Qu'est-ce que le circuit Crowbar ? Conception et fonctionnement

Schéma du circuit du pied-de-biche pour la protection contre les surtensions

Qu'est-ce que le circuit Crowbar ?

Le circuit du pied-de-biche est essentiellement un circuit électrique utilisé pour empêcher le circuit de surtension . Il fonctionne en plaçant un court-circuit ou un chemin à faible résistance sur la sortie de tension, un peu comme si l'on laissait tomber un pied de biche sur les bornes de sortie de l'alimentation, d'où son nom. Le circuit du pied de biche est un type de circuit de protection contre les surtensions.

Un circuit de type pied-de-biche est différent des autres circuits de sécurité ou de verrouillage, par exemple une pince en tirant. Une fois déclenchée, la tension tombe en dessous du niveau de déclenchement, généralement proche de la masse. Un pied-de-biche ne revient pas au fonctionnement normal lorsque la condition de surtension est supprimée.

En fonction de l'opération, un pied de biche actif est défini comme un pied de biche qui peut supprimer le court-circuit lorsque le transitoire est supprimé, ce qui permet à l'appareil de reprendre son fonctionnement normal. Les pinces actives sont utilisées lorsque les risques de survenance d'un transitoire sont élevés et fréquents, dans des circuits tels que le circuit de rotor de générateurs à double alimentation contre les transitoires de courant et de tension élevés produits par la surtension dans le réseau électrique. Ainsi, le générateur peut traverser le défaut et continuer rapidement à fonctionner même pendant la baisse de tension.

Le circuit du pied-de-biche a une faible tension de maintien qui lui permet de transporter un courant de défaut plus élevé sans perdre beaucoup de puissance pendant le processus. La faible perte de puissance dans le circuit du pied-de-biche en fait une option préférable par rapport aux autres dispositifs de sécurité.

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Composants requis

1. Fusible
2. Diode Zener
3. Diode Schottky
4. Thyristors
5. Résistances
6. Condensateurs

Schéma du circuit du pied-de-biche

Le schéma de circuit ci-dessus est le circuit du pied de biche qui est simple et facile à mettre en œuvre. Le circuit est également rentable et constitue une solution rapide pour la protection contre les surtensions. Le diagramme complet du pied de biche avec les valeurs calculées des composants utilisés.

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Fusionner

Un fusible est un dispositif de sécurité électrique qui est utilisé pour assurer la sécurité du circuit contre les pointes de surintensité. Son composant essentiel est un fil ou une bande métallique qui est utilisé en série avec le circuit. Lorsque le courant dans le circuit est trop élevé, la bande métallique fond en interrompant le circuit. Les valeurs du seuil du courant dans un circuit ne dépendent que du point de fusion de la bande métallique. Il s'agit d'un dispositif sacrificiel qui signifie qu'une fois qu'il est utilisé dans un circuit pour le casser, il doit être remplacé ou recâblé en fonction du type.

Les fusibles sont utilisés depuis très longtemps et au fil du temps ont évolué pour fonctionner sur la base de courants et de tensions nominales, d'un pouvoir de coupure et de temps de réponse très spécifiques, en fonction de l'application.

Il existe d'autres appareils également disponibles pour la même application, appelés disjoncteurs. Les disjoncteurs peuvent être utilisés comme alternative aux fusibles, mais ils ont des caractéristiques sensiblement différentes. En général, l'élément du fusible est en zinc, cuivre, aluminium ou alliage pour obtenir la caractéristique prévisible et stable.

Une représentation schématique générale d'un fusible est donnée ci-dessous.

Le symbole du fusible peut être différent en fonction des différentes représentations. Dans le circuit ci-dessus, il y a quatre représentations, la première étant la représentation CEI et les deux autres sont basées sur la représentation IEEE.

Les fusibles sont largement utilisés car ils présentent leurs propres avantages. Certains d'entre eux sont répertoriés ci-dessous :

1. Le fusible est le dispositif le moins cher disponible pour la protection d'un circuit électrique.
2. Le fusible ne nécessite aucun entretien.
3. Le fonctionnement du fusible est simple et aucune complexité n'est impliquée.
4. Fuse a la capacité d'interrompre un énorme courant de court-circuit sans produire de bruit, de flamme, de gaz ou de fumée.
5. Le temps de fonctionnement d'un fusible peut être bien inférieur à celui d'un disjoncteur.

Bien sûr, en plus de tous les avantages, il y a aussi des inconvénients, mais pas autant que les avantages. Deux d'entre eux sont donnés ci-dessous :

1. Pendant un court-circuit ou une surcharge, une fois que le fusible saute, le remplacement du fusible prend du temps. Pendant cette période, le circuit perd de la puissance.
2. Lorsque les fusibles sont connectés en série, il est difficile de distinguer le fusible à moins que le fusible ne présente une différence de taille significative.

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Diode Schottky

La diode Schottky dans ce projet n'est pas obligatoire et n'est utilisée qu'à des fins de protection. Il est principalement utilisé comme redresseurs dans les onduleurs haute fréquence basse tension, les diodes de protection de polarité et les diodes de roue libre. Elle est également appelée diode à barrière de surface, diode à électrons chauds ou diode à porteur chaud. C'est un peu différent des diodes à jonction PN normales où un métal comme le platine ou l'aluminium est utilisé à la place du semi-conducteur de type P.

Dans la diode Schottky, le semi-conducteur et le métal sont joints, formant une jonction métal-semi-conducteur où le côté semi-conducteur agit comme une cathode et le côté métallique agit comme une anode. Lorsque la jonction métal-semi-conducteur se forme entre le métal et le semi-conducteur, il en résulte une couche d'appauvrissement également appelée barrière Schottky.

Schottky est livré avec une faible charge stockée et présente une perte de puissance plus faible et des caractéristiques mécaniques plus efficaces. Il est fabriqué de manière à ce que toutes les surfaces externes soient résistantes à la corrosion et que les bornes soient facilement soudables là où le courant circule dans un seul sens et arrête le courant dans l'autre sens. La chute de puissance qui se produit dans cette diode est inférieure à celle des diodes à jonction PN. Lorsqu'une tension est appliquée aux bornes de la diode, le courant commence à circuler, ce qui entraîne une petite chute de tension aux bornes. Les chutes de tension plus faibles se traduisent par une efficacité plus élevée et une vitesse de commutation plus élevée.

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Diode Zener

La diode Zener est un type de diode qui permet au courant de la traverser dans les deux sens, contrairement à une diode normale qui ne permet au courant de circuler que dans un seul sens, de l'anode à la cathode. Ce flux de courant dans le sens opposé ne se produit que lorsque la tension aux bornes dépasse la tension de seuil appelée tension de Zener. Cette tension Zener est une caractéristique de l'appareil, qui régit l'effet Zener qui à son tour régit le fonctionnement de la diode.

Les diodes Zener ont une jonction p-n hautement dopée, ce qui permet à l'appareil de fonctionner correctement même lorsqu'une tension inverse est appliquée à travers lui. Cependant, de nombreuses diodes Zener reposent plutôt sur une panne d'avalanche. Les deux types de claquage se produisent dans l'appareil, la seule différence étant que l'effet Zener est prédominant dans les basses tensions alors que le claquage par avalanche se produit à des tensions plus élevées. Ils sont utilisés pour générer des alimentations stabilisées de faible puissance. Ils sont également utilisés pour protéger les circuits contre les surtensions et les décharges électrostatiques.

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Un schéma d'une diode Zener généralement utilisée dans les circuits est donné ci-dessous.

Thyristor

Le thyristor est essentiellement un dispositif à quatre couches, il se compose alternativement de deux semi-conducteurs de type P et de deux types N. La constitution d'un thyristor peut être représentée par P-N-P-N. Dans sa forme la plus basique, un thyristor a trois bornes :anode, cathode et porte. La porte contrôle le flux de courant entre l'anode et la cathode. La fonction principale du thyristor est de contrôler la puissance électrique et le courant en agissant comme un interrupteur.

Il est principalement utilisé comme redresseur car il peut passer rapidement d'un état de courant conducteur à un état non conducteur. De plus, son coût de maintenance est faible et fonctionnant dans de bonnes conditions, reste fonctionnel à long terme sans développer de panne. Les thyristors sont largement utilisés et dans une large gamme de circuits électriques, des alarmes antivol les plus simples aux lignes de transmission électrique.

Le fonctionnement d'un thyristor a été largement étudié au fil des ans et des données sur son fonctionnement qui sont assez précises sont connues. Pour le type de thyristor le plus basique qui a quatre couches (P-N-P-N) et trois jonctions (PN, NP, PN). Si l'anode est une borne positive par rapport à la cathode, les jonctions PN et PN sont polarisées en direct, tandis que la jonction centrale NP est polarisée en inverse. Par conséquent, la jonction NP bloque le flux de courant positif de l'anode à la cathode. On dit que le thyristor est en état de blocage direct. De même, le flux de courant négatif est bloqué par les jonctions PN externes. Le thyristor est dans un état de blocage inverse. Un autre état qu'un thyristor peut exister est l'état conducteur direct. Dans cet état, il reçoit un signal suffisant pour s'allumer et il commence à conduire.

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Un schéma de thyristor typique est illustré dans la figure ci-dessus.

Fonctionnement du circuit Crowbar

Attachez correctement tous les composants des valeurs actuelles telles qu'elles sont indiquées dans le circuit. Un circuit de pied de biche garde la trace de la tension d'entrée et n'agit que lorsqu'il dépasse la limite. Lorsque la limite est dépassée, le circuit provoque un court-circuit sur les lignes électriques et le fusible connecté, constitué d'un métal à bas point de fusion, fond en coupant le circuit. La valeur de la tension à laquelle le court-circuit se produit dépend de la tension Zener. Le SCR dans le circuit est directement connecté entre la tension d'entrée et la masse du circuit. Cependant, ce SCR est maintenu éteint en mettant à la terre la borne de grille du SCR. Lorsque la tension Zener est dépassée, la diode Zener commence à conduire et la tension est appliquée à la borne de grille du SCR. La tension appliquée à la borne de grille du SCR le rend conducteur et il y a un court-circuit entre la tension d'entrée et la masse. Ce court-circuit tire le maximum de courant possible du circuit et fait sauter le fusible isolant l'alimentation de la charge.

Cette disposition du circuit évite aux composants et au circuit lui-même un dépassement des tensions, en faisant sauter un fusible sacrificiel qui peut être remplacé très facilement.