Suppresseur de surtension

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Contexte

Les perturbations sur les lignes électriques se produisent en moyenne quatre fois par jour, selon des études de l'Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). Ces perturbations (augmentations de courant pouvant endommager les appareils électroniques branchés sur les prises) peuvent être causées par la foudre ou d'autres incidents liés aux conditions météorologiques ; accidents de la circulation affectant les lignes électriques; l'utilisation de produits électriques tels que des moteurs, des compresseurs et des lampes fluorescentes ; équipement électrique de grande puissance et fluctuations de tension initiées par une compagnie d'électricité ; et le bruit à haute fréquence. De telles perturbations peuvent interrompre ou anéantir le service électrique et endommager les équipements électriques. Les surtensions et les pointes peuvent être évitées en utilisant un parasurtenseur, un appareil qui sert à mettre à la terre les interférences ou, en d'autres termes, à faire passer les interférences dans le sol plutôt que dans l'équipement électrique, et/ou absorber l'excès de courant tout au long un système électrique. Les pointes et les surtensions peuvent endommager l'équipement électronique même lorsqu'il n'est pas allumé.

Historique

L'un des premiers suppresseurs de surtension a été développé par la société General Electric dans les années 1950. Un appareil similaire était en cours de développement au Japon à la même époque. Les suppresseurs de surtension initiaux utilisaient des redresseurs au sélénium (composants utilisés pour convertir le courant continu en courant alternatif) et, plus tard, des piles de carbone (composants en forme de disque utilisés pour transporter le courant).

La plupart des suppresseurs de surtension couramment utilisés aujourd'hui utilisent la technologie à éclateur, un système par lequel le suppresseur casse ou court-circuite les courants lorsque la tension appliquée à un appareil électronique dépasse la tolérance maximale, ou la valeur nominale, de l'appareil. Il existe trois types de suppresseurs de surtension à éclateur, de suppresseurs de tube à gaz, de suppresseurs de varistance à oxyde métallique (MOV) et de suppresseurs d'avalanche au silicium (un type spécifique de suppresseur de tension transitoire [TVS]). Les noms de type font référence aux matériaux qui sont le composant principal de chaque type de parasurtenseur.

Un TVS utilise un processus appelé "écrêtage de tension de polarisation inverse". Dans ce processus, l'excès de courant circulant à travers une diode TVS (un dispositif semi-conducteur tubulaire qui est similaire à une résistance) se décompose et devient un court-circuit lorsque la tension appliquée à un circuit dépasse le niveau d'avalanche nominal, ou maximum, de ce circuit. Un TVS n'est utilisé qu'avec des circuits à courant continu (DC), où le courant ne circule que dans un sens (comme dans une batterie de voiture), mais deux TVS placés dos à dos protégeront un système à courant alternatif (AC), où le courant circule à la fois façons.

Un suppresseur de tube à gaz est couramment utilisé avec les lignes de communication et d'alimentation en tension. Le suppresseur de tube à gaz court-circuite une surtension et transporte tout courant élevé associé à la terre, contournant le circuit qui serait autrement affecté, en fournissant un chemin basse tension pour l'excès de courant à travers un tube en céramique ou en métal. Le gaz dans le tube s'ionise pendant une surtension et crée un état conducteur dans le suppresseur. La surtension est transformée dans cette atmosphère conductrice en un arc de décharge, qui court-circuite le suppresseur, et tout courant élevé est mis à la terre. Le gaz se déionise ensuite et le suppresseur est réinitialisé.

Schéma de circuit d'un parasurtenseur.

Un MOV utilise des résistances variables, ou varistances, et est donc plus fonctionnel avec un système AC. Un suppresseur MOV absorbe une tension supplémentaire pendant les oscillations positives et négatives dans un système CA grâce à un processus connu sous le nom de serrage. Lorsque la tension appliquée au circuit dépasse la valeur nominale du MOV - la charge au-dessus de laquelle le MOV est censé être déclenché - un court-circuit est provoqué et la tension est transférée dans le corps absorbant du suppresseur MOV, contournant ainsi le circuit qui aurait autrement été perturbé.

Matières premières

L'assemblage proprement dit d'un parasurtenseur est relativement simple. La complexité de l'instrument réside dans les fonctions des différents composants. Le composant principal d'un suppresseur de tube à gaz est un tube cylindrique en céramique ou en métal pour contenir l'oxygène gazeux, qui transportera l'excès de courant. Ce type de suppresseur utilise également des rondelles de brasage en cuivre ou un alliage de cuivre et d'argent, des électrodes creuses à paroi mince en une substance telle que le Kovar avec des brides radiales et un matériau absorbant absorbant.

Les composants principaux d'un suppresseur MOV sont les MOV en céramique en forme de disque, qui absorbent le courant excédentaire. Ce type de suppresseur utilise également des composants en forme d'anneau entourés de bobines. Ces composants sont appelés selfs toroïdaux équilibrés, un type d'inducteur qui est un composant qui stocke l'énergie électrique sous forme de champ électromagnétique. L'inducteur se dilate et s'effondre pour maintenir un flux de courant constant dans toute la bobine. Des condensateurs haute fréquence plats rectangulaires ou en forme de disque et des condensateurs VHF peuvent être utilisés pour filtrer les interférences électromagnétiques et radiofréquences. Un condensateur stocke une charge électrostatique et augmente ou diminue la charge pour maintenir un flux constant de tension à travers le composant. Les composants sont tous montés sur une carte de circuit imprimé en matériau rigide et non conducteur, tel que la fibre de verre.

Le processus de fabrication

Suppresseur de tube de gaz

• 1 Tout d'abord, les extrémités du tube en céramique ou en métal doivent être équipées d'un matériau métallique conducteur tel que le cuivre. C'est ce qu'on appelle la métallisation.
• 2 Ensuite, des rondelles de brasage sont fixées aux extrémités métallisées du tube.
• 3 Des électrodes creuses à paroi mince avec des brides radiales pour la connexion avec les rondelles sont ensuite insérées dans chaque extrémité du tube.
• 4 L'ensemble est ensuite chauffé pour braser les composants, et l'intérieur du tube est évacué.
• 5 Le tube peut également être revêtu d'un matériau getter pour absorber tout gaz indésirable à l'intérieur du tube.

Suppresseur MOV

• 6 Tout d'abord, le circuit imprimé est métallisé (un circuit est tracé) avec une feuille de cuivre, un dépôt de cuivre ou un autre matériau hautement conducteur.
• 7 Ensuite, des emplacements pour les résistances et les condensateurs sont gravés dans le circuit imprimé métallisé.
• 8 Les MOV, les selfs toriques et les condensateurs sont soudés au circuit imprimé.
• 9 prises et un interrupteur marche/arrêt sont fixés, et l'unité est vissée dans un boîtier en plastique ou en métal avec des ouvertures pour les prises et l'interrupteur.

Contrôle qualité

Les appareils électroniques sont soumis à des spécifications strictes et à des exigences de contrôle de qualité strictes. L'IEEE, qui est un organisme de normalisation accrédité par l'American National Standards Institute, définit les normes que les équipements électriques américains doivent respecter pour être vendus. La plupart, sinon la totalité, des équipements électriques en vente aux États-Unis sont également testés par Underwriters Laboratories (UL), une société indépendante qui fournit des tests de sécurité et de performance des produits. Le sceau UL sur l'emballage des équipements électriques indique que ces produits ont résisté à ces tests. UL attribue également des notes aux produits en fonction de facteurs de sécurité et de performance. Ainsi, non seulement le sceau indique qu'un produit a réussi les tests UL, mais la note indique dans quelle mesure le produit a réussi ces tests.

Le futur

La conception du suppresseur de surtension étant assez simple, les nouvelles innovations se concentrent davantage sur l'amélioration du produit d'origine que sur la modification de sa composition. Alors que les parasurtenseurs MOV restent l'appareil le plus courant pour la protection contre les surtensions résidentielles et commerciales, de nombreux modèles de parasurtenseurs MOV sont disponibles. Certains modèles intègrent une résistance aux interférences de la ligne téléphonique et des méthodes de pointe pour éliminer les interférences sonores. De nombreux changements sont axés sur les packages. La configuration de la sortie est modifiée pour permettre à plus d'appareils d'être connectés au suppresseur et pour accueillir des transformateurs enfichables ; le boîtier est fait de matériaux plus durables, comme l'aluminium ; et des indicateurs LED de diagnostic (voyants indiquant l'état de la ligne et s'il y a des interférences) sont ajoutés. Alors que les besoins électroniques résidentiels et commerciaux continuent de croître à un rythme rapide et que la protection des équipements électroniques, en particulier des équipements informatiques et de télécommunications, devient primordiale, ce petit appareil électronique simple devient rapidement un composant nécessaire de toute configuration électronique.