Fusible et protection de circuit

Surintensités

La surintensité est un état qui existe dans un circuit électrique lorsque le courant de charge normal est dépassé. Les deux formes de surintensités de base sont les surcharges et les courts-circuits. Le rôle principal des fusibles et des disjoncteurs dans un circuit est de protéger le personnel et l'équipement lorsque des surintensités dangereuses se produisent.

Court-circuit

Un court-circuit est un état de surintensité, par lequel un trajet de circuit anormal et de faible résistance apparait dans le circuit. Ce trajet de faible résistance contourne la charge normale et peut générer des courants très élevés (jusqu'à 1000 fois le courant normal dans certaines conditions). Dans des conditions normales, un circuit typique peut être décrit par la loi d'Ohm de la manière suivante :

Lorsqu'un court-circuit se produit, un trajet anormal à faible résistance est créé, ce qui entraîne l'augmentation du courant du circuit à mesure que la résistance du circuit est réduite. Le courant d'un court-circuit peut dépasser 1000 fois le courant normal du circuit. Le schéma électrique d'un court-circuit est représenté ci-dessous :

Surcharge

Une surcharge est un état de surintensité, par lequel le courant dépasse la capacité de pleine charge normale du circuit, mais où aucun état de défaillance (court-circuit) n'est présent. Un état de surcharge momentanée (également connu sous le nom de courants « de pointe ») peut également se produire lorsqu'un circuit est d'abord initialisé en raison du chargement d'un condensateur ou du démarrage d'un moteur. Le schéma d'un circuit en surcharge est représenté ci-dessous :

Paramètres et critères

Pour choisir le dispositif de protection approprié, les paramètres et les critères suivants doivent être pris en compte :

1. Quel est le courant de fonctionnement normal du circuit?

2. Quelle est la tension de fonctionnement?

3. Le circuit est-il CA ou CC?

4. Quelle est la température de fonctionnement?

5. Le dispositif est-il utilisé pour la protection contre les courts-circuits, la protection contre les surcharges, ou les deux?

6. Quelles sont les limites physiques de taille?

7. Le fusible doit-il être remplaçable sur le terrain?

8. La réarmabilité est-elle un problème?

9. Comment vais-je monter le dispositif?

10. Quelles sont les considérations de coût?

1. Quel est le courant de fonctionnement normal du circuit?

Afin de choisir la bonne intensité pour le fusible, vous devez d'abord connaître la pleine charge de courant constant du circuit à une température ambiante de 20 °C (68 °F) . Une fois que la valeur du courant est déterminée, le calibre du fusible doit être choisi de manière à ce qu'il représente 135 % de cette valeur (arrondie à la valeur standard suivante).

Par exemple, si le courant constant normal est de 10 A, un fusible de 15 A doit être sélectionné [10 ampères x 135 % = 13,5 ampères, arrondi à la valeur suivante standard, 15 A].

Il est important de noter que si le fusible est destiné à être utilisé dans un environnement avec des températures ambiantes très élevées ou très basses, le courant nominal du fusible devra être considérablement supérieur ou inférieur.

2. Quelle est la tension de fonctionnement?

La règle de base est que la tension nominale du fusible doit toujours être supérieure à la tension nominale du circuit qu'il protège. Par exemple, si la tension du circuit est de 24 V, la tension nominale du fusible doit être supérieure à 24 V (oui... cela peut être 250 V ... du moment qu'elle est supérieure à la tension du circuit).

3. Le circuit est-il CA ou CC?

Il existe deux types de circuits : CA (courant alternatif) et CC (courant continu). Le courant alternatif est ce que vous trouvez généralement dans votre maison qui provient du réseau électrique. Le courant alternatif est créé principalement par des machines mobiles telles que des génératrices et livré par l'entremise du réseau électrique. Le courant continu est généralement utilisé dans les applications électroniques et automobiles. Le courant continu est généralement créé par une réaction chimique (comme les piles et les cellules solaires d'alternateur) ou converti en courant alternatif grâce à un bloc d'alimentation CA à CC. Avec le courant alternatif, le courant et la tension oscillent constamment. Cette oscillation aide le fusible à se vider rapidement. Le courant continu n'oscille pas donc le fusible doit trouver d'autres moyens pour se vider lors du démarrage.

En raison de ces différences, certains fusibles sont conçus spécialement pour être utilisés dans des applications à courant continu (telles que les fusibles d'automobiles). Certains fusibles CA peuvent être utilisés dans des applications CC, mais un déclassement de tension est possible dans ces cas-là.

4. Quelle est la température de fonctionnement?

La température ambiante est une façon élégante de parler de l'air extérieur entourant le fusible. Normalement, les fusibles sont testés dans des « conditions de laboratoire » par les organismes de sécurité tels que UL et CSA. Les conditions de laboratoire sont presque toujours à 20 °C ou 77 °F. Malheureusement, les conditions du monde réel ne sont souvent pas celles qu'on trouve dans un laboratoire.

Les fusibles sont des dispositifs sensibles à la chaleur ce qui signifie que la chaleur (provenant d'une surintensité) peut faire fondre l'intérieur du fusible. Plus il y a de chaleur, plus rapide sera la fonte de l'élément du fusible, et inversement.

Si le fusible est soumis à une température supérieure 20 °C, l'intensité du fusible devra alors être augmentée pour compenser la température plus élevée (pour éviter les « déclenchements intempestifs »). De même, si le fusible est utilisé à une température plus basse, l'intensité du fusible devra alors être réduite (autrement il pourrait ne jamais s'ouvrir).

La règle de base est que pour chaque 20 °C supérieur ou inférieur, le calibre du fusible doit être modifié à la hausse ou à la baisse de 10 à 15 %.

Voici un exemple de recalibrage de fusible en cas de température ambiante élevée :

Courant à pleine charge normale : 1 A

Calibre normal du fusible : 1,5 A (135 % du courant de pleine charge arrondi à la valeur supérieure)

Température ambiante : 65 °C

Recalibrage : 2 A (130 % du calibre normal)

Inversement, lorsqu'un fusible est destiné à être utilisé dans des conditions de températures basses extrêmes, le calibre du fusible doit être inférieur à celui utilisé dans des conditions normales. Voici un exemple de recalibrage de fusible en cas de température ambiante basse :

Courant à pleine charge normale : 1 A

Calibre normal du fusible : 1,5 A (135 % du courant de pleine charge arrondi à la valeur supérieure)

Température ambiante : -15 °C

Recalibrage : 1,2 A (70 % du calibre normal arrondi à la valeur supérieure)

5. Le dispositif de protection est-il utilisé pour la protection contre les courts-circuits, la protection contre les surcharges, ou les deux?

Si le dispositif doit être utilisé comme protection contre les courts-circuits, le fusible ou le disjoncteur doit interrompre rapidement le défaut (généralement en moins de 4 millisecondes) afin de fournir le maximum de protection à l'équipement et au personnel.

Si le fusible ou le disjoncteur est seulement destiné à la protection contre les surcharges, il peut alors être beaucoup plus lent à réagir à la surintensité : quelques secondes, voire quelques minutes plutôt que des millisecondes...

Tous les fusibles offrent une certaine forme de protection contre les courts-circuits et les surcharges, mais de nombreux disjoncteurs offrent SEULEMENT une protection contre les surcharges et ne peuvent donc pas protéger contre les dangereux courts-circuits.

6. Quelles sont les limites physiques de taille?

Souvent, le fusible ou disjoncteur doit être installé dans un endroit comportant des limitations de taille. C'est pour cette raison que les fabricants de fusibles et de disjoncteurs ont créé une large sélection de composants de tailles différentes. Cependant, l'ingénieur doit généralement faire des compromis.

D'une manière générale, plus le fusible est petit, moins il pourra supporter de courant ou de capacité. Par exemple, un fusible miniature peut être limité à 15 A tandis qu'un plus gros fusible en tube de verre de 1/4 po x 1 1/4 po peut supporter jusqu'à 40 A.

En outre, bien que le fusible puisse être plus petit, le porte-fusible correspondant peut-être sensiblement plus grand ce qui complique davantage les choses.

7. Le fusible doit-il être remplaçable sur le terrain?

Les fusibles sont conçus pour ouvrir un circuit quand une surintensité se produit, qu'il s'agisse d'un court-circuit ou d'une surcharge. L'ingénieur doit décider si le fusible doit pouvoir être remplacé sur le terrain ou non.

La principale raison de rendre le fusible remplaçable sur le terrain est simplement la commodité pour l'utilisateur final afin que son équipement puisse fonctionner à nouveau. Il y a deux raisons principales de ne pas rendre le fusible remplaçable sur le terrain : 1. Inclure un porte-fusible peut coûter beaucoup plus cher pour le fabricant, comparativement à la soudure du fusible directement dans ou sur la carte de circuits imprimés. 2. Le fabricant peut ne pas vouloir que le client final accède à l'intérieur de l'appareil pour remplacer le fusible pour des questions de responsabilité. C'est particulièrement vrai lorsque le court-circuit est la cause du problème. 3. Le fabricant peut avoir intégré une « obsolescence programmée » de certaines pièces et vouloir remplacer l'ensemble du circuit imprimé plutôt que de remplacer le fusible.

8. La réarmabilité est-elle un problème?

Des fusibles à usage unique et des fusibles réarmables s'offrent à l'ingénieur. Les deux types de fusibles assurent une protection contre les surcharges. Les fusibles réarmables sont limités à des applications de circuits qui fournissent 14 A (à 12 V) et moins de courant à des tensions plus élevées. Les disjoncteurs peuvent également fournir la réarmabilité et peuvent aller de 1 A à 300 A.

Les fusibles à usage unique sont comme leur nom l'indique. Une fois qu'ils sont appelés à agir, le lien intérieur fond et le fusible doit être remplacé. Même si le fusible est remplacé, il peut toujours y avoir un court-circuit ou une surcharge dans le circuit, ce qui peut provoquer l'ouverture du nouveau fusible. Avant de remplacer le fusible ouvert par un nouveau fusible, des précautions doivent être prises pour corriger le problème à l'origine de l'ouverture du premier fusible.

9. Comment le fusible sera-t-il installé?

Un des aspects les plus importants à prendre en compte concerne l'installation du fusible dans le circuit. Il existe plusieurs options :

1. Soudage direct : Selon cette méthode, le fusible est soudé directement dans ou sur la carte de circuits imprimés (PCB). L'inconvénient est le manque de pièces de rechange sur le terrain, comme mentionné dans la section ci-dessus, mais cette méthode d'installation peut réduire considérablement le coût.

2. Douilles de fusibles : Les douilles de fusibles sont relativement peu coûteuses et permettent le remplacement sur le terrain. Les douilles de fusibles sont généralement installées sur une carte de circuits imprimés, de sorte que pour remplacer le fusible, l'utilisateur final devra ouvrir l'équipement. En outre, le retrait d'un fusible d'une douille de fusible sans déconnecter la source d'alimentation peut entraîner un choc électrique en touchant le fusible. Les douilles de fusibles sont offertes pour tous les fusibles à « tube » ainsi que les microfusibles. Les douilles de fusible sont habituellement limitées à 20 A de courant normal (également offertes en 30 A). Les douilles de fusible ne sont généralement pas cotées ou reconnues par les organismes de sécurité.

3. Porte-fusibles montés sur panneau : Les porte-fusibles montés sur panneau permettent un accès facile à l'utilisateur final pour remplacer le fusible sur le terrain. Le porte-fusible monté sur panneau est résistant aux chocs, ce qui veut dire que le fusible est retiré en toute sécurité lorsque le capuchon du porte-fusible est retiré, empêchant toute possibilité de choc électrique. Les porte-fusibles sont généralement testés et approuvés par les organismes de sécurité tels que UL et CSA. Les porte-fusibles sont généralement offerts jusqu'à 30 A.

4. Bloc-fusibles : Les blocs-fusibles sont comme des porte-fusibles, mais ils ne doivent pas être installés sur la carte de circuits imprimés. Les fusibles montés dans des blocs-fusibles sont généralement accessibles uniquement en ouvrant l'équipement, ce qui peut entraîner un choc électrique si l'équipement n'est pas débranché de la source d'alimentation. Les blocs-fusibles sont l'une des rares méthodes permettant d'installer des fusibles de grande intensité.

5. Porte-fusible en ligne : Les porte-fusibles en ligne sont généralement utilisés en tant qu'ensemble d'un faisceau de fils ou lorsqu'aucune surface n'est disponible pour un autre type d'installation de fusibles. Les porte-fusibles en ligne sont généralement offerts jusqu'à 100 A dans des applications à faible tension et jusqu'à 30 A dans des applications à tension plus élevée.

10. Quelles sont les considérations de coût?

Les coûts peuvent varier en fonction de la taille, du rendement et du type d'installation du fusible. D'une manière générale, plus un fusible est gros; plus il sera coûteux (en raison des coûts de fabrication plus élevés). Les caractéristiques de rendement d'un fusible ont également une incidence importante sur le coût. Un fusible d'automobile à basse tension de 10 A peut coûter une fraction du coût d'un fusible en tube de céramique à très haute vitesse de 10 A et 500 V. L'homologation des organismes de sécurité s'ajoute au coût du fusible. L'un des éléments les plus coûteux d'un fusible est le porte-fusible. Un porte-fusible sur panneau typique peut coûter plusieurs fois le prix d'un fusible.