Les appareils électroniques sont conçus pour fonctionner à certaines tensions d’alimentation maximales. Tout ce qui est supérieur à la tension maximale admissible peut causer des dommages considérables, par exemple, des fils qui fondent, des appareils qui cessent de fonctionner, des boîtiers qui se déforment, des trous ou des fissures qui apparaissent, ou même des appareils qui prennent feu lorsque le circuit reçoit la surtension.
La cause la plus fréquente d’une panne pour un appareil est une tension supérieure aux limites spécifiées. Lorsque la tension est supérieure à la limite définie par la conception de l’appareil, il se produit une surtension. Les surtensions, une alimentation d’entrée incorrecte, un excès de température, un choc mécanique, une décharge électrostatique, une faible résistance entre les broches d’alimentation et de masse, un court-circuit, une panne d’appareil et bien d’autres choses encore peuvent tous déclencher une surtension. Selon sa durée, l’événement correspond à ce qui s’appelle une tension transitoire, un pic de tension ou une surtension.
Il existe des dispositifs de sécurité, par exemple les fusibles, qui protègent les appareils électroniques contre les dommages liés à un excès de tension. Toutefois, ils peuvent se révéler inefficaces lorsqu’il se produit des tensions transitoires et des pics de haute tension dans l’alimentation. Les transistors peuvent eux aussi offrir une protection. Ils peuvent servir à la fois d’interrupteurs et d’amplificateurs. Cependant, en règle générale, ils véhiculent de petits courants électroniques dans la gamme des milliampères.
Figure 1 : Les thyristors sont de petits dispositifs qui offrent une protection importante contre les surtensions. (Source : BBC)
Les thyristors, en comparaison, gèrent des courants électroniques de plusieurs centaines de volts, jusqu’à la gamme des 10 ampères. Ils sont particulièrement utiles en cas de fluctuation du courant et de surtension. Ils sont utilisés dans les interrupteurs d’alimentation des usines, les systèmes de démarrage des voitures, les parasurtenseurs, les thermostats, les contrôles de vitesse des moteurs électriques et les relais d’état solide. Ils sont également répandus dans les équipements de télécommunication. Dans une situation de surtension, le thyristor s’allume et reste dans cet état jusqu’à ce qu’un circuit soit réinitialisé.
Le thyristor NP1800SAT3G de la série NP d’ON Semiconductor est un exemple de famille de thyristors qui comprend des parasurtenseurs, à savoir des dispositifs de protection de surcharge thyristor (TSPD) bidirectionnelle à haute tension. Ils servent à protéger les circuits de télécommunication, notamment les équipements liés au central téléphonique, à l’accès et au site du client contre les surtensions.
Comme tous les dispositifs bidirectionnels, ils ont les caractéristiques de deux dispositifs en un seul, ce qui permet de gagner un espace précieux. Ces dispositifs servent de protection lors d’une surtension, en détournant l’énergie du circuit ou de l’appareil protégé. La série NP d’ON Semiconductor est conçue pour aider les fabricants à répondre à un grand nombre d’exigences réglementaires.
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Les thyristors Bourns TISP400H1BJR-S sont conçus pour limiter les surtensions sur les lignes de télécommunication numériques. Ces surtensions sont généralement dues à des problèmes du système électrique CA ou des perturbations liées à la foudre, induites ou conduites sur une ligne téléphonique. Un seul dispositif fournit une protection en 2 points des bobinages des transformateurs et de l’électronique basse tension.
Le dispositif de protection est constitué d’un thyristor bidirectionnel déclenché par une tension symétrique. Durant le fonctionnement de ce dernier, la surtension est d’abord coupée par verrouillage jusqu’à ce que la tension atteigne un niveau qui oblige le dispositif à déclencher une protection « Crowbar » dans un état « on » de basse tension. En raison de l’état « on » de basse tension, le courant résultant de la surtension est détourné en toute sécurité via le dispositif. Le dispositif s’éteint quand la valeur du courant détourné devient inférieure à la valeur du courant de maintien.
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Le thyristor SMTPA62 Trisil de STMicroelectronics™ est également utilisé pour la protection des équipements de télécommunication. Ses caractéristiques incluent une protection crowbar bidirectionnelle, une plage de tension allant de 62 V à 320 V, une faible capacitance allant de 12 pF à 20 pF à 50 V, un courant de suite de niveau faible : IR = 2 μau maximum, ainsi qu’un courant de maintien de 150 mA au minimum.
Les applications du domaine des télécommunications comprennent des cartes de lignes analogiques et numériques (xDSL, T1/E1, ISDN), des terminaux (téléphone, fax, modem) et des équipements pour centraux téléphoniques.
La série Trisil de STMicroelectronics est conçue pour protéger les équipements contre la foudre et les tensions transitoires induites par les lignes de courant alternatif (CA). Ces dispositifs sont disponibles sous forme de boîtiers SMA, SMB et DO-15. Les thyristors de la série Trisil résistent à l’usure et fournissent un mode de sécurité en cas de court-circuit pour une meilleure protection. Ils permettent aux équipements de répondre aux diverses normes telles que UL1950, IEC950 / CSA C22.2, UL1459 et FCC part 68.
Autre exemple, le thyristor SDP1800Q38CB SIDAC 170 V 30 A 8 broches QFN de Littelfuse, qui offre une protection contre les surtensions sur les lignes VDSL2, ADSL2 et ADSL2+. Son impact est minime sur les signaux de données. Sa conception repose sur un chargement capacitif, compatible avec les applications à bande passante élevée. Le boîtier avec montage en surface offre une capacité de tension qui dépasse la plupart des normes et recommandations internationales en matière de protection contre les surtensions liées à la foudre.
Le dispositif se caractérise de manière harmonieuse par une protection contre les surtensions, une faible distorsion et perte d’insertion, ainsi qu’un volume compact.
Composition, fonctionnement et valeur des thyristors
Les thyristors sont des semiconducteurs à l’état solide constitués de quatre couches de matériaux, alternativement dopées N et P (P-N-P-N). Le dispositif est à l’état conducteur quand la gâchette reçoit un courant de déclenchement. Il reste conducteur tant que la tension n’est pas inversée. Bien qu’il en existe de nombreux types, les plus répandus sont appelés Diac (Diode AC), Triac (Triode AC) et SCR (Silicon Controlled Rectifier), c’est-à-dire « redresseur silicium commandé »). Les thyristors sont simplement des composants électroniques comportant trois bornes : l’anode, la cathode et la gâchette.
Lorsque la tension augmente aux bornes d’une résistance, le thyristor se déclenche. Les rails d’alimentation sont court-circuités pendant quelques millisecondes avant le claquage du fusible. Plus le thyristor est rapide, plus le temps de réponse est court. La gâchette sert à contrôler le flux de courant entre l’anode et la cathode. Un fusible est 1 000 fois plus lent qu’un thyristor, qui, en comparaison, se déclenche en quelques microsecondes à peine.
Les thyristors sont unidirectionnels. Cela signifie qu’ils conduisent le courant dans une seule direction quand un courant de déclenchement est appliqué à la gâchette. Un courant de gâchette de faible valeur contrôle un courant d’anode de valeur plus importante. De plus, le courant d’anode doit être plus élevé que le courant de maintien pour maintenir la conduction.
Les thyristors se comportent comme des diodes de redressement, une fois qu’ils se sont déclenchés. Ils sont ensuite verrouillés et restent conducteurs même lorsque le courant de gâchette n’est plus appliqué, à condition que le courant de l’anode soit supérieur au courant de verrouillage. Lorsque le courant ne circule plus dans une gâchette, le dispositif se met à l’arrêt. Le courant ne peut pas circuler de l’anode vers la cathode. Les thyristors n’ont pas de pièces mobiles, ne provoquent pas d’étincelles au contact, résistent à la corrosion ou à la saleté. De plus, ils peuvent servir à contrôler la valeur moyenne d’un courant de charge CA sans dissiper de grandes quantités d’énergie.
Les thyristors sont couramment utilisés dans les circuits CA où le courant avant chute à zéro pendant chaque cycle, de sorte qu’il y ait toujours une fonction de mise hors tension. Cela signifie que la gâchette doit se déclencher à chaque cycle, juste pour le relancer. Toutefois, la tâche la plus importante du thyristor réside dans la synchronisation de ces fonctions pour offrir un contrôle de puissance et une protection appropriés à la fragilité de certains composants électroniques modernes.