la tension de clamp, V_C, est donc égale à la tension de rupture inverse du Zener. Grâce à ces caractéristiques de clamp, la diode Zener est utilisée pour supprimer les transitoires car elle détourne les courants potentiellement dommageables loin de la charge protégée.

La capacité en courant de surcharge et en puissance de la diode Zener est approximativement proportionnelle à sa surface de jonction. La plupart des diodes Zener sont conçues pour fonctionner à faibles niveaux de puissance et de tension. Les diodes Zener conçues pour fonctionner à des niveaux de tension plus élevés et absorber des courants de surcharge plus élevés sans dommage sont connues sous le nom de diodes avalanche.

Nous avons dit plus tôt qu’une seule diode Zener ne peut être utilisée que pour la suppression des transitoires sur des alimentations DC à l’état stable en raison de leurs caractéristiques de diode polarisée vers l’avant. Mais en connectant deux diodes Zener “dos à dos”, nous pouvons utiliser leurs caractéristiques de clamp à travers une alimentation AC bidirectionnelle.

Suppression des transitoires Zener

En connectant deux diodes Zener dos à dos, nous pouvons maintenant protéger à la fois la demi-cyclique positive contre les transitoires de surtension avec une diode Zener, et la demi-cyclique négative avec l’autre.

Si les deux diodes Zener ont la même tension de rupture inverse, alors un transitoire de voltage de n’importe quelle polarité sera clampé au même niveau de tension Zener car une diode Zener sera effectivement en polarisation inverse tandis que l’autre sera en polarisation directe.

Tandis que deux diodes Zener connectées dos à dos peuvent être utilisées pour la suppression des transitoires d’une alimentation AC, les dispositifs de suppression de tension transitoire (TVS) sont disponibles avec des jonctions opposées intégrées dans un seul dispositif, les rendant idéaux pour les applications d’alimentation AC. Les diodes avalanche bidirectionnelles sont disponibles dans une gamme de niveaux de tension et de puissance.

Suppressors de transitoires MOV

Tandis que les diodes Zener et les diodes avalanche à récupération rapide sont rapides à agir et efficaces pour clamping les surtensions, la technique de suppression des surtensions la plus courante est l’utilisation de varistances à oxyde métallique, ou MOV. En plus de leurs fortes tensions nominales, les varistances à oxyde métallique sont capables de gérer des courants de surcharge beaucoup plus élevés, même à un rythme plus lent, et peuvent être utilisées dans des lignes d’alimentation AC et DC pour se protéger de l’extrême tension, comme des transitoires de surtension.

Le MOV est un résistance variable dépendante de la tension semiconductrice placée en parallèle (shunt) avec la charge ou le composant à protéger. Les MOV ont une haute résistance à faible tension et une faible résistance à haute tension, leurs caractéristiques non linéaires tension-courant les rendent utiles pour se protéger contre les surtensions et les transitoires de tension sur les lignes électriques.

Les MOV se comportent de manière similaire aux diodes Zener connectées dos à dos, car ils peuvent être utilisés pour le clamping bidirectionnel de la tension, la conduction des transitoires augmentant à mesure que la tension augmente. Ces petits varistances en forme de disque offrent de hautes tensions de rupture dans les deux directions et peuvent absorber de plus grandes quantités d’énergie, ils sont souvent notés en joules plutôt qu’en watts.

Suppression des transitoires MOV

En tant que dispositif de clamp de tension, les varistances à oxyde métalliques offrent des résistances très élevées lorsque la tension à ses bornes est en dessous de sa valeur de rupture prédéterminée, agissant plus comme une résistance dépendante de la tension (VDR). Lorsqu’elles sont exposées à une tension transitoire élevée de n’importe quelle polarité, les caractéristiques électriques du dispositif changent et sa résistance devient très petite, clamping la tension à un niveau sûr.

Le principal objectif de la varistance à oxyde métallique lors de son utilisation comme dispositif de suppression des transitoires est de clamp la tension apparaissant à travers elle à un niveau sûr, car dans la plupart des applications, le dispositif est placé en parallèle avec le circuit ou le dispositif à protéger.

Suppressors de transitoires “Crowbar”

Un autre type de dispositif de suppression des transitoires connecté en parallèle (shunt) est connu sous le nom de protection électronique “crowbar”. Les dispositifs “crowbar” conduisent lorsqu’une tension seuil prédéfinie est dépassée en utilisant un état de conduction, ce qui résulte en une chute de tension d’à peine quelques volts, d’où leur nom de “crowbar”.

Les dispositifs et circuits “crowbar” créent efficacement un court-circuit lorsqu’une tension de déclenchement est atteinte et se retrouvent communément dans les alimentations stabilisées conçues pour produire une tension de sortie fixe, par exemple 12 volts constants ou 5 volts, mais peuvent également être utilisés pour protéger un circuit ou une charge contre des surtensions transitoires.

Les circuits “crowbar” à base de semiconducteurs sont placés en parallèle (shunt) avec la charge et sont capables d’atténuer des courants de surcharge très importants. Les thyristors sont généralement utilisés dans les circuits “crowbar” car ils ont une faible tension “de conduction” et peuvent maintenir les niveaux de tension bien en dessous des niveaux dommageables. Une fois enclenchés, ils peuvent détourner une quantité substantielle d’énergie transitoire vers la terre en s’affichant comme un commutateur de type très faible impédance.

L’inconvénient ici est que ce court-circuit peut provoquer le fonctionnement des fusibles ou des disjoncteurs du circuit si un circuit de commutation supplémentaire n’est pas prévu pour éteindre le clamp “crowbar” une fois qu’il est enclenché, surtout dans un système DC, car l’alimentation est court-circuitée par le dispositif “crowbar” et la tension de sortie sera donc zéro. Considérons le simple circuit de clamp “crowbar” ci-dessous.

Circuit de clamp “Crowbar” basique

Ici, un thyristor ou SCR est placé à travers l’alimentation et la charge avec le circuit diviseur de tension établi par les résistances R₁ et R₂, réglé pour polariser la grille du thyristor à un niveau suffisamment bas pour ne pas être activé “ON” lors du fonctionnement normal. Le SCR est donc

coupé et non-conducteur.

Cependant, lorsqu’un transitoire de surtension se produit et dépasse un niveau prédéterminé, la chute de tension sur la résistance R₂ augmente également et devient suffisante pour déclencher la grille du SCR à la conduction, ce qui en retour clamps la tension transitoire protégeant la charge. Le problème ici est que bien que la charge soit protégée de la surtension, cela ne protège pas l’alimentation, entraînant la fusion du fusible de l’alimentation. Ainsi, la protection de la charge contre le transitoire créé par le court-circuit de l’alimentation peut être supérieure à l’événement qui l’a déclenchée.

En plus d’utiliser des thyristors, pour la protection contre les surtensions des alimentations AC, des triacs peuvent être utilisés comme un dispositif “crowbar” et déclenchés de manière similaire. L’avantage d’utiliser des thyristors ou triacs pour la protection “crowbar” des alimentations AC réside dans le fait qu’ils s’éteindront automatiquement à chaque demi-cycle.

Ainsi, si un transitoire de courte durée d’une fraction de milliseconde déclenche le dispositif “crowbar”, l’action de détournement court-circuiterait simplement la ligne d’alimentation AC à laquelle elle est connectée pendant au moins un demi-cycle, ce qui peut être trop rapide pour que le fusible souffre.

Suppressors de transitoires “Zener Crowbar”

Nous pouvons améliorer la détection des transitoires et les performances du circuit “crowbar” de base ci-dessus en utilisant une diode Zener pour détecter une condition de surtension. Ici, le circuit de diviseur de tension résistif a été remplacé par une diode Zener comme montré.

Circuit de clamp Zener Crowbar

La tension d’alimentation DC, V_S, est surveillée par la diode Zener agissant comme un composant de détection des transitoires, dont la tension Zener, V_Z, détermine le niveau de tension auquel le SCR s’active. Lorsque la tension d’alimentation DC est inférieure à la tension de polarisation inverse de la diode Zener, la diode Zener ne conduit pas donc aucune tension ou courant n’est appliqué à la grille du SCR, qui reste ainsi “OFF”, non conducteur.

Si la tension d’alimentation augmente au-dessus de la tension de la diode Zener, comme dans le cas d’un transitoire de surtension, la diode Zener commence à conduire, permettant au courant de grille de circuler vers le SCR et le faisant passer “ON”, court-circuitant ainsi la tension d’alimentation de charge et faisant sauter le fusible. Ainsi, la charge est protégée contre les tensions transitoires au-dessus de la tension Zener, V_Z, car la diode Zener ne transporte que le courant de grille pour que le SCR s’active, tandis que le SCR lui-même transportera la majeure partie du courant de shunt.

Bien que ce circuit de clamp Zener “crowbar” soit une amélioration sur le réseau de diviseur de tension de base, il souffre d’une action d’activation douce car la courbe à la tension de rupture Zener est courbée plutôt que de présenter une montée abrupte. Le circuit basique “crowbar” peut être modifié et amélioré davantage en ajoutant un certain gain de tension au circuit de détection et de déclenchement sous la forme d’un seul circuit amplificateur ou d’un circuit amplificateur opérationnel.

Tous utilisent un circuit intégré avec une diode Zener intégrée, des transistors et un SCR. Le circuit de détection de surtension MC3423 est un seul circuit intégré conçu pour être utilisé avec un SCR de protection “crowbar” externe.

Résumé des dispositifs de suppression des transitoires

Alors que nous utilisons de plus en plus d’appareils électroniques dans nos vies quotidiennes, notre dépendance aux dispositifs de protection contre les surtensions augmente pour leur rôle crucial dans la protection de notre équipement contre les pics et les surcharges de tension. Les surtensions transitoires sont généralement causées par des circuits de commutation inductive ou capacitive qui libèrent des pics de haute tension soudains.

Ces pics et surtensions peuvent consister en une énergie élevée pendant une courte période, ou de manière intermittente pendant de courtes périodes et sont superposés à une valeur permanente comme une forme d’onde AC de secteur.

Les circuits de protection contre les surtensions peuvent prendre plusieurs formes, allant des filtres connectés en série qui sont conçus pour passer les tensions et courants de fréquence secteur tout en rejetant les harmoniques et le bruit haute fréquence indésirables, aux circuits de clamp et de protection “crowbar” connectés en parallèle qui dissipent la surtension vers la terre.

Le type le plus simple de filtre de ligne d’alimentation AC est un condensateur placé à travers la source de tension. L’impédance du condensateur change, entraînant une atténuation des transitoires à haute fréquence. Dans la plupart des applications, le dispositif de suppression des transitoires est placé en parallèle avec la charge protégée, ou en parallèle avec un composant à protéger.

Le but principal d’un circuit de suppression de tension est de clamp la tension à un niveau sûr. Les formes de dispositifs de clamp les plus courantes sont les varistances à oxyde métallique, les MOV et les diodes Zener. Les MOV sont mieux adaptées pour la protection des alimentations AC bidirectionnelles, tandis que les diodes Zener sont plus adaptées aux petites alimentations DC à faible énergie.

Les circuits “crowbar” à état solide, qui utilisent un SCR ou un triac comme “crowbar”, court-circuitent rapidement le transitoire de tension à travers l’alimentation pour faire sauter le fusible en cas de surcharge de tension. Des protecteurs bidirectionnels de transitoires/surcharges combinent un dispositif de clamp avec un crowbar, ou un clamp/crowbar avec un filtre, dans un seul module, et de nombreuses combinaisons différentes sont possibles.