Proecion conre les perurbaions Composans de proecion par Michel GRACET Doceur ès sciences physiques ngénieur au Laboraoire cenral de recherches de Thomson-CSF avec la collaboraion de Joseph PNEL Doceur ès sciences physiques Chef de service des Technologies Avancées Thomson-CSF DCS Cenre élecronique Toulouse 1. Crières de la proecion idéale... 2 2. Composans semi-conduceurs... 3 2.1 Diodes polarisées en sens direc... 3 2.2 Diodes polarisées en sens inverse... 4 2.3 Disposiifs à effe hyrisor... 5 2.4 Comparaison e représenaion symbolique... 6 3. arisances... 6 3.1 Généraliés... 6 3.2 arisances à base de carbure de silicium... 7 3.3 arisances à base d oxyde de zinc... 8 3.4 Condiions générales d emploi des varisances à base d oxyde de zinc 1 4. Thermisances... 13 4.1 CTN... 13 4.2 CTP céramiques... 14 4.3 CTP polymères... 14 4.4 Propriéés communes... 15 5. Éclaeurs à gaz... 15 5.1 Principe de foncionnemen... 15 5.2 Principales caracérisiques... 17 5.3 Crières d emploi... 18 5.4 Durée de vie... 18 6. Comparaison e associaion de composans de proecion... 18 6.1 Comparaison... 18 6.2 Associaion de composans de proecion... 18 6.3 Exemples de modules de proecion... 2 7. Précauions à prendre dans l emploi de composans de proecion... 21 D ans ce aricle son présenés les crières de choix des composans de proecion ainsi que les différens ypes de composans : les composans semi-conduceurs [diodes e hyrisors qui assuren les proecions dies fines (faibles emps de réponse e ension résiduelle)] ; les varisances céramiques, rès uilisées en élecronique e en élecroechnique ; les éclaeurs à gaz, proecions bruales conre de fores perurbaions e, à ce ire, raremen employées seules ; enfin les hermisances, bien qu un peu à par dans ce domaine, mais souven employées en proecion conre des perurbaions de longue durée e de Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique D 5 171 1
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS faible niveau, conre lesquelles les composans précédens son sans effe ; de plus en associaion avec un el composan, elles permeen de fiabiliser la proecion. Les mécanismes élecriques e physiques responsables du comporemen non linéaire de ces composans son expliqués pour une bonne compréhension de la proecion. Les condiions générales d emploi de ces composans son précisées face aux différenes perurbaions données dans la parie héorique. Les différens moyens e leur durée de vie son évalués face à ces perurbaions, ce qui condui à un ableau général de comparaison des composans. Enfin son indiquées les associaions possibles de composans, qui amélioren grandemen la proecion : dans une elle associaion, chaque composan proège conre une gamme d énergie e (ou) une gamme de emps de monée pariculières. Noa : Pour de plus amples renseignemens, le leceur se reporera à l aricle D 5 17 de ce raié, iniulé «Proecion conre les perurbaions. Origine des perurbaions», e qui passe en revue les différens ypes de perurbaions renconrés. 1. Crières de la proecion idéale En présence d une perurbaion élecrique, l élémen de proecion (ou suppresseur) idéal doi limier sans délai la ension à un niveau inférieur à la ension maximale admissible par le circui proégé. Par ailleurs, il doi consommer une énergie minimale en régime permanen e une énergie maximale lors de la perurbaion. Les proecions de circui peuven êre placées soi en série, soi en parallèle avec le circui considéré. Les proecions en série regroupen rois classes de disposiifs : les fusibles, les inerrupeurs e les commuaeurs, qui réagissen de manière lene e peu sensible ; les filres, qui agissen dans un domaine de fréquence donné e ne peuven proéger conre des perurbaions rès variées ; on noera ouefois qu un filre, considéré comme un élémen série, es le plus souven consiué d un ensemble de composans simples don cerains (condensaeurs, par exemple) son en parallèle sur la ligne filrée. En fai ne seron considérés comme proecion que les filres pouvan dériver de l énergie vers la erre (référence de erre, masse élecrique du châssis ou de la care). La représenaion en es donnée sur la figure 23 ; les hermisances proègen conre les surinensiés lenes, elles peuven êre considérées comme des fusibles auoréarmables e présenen un grand inérê en associaion avec des composans de proecion plus rapides don le mode de défau es le courcircui. Les deux premiers ypes de composans ne feron pas l obje de ce aricle, leur acion n éan pas assez efficace conre les perurbaions considérées ; nous présenerons, par conre, de manière succince, les différens ypes de hermisances. Les proecions en parallèle son plus rapides : elles regroupen deux ypes d élémens : les élémens non linéaires, don la caracérisique élecrique ( ) peu êre décrie par la loi empirique : = K α (1) avec K consane dépendan de la géomérie de l élémen, α coefficien de non-linéarié Filre Ce filre dérive de l'énergie vers la erre. l peu êre considéré comme une proecion. Figure 1 Représenaion d un filre dérivan de l énergie vers la erre Ces composans limien la ension aux bornes du circui proégé, d auan mieux que leur non-linéarié es plus fore (figure 24) ; les élémens faisan chuer la ension bien au-dessous de la ension nominale du circui ; ce son principalemen les éclaeurs e cerains semi-conduceurs foncionnan en mode hyrisor. Pour une proecion parallèle, les qualiés essenielles son : une ension d amorçage la plus proche possible de la ension de foncionnemen du circui ; un emps de réponse rès faible ; un pouvoir d absorpion ou de déviaion d énergie imporan lors de la perurbaion ; une consommaion minimale d énergie en l absence de perurbaion ; une capacié élecrique faible, en cas d applicaions à haue fréquence. À ces propriéés fondamenales s ajoue l inérê d avoir des composans non polarisés, des dimensions réduies e une bonne enue aux agressions chimiques (en pariculier amosphériques) e hermiques. Enfin, il paraî nécessaire d indiquer que le niveau maximal de perurbaion n es, en général, pas connu. l en résule que le mode de défau de l élémen proeceur ne doi pas mere en danger le circui : si ce mode es le circui ouver, l élémen ou le disposiif proégé coninue de foncionner sans proecion ; s il es le cour-circui, le composan consomme inuilemen de l énergie e l élémen proégé cesse de foncionner. Dans les deux cas, une surveillance s impose pour remplacer l élémen défecueux. D 5 171 2 Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS Les domaines privilégiés de proecion concernen, d une par, les proecions à basse ension (< 1 ) e à moyenne ension (1 à 2 ) e, d aure par, les surcharges élecriques de faible e moyenne ampliudes, compe enu du fai que le pouvoir d absorpion en énergie de ces composans rese limié. s p s (α = 5) s s (α = 7) s surinensié incidene p ension du circui proégé s ension de seuil du composan de proecion s surension aux bornes du circui proégé α coefficien de non-linéarié Figure 2 nfluence de la non-linéarié d un composan de proecion parallèle sur le circui en surension La limiaion inrinsèque des élémens non linéaires es la ension présene à leurs bornes en mode de proecion ; cee ension es d auan plus élevée que la non-linéarié es faible. La limiaion des élémens agissan par abaissemen de ension es le couran parcouran le circui de proecion lors de la perurbaion. Noa : il n exise donc pas de composan universel, c es-à-dire ape à assurer efficacemen ous les cas de proecion : chaque suppresseur a ses propres caracérisiques, ses avanages e ses inconvéniens de sore que, uilisés séparémen, ils donnen des résulas de proecion nécessairemen limiés à leurs propres performances. Pour obenir une meilleure efficacié de proecion, il es souven envisagé l associaion de plusieurs ypes de suppresseurs de façon à profier des avanages de chaque ype ( 6). On réalise ainsi des modules de proecion. Nous allons présener les principaux produis disponibles e rappeler leurs principales caracérisiques, l accen éan mis sur les rois ypes de composans de proecion qui dominen le marché : les diodes au silicium, les varisances à oxyde de zinc e les éclaeurs à gaz. 2.1 Diodes polarisées en sens direc La foncion proecion de la diode en direc repose sur la variaion exponenielle du couran dans la diode avec la ension appliquée (figure 3). 2.1.1 Rappels des caracérisiques couran-ension d une diode La loi héorique donnan le couran dans une diode à joncion PN es : = S exp ------- e 1 (2) kt avec e charge élémenaire, S couran de sauraion, k consane de Bolzmann, T empéraure hermodynamique Pour une polarisaion direce F, l expression (2) devien : F S exp e F --------- kt avec e ------- 4 1 à la empéraure ambiane, kt F couran direc La diode condui e la ension résulane aux bornes du disposiif es faible (ension de coude C,5 à,7 ). Pour une polarisaion inverse R, l expression (2) devien : (3) 2. Composans semi-conduceurs R S (4) Le leceur pourra uilemen se reporer, dans le présen raié, aux références [1] e [11]. Ce son les composans les plus connus pour la proecion des équipemens élecriques e élecroniques vis-à-vis des surcharges élecriques e les plus uilisés, compe enu de la facilié de leur mise en œuvre e de leurs caracérisiques presque parfaies. La famille des composans de proecion semi-conduceurs au silicium comprend principalemen quare ypes de composans : les diodes polarisées en sens direc ; les diodes polarisées en sens inverse (diodes Zener e diodes à avalanche) ; les disposiifs à effe hyrisor ; les associaions, inégrées au niveau du silicium, de deux ou plusieurs ypes de ces composans ; ce son souven des combinaisons breveées par leur fournisseur e dans le nom commercial desquelles apparaissen le plus souven les vocables «surge» e «suppressor». Direc BR R F S C nverse Figure 3 Caracérisique saique d une diode PN Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique D 5 171 3
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS La diode es bloquée e rese parcourue par un couran inverse rès faible, jusqu à ce que la ension inverse appliquée aeigne la valeur de claquage BR de la joncion. Dans une uilisaion en direc, la diode suppore donc un couran imporan ou en présenan une chue de ension relaivemen faible. Pour réaliser un composan de proecion du ype diode en direc, on consiue généralemen un empilage de plusieurs joncions, de façon à ajuser la ension de coude résulane aux valeurs d uilisaion e de proecion souhaiées. On réalise ainsi des srucures à faible ension de proecion (de 1,3 à 1 ) avec, aure avanage, une faible capacié résulane. La plupar des modèles exisan sur le marché son, par ailleurs, bidirecionnels. Cependan, ces diodes en direc présenen une caracérisique qui s écare rapidemen de celle donnée idéalemen par l expression (3) ; cela es dû à l influence de la résisance à ravers le volume de ces composans, qui inrodui une chue ohmique imporane aux bornes des diodes, de sore que le coefficien de non-linéarié rese moyen ( α 2), α éan défini par l expression : avec F1 e F1, F2 e F2 respecivemen valeurs de couran e de ension de deux poins quelconques 1 e 2 sur la parie exponenielle de la courbe 2.1.2 Avanages e inconvéniens des diodes polarisées en sens direc Les avanages principaux de ces composans son : une faible ension de proecion (< 1 ) ; une faible capacié (1 à 1 pf) ; un disposiif à faible brui. Les inconvéniens son principalemen : un pouvoir d absorpion en énergie relaivemen faible (< 1 J) ; un couran de fuie imporan (1 µa à 1 ma) ; une fore sensibilié à la empéraure ; une gamme de ension de proecion rès limiée (1,3 à 1 ). Ces inconvéniens son pénalisans dans de nombreuses applicaions, de sore que les diodes en direc son aujourd hui peu uilisées ; leur uilisaion s impose si l on souhaie une rès faible ension de proecion ou bien en associaion en série avec d aures composans de proecion, afin de diminuer la capacié résulane. 2.2 Diodes polarisées en sens inverse 2.2.1 Descripion lg( α F2 ) lg ( F1 ) = ---------------------------------------------- lg( F2 ) lg ( F1 ) En fai, deux ypes de claquage peuven se produire : dans le premier cas (claquage par effe Zener), il s agi d un phénomène de conducion inverse par effe unnel qui n apparaî que pour des champs élecriques inenses e des joncions PN rès dopées ; ce phénomène es donc rare e ne se produi qu à des ensions inverses faibles ( BR compris enre 5 e 1 ) ; le second mécanisme (claquage par effe d avalanche) es, en revanche, rès couran e beaucoup de diodes dies Zener on en réalié un mécanisme de claquage par avalanche ; il s agi d un mécanisme de muliplicaion des poreurs de conducion (élecrons e rous) par ionisaion par choc des premiers poreurs libres e énergéiques avec les aomes de silicium [1]. Dans les deux cas, ce mécanisme ne devien imporan qu à parir d un cerain champ élecrique criique dans la joncion ; ce champ es foncion des caracérisiques physiques des élémens consiuan la joncion PN e, en pariculier, des dopages en impureés des régions P e N. l es ainsi possible, en agissan sur le dopage de ces régions, d ajuser la ension de claquage à la valeur désirée. En praique, le domaine couver par les diodes de proecion en sens inverse es rès éendu puisqu il va de 5 à 2 environ, ce qui explique en parie que ces composans de proecion soien rès uilisés. Technologiquemen, ces diodes son consiuées d une seule joncion PN au silicium, à surface e à volume opimisés de façon à permere de fores densiés de couran e à supporer sans dommage des surcharges élecriques relaivemen imporanes (par exemple, 1,5 kw pendan 1 ms). l exise sur le marché des modèles unidirecionnels e bidirecionnels, disponibles selon la ension d uilisaion souhaiée (5 à 2 ), avec plusieurs ypes de boîiers e plusieurs valeurs de puissance crêe (4 à 1 5 W pour une surcharge de durée 1 ms). 2.2.2 Principaux paramères élecriques des diodes de proecion polarisées en sens inverse Les paramères saiques son ceux indiqués sur la figure 26 ; il s agi de : RM ension inverse de crêe de foncionnemen en régime permanen ou ension de veille ; RM couran inverse de crêe associé à RM (égalemen couran de fuie de la diode) ; BR ension inverse de claquage, au-dessus de laquelle le couran dans la diode augmene foremen pour un faible accroissemen de la ension ; BR couran uilisé pour définir BR. Du poin de vue dynamique, en régime de surcharge, cerains paramères son égalemen indiqués sur la figure 26 ; il s agi de : P valeur crêe du couran (à ne pas dépasser) ou couran de surcharge ; CL ension d écrêage ou surension aux bornes de la diode, pour une impulsion de couran crêe P ; l impulsion es de forme sandardisée (généralemen onde 8/2 µs ou 1/1 µs) e, parfois, recangulaire de 1 ms de durée ; CL dépend égalemen de la forme e surou de la durée de l impulsion de surcharge élecrique, de la résisance de la diode e de ses caracérisiques hermiques. -- R P Comme leur nom l indique, ces composans de proecion son uilisés en polarisaion inverse, la conducion se faisan pour des ensions supérieures à la ension de claquage BR. BR RM RM BR CL R Figure 4 Diode polarisée en sens inverse : principaux paramères D 5 171 4 Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS l fau cier d aures caracérisiques imporanes. Le faceur d écrêage CL / BR es le rappor enre la valeur maximale de la surension aeine pour un couran de surcharge donné e la ension de claquage ; il caracérise la qualié de la proecion ; pour les diodes à avalanche, le faceur d écrêage es généralemen compris enre 1,2 e 1,5. La puissance crêe P P dépend de la durée de la surcharge, selon une loi de variaion en 1/2 pour des impulsions coures (jusqu à quelques nanosecondes), puis en 1. La figure 27a illusre cee dépendance. P P es le plus souven définie pour une surcharge d une durée de 1 ms. Exemple : une diode polarisée en sens inverse qui a une puissance crêe de 1,5 kw à 1 ms supporera sans dommage une surcharge de 1 kw de durée 1 fois plus coure (1 µs). Une correcion doi égalemen êre faie en foncion de la empéraure iniiale de la joncion (figure 27b). L énergie W qu un composan de proecion, don le foncionnemen es adiabaique, peu absorber es donnée par : W = v()i ()d Pour les diodes à avalanche, l énergie peu êre calculée à parir des paramères CL e P (généralemen spécifiés pour une impulsion ayan la forme d une onde 1/1 µs) : W = CL P (5) avec = 1 ms. Dans le cas où la surcharge élecrique a la même ampliude mais une forme différene, l énergie dissipée es oujours donnée par la relaion (5), avec la durée affecée d un coefficien de majoraion : 1,4 pour une impulsion recangulaire ou riangulaire, 2,2 pour une demi-arche sinusoïdale. En cas de surcharge anormale (cas où la diode à avalanche es soumise à une surcharge dépassan neemen les limies admissibles), la empéraure aeine localemen dans les poins chauds peu êre suffisammen élevée pour provoquer une fusion localisée de sore que la diode es alors en cour-circui. 2.2.3 Avanages e inconvéniens des diodes à avalanche Les diodes à avalanche (e Zener) son des composans de proecion rès séduisans grâce à leurs nombreux avanages : parfaie sabilié des caracérisiques dans le emps e excellene fiabilié (echnologie éprouvée) ; rès bonne enue en empéraure d uilisaion ( 65 à + 175 C) ; emps de réponse exrêmemen cour ( 1 1 s) ; faible impédance dynamique, ce qui condui à un rès bon faceur d écrêage ; ension de proecion bien sabilisée, praiquemen indépendane du couran de surcharge e, par voie de conséquence, coefficien de non-linéarié élevé (α > 5) ; large plage de ension disponible, en pariculier vers les moyennes e basses ensions ; choix de composans unidirecionnels e bidirecionnels. Les inconvéniens son peu nombreux : composan au silicium, donc relaivemen cher ; pouvoir d absorpion en énergie assez faible ( 1J) ; capacié relaivemen imporane (plusieurs nanofarads), pénalisane pour ceraines applicaions. Cela explique que leur uilisaion es aujourd hui généralisée dans ous les problèmes de proecion des équipemens élecroniques e élecriques professionnels e indusriels (microélecronique, informaique, avionique, auomobile, sysèmes de communicaion, applicaions embarquées, disribuion d énergie, insrumenaion, ec.). 1 2 P P (kw) 1 1,1 1 --7 1 --6 1 --5 1 --4 1 --3 1 --2 (s) a variaion de la puissance en foncion du emps P P 125 (%) P P(θi = 25 C) 1 75 5 25 5 1 15 2 θ i ( C) Correcion en foncion de la empéraure : la puissance crêe es spécifiée à la empéraure de 25 C de la foncion. Si la empéraure iniiale θ i dépasse 25 C, cee puissance doi êre diminuée. Cee courbe de déclassemen de la puissance es généralemen la même pour oues les diodes à avalanche. b courbe de déclassemen de la puissance Figure 5 Puissance crêe d une diode polarisée en sens inverse 2.3 Disposiifs à effe hyrisor Les disposiifs à effe hyrisor consiuen aujourd hui une famille de composans de proecion au silicium uilisés, préféreniellemen, pour la proecion des lignes de élécommunicaions e dans un domaine de ension de proecion relaivemen élevé (74 à 3 ). 2.3.1 Srucure e foncionnemen La srucure es mulicouche (quare couches PNPN au minimum) e le foncionnemen s apparene à celui d un hyrisor commandé en couran [1] e [11]. Le principe de foncionnemen (figure 28a) es le suivan : dès que la ension appliquée aux bornes du hyrisor dépasse un cerain seuil B, il y a commuaion de l éa bloqué vers l éa passan : le composan rese alors dans ce éa passan an que le couran qui le raverse es supérieur au couran de mainien H. Dans l éa passan, la ension aux bornes du disposiif es due seulemen à la chue ohmique produie par le passage du couran de surcharge à ravers le corps du hyrisor. Cee ension es faible (quelques vols), ce qui perme d aeindre des pouvoirs d absorpion imporans. 2.3.2 Principaux paramères des hyrisors Les paramères saiques son ceux qui son représenés sur la figure 28b : RM ension de veille, à laquelle correspond le couran de fuie à l éa bloqué RM ; Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique D 5 171 5
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS Éa inverse H A Éa passan B B Éa direc bloqué Le pouvoir d absorpion es variable selon l ampliude du couran de surcharge e sa durée, e dépend de l impédance hermique de la puce e du boîier. Exemple : on a les pouvoirs d absorpion (en valeur crêe) : pour une onde 1,2/5 µs, de 3 à 5 A ; pour une onde 1/1 µs, de 1 à 15 A ; la capacié parasie pouvan aeindre plusieurs cenaines de picofarads. Par rappor aux diodes à avalanche, le pouvoir d écoulemen du couran de surcharge es beaucoup plus imporan dans le cas des hyrisors, pour une même dimension de boîier. P B H RM A B poin de foncionnemen poin de ension proégée a caracérisique saique 2.3.3 Avanages e inconvéniens des hyrisors Malgré des avanages cerains (grand pouvoir d écoulemen en couran e bonne possibilié d absorpion), les disposiifs de proecion à hyrisors ne son uilisés aujourd hui que dans ceraines applicaions spécifiques, elle la proecion des équipemens de élécommunicaions, des lignes de ransmission de données, des sysèmes d alarme e des alimenaions. Cela es dû à leurs inconvéniens principaux els que : une ension de proecion élevée (> 1 ) ; une gamme de empéraure de foncionnemen limiée ; un emps de commuaion qui dépend de la raideur de la surcharge élecrique ; la mise en cour-circui de la ligne, à l éa passan. Comme dans le cas des diodes de proecion, il exise des disposiifs de proecion à hyrisors unidirecionnels e bidirecionnels. ON B BR RM B BR v b principaux paramères ON c emps de commuaion Figure 6 Disposiifs à effe hyrisor dv/d BR ension d avalanche ou ension de claquage minimale ; B ension d écrêage à laquelle correspond le couran B ; H couran de mainien (couran minimal) ; ON ension à l éa passan (foncion du couran de définiion) ; P couran de crêe à l éa passan. En régime dynamique, on peu cier les caracérisiques qui suiven. Le emps de commuaion ON (figure 28c) dépend de la raideur dv/d de la surcharge élecrique. Pour des surcharges rès rapides (dv/d supérieur à quelques vols par nanoseconde), ON vau plusieurs dizaines de nanosecondes (2 à 5 ns). 2.4 Comparaison e représenaion symbolique De ce qui précède, il es clair que les diodes de proecion (diodes en direc e surou diodes à avalanche) n on pas le même mode de proecion que celui des hyrisors : les uns son des disposiifs écrêeurs, qui mainiennen une ceraine ension de proecion pendan oue la durée de la surcharge élecrique ; les aures son des disposiifs dérivaeurs qui meen praiquemen en cour-circui la ligne qu ils proègen. Le choix du composan de proecion à semi-conduceur doi donc se faire, en premier, selon le mode de proecion souhaié ou olérable dans l applicaion prévue. Les aures paramères inervenan dans le choix son les caracérisiques de la surcharge (énergie, durée, rapidié, ec.) par rappor aux possibiliés des composans de proecion e aux ensions de proecion de ces composans. La figure 29 résume les allures ypiques ( ) des différens composans de proecion à semi-conduceur e rappelle leur représenaion symbolique. 3. arisances 3.1 Généraliés En héorie, une varisance es un composan élecrique don la résisance varie avec un paramère exérieur imposé. Dans la praique, ne son considérés comme varisances que les composans don la résisance varie en foncion inverse de la ension appliquée. D 5 171 6 Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS U a symbole normalisé C 1,3 à 1 b symbole courammen uilisé Figure 8 Représenaion symbolique d une varisance a diodes en parallèle en direc 5 à 2 BR b diode en inverse (modèle monodirecionnel) 5 à 2 C BR 5 à 2 L effe varisance es habiuellemen décri par la formule empirique [relaion (1)] : J = K α (6) avec J densié de couran raversan le composan, K coefficien dépendan de sa géomérie e du maériau uilisé, ension à ses bornes, α coefficien de non-linéarié (α > 1) Les varisances acuellemen connues regroupen deux ypes de maériaux : les varisances compacées à base de carbure de silicium, qui son les plus anciennes e don la préparaion, de ype céramique, implique des raiemens relaivemen complexes d oxydoréducion ; de plus, les non-linéariés obenues son faibles (3 < α < 6) ; les varisances à base d oxyde de zinc, apparues dans les années soixane-dix, qui présenen de fores non-linéariés (α > 2) e son préparées par friage d un mélange d oxydes, processus céramique rès simple e peu coûeux. -- B c diode Zener ou à avalanche êe-bêche (modèle bidirecionnel) H -- H B 75 à 3 d disposiif à effe hyrisor (modèle bidirecionnel) Figure 7 Allure ypique de ( ) e représenaion symbolique des différens composans à semi-conduceur Les normes NF C 3-24 e CE 617-4 définissen la varisance comme une résisance à variabilié inrinsèque non linéaire, dépendan de la ension avec le symbole de la figure 3a. Touefois, il es usuel, sur le plan inernaional, d uiliser le symbole de la figure 3b ; c es ce symbole habiuel que nous uiliserons dans ce aricle. Ces composans présenen un grand inérê pour la proecion des circuis élecriques conre les surensions momenanées. 3.2 arisances à base de carbure de silicium Connues depuis les années rene, elles on éé largemen développées dans les années cinquane pour la proecion e l adapaion de circuis éléphoniques. Elles présenen des coefficiens de non-linéarié α voisins de 5 pour des valeurs de densié de couran comprises enre 1 5 e 1 A/cm 2 e pour des ensions de 1 à 1 ou plus. Elles son préparées par mélange de carbure de silicium de pureé suffisane, d argile e de carbone. Si la résisivié ne dépend que du aux de carbone, les paramères α e 1mA (ension aux bornes de la varisance quand un couran de 1 ma la raverse) dépenden auan des condiions de synhèse (concenraions des diverses phases, empéraures e amosphères du raiemen hermique, granulomérie du carbure de silicium) que des paramères géomériques, els que l épaisseur de la pasille finale. À la place de la formule (6), on uilise souven pour décrire les propriéés élecriques de ces varisances la formule réciproque : = C β (7) avec C consane indiquan la ension aux bornes d une varisance lorsqu un couran = 1 A la raverse, β inverse du coefficien de non-linéarié (= 1/α) En raison de leur bonne enue aux fores densiés de couran e de la facilié à les mere en série (par suie de leur faible non-linéarié), ces varisances son uilisées en associaion avec des éclaeurs à gaz dans le domaine des parafoudres de rès fore dissipaion. La caracérisique de elles varisances es porée sur la figure 31 pour plusieurs valeurs de β e de C. Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique D 5 171 7
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS 1 2 Grains de ZnO Couran (A) Grains de phases isolanes 1 Phase inergranulaire riche en Bi 2 O 3 Figure 1 Microsrucure schémaisée d une varisance à base d oxyde de zinc 1 1 --1 1 --2 1 --3 1 --4 1 --5 4/3 6/4 8/4 1/4 12/4 15/5 1 2 5 1 2 5 1 2 2 5 1 3 Tension coninue () Figure 9 Caracérisiques couran/ension moyennes de varisances à base de carbure de silicium (d après documenaion Conrady) 3.3 arisances à base d oxyde de zinc 18/5 3.3.1 Préparaion e srucure Les varisances son obenues par friage, sous forme de pasille, d une céramique consiuée esseniellemen d oxyde de zinc ZnO, avec de faibles ajous (,1 à 5 % en masse) d aures oxydes els qu oxyde de cobal CoO, oxyde de manganèse MnO, oxyde d animoine Sb 2 O 3 e oxyde de bismuh Bi 2 O 3. La composiion chimique e les divers paramères du raiemen hermique influen de façon criique sur les propriéés élecriques du maériau. 22/5 25/5 34/6 4/6 48/6 55/6 65/6 8/6 1 5/7 18/7 1 1 /6 12/7 Le couple de valeurs indiqué sur chaque courbe es le couple C/β (C éan la ension aux bornes d'une varisance lorsqu'un couran = 1 A la raverse e β l'inverse du coefficien de non-linéarié α). La microsrucure d une varisance friée es alors consiuée de rois élémens (figure 32) : les grains d oxyde de zinc, don la aille moyenne peu êre de 2 µm ; des couches inergranulaires d une phase rès riche en oxyde de bismuh e d épaisseur rès variable (au plus quelques micromères, mais parfois inférieure à la résoluion des microscopes à balayage les plus performans, soi environ 1 nm) ; des peis grains de phases isolanes précipiées enre les grains d oxyde de zinc, e de aille voisine de 5 µm. 3.3.2 Propriéés élecriques 3.3.2.1 Régimes de conducion La caracérisique J ( ) de ces varisances es donnée figure 33, pour un domaine en ension de 1 à 1 e pour rois empéraures, elle se divise en quare paries correspondan à des régimes de conducion différens. Dans la région, la conducion es ohmique ; le coefficien de variaion de la ension avec la empéraure vau de,5 à 1 %/K. On y mesure une résisivié voisine de 1 8 Ω m. La région es une région de ransiion, de domaine en ension rès variable (environ rois décades en densié de couran) ; la conducance y es aussi hermiquemen acivée. La région, seule, présene le caracère de varisance : le coefficien α, mesuré, en général, à 25 C enre 1 3 e 1 2 A/cm 2 e parfois enre 1 3 e 1 3 A/cm 2, y aein respecivemen des valeurs de 7 e de 3. La ension de seuil s es naurellemen définie dans cee région ; c es d ordinaire la ension correspondan à une densié de couran de 1 3 A/cm 2. Le coefficien en empéraure es faible (,5 %/K), e d auan plus que J es plus imporan. Dans la région (au-dessus de 1 2 A/cm 2 ) apparaî une sauraion : la caracérisique J( ) end à redevenir ohmique, avec la résisance de la phase principale d oxyde de zinc (environ1 2 Ω m). 3.3.2.2 Crières esseniels Ces propriéés élecriques fondamenales pour les varisances à base d oxyde de zinc résulen de deux crières esseniels. Conducivié élevée de l oxyde de zinc : sa formulaion réelle es Zn 1+x O : il es semi-conduceur de ype N, la conducivié éan due aux ions Zn + inersiiels. Leur concenraion varie suivan les raiemens hermiques ; pour des échanillons friés au-dessus de 1 C, elle impose des conduciviés de l ordre de,1 Ω 1 m 1. Limiaion de la conducion par des barrières de poeniel de ype élecrosaique aux joins de grains : les difficulés d une analyse précise de la srucure physico-chimique des joins de grains n on pas permis de proposer le modèle héorique de la conducion élecrique dans ce maériau polycrisallin, plus de dix années après sa découvere. D 5 171 8 Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS Les caracérisiques expérimenales [symérie de la caracérisique J ( ), conducion élevée apparaissan aux environs de 3 par barrière, valeur de la capacié des barrières] peuven s inerpréer à + + l aide d un modèle simple, celui d une srucure N D NA ND où les éas donneurs volumiques N D de l oxyde de zinc voisins des joins de grains on cédé leur élecron aux éas accepeurs superficiels N A (figure 34a). La conducion se fai alors par émission hermo-ionique au-dessus de la barrière abaissée par le champ dans la région de la figure 33 (figure 34b) ; un mécanisme du ype unnel explique bien l appariion de fores non-linéariés aux ensions plus élevées (région de la figure 33) (figure 34c). Dans ce modèle, la chue de ension b es la même sur la oalié des joins de grains e es une consane du maériau, ce qui es expérimenalemen vérifié : quelle que soi la composiion chimique e si la non-linéarié es suffisane, on mesure pour J = 1 3 A/cm 2 b = 3,5 De ce fai, la ension de seuil s du composan représene cee ension par barrière b mulipliée par le nombre N b de joins de grains renconrés dans le sens du champ élecrique, c es-à-dire par le rappor de l épaisseur d de l échanillon à sa granulomérie moyenne g : s = N b b = (d/ g) b Exemple : ainsi, si d = 1 mm e g = 2 µm, on obien : s = 5 b = 175 Une conséquence immédiae de ces propriéés es l effe de la géomérie : la ension de seuil es proporionnelle à l épaisseur de la céramique, alors que le couran maximal es proporionnel à la surface des élecrodes méallisées en regard de par e d aure de la varisance. 3.3.2.3 Propriéés diélecriques e emps de réponse Une barrière élecrosaique, du fai de la largeur de la zone de dépléion de charges, présene une capacié imporane ( C b 5 1 9 F/cm 2 ). Les capaciés parasies on un effe sur le comporemen en ension alernaive : le circui es le siège d un couran alernaif don l ampliude peu aeindre 1 fois celle du couran de fuie mesuré à la même ension, mais coninue. Exemple : à 5 khz, l impédance capaciive Z(ω) d une varisance classique ( C 1 9 F ) aein : Z ( ω) 1 = Cω ------- = 19 /ω 3 1 3 Ω alors que pour s, en coninu, on a 3 1 5 Ω. La capacié C éan inversemen proporionnelle au nombre de barrières N b, il vien : C = C b /N b 1/N b 1/ s d où C s = Ce. De fai, les mesures donnen un produi C s 1 7 F, ce qui correspond, dans la praique, à des capaciés de 1 1 à 5 1 9 F pour des ensions de seuil respecives de 1 8 à 2 (échanillon de surface 1 cm 2 e d épaisseur 1 mm). Noons que les peres diélecriques son faibles ( anδ,3), mais présenen, en foncion de la empéraure, un pic à 2 1 5 Hz qui semble êre la signaure de l effe de la varisance, indépendammen du sysème chimique qui y condui. W c N + D N + D J (A/cm 2 ) 1 3 W v N D N -Ā Grain de ZnO N D Grain Grain de de ZnO ZnO W c énergie de la bande de conducion. énergie de la bande de conducion W v énergie de la bande de valence. énergie de la bande de valence a répariion des éas d'énergie 1 W 1 --3 x 1 --6 = (courbe supérieure). (courbe inférieure). 1 --9 1 C 5 C 25 C b barrière résulane à champ nul e à faible champ W 1 --12 1 1 1 2 1 3 s () x Épaisseur de l'échanillon : 1 mm Figure 11 Caracérisiques J ( ) déaillées des varisances à oxyde de zinc c barrière résulane à for champ (effe unnel) Figure 12 Modèle de la barrière élecrosaique Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique D 5 171 9
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS Du fai d un mécanisme de conducion de ype unnel dans une joncion, les emps de réponse inrinsèques son comparables à ceux observés dans les composans de ype Zener. Une mesure effecuée par Levinson [2] a monré que ce emps de réponse éai en effe inférieur à,5 ns (figure 35). Les emps de réponse réels en régime de proecion son sensiblemen plus imporans, ils dépenden en fai de l impédance Z C du circui. Exemple : pour une varisance d une capacié C de 5 1 1 F e un circui ayan une impédance Z C = 1 Ω, le emps de réponse observé sera approximaivemen : = CZ C = 5 ns 3.3.2.4 Possibiliés d absorpion d énergie En faisan varier la géomérie de la varisance (épaisseur, surface), il es possible de couvrir une gamme d énergie de,1 à plus de 1 J. D après la relaion (6), on a : s / = ( s /) α soi : = s (/ s ) 1/α s éan le couran parcouran la varisance à la ension de seuil s (ypiquemen s = 1 ma). Exemple : une varisance classique (diamère 13 mm, épaisseur 2 mm) proégean une ligne, sous une ension alernaive de 22, peu absorber une énergie maximale W de 3 J avec un couran maximal max de 3 ka. Si s = 4 e α = 3, il vien : max = 4 (3 /1 3 ) 1/3 658 Cela correspond à une durée maximale : = W/ max max = 3/(3 658) 15 µs 3.4 Condiions générales d emploi des varisances à base d oxyde de zinc 3.4.1 Calcul de l énergie dissipée Pour un emploi de proecion, il convien de fixer la ension de seuil à une valeur supérieure à la ension proégée, de manière que la varisance ne dissipe que peu de puissance en l absence de surension (ypiquemen,1 W). De plus, pour un emploi en alernaif, la ension de seuil doi êre supérieure à la ension de crêe. Dans la praique, les fabricans précisen pour chaque ype la ension alernaive maximale proégée e l énergie maximale dissipée dans la varisance (de l ordre de 1 J/cm 3 ). l es esseniel de vérifier qu en aucun cas on ne dépassera cee énergie maximale lors de l uilisaion de la varisance, ce qui aurai pour effe de dégrader cee dernière e, à erme, de supprimer la proecion. Noa : de manière générale, on choisi les varisances sur un crière de couran maximal absorbé pluô que sur un crière d énergie maximale pour une forme d onde donnée ; l énergie à considérer es alors proporionnelle à 2, le erme résisance manquan éan impossible à évaluer dans le cas d élémens non linéaires. 3.4.1.1 Différens cas de perurbaions éudiés Nous disinguerons rois cas pour le calcul de l énergie dissipée. v () 5 4 3 2 1 1 2 3 4 (ns) ension sur la charge en l'absence de varisance ension sur la charge écrêée par la varisance Figure 13 Mesure du emps de réponse des varisances à base d oxyde de zinc [2] L évoluion de la perurbaion élecrique dans le emps es calculable. C es le cas des décharges inducives dues à des élémens présens dans le circui considéré (cf. aricle [D 5 172] de ce raié). Les perurbaions son aléaoires mais leur niveau maximal peu êre déerminé ; par exemple, il es connu que les réseaux domesiques 22 doiven êre proégés conre les surensions de 6. Si la ension v aux bornes de la varisance ne doi pas dépasser 5 pour la plus fore surension ( s = 6 ), le couran dans la varisance va aeindre, puisque s Z C + s 6 5 = ----------------- = ------------------------------ 11 A Z C 5 Z C éan l impédance de la ligne pour la surension ; sa durée éan rès brève (environ 1 µs), les inducances des câbles e aures composans conduisen à une impédance esimée à 5 Ω pour un réseau domesique. On en dédui une énergie maximale dissipée : W max = = 5 11 1 5,55 J La perurbaion v s () ou i s (), d origine exerne au circui considéré, es inconnue. l fau alors mesurer sa forme aux bornes de la varisance v () ou i () e la décomposer en une suie d impulsions simples pour lesquelles il es possible de calculer la conribuion en énergie W i selon la formule : W i = A max max La forme de l impulsion es définie par une valeur max ou max, par sa durée e pas une relaion v () = f ( ) ou i ( ) = f ( ). Le coefficien A radui donc la forme de cee relaion. Si l impulsion es une surension v (), nous lui associerons une inensié i () = Kv α () ; si c es une surinensié i (), nous lui associerons une ension consane max puisque la ension aux bornes de la varisance dépend peu du couran qui la raverse. La figure 36 monre différenes formes d impulsions associées aux relaions précédenes e les coefficiens A correspondans. Le calcul de l énergie d une surcharge de ype double exponenielle, elle qu un coup de foudre, se résume à l addiion des deux paries exponenielles simples (exemple 3). D 5 171 1 Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS 3.4.1.2 Exemples de calcul d énergie Exemple 1 : soi la surension (cas de la figure 36g) : max max v () = max exp ( /1,4 ) i () = Kv α α () = K max exp ( α /1,4 ) On a : W = v()i ()d = α max K max exp [ ( α + 1) 1,4 ] d a = max max = K α max A = 1 b = max = max A = 1 d où : avec, si α = 3 : 1,4 W = α ------------ + 1 max max 1,4 A = ------------,45 α + 1 max max La figure 37 monre la caracérisique ( ) d une varisance correspondan à la ension d uilisaion du circui choisie (ici ension alernaive de 22 ). On voi que pour max = 9, max 5 A e = 1 µs, il vien : c v () = max i () = Kv () A,31 d i () = max = max A =,5 W 2 J l sera pruden d uiliser une varisance d énergie supérieure, par exemple 5 J. Exemple 2 : soi une surinensié (cas de la figure 36f ) : π i() = sin max -- v() max max max On a : W = π v()i ()d = max sin max -- d e max max 2 g v () = max sin π i () = Kv α () A,22 v () = max exp -- 1,4 i () = Kv α () A =,45 W i = A i max max A i éan calculé pour α = 3 Figure 14 Expression de l énergie W i associée à différenes formes d impulsions max max 2 h f i () = max sin π = max A,637 i () = max exp -- 1,4 = max A = 1,4 d où : avec W = 2 π -- max max 2 A = --,637 π Si max = 1 A, on noe sur la figure 37 que max = 8. l vien avec = 1 ms : W 51 J ci encore on choisira une varisance à plus fore énergie, de l ordre de 1 J. Exemple 3 : dans cerains cas praiques, la perurbaion es paramérée de manière convenionnelle par une valeur max (ou max ) e deux emps : le emps de monée 1 e le emps de demi-décroissance 2 (cf. figure 2 aricle [D 5 17] de ce raié) un for coup de foudre, par exemple, avec 1 = 1 µs e 2 = 1 ms. Pour un coup de foudre de valeur maximale du couran de 5 ka, correspondan sur la varisance à max = 1 k, le calcul se fai aisémen en séparan la croissance du couran (figure 36d ) de sa décroissance (figure 36h) avec respecivemen : A 1 =,5 A 2 = 1,4 L énergie W pour chaque parie es alors : W = A max max soi W 1 = 25 J W 2 = 7 kj De manière générale, la parie croissane de es négligeable dès que 2 > 5 1. Les énergies mises en jeu dans ce cas fon bien enendu appel à des varisances spécifiques de fore aille. Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique D 5 171 11
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS 3.4.2 Sabilié des caracérisiques en coninu Dans le cas où une varisance es soumise à des condiions d emploi rès sévères (proecions répéées au voisinage des limies en énergie ou absorpion d énergie supérieure à l énergie limie), sa caracérisique () se dégrade : la ension de seuil de la varisance décroî, ce qui radui une remonée du couran de fuie (figure 38). On voi que, dans le cas d une uilisaion en coninu, la dégradaion es asymérique : elle es plus faible dans le sens où a éé appliqué le raiemen dégradan. Touefois, c es dans le sens inverse, où la variaion es la plus fore, qu es mesurée la dégradaion, raduie par : --------- s s s ( ) s () = ---------------------------------- s ( ) avec s () ension de seuil iniiale, s () ension de seuil après une durée d uilisaion On observe aussi une faible augmenaion de la capacié de l échanillon (proporionnellemen plus faible que la diminuion de la ension de seuil). Cee dégradaion apparaî lorsque l on soume l échanillon soi à une ension coninue suffisane pour correspondre à une densié de couran d environ 2 1 2 A/cm 2, soi à des impulsions répéées de moyenne énergie, soi à des impulsions uniques de rès fore énergie. Dans le premier cas, on observe, en foncion du emps, une évoluion de la densié de couran J donnée à la figure 39. Ce comporemen, dû à l effe combiné du champ élecrique e de la empéraure du composan (faisan donc inervenir la empéraure ambiane), s explique par un processus auoaccéléré ; les différenes caracérisiques augmenen : la conducion, donc l énergie dissipée, donc la empéraure e, encore, la conducion. La brusque monée du couran à parir d environ 7 C correspond alors à l iniiaion d un processus d emballemen hermique qui ne s arrêe qu à la desrucion oale soi de l effe varisance, soi de l échanillon lui-même. La cinéique de ce processus es d auan plus rapide que la densié de couran iniiale es plus fore. Noons que les effes de cee dégradaion se résorben (dans le cas où elle n éai pas définiive) au cours d une période rès longue de non-uilisaion (plusieurs mois) ou sous l effe d un raiemen hermique à empéraure modérée (3 à 6 C). 3.4.3 Sabilié des caracérisiques en alernaif Les effes son les mêmes qu en coninu à la différence près que, en raison de la valeur de la capacié C de la varisance, le couran de fuie es plus for. En effe, déjà à 5 Hz, l impédance de cee capacié C = 1 nf es : Z 3 1 6 Ω Elle es plus faible que la résisance de la varisance dans son éa bloqué (R 1 8 Ω pour 1 µa) e peu différene de celle à la ension de seuil s : R = ----------- s 1 3 = 4 1 5 Ω pour s = 4 3.4.4 Sabilié des caracérisiques en impulsions La dégradaion en impulsions rend bien compe des possibiliés d uilisaion. On disingue deux cas : la répéiion d un nombre N d impulsions de moyenne énergie, ypiquemen N = 1 impulsions d énergie,1 à 1 J répéées à inervalles de 1 ms ; l applicaion d une impulsion (ou d un pei nombre d impulsions) de rès fore énergie (1 à 1 J) : les formes d impulsions son celles données sur la figure 36 : l onde 8/2 µs ( 1 = 8 µs, 2 = 2 µs), l onde 2/1 µs ( 1 = 2 µs, 2 = 1 ms). 1 4 6 () 4 2 1 3 6 4 2 1 2 1 --6 1 --4 1 --2 1 1 2 Figure 15 Caracérisique ( ) d une varisance uilisable sur un réseau de ension alernaive 22 (A) 1 --3 s () s () Figure 16 Dégradaion des varisances soumises à une ension coninue Figure 17 Évoluion de la densié de couran J raversan une varisance soumise à une ension coninue e de la empéraure de surface de cee varisance (A) caracérisique iniiale [ension de seuil s ()] ; caracérisique après dégradaion mesurée dans la même polarié que la source de dégradaion ; caracérisique après dégradaion mesurée dans la polarié inverse [ension de seuil dégradée s ()]. θ ( C) J (en 1 --3 A/cm 2 ) 12 6 1 5 8 4 6 θ 3 4 2 J 2 1 1 2 3 4 5 (h) D 5 171 12 Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS Dans les condiions les plus sévères, la dégradaion doi êre : s / s 1 % Exemple : s / s = 1 % pour une onde 8/2 e une densié de couran de l ordre de 6 % de la densié de couran maximale ( 1 ka pour un disque de diamère 13 mm). R (T )/R (25) 1 (B = 4 ) 4. Thermisances 1 Ce ype de résisances non linéaires ne fai pas parie des composans de proecion à propremen parler. Touefois, dans ceraines applicaions, elles en jouen le rôle ; par ailleurs leur associaion avec ces composans perme d améliorer la proecion dans des domaines de faible puissance (< 1 kw). Les hermisances son des composans élecroniques don la résisance R varie exponeniellemen avec la empérauret. Elles son classées en deux ypes : celles don la résisance décroî avec la empéraure : ce son les résisances à coefficien de empéraure négaif (CTN) ; celles don la résisance croî avec la empéraure : ce son les résisances à coefficien de empéraure posiif (CTP). Le coefficien de empéraure s exprime par : Ces deux ypes de composans ne se rouvaien jusqu à présen que sous la forme de céramiques, de même mode de fabricaion que les varisances à oxyde de zinc. Depuis les années 1995, les CTP son aussi commercialisées sous forme de mélange polymèreméal avec la même caracérisique élecrique. 4.1 CTN Leur formulaion chimique es Mn 2+ 3+ 4+ 2+ Mn ( 2 2x) Mn x Mx O4 (proche du spinelle Mn 3 O 4 ) où M es un mélange de méaux de ransiion (Ni, Co, Cu...) choisi en foncion des propriéés requises. La naure de l effe CTN réside en un mécanisme de hopping enre les sies Mn 3+ e Mn 4+, décri par la loi : avec C consane, B (en K) indice de sensibilié hermique qui varie de 2 à 5 K Noa : hopping, mécanisme de conducion par saus d élecrons enre éas donneurs e accepeurs voisins du niveau de Fermi. La courbe caracérisique R(T ) de ces composans es donnée sur la figure 18. La relaion précédene s exprime aussi par la variaion de la résisance enre la empéraure de repos normalisée à 25 C e la empéraure T : Les aures caracérisiques imporanes des CTN son : le coefficien en empéraure α : avec α en % par C, T en kelvins 1 dr α = --------- ------- R dt R = C exp --- B T --------------- RT ( ) R( 25) exp B 1 1 = --------------------------- ----------------- 273,15 + T 298,15 α ( T ) = 1 ----- B T 2 1,1,1 5 Figure 18 Courbe caracérisique d une hermisance CTN () R (25) Figure 19 Comporemen ( ) d une hermisance CTN il varie, d une par en foncion de la empéraure de 2 à 7 %/ C, d aure par, à 25 C, de 3,2 à 5,3 %/ C en foncion de la composiion en oxydes ; l inensié en mode sable à la empéraure maximale d uilisaion max ; la puissance maximale P max consommée par la CTN ; la empéraure maximale d uilisaion. Dans la praique, les caalogues des fournisseurs donnen au minimum R(25), max e P max qui déerminen le comporemen () (figure 19). Le comporemen R(T) peu se déduire : des valeurs de R(25) e de B (évaluaion grossière) ; de la valeur de R(25) e du ableau des valeurs de α en foncion de T ; du ableau des valeurs de --------------- RT ( ) R( 25). Ces composans s uilisen, en série, en proecion conre des surinensiés de basse fréquence (appel de couran soi à la charge d une fore capacié, soi à la commuaion de circuis inducifs : relais, ransformaeurs...). Le schéma de la proecion es donné sur la figure 2. À la mise sous ension, la CTN absorbe la surinensié e limie donc le couran alimenan le sysème. L absorpion d énergie due à la surinensié ser à échauffer la hermisance, don la résisance chue, e la puissance s applique alors sur le sysème (figure 21). 5 max 1 P max 15 (A) T ( C) Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique D 5 171 13
PROTECTON CONTRE LES PERTURBATONS CTN lg R R P Figure 2 Schéma de la proecion B P (W) Uilisaion non proégée Uilisaion proégée CTN (s) R (25) Figure 21 Proecion par CTN conre une surinensié de naure inducive 4.2 CTP céramiques L effe CTP es direcemen lié, d une par, à la naure ferroélecrique des pérovskies M TiO 3, où M es un méal de la famille (Ba, Sr, Pb), d aure par, à la srucure polycrisalline du maériau. La conducion es limiée par des barrières de poeniel fixées sur les joins de grains de la céramique. Les barrières resen de faible énergie au-dessous de la empéraure de Curie T C (R = R min ) e augmenen violemmen à parir de T C vers l éa bloquan à T P (R = R P ) (figure 22). La parie abrupe de la courbe enre T C e T B es bien décrie par la relaion : R = R min exp [B (T T C )] Pour les CTP, les caracérisiques imporanes son : comme pour les CTN : le coefficien en empéraure α (1 à 1 %/ C), la résisance à 25 C, valeur voisine de R min ; spécifiquemen : la ension maximale d uilisaion (composan parallèle), la empéraure de ransiion, NT, l inensié maximale avan ransiion, T, l inensié à la ransiion. Les CTP s uilisen en série pour proéger les circuis conre les surinensiés de longue durée : en condiions normales d uilisaion, le couran es rop faible pour chauffer la CTP au-dessus de sa empéraure de ransiion T B ( < T ). Quand le couran devien supérieur à T, la céramique s échauffe, sa résisance augmene, e le couran chue (figure 23). Par la suie, si le couran chue ( < T ), la CTP se refroidi e le couran se réabli (la CTP se condui en fusible auoréarmable). 4.3 CTP polymères Elles son consiuées d une marice de polymère crisallin (produi organique) conenan des paricules conducrices (noir de carbone ou aure). T B T C T P T ( C) T B es la empéraure à laquelle la résisance commence à croîre ; T C es la empéraure de Curie e se radui par un poin d'inflexion sur la courbe R (T ) ; T P es la empéraure haue à parir de laquelle la résisance ne varie plus non linéairemen. Les noaions B e T proviennen de l'anglo-saxon : B : breakdown ; T : ransiion e elles son consacrées par la liéraure scienifique dans le domaine. Figure 22 Courbe caracérisique d une hermisance CTP (ma) 1 T 1 1 Éa résisif froid Éa dissipaif chaud 1,1,1 1 1 1 1 () Figure 23 Courbe () des hermisances CTP À l éa froid (T < T B e < T ), il y a percolaion enre les paricules conducrices, un réseau ridimensionnel conduceur es formé, conduisan à une résisivié inférieure à celle des CTP céramiques. À l éa chaud, les crisallies fonden, ce qui enraîne une augmenaion de volume e la percolaion disparaî par rupure du réseau conduceur. La courbe caracérisique es la même que celle des CTP céramiques, mais cerains paramères son spécifiques : la gamme de empéraures de ransiion es faible (poin de fusion du polymère) ; la résisance à l éa passan R min es rès faible (,1 à 5 Ω) ; cee résisance n es pas enièremen rerouvée après ransiion : il fau aendre environ 2 s pour reourner à une résisance égale à deux fois la résisance iniiale R min (figure 24). D 5 171 14 Techniques de l ngénieur, raié Génie élecrique