Circuits Crowbar : comment ils protègent contre les surtensions

Schéma de circuit Crowbar pour protection contre les surtensions

Qu'est-ce qu'un circuit Crowbar ?

Le circuit crowbar est un circuit électrique utilisé pour protéger le circuit contre les conditions de surtension. Il fonctionne en créant un court-circuit ou un chemin de faible résistance à travers la sortie de tension, un peu comme jeter une barre à mine (crowbar) sur les bornes de sortie de l'alimentation, d'où le nom. C'est un type de circuit de protection contre les surtensions.

Un circuit crowbar diffère des autres circuits de sécurité ou de verrouillage (latching), par exemple un clamp (écrêteur). Une fois déclenché, la tension tombe sous le niveau de déclenchement, généralement proche de la masse. Un crowbar ne revient pas au fonctionnement normal quand la surtension est supprimée.

Basé sur le fonctionnement, un crowbar actif est un crowbar qui peut supprimer le court-circuit quand le transitoire est éliminé, permettant au dispositif de reprendre son fonctionnement normal. Les crowbars actifs sont utilisés quand les risques de transitoires sont fréquents, comme dans le circuit rotor de générateurs à double alimentation contre les transitoires de courant/tension élevés causés par les surtensions du réseau. Ainsi, le générateur peut traverser le défaut et continuer à fonctionner même pendant la chute de tension.

Le circuit crowbar a une tension de maintien faible qui lui permet de transporter un courant de défaut élevé sans perdre beaucoup de puissance. La perte de puissance plus faible le rend préférable aux autres dispositifs de sécurité.

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Composants requis

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

Schéma du circuit Crowbar

Le schéma ci-dessus est simple, facile à implémenter, économique et solution rapide pour protection surtension. Le schéma complet avec valeurs calculées des composants.

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Fusible

Un fusible est un dispositif de sécurité électrique protégeant le circuit des pics de surintensité. Son composant essentiel est un fil ou bande métallique en série dans le circuit. Quand le courant est trop fort, le fil fond, coupant le circuit. Le seuil de courant dépend seulement du point de fusion du métal. C'est un dispositif sacrificiel : une fois actionné, il doit être remplacé ou recâblé selon le type.

Les fusibles sont utilisés depuis longtemps et ont évolué pour fonctionner selon des courants/tensions nominaux spécifiques, capacité de coupure et temps de réponse, selon l'application.

Il existe aussi des disjoncteurs pour la même application, mais avec caractéristiques significativement différentes. Généralement, l'élément du fusible est en zinc, cuivre, aluminium ou alliage pour caractéristiques prévisibles et stables.

Représentation schématique générale d'un fusible :

Le symbole peut varier selon les représentations. Dans le circuit ci-dessus, quatre représentations : la première IEC, les autres IEEE.

Les fusibles sont largement utilisés pour leurs avantages :

1. Dispositif le moins cher pour protection circuit électrique.
2. Zéro maintenance.
3. Fonctionnement simple, sans complexité.
4. Capacité d'interrompre d'énormes courts-circuits sans bruit, flamme, gaz ou fumée.
5. Temps d'actionnement bien plus court qu'un disjoncteur.

Bien sûr, il y a aussi des inconvénients :

1. Lors de court-circuit/surcharge, une fois le fusible fondu, son remplacement prend du temps. Pendant ce temps, le circuit perd l'alimentation.
2. Quand fusibles en série, difficile de discriminer sauf différence de taille significative.

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Diode Schottky

La diode Schottky dans ce projet n'est pas obligatoire, utilisée seulement pour protection. Principalement utilisée comme redresseur dans onduleurs haute fréquence basse tension, diodes de protection de polarité et diodes de roue libre. Aussi appelée diode à barrière de surface, diode à électrons chauds ou porteurs chauds. Diffère des diodes jonction PN normales où métal (platine/aluminium) remplace le semi-conducteur type P.

Dans la diode Schottky, semi-conducteur et métal forment une jonction métal-semi-conducteur où le côté semi-conducteur agit comme cathode et le côté métal comme anode. Jonction métal-semi-conducteur = couche d'appauvrissement = barrière Schottky.

Schottky : faible charge stockée, perte de puissance moindre, efficacité plus haute, caractéristiques mécaniques supérieures. Fabriquée avec surfaces externes résistantes à la corrosion, bornes facilement soudables, courant dans un sens seulement, bloque l'autre sens. Chute de tension plus faible que diodes PN. Quand tension appliquée, courant circule avec petite chute de tension. Chute plus faible = efficacité plus haute, commutation plus rapide.

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Diode Zener

La diode Zener permet le courant dans les deux sens contrairement à une diode normale (anode vers cathode seulement). Ce courant inverse se produit seulement quand la tension aux bornes dépasse la tension seuil = tension Zener. Cette tension est une caractéristique du dispositif, gouvernant l'effet Zener qui gouverne le fonctionnement.

Diodes Zener : jonction p-n hautement dopée, fonctionnement correct même en tension inverse. Beaucoup reposent sur claquage avalanche. Les deux types se produisent, différence : effet Zener prédomine basses tensions, claquage avalanche à hautes tensions. Utilisées pour alimentations stabilisées faible puissance. Protègent circuits contre surtensions et décharges électrostatiques.

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Schéma typique d'une diode Zener :

Thyristor (SCR)

Le thyristor est un dispositif à 4 couches : 2 type P et 2 type N alternativement. Constitution : P-N-P-N. Forme basique : 3 bornes : anode, cathode, porte (gate). La porte contrôle le flux de courant entre anode et cathode. Fonction principale : contrôler puissance et courant électrique comme interrupteur.

Principalement utilisé comme redresseur car commutation rapide entre conduction et non-conduction. Coût maintenance faible, fonctionnement long terme sans défaut sous bonnes conditions. Utilisé largement : alarmes simples à lignes de transport d'énergie.

Fonctionnement étudié longuement, données assez précises. Type basique 4 couches (P-N-P-N) et 3 jonctions (PN, NP, PN). Si anode positive par rapport cathode : jonctions PN et PN polarisées directes, jonction NP centrale inverse. Donc NP bloque courant positif anode→cathode. Thyristor = état de blocage direct. Courant négatif bloqué par jonctions PN externes = blocage inverse. Autre état : conduction directe. Signal suffisant à la porte → commutation ON, conduction.

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Schéma thyristor typique :

Fonctionnement du circuit Crowbar

Connectez tous les composants aux valeurs du schéma. Le circuit crowbar surveille la tension d'entrée et n'agit que quand elle dépasse la limite. Quand limite dépassée, le circuit crée un court-circuit sur les lignes d'alimentation et le fusible (métal bas point de fusion) fond, coupant le circuit. La tension de déclenchement dépend de la tension Zener. Le SCR est directement connecté entre tension d'entrée et masse. Cependant, ce SCR est maintenu OFF en mettant la porte à la masse. Quand tension Zener dépassée, diode Zener conduit et tension appliquée à la porte du SCR. Tension à la porte fait conduire le SCR → court-circuit entre tension d'entrée et masse. Ce court-circuit tire le courant maximum possible et fait fondre le fusible, isolant l'alimentation de la charge.

Cet arrangement sauve les composants et le circuit des surtensions, en faisant fondre un fusible sacrificiel facilement remplaçable.