Brevet FR2511556A1 — publié le 19830218

La présente invention concerne les seules surtensions induites sur le réseau basse tension de distribution d'énergie. Ces surtensions sont dues à trois causes : - effets selfiques lors de coupures brusques d'apparells puissants (postes à souder par exemple) : l'énergie est importante lorsque l'appareil en cause est puissant et a un fonctionnement défectueux. Elles peuvent entraîner la destruction d'appareils électroniques non protégés. - moteurs électriques : les à coups de fonctionnement et des démarrages brusques peuvent créer des surtensions mais là encore celles-ci ne sont vraiment dangereuses que lorsque le moteur est puissant et qu'il a un fonctionnement défectueux (marche sur deux phases par exemple). - foudre : ce sont les surtensions les plus redoutables, l'énergie mise en jeu est considérable.La décharge électrostatique s'effectuant à proximité ou sur une ligne basse tension, engendre une onde de choc de haute énergie dont le front de monté peut être de 100.000 V/pus Suite à un coup de foudre les éclateurs de poteaux peuvent laisser sur la ligne basse tension des surtensions de plus de 1000 V pendant plusieurs secondes. I1 est bien connu que les transistors supportent trés mal les surtensions même très brèves. Les circuits intégrés pour lesquels les pastilles actives ont des dimensions très réduites sont encore plus sensibles. Les nouvelles technologies (M O S par exemple) qui accroissent les temps de réponse rendent les circuits électroniques encore plus sensibles à des surtensions de faible énergie, de fort voltage, de durée très courte (nano seconde). En outre, l'environnement électrique d'un circuit intégré dans un ensemble électronique peut atténuer ou renforcer la surtension. Un appareil électronique branché sur le courant secteur comporte toujours une alimentation spéciale pour les éléments actifs de l'électro- nique et le circuit intégré est connecte par différentes résistances, condensateurs, selfs, aux entrées-sorties, qui peuvent elles-mêmes être connectées à l'alimentation. Cet ensemble va donc créer une impédance qui va s'opposer plus ou moins à la surtension. Les résistances seules s'opposent très efficacement aux surtensions, elles constitueraient même à partir de 1000 OHM une protection tres efficace pour les surtensions de faible énergie. Mais l'alimentation des circuits intégrés n'est bien souvent séparée du transformateur, abaisseur de tension que par des diodes et une résistance de faible valeur. Or, il est connu qu'un transformateur laisse passer les surtensions et parfois même les amplifie. Les appareils électroniques domestiques sont donc très sensibles aux surtensions. Les surtensions sur le courant secteur apparaissent entre phases, entre phase et neutre, entre phase et terre, entre neutre et terre. La seule façon pour que la surtension qui chemine en suivant le conducteur électrique n'atteigne pas l'appareil sensible est de disposer un élément entre le conducteur et la terre et de faire en sorte que cet élément devienne conducteur à partir d'un certain seuil de tension. Trois grandes familles de matériels sont à cet égard déjà utilise: - les parafoudres à gaz : l'ionisation d'un gaz (dopé ou non) établit un courant à travers le parafoudre ce qui fait chuter la tension en aval de celui-ci. La courbe de décharge (fig. 1) montre la lenteur de l'amorçage d'un tel dispositif, qui seul, est par conséquent impropre à la protection de l'électronique. Par contre, il peut écouler des courants de plusieurs centaines de milliers d'amperespendant plusieurs millisecondes, ce qui représente une énergie d'absorbtion considérable et l'indiquerait particulierement pour une protection contre la foudre. - les varistors à l'oxyde de zinc (fig. 2) : l'élément varistor devient conducteur à partir d'une certaine tension. Il oppose une résistance de plus en plus faible à une tension de plus en plus forte. Il est plus rapide que le parafoudre à gaz (1000 VrS) et bon marché mais il a l'énonne inconvénient de se détériorer petit à petit à chaque surtension. Son pouvoir d'écoulement (courant maxi écoule à la terre) n'est pas très grand. - les diodes zener : ces diodes zener de fabrication spéciale ont le même type de fonctionnement que toutes les diodes zener ; la jonction devient conductrice lorsque la tension à laquelle elle est soumise a accumulé suffisamment de charges pour franchir la barrière de potentiel. (fig.2) Il s'agit d'un semi-conducteur on peut donc obtenir un temps de réponse excellent (106 Vp S). La diode ne s'use pas comme un varistor à chaque absorbtion mais son pouvoir d'écoulement est très faible. Tous les constructeurs cherchent à combiner les différents avantages de ces trois familles de composants, et il existe de nombreuses versions de combinaisons des varistors et des éclateurs. Ces combinaisons ne sont pas toujours très efficaces pour l'électronique (temps de réponse insuffisant) et gardent le principal inconvénient du varistor à savoir sa durée de vie limitée. Ces combinaisons restent d'un prix tres abordable. La combinaison d'un parafoudre à gaz et d'une diode zener est séduisante quant aux performances, mais exige l'adjonction d'une self retardatrice (fig. 3) pour éviter que la zener reçoive l'onde avant l'amorçage du parafoudre. En effet, le temps ce réponse de la zener étant 100.000 fois plus grand que celui du parafoudre, celle-là sera détruite avant l'amorça- ge de celui-ci. Dans le cas de la protection contre les surtensions induites sur le secteur, l'adjonction de la self entraîne un surcoût prohibitif. La totalité du courant de l'installation doit en effet traverser la self. La chute de tension dans la self ainsi que ses dimensions ajoutent encore aux inconvénients. Pour pallier les inconvénients précédemmentcités, l'invention consiste à utiliser la combinaison de deux moyens pour obtenir une protection totale de l'électronique contre toutes les surtensions sans l'adjonction d'une self. - les diodes zener qui apportent leurs qualites de rapidité. - les disjoncteurs différentiels qui assurent automatiquement l'isolement des appareils sensibles. La figure 4 montre un ensemble de protection suivant l'invention : il s'agit, ici, d'un réseau triphasé comportant un neutre. Ce réseau comprend en amont un disjoncteur- différentiel (1) suivi par quatre dérivations vers un fil de terre (2), chacune des dérivations (3A - 3B - 3C 3D) comprenant un groupe de diode zener en montage "tête bêche". Une surtension de faible énergie induite sur les conducteurs sera écoulée par les diodes zener à la terre (2). Une surtension de forte énergie sera écoulée dans un premier temps par les diodes zener jusqu'à fusion de celleici. Au moment de la fusion le courant à la terre devient supérieur au seuil de déclenchement du disjoncteur différentiel (1) et celui-ci en déclenchant isole le réseau à protéger. Le choix des zeners est tel que la fusion, et par conséquent, la soudure de la pastille semi-conductrice se fera dans un temps de reponse gqUIYa(eh à celui du disjoncteur différentiel. La figure 5 indique les phases de fonctionnement : écoulement, echauffement, fusion des zeners puis isolement par le disjoncteur. Si la surtension apparaît entre phase et terre (cas de la fig. 5) seul le groupe de zeners sur la ligne de cette phase est sollicité. Si la surtension apparait entre neutre et terre, seul le groupe de zeners sur la ligne du neutre est sollicité. Si la surtension apparaît entre deux phases, chaque groupe de zeners correspondant à chacune des phases deviendra conducteur lorsque la la tension à ses bornes sera supérieure à son seuil et le courant de surtension s'établira à la terre mais la tension résiduelle à la sortie entre les deux phases sera le double de celle d'une surtension à la terre. Cet inconvénient n'est pas critique car les appareils électroniques supportent assez bien 800 V. Ils sont d'autre part rarement branchés entre phases. Pour que l'invention soit mieux comprise, nous décrivons, ci-dessous, une réalisation préférée de l'inventeur et naturellement toute autre adaptation basée sur la même combinaison appartiendrait a l'inventeon. Nous décrivons la réalisation d'un ensemble particulièrement destiné à un secteur 220 V alternatif que nous appelons "fusadee". Précisons que "fusadée" a fait l'objet d'un depôt de marque en France sous le n" 547.163. "Fusadée" est un empilage de six diodes zener montées tête bêche suivantle schéma de la figure 7. Les caractéristiques de chaque diode sont identiques et sont les suivantes : tension de début d'avalanche 144 V tension residuelle maximum 176 V - pouvoir d'écoulement (onde de choc normalisée) 6,5 ampères - puissance de dissipation maxi- en régime transitoire 1,5 KW. Cet assemblage de diodes suivant figure 7 est dispose a l'intérieur de deux embouts (4 et 5) métalliques et cylindriques placés en vis-à-vis et sans contact. Chaque embout est connecté à une extrémité de la ligne des diodes zener : ils sont destinés à jouer le rôle de cosse de raccordement. La tenue mecanique des embouts et de la ligne des zeners sont réalisées par un enrobage epoxy (6). Le "fusadée" ainsi realisé a la forme d'un fusible classique et se loge dans un porte-fusible standard. Il ressort donc que le "fusadée" se présente sous une forme facilement amovible, facilitant d'une part son contrôle et d'autre part 1 'interchangeabilité du du dispositif. En définitive, les caractéristiques du "fusadee" ainsi réalise sont les suivantes : tension du début d'avalanche 432 V - tension résiduelle maxi 528 V - pouvoir d'écoulement (onde de choc normalisée) 6,5-amperes- puissance de dissipation maxi en régime transitoire 4,5 KW. Le domaine de l'invention concerne particulièrement la protection de tous appareils électroniques alimentés a partir d'un réseau de distribution contre toute surtension externe induite. L'invention concerne particulierement la protection des appareils domestiques. 1. Dispositif ne comprenant pas de self pour la protection de circuit comportant des éléments transistorisés, contre des surtensions induites sur un réseau basse tension caractérisé par l'utilisation de diodes Zener montées entre phase et terre d'une part et entre neutre et terre d'autre part, destinées soit à absorber une surtension de faible énergie, soit à écouler dans un premier temps une surtension de forte énergie jusqu'à fusion desdites diodes Zener dont la jonction est alors conductrice et vient, par court-circuit à la terre, déclencher un disjoncteur différentiel placé en amont, isolant ainsi le réseau à protéger avec un temps de réponse de quelques millisecondes. 2. Dispositif selon revendication 1 contre les surtensions dont on ignore le sens à priori caractérise par le fait que chaque ligne (3) de diodes ZenerCtelle qu'indiquée en figure 4)comprend un montage tête bêche permettant d'être efficace quelque soit le signe de l'isolation. 3. Chaque ligne (3) de diodes Zener selon revendications 1 et 2 est caractérisée par le fait que le groupe des diodes est monté à l'intérieur de deux embouts métalliques et cylindriques disposés en vis-à-vis et sans contact, chaque embout étant connecte à une extré- mité de la ligne des Zener pour permettre le raccordement électrique extérieur, la tenue mécanique de l'ensemble en forme d'un banal fusi bleuivant figure 6)étant realisé par un enrobage intérieur (6) de résine epoxy.