La protection des circuits n’a pas besoin d’être compliquée, mais différents cas d’usage et environnements nécessitent des conceptions et une ingénierie plus intelligentes pour garantir que l’électronique, les ordinateurs et les machines délicates d’aujourd’hui ne grillent pas lors d’événements de surintensité. (Image gracieuseté de Carling.)

L’électronique de nos appareils, machines et infrastructures est devenue plus petite, plus complexe et plus fragile. Si cette tendance à la miniaturisation nous a permis d’intégrer des appareils plus puissants, plus intelligents et plus rapides dans presque tout, elle a également rendu nos appareils plus sensibles aux surtensions imprévisibles et à d’autres événements de surintensité.

Ce ne sont pas seulement l’électronique grand public ou les circuits domestiques qui nécessitent une protection. Depuis l’électrification des États-Unis d’Amérique au 19ème siècle, l’électrification et l’automatisation qui en a découlé dans nos usines et chaînes de montage—et, au cours des dernières décennies, les immenses centres de données. Dans l’ensemble, ces besoins en énergie électrique ont dépassé tout ce que quiconque dans les années 1800 aurait pu prévoir. Cette croissance sans précédent de l’utilisation de l’énergie—de nos PC domestiques aux automates programmables de nos usines—nécessite une protection fiable contre les surintensités afin de garantir le mode de vie de nos concitoyens ainsi que la productivité de nos économies.

Les environnements à haute tension et à fort ampérage peuvent être dangereux pour les travailleurs. La protection des circuits ne protège pas seulement les équipements consommateurs d’énergie, elle protège aussi des vies.

Parmi les nombreuses vulnérabilités de l’électronique moderne, deux événements de surintensité sont les plus courants. L’un des événements de surintensité les plus fréquents est le court-circuit. Un court-circuit se produit lorsqu’une boucle se forme de la source d’alimentation vers elle-même, où peu ou pas d’impédance agit sur le courant. Cela transforme le circuit en une boucle de rétroaction positive, les électrons du circuit entrant en résonance et devenant de plus en plus énergisés au fil du temps. Le seul exutoire pour cette énergie croissante est de la transformer en énergie thermique. Cette augmentation de chaleur peut endommager l’électronique et les circuits sensibles, pouvant même provoquer des explosions.

Le deuxième événement de surintensité le plus courant est la surtension. Cela se produit lorsque des augmentations anormales de courant s’ajoutent à un circuit et dépassent la charge de courant prévue pour laquelle le circuit a été conçu. Un exemple est la foudre frappant à proximité d’une infrastructure électrique.

En outre, la protection contre les événements de surintensité ne vise pas uniquement à protéger l’électronique ou les machines industrielles ; elle vise également à protéger les travailleurs et les utilisateurs. Autrement dit, la protection des circuits agit également comme une mesure de sécurité visant à garantir la sécurité de personnes telles que les ouvriers d’usine, les consommateurs—et les personnes à proximité. Les événements de surintensité peuvent provoquer des explosions, des incendies et dépasser des niveaux d’ampérage que le corps humain ne peut supporter. En cas de surintensité sous tension, la protection des circuits constitue la dernière ligne de défense contre des blessures ou accidents potentiellement mortels.

Comment fonctionne la protection des circuits

La protection des circuits repose sur l’idée de concevoir un point faible le long d’un circuit, de sorte que les événements de surintensité dépassant un seuil de courant déclenchent un disjoncteur ou un interrupteur pour ouvrir le circuit et arrêter le courant.

Les fusibles ont été parmi les premières méthodes de protection des circuits largement adoptées. Habituellement, les fusibles sont de fines pièces ou bandes de métal dont le point de fusion est proche des températures que leur résistance produirait avec une quantité de courant inacceptable. L’énergie thermique produite par le courant fait fondre le fusible métallique et ouvre le circuit, arrêtant tout le courant. Bien que les fusibles remplissent bien leur fonction, leur conception relativement simple peut avoir une efficacité variable selon le cas d’usage spécifique. Il est parfois nécessaire d’utiliser des méthodes de protection des circuits plus complexes offrant des avantages dans des cas d’usage plus élaborés.

Voici venus les disjoncteurs.

Les disjoncteurs ont été conçus comme une source de protection des circuits et de l’électronique plus fiable. Un disjoncteur contient plusieurs pièces qui peuvent être calibrées par les utilisateurs ou les fabricants pour répondre aux besoins de cas d’usage individuels—plutôt que de s’appuyer sur la résistivité d’une fine bande de métal, comme le fait un fusible. La conception des disjoncteurs peut varier selon les usages et les conditions, mais l’idée générale est qu’un composant est affecté par le courant (le surveillant ainsi), tandis qu’un autre composant (parfois appelé actionneur) coupe le circuit en cas de surintensité.

Matériel moderne disponible

Il existe trois grandes catégories de matériel moderne utilisé pour la protection des circuits contre les événements de surintensité : hydraulique-magnétique, thermique et à fuite (parfois appelée défaut à la terre).

Les disjoncteurs hydraulique-magnétiques sont composés d’un élément hydraulique et d’un élément magnétique. Ils exploitent la théorie de l’électromagnétisme régissant les solénoïdes et les tiges à noyau de fer pour contrôler le flux d’électricité dans le solénoïde à mesure que la tige à noyau de fer entourée par le solénoïde se déplace. Le temps de réaction de ces disjoncteurs dépend de la viscosité du liquide utilisé, qui agit comme un intermédiaire entre la tige à noyau de fer et le solénoïde. Plus le liquide utilisé est visqueux, plus le seuil de déclenchement pour un événement de surintensité est élevé.

Un disjoncteur hydraulique-magnétique simple lorsque le courant est à des valeurs nominales ou inférieures. (Image gracieuseté de Carling Electronics.)

Les disjoncteurs thermiques utilisent des bandes bimétalliques et un processus similaire à celui des thermostats. Les deux métaux de la bande réagissent différemment aux conditions thermiques, l’un se dilatant plus rapidement que l’autre. Cela fait courber la bande vers le côté qui se dilate le plus lentement, et ouvre le circuit si le courant produit trop de chaleur.

Une collection de disjoncteurs thermiques, dont la série CMB, qui a une capacité de coupure maximale de 2500A à 32VDC. (Image gracieuseté de Carling.)

Les disjoncteurs de fuite d’équipement et de défaut à la terre utilisent des mesures de la force électromotrice (FEM). Les courants d’entrée et de sortie produisent des FEM égales en amplitude mais opposées en signe (positif ou négatif). Pendant un flux normal, la somme de l’entrée et de la sortie s’annule mutuellement, et le circuit reste fermé. En cas de surintensité, l’une de ces FEM serait plus grande que l’autre, ce qui entraînerait une FEM nette non nulle qui est détectée et déclenche l’ouverture du circuit.

Une image d’un interrupteur de la série PC qui combine les meilleures caractéristiques d’un disjoncteur différentiel avec celles d’un disjoncteur normal. (Image gracieuseté de Carling.)

Chaque type de disjoncteur moderne présente des avantages et des inconvénients, et offre des solutions pour différents cas d’usage. Lors du choix d’un type de protection de circuit, il est préférable de comprendre les avantages et les inconvénients de chaque type afin de déterminer lequel répondrait aux conditions du cas d’usage. Par exemple, les disjoncteurs thermiques ne sont pas idéaux pour les endroits où les températures ambiantes sont trop élevées ou trop basses, ce qui peut provoquer de faux déclenchements (température trop élevée) ou empêcher le disjoncteur de se déclencher (température trop basse).

L’électronique et les machines dans des environnements difficiles ont besoin de solutions de protection des circuits qui ne tombent pas en panne dans ces conditions. Par exemple, si les conditions sont sous-marines ou si l’air contient une forte concentration de particules, un disjoncteur certifié étanche au niveau du panneau et de la commande serait le mieux adapté.

Pour les situations non surveillées où l’électronique ou les machines ne sont pas observées par des utilisateurs ou des travailleurs, la protection des circuits est également très importante. Dans de tels cas, les événements de surintensité peuvent passer inaperçus pendant de longues périodes, ce qui peut entraîner des dommages à des unités et circuits coûteux ainsi que le déclenchement et la propagation d’incendies. Un exemple de cette situation serait le nombre croissant de rangées dans les installations d’énergie solaire. Il n’est pas rare que les ingénieurs de ces installations fassent confiance aux disjoncteurs hydraulique-magnétiques en raison de leur capacité à mieux résister aux températures extrêmes que les disjoncteurs bimétalliques. Cependant, en raison des conditions souvent extrêmes dans lesquelles les installations solaires peuvent être mises en place, une conception supplémentaire est nécessaire pour éviter la surchauffe due à la présence d’arcs après une coupure du circuit.

La première étape vers une protection des circuits plus intelligente consiste à déterminer quel disjoncteur offre la meilleure solution. Pour tout cas d’usage ou condition environnementale, il existe probablement un disjoncteur qui réduira les coûts, diminuera la probabilité de défaillance critique, augmentera la sécurité et satisfera toutes les normes et certifications régionales. De plus, tout comme nos machines et notre électronique deviennent chaque jour plus intelligentes et performantes, les technologies et l’ingéniosité derrière la protection des circuits progressent également, alors restez à l’affût de nouvelles avancées !

Pour en savoir plus sur les composants de protection des circuits de Carling, visitez https://www.onlinecomponents.com/productsearch/circuit-protection/overcurrent-protection/circuit-breakers/.

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