Tout savoir sur les varistances

La varistance est un composant électronique de protection dont la caractéristique principale est une résistance électrique qui varie de manière significative en fonction de la tension qui lui est appliquée. Son nom, qui est une contraction du mot résistance variable (variable resistor en anglais), et son abréviation, VDR pour Voltage Dependent Resistor, décrivent parfaitement sa fonction première. Contrairement à une résistance ohmique classique, la relation entre le courant qui la traverse et la tension à ses bornes est non linéaire et symétrique, ce qui la rend unique dans le domaine de l’électronique.

Le rôle essentiel d’une varistance est de protéger les circuits et les équipements électroniques sensibles contre les surtensions transitoires. Une surtension, qu’elle soit causée par un coup de foudre, une décharge électrostatique (ESD) ou la commutation d’une charge inductive, peut endommager ou détruire des composants vitaux comme les transistors ou les circuits intégrés. La varistance agit en dérivant l’excès d’énergie lorsque la valeur de la tension dépasse une limite prédéfinie, garantissant ainsi la sécurité et la longévité de l’appareil.

Le symbole schématique moderne d’une varistance est similaire à celui d’une résistance, avec une ligne diagonale la traversant pour indiquer sa fonction spécifique. Le fait qu’elle ait une caractéristique symétrique la rend apte à fonctionner indifféremment dans les circuits à courant continu et à courant alternatif, une capacité que ne possèdent pas d’autres composants de protection comme les diodes Zener unilatérales.

Il est crucial de ne pas confondre une varistance avec un composant à résistance variable manuellement, comme un potentiomètre. Bien que le terme varistance sous-entende une résistance variable, cette variation n’est pas commandée par l’utilisateur. Elle est une propriété intrinsèque du matériau semi-conducteur, qui modifie automatiquement et de manière non ohmique sa résistance en réponse à une modification de la tension appliquée. Cette distinction est fondamentale pour la compréhension du principe de fonctionnement et des applications de ce composant.

Principes Fondamentaux et Caractéristiques

Le comportement d’une varistance est entièrement décrit par sa caractéristique courant-tension (I-V), qui est à la fois non linéaire et symétrique. Cette symétrie permet au composant de fonctionner de la même manière pour les deux polarités du courant, ce qui est particulièrement avantageux dans les applications AC. Pour mieux représenter sa vaste plage de fonctionnement, cette courbe est souvent tracée sur une échelle logarithmique pour les deux axes.

Le comportement de la varistance se divise en trois zones de fonctionnement distinctes :

• La zone ohmique : À des tensions nominales, inférieures à sa tension d’activation, la varistance présente une impédance très élevée, agissant comme un circuit ouvert. Seul un courant de fuite très faible circule à travers le composant, n’affectant pas le fonctionnement normal du circuit protégé.

• La zone de fonctionnement normal : Lorsque la tension aux bornes de la varistance dépasse un certain seuil, sa résistance commence à chuter de manière exponentielle. La relation entre le courant (I) et la tension (V) peut être décrite par l’équation de la loi de puissance : $I=k\cdot V^(\alpha )$ où $k$ est une constante et $\alpha$ est le coefficient de non-linéarité. Pour les varistances à oxyde métallique, ce coefficient est typiquement très élevé, entre 30 et 40, ce qui se traduit par une chute de résistance extrêmement rapide et une suppression efficace des surtensions.

• La zone de saturation : Une fois le claquage atteint, la varistance entre en conduction massive. Sa résistance tombe à une valeur très faible (quelques ohms), ce qui court-circuite la surtension et la dévie loin des composants sensibles du circuit.

La compréhension de ces zones est essentielle pour interpréter les paramètres clés d’une varistance, qui sont les suivants :

• Tension de varistance : C’est la tension aux bornes du composant lorsqu’un courant de 1 mA le traverse. Ce paramètre, qui n’a pas de signification physique particulière, est une convention de l’industrie utilisée pour comparer les caractéristiques de différents modèles de varistances.

• Tension de serrage (clamping Voltage) : C’est le niveau de tension maximal qui est mesuré aux bornes de la varistance lorsque celle-ci est soumise à une impulsion de courant de crête spécifiée par une norme (par exemple, un transitoire 8/20 µs). Ce paramètre est d’une importance capitale, car il doit être inférieur à la tension maximale que les composants protégés peuvent supporter sans dommage.

• Capacité d’énergie absorbable : Exprimée en joules, elle représente l’énergie maximale que la varistance peut absorber lors d’une impulsion unique de surtension. Une impulsion dont l’énergie dépasse cette valeur nominale peut entraîner une défaillance du composant, potentiellement de manière catastrophique.

• Courant de surtension maximal : Il s’agit du courant de crête que le composant est capable de supporter pour une forme d’onde et une durée d’impulsion données, telles que les ondes standard 8/20 µs ou 10/1000 µs.

• Temps de réponse : Le temps qu’il faut à la varistance pour s’activer en présence d’une surtension. Les varistances à oxyde métallique modernes sont très rapides, avec un temps de réponse de l’ordre de quelques nanosecondes (<25 ns), offrant ainsi une protection quasi instantanée.

• Capacitance : En dessous de sa tension de serrage, la structure interne de la varistance se comporte comme un condensateur. Sa capacité peut affecter l’intégrité du signal dans les applications à haute fréquence, telles que les lignes de données.

Le choix d’une varistance pour un circuit de protection est un exercice d’ingénierie qui implique de trouver un équilibre entre plusieurs paramètres, en particulier la capacité de protection et l’intégrité du signal. Les varistances conçues pour absorber de grandes quantités d’énergie et de courant (typiquement les plus grosses) ont une capacité intrinsèque plus élevée. Cette capacité peut perturber les signaux haute fréquence sur les lignes de données à grande vitesse comme l’USB ou le HDMI, car elle peut agir comme un filtre passe-bas et déformer les données. Par conséquent, un concepteur doit évaluer si une protection maximale contre les surtensions est le critère le plus important, ou si la préservation de l’intégrité du signal l’est davantage, ce qui le conduit à choisir une varistance avec une capacitance plus faible, au détriment potentiel de sa capacité d’absorption d’énergie.

Structure et Fabrication

Le type de varistance le plus courant sur le marché aujourd’hui est la varistance à oxyde métallique, ou MOV. La fabrication d’une MOV repose sur des principes de la science des matériaux. Le composant est constitué d’une masse céramique polycristalline frittée, dont le matériau principal est l’oxyde de zinc (ZnO), auquel sont ajoutées de petites quantités d’autres oxydes métalliques tels que le bismuth, le cobalt ou le manganèse.

Au niveau microscopique, cette structure granulaire est la clé du fonctionnement de la varistance. Les frontières entre chaque grain de ZnO et son voisin forment des jonctions de diodes, ou plus précisément des doubles barrières de Schottky. L’ensemble de ces grains, orientés aléatoirement, est électriquement équivalent à un vaste réseau complexe de paires de diodes montées dos à dos, connectées en série et en parallèle.

À basse tension, ces jonctions sont en état de blocage (polarisation inverse), ce qui explique la très haute résistance de la varistance. Le faible courant de fuite qui circule est causé par une fuite inverse à travers ces jonctions. En revanche, lorsqu’une tension élevée est appliquée, les jonctions de diodes subissent un claquage, causé par une combinaison d’effets thermoïoniques et d’effet tunnel. Ce claquage en avalanche rend la varistance conductrice, permettant un flux de courant important qui dissipe l’énergie de la surtension.

Les varistances sont proposées dans une variété de boîtiers pour s’adapter à différentes applications. Les plus courantes sont les disques à fils radiaux, mais il existe également des modèles à fils axiaux, des boîtiers blocs pour les applications à haute énergie et les versions CMS (composants montés en surface).

Une évolution notable des varistances traditionnelles est la varistance multicouche (MLV). Les MLV sont conçues spécifiquement pour la suppression des décharges électrostatiques (ESD) et des transitoires de haute fréquence. Elles sont fabriquées en empilant de multiples couches de céramique à grains fins, avec des connexions alternées entre deux électrodes. Cette architecture confère aux MLV des avantages distincts, notamment des temps de réponse plus rapides et une capacitance plus faible par rapport aux MOV traditionnelles.

Les performances d’une varistance, en particulier son coefficient de non-linéarité $(\alpha )$ et sa capacité d’absorption d’énergie, sont directement liées à la microstructure du matériau et à sa composition. L’ajout d’oxydes métalliques tels que le bismuth ou le cobalt modifie les propriétés électriques des joints de grains de ZnO, ce qui est l’élément clé du comportement non linéaire. La progression de la technologie des varistances, depuis le carbure de silicium (SiC) jusqu’aux MOV et aux MLV, est une illustration de l’ingénierie des matériaux qui a permis d’adapter ces composants pour des applications de plus en plus exigeantes, des lignes électriques industrielles aux circuits électroniques compacts à haute vitesse.

Applications Pratiques

Les varistances sont des composants omniprésents dans la protection des circuits électroniques contre les surtensions transitoires. Leur polyvalence et leur fiabilité les rendent indispensables dans une grande variété de domaines, de l’électronique grand public aux systèmes industriels complexes.

• Protection des lignes d’alimentation : L’une des applications les plus courantes est la protection des équipements connectés au réseau électrique ou aux sources d’alimentation. Dans ce cas, la varistance est montée en parallèle (connexion en shunt) directement à l’entrée du circuit ou sur l’élément à protéger. En situation normale, sa haute impédance n’a aucun effet sur le circuit, mais en cas de surtension, sa résistance chute pour dévier le courant excédentaire.

• Protection des lignes de données et des circuits de communication : Les varistances, et en particulier les MLV pour leurs propriétés à basse capacité, sont utilisées pour protéger les interfaces de communication et les circuits haute vitesse contre les surtensions et les décharges électrostatiques (ESD). Elles sont placées en parallèle sur les lignes de signaux pour écrêter les pointes de tension sans dégrader les signaux de données sous tension nominale.

• Autres applications : Les varistances trouvent leur utilité dans la protection des équipements de télécommunications, des systèmes d’éclairage, des appareils électroménagers et des circuits de correction du facteur de puissance. Elles sont également efficaces pour limiter les surtensions générées par la coupure de circuits fortement inductifs, comme ceux des électroaimants ou des relais.

Un aspect critique de l’intégration d’une varistance est sa mise en œuvre dans un schéma de circuit sécurisé. Le principe de base, un composant en parallèle sur le circuit protégé, est illustré par l’équation du diviseur de tension pour les impédances : Vc​=(Vs​⋅Zv)​/(Zs​+Zv​). Lorsque la surtension ($Vs$) se produit, l’impédance de la varistance ($Zv$) chute considérablement, provoquant la quasi-totalité de la chute de tension à ses bornes et limitant la tension qui atteint le circuit protégé.

Cependant, il est impératif de comprendre qu’une varistance seule ne suffit pas. Le mode de défaillance le plus courant d’une varistance est le court-circuit, qui, s’il n’est pas géré, peut entraîner un flux de courant continu dangereux. Pour cette raison, l’association d’une varistance avec un fusible en série est une pratique de conception essentielle. Le fusible ne protège pas la varistance de la surtension initiale, car il est trop lent. Son rôle est de protéger contre le courant de suite après que la varistance a court-circuité, évitant ainsi la surchauffe et le risque d’incendie du circuit et de l’environnement.

La varistance n’est qu’un élément d’une stratégie de protection globale. Pour les systèmes électriques de grande envergure, la protection est souvent mise en place en plusieurs étapes, un concept connu sous le nom de protection en cascade. Un parafoudre de classe I/Type 1 est souvent installé à l’entrée d’une installation pour gérer les surtensions de foudre de grande énergie (caractérisées par des formes d’onde de 10/350 µs). Les varistances de plus petite taille, en tant que dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) de niveau de circuit, sont ensuite utilisées pour supprimer les transitoires plus fréquents générés à l’intérieur de l’établissement (avec des formes d’onde de 8/20 µs). La combinaison d’un fusible avec la varistance n’est donc qu’une partie d’une approche de conception plus large qui vise à protéger l’équipement des surtensions provenant de diverses sources, en garantissant la sécurité et la fiabilité du système dans son ensemble.

Comparaison avec d’autres Composants

Pour bien situer le rôle de la varistance, il est utile de la comparer à d’autres composants de protection contre les surtensions, comme les diodes Zener (ou TVS, Transient Voltage Suppressor). Les varistances et les diodes TVS ont une fonction similaire de limitation de la tension (voltage clamping) en cas de surtension. Cependant, leurs mécanismes de fonctionnement, leurs caractéristiques et leurs applications idéales diffèrent considérablement.

Le mécanisme d’une varistance MOV repose sur le claquage des jonctions de grains d’oxyde de zinc, tandis qu’une diode TVS fonctionne sur le principe du claquage en avalanche d’une jonction de semi-conducteur au silicium. Cette différence de structure et de composition se traduit par des caractéristiques de performance distinctes.

Les varistances offrent plusieurs avantages distincts. Elles sont intrinsèquement bidirectionnelles, ce qui les rend idéales pour la protection des lignes AC sans nécessiter de configuration supplémentaire. De plus, elles ont une capacité d’absorption d’énergie et de courant de surtension nettement supérieure à celle des diodes TVS. Elles sont également une solution de protection économique pour les applications où le coût est un facteur clé.

En revanche, les diodes TVS excellent dans les applications où la précision et la rapidité sont primordiales. Elles affichent un temps de réponse souvent plus court et, surtout, une tension de serrage plus basse et plus constante. Leur très faible courant de fuite est un atout majeur pour les circuits basse tension sensibles à la consommation d’énergie, comme ceux des appareils portables. Les varistances, en raison de leur construction, ne peuvent pas atteindre à la fois une faible capacitance et une faible tension de claquage.

La sélection entre une varistance, une diode TVS ou une autre technologie de protection (comme les tubes à décharge gazeuse, GDT) n’est pas un choix de meilleur composant, mais de meilleure adéquation avec une application donnée. Les varistances sont le meilleur choix pour la protection des circuits AC et pour absorber des surtensions de haute énergie. Les diodes TVS, avec leur faible tension de serrage et leur faible courant de fuite, sont parfaites pour les circuits basse tension et à haute vitesse. Les varistances modernes, en particulier les MLV, ont comblé l’écart en matière de vitesse et de capacitance, mais le principe de l’optimisation des compromis de conception demeure central dans la profession d’ingénieur.

Modes de Défaillance et Durée de Vie

La varistance n’est pas un composant éternel. Sa durée de vie est finie et dépend directement de son exposition aux surtensions. Il existe deux principaux modes de défaillance qui affectent le composant.

Le premier est la dégradation progressive due à des surtensions répétées, même si elles sont dans les limites nominales du composant. Chaque impulsion absorbée dégrade légèrement le matériau de la varistance. Cette dégradation se manifeste par une diminution progressive de la tension de serrage du composant. Une varistance est généralement considérée comme défaillante lorsque sa tension de serrage a changé de 10%. Cette dégradation cumulée est une menace insidieuse, car un composant peut sembler fonctionnel de l’extérieur mais ne plus fournir le niveau de protection pour lequel il a été conçu.

Le second mode est la défaillance catastrophique, qui se produit lorsqu’une surtension unique et massive dépasse largement la capacité d’absorption d’énergie du composant. L’énergie excessive peut faire fondre les grains d’oxyde de zinc, créant des chemins conducteurs qui provoquent un court-circuit interne. Dans les cas extrêmes, cela peut entraîner une surchauffe rapide et violente, conduisant à une rupture explosive du boîtier et à la projection de matière chaude.

Le mode de défaillance final et le plus critique d’une varistance est le court-circuit. Une fois en court-circuit, le composant perd sa résistance et devient un chemin de faible impédance, permettant à un courant continu de circuler à travers lui. Ce courant de suite peut provoquer un échauffement intense, endommager d’autres composants et, dans les pires scénarios, provoquer un incendie si aucune protection n’est prévue en amont.

Ces modes de défaillance soulignent l’importance des considérations de sécurité dans la conception. Le concept de la varistance comme un composant qui se sacrifie pour la protection d’un circuit est juste, mais il ne doit pas être pris à la légère. L’intégration d’un fusible en série est une mesure de sécurité vitale. Le fusible n’est pas assez rapide pour protéger la varistance elle-même de la surtension initiale, mais il est conçu pour se couper rapidement en cas de court-circuit, ce qui coupe l’alimentation du circuit et prévient tout risque de feu ou de dommages supplémentaires.

La varistance n’est donc pas un composant fit-and-forget. Sa durée de vie dépend du stress cumulatif auquel elle est soumise. La dégradation progressive est un facteur de conception qui nécessite, pour les systèmes critiques, des évaluations périodiques et un remplacement après une surtension majeure ou tous les quelques années. L’anticipation du vieillissement est une part essentielle de la conception d’un système fiable et sûr.

Guide de Sélection Pratique d’une Varistance

Le choix d’une varistance appropriée pour une application spécifique est un processus méthodique qui repose sur une bonne compréhension des paramètres du circuit et de l’environnement de fonctionnement.

• Étape 1 : Déterminer la tension de fonctionnement Le premier critère est de choisir une varistance dont la tension maximale de fonctionnement (AC ou DC) est supérieure à la tension continue du circuit à protéger. Pour les circuits alimentés par le secteur 230V AC, une varistance de 275V AC est le choix standard. Cette marge de sécurité est vitale car la norme CEI 60038 spécifie que la tension du réseau peut varier de $\pm$10%, atteignant potentiellement 253V AC. Une varistance de 250V AC pourrait alors entrer en conduction accidentellement, causant une dégradation prématurée et un risque pour le circuit.

• Étape 2 : Définir la tension de serrage maximale La tension de serrage de la varistance doit impérativement être inférieure à la tension maximale que le circuit protégé peut tolérer sans subir de dommage. C’est ce paramètre qui garantit que le composant protège efficacement le reste du système en limitant la tension à un niveau sûr.

• Étape 3 : Évaluer l’énergie et le courant de surtension Il est essentiel de sélectionner une varistance avec une capacité d’absorption d’énergie (en joules) et un courant de surtension de crête supérieurs aux valeurs attendues lors des événements transitoires. Cette évaluation, bien que parfois complexe, garantit que la varistance peut absorber l’énergie de la surtension sans subir de défaillance catastrophique. Les varistances de plus grand diamètre ont généralement des capacités d’énergie et de courant de surtension plus élevées.

• Étape 4 : Considérer les spécifications supplémentaires Pour les applications plus spécifiques, d’autres paramètres sont à prendre en compte :

  • Temps de réponse : Crucial pour la protection contre des transitoires très rapides comme l’ESD.

  • Capacitance : Doit être faible pour les lignes de données à haute fréquence afin de ne pas dégrader l’intégrité du signal. Les MLV sont souvent privilégiées dans ce cas.

  • Taille et forme : Le boîtier (radial, axial, CMS) est choisi en fonction des contraintes d’espace et de la méthode d’installation.

Le choix d’une varistance est un exemple concret de l’application de l’ingénierie des contraintes. Le choix d’une varistance de 275V pour un réseau de 230V AC n’est pas un choix aléatoire ; il est un calcul basé sur les normes de qualité de l’alimentation électrique. Cette approche de conception, qui intègre les tolérances et les risques potentiels, est la marque d’une ingénierie rigoureuse.

L’Importance de la Varistance

La varistance est un composant de protection à la fois simple dans son principe et sophistiqué dans sa mise en œuvre. Son rôle de garde du circuit est essentiel pour assurer la sécurité et la fiabilité des équipements électroniques. Par son comportement non linéaire, elle agit comme un interrupteur intelligent, présentant une haute impédance en conditions normales et une faible impédance face à une surtension, déviant ainsi l’excès de courant et d’énergie loin des composants sensibles.

La compréhension de la varistance ne se limite pas à sa définition. Elle nécessite une connaissance approfondie de ses caractéristiques électriques, de sa structure interne, et de ses modes de défaillance. Le choix d’une varistance est une décision d’ingénierie qui repose sur une analyse rigoureuse des compromis entre la capacité d’absorption d’énergie, la tension de serrage et l’intégrité du signal pour les circuits de données.

De plus, l’intégration de la varistance dans un circuit exige une attention particulière à la sécurité. Le mode de défaillance en court-circuit impose l’utilisation d’une protection en série, telle qu’un fusible, pour prévenir les risques d’incendie. Le vieillissement progressif du composant, souvent négligé, doit également être considéré dans les applications critiques pour garantir une protection continue tout au long de la durée de vie du produit. En définitive, la varistance est un composant fiable et économique, mais son efficacité totale et sa sécurité ne peuvent être assurées qu’à travers une sélection et une intégration réfléchies, faisant d’elle un élément clé d’une stratégie de protection électronique globale et bien conçue.

Articles complémentaires :

1. Les composants passifs
2. Les composants actifs
3. Les résistances en électronique