Introduction
Lors de la spécification de la protection contre les surtensions pour les systèmes électriques, les ingénieurs sont confrontés à un choix fondamental entre trois technologies de base : la varistance à oxyde métallique (MOV), le tube à décharge de gaz (GDT) et la diode de suppression de tension transitoire (TVS). Chaque technologie offre des caractéristiques de performance distinctes, fondées sur des principes physiques différents : les MOV exploitent une résistance céramique non linéaire, les GDT utilisent l'ionisation du gaz et les diodes TVS s'appuient sur l'effet d'avalanche des semi-conducteurs.
La sélection ne consiste pas à trouver la technologie “ la meilleure ”. Il s'agit plutôt d'adapter les compromis fondamentaux aux exigences de l'application. Une MOV excellente pour la distribution en courant alternatif peut échouer de manière catastrophique sur une ligne de données haute vitesse. Un GDT parfait pour les interfaces de télécommunications serait inadapté pour une ligne d'alimentation CC de 5 V. Une diode TVS idéale pour les entrées-sorties au niveau carte pourrait être saturée sur un circuit extérieur exposé à la foudre.
Cet article examine chaque technologie à partir des principes fondamentaux, explique la physique derrière leurs différences de performance et fournit une comparaison quantifiée en termes de temps de réponse, tension de clamp, capacité d'absorption d'énergie, capacitance, comportement au vieillissement et coût. Que vous conceviez une distribution de puissance SPD, protéger les interfaces de communication, ou coordonner une protection multi-étages, comprendre ces différences fondamentales vous aidera à sélectionner des composants qui protègent réellement – et non pas seulement à valider un achat.
Figure 0 : Comparaison physique de trois technologies de protection contre les surtensions. À gauche : La varistance à oxyde métallique (MOV) présente son disque céramique caractéristique en oxyde de zinc bleu avec des broches radiales – sa taille physique varie avec la tension nominale (épaisseur du disque) et la capacité en courant (diamètre du disque). Au centre : Le tube à décharge de gaz (GDT) présente une enveloppe cylindrique scellée en verre/céramique contenant un gaz inerte et des électrodes – sa construction hermétique garantit des caractéristiques d'amorçage stables. À droite : La diode TVS montre divers boîtiers semi-conducteurs, des CMS compacts (0402, SOT-23) aux formats traversants plus grands (DO-201, DO-218) – la taille de la puce de silicium détermine la puissance d'impulsion nominale. Ces différences physiques marquées reflètent des principes de fonctionnement fondamentalement différents : jonctions aux joints de grains céramiques (MOV), plasma d'ionisation gazeuse (GDT) et claquage par avalanche semi-conducteur (TVS).
MOV (Varistance à Oxyde Métallique) : Structure et Principe de Fonctionnement
La varistance à oxyde métallique est un dispositif semi-conducteur céramique dont la résistance chute brutalement lorsque la tension augmente. Ce comportement dépendant de la tension lui permet d'agir comme une pince de tension automatique – conduisant fortement pendant les surtensions tout en restant quasiment invisible en fonctionnement normal.
Architecture Interne
Une MOV est constituée de grains d'oxyde de zinc (ZnO) frittés avec de petites quantités d'oxyde de bismuth, cobalt, manganèse et autres métaux. La magie opère aux joints de grains. Chaque frontière entre deux grains de ZnO adjacents forme une barrière Schottky microscopique – essentiellement une minuscule jonction de diodes tête-bêche. Un seul disque de MOV contient des millions de ces micro-jonctions connectées dans un réseau série-parallèle tridimensionnel complexe.
Les propriétés globales du dispositif émergent de cette microstructure. L'épaisseur du disque détermine la tension de service (plus de joints de grains en série = tension nominale plus élevée). Le diamètre du disque détermine la capacité en courant (plus de chemins parallèles = courant de surtension plus élevé). C'est pourquoi les fiches techniques des MOV spécifient la tension varistance par millimètre d'épaisseur et pourquoi les MOV haute énergie pour la distribution électrique sont physiquement de gros blocs ou assemblages en disque.
Principe De Fonctionnement
À des tensions inférieures à la tension varistance (Vᵥ), les jonctions aux joints de grains restent en mode de déplétion et le dispositif ne tire qu'un courant de fuite de l'ordre du microampère. Lorsqu'une surtension pousse la tension au-dessus de Vᵥ, les jonctions se rompent par effet tunnel quantique et multiplication par avalanche. La résistance chute de mégaohms à ohms, et la MOV dérive le courant de surtension vers la terre.
Cette transition est intrinsèquement rapide – sub-nanoseconde au niveau du matériau. Les MOV standards du commerce atteignent des temps de réponse inférieurs à 25 nanosecondes, limités principalement par l'inductance des broches et la géométrie du boîtier plutôt que par la physique du ZnO. La caractéristique tension-courant est fortement non linéaire, généralement décrite par l'équation I = K·Vᵅ où le coefficient de non-linéarité α varie de 25 à 50 (contre α = 1 pour une résistance linéaire).
Caractéristiques Clés et Comportement
Absorption d'Énergie: Les MOV excellent dans l'absorption de l'énergie de surtension. Les fabricants évaluent la capacité énergétique à l'aide d'impulsions rectangulaires de 2 millisecondes et le courant de surtension avec la forme d'onde standard 8/20 µs. Les blocs MOV pour la distribution électrique peuvent supporter de 10 000 à 100 000 ampères de courant de surtension en événements uniques.
Vieillissement et Dégradation: Des expositions répétées aux surtensions provoquent des dommages microstructuraux cumulatifs. La tension varistance décale vers le bas, le courant de fuite augmente et les performances de clampage se dégradent. Des surcharges importantes peuvent percer les joints de grains, créant des chemins conducteurs permanents. Pour cette raison, les fiches techniques spécifient des facteurs de déclassement pour les surtensions répétitives, et les installations critiques doivent surveiller le courant de fuite de la MOV comme paramètre de maintenance.
Les Applications Typiques: Protection contre les surtensions sur réseaux AC, tableaux de distribution électrique, variateurs de moteurs industriels, équipements lourds, et toute application nécessitant une absorption d'énergie élevée avec une réponse rapide (nanoseconde).
Figure 1 : Coupe transversale d'une MOV montrant les grains d'oxyde de zinc (ZnO) intégrés dans une matrice céramique avec des frontières intergranulaires (vue agrandie en encart). Chaque joint de grain forme une barrière Schottky microscopique, créant des millions de micro-jonctions en configuration série-parallèle. Les dimensions physiques du disque – l'épaisseur détermine la tension nominale (plus de joints en série), le diamètre détermine la capacité en courant (plus de chemins parallèles) – contrôlent directement les performances de protection contre les surtensions.
GDT (Tube à Décharge de Gaz) : Structure et Principe de Fonctionnement
Le tube à décharge de gaz adopte une approche fondamentalement différente : au lieu de clamper la tension avec une résistance non linéaire, il crée un court-circuit temporaire lorsque la tension dépasse un seuil. Cette action de “ court-circuitage forcé ” dévie le courant de surtension à travers un gaz ionisé plutôt qu'à travers des matériaux à l'état solide.
Architecture Interne
Un tube à décharge de gaz (GDT) est constitué de deux ou trois électrodes scellées à l'intérieur d'une enveloppe en céramique ou en verre remplie d'un gaz inerte (généralement un mélange d'argon, de néon ou de xénon à une pression inférieure à la pression atmosphérique). L'entrefer des électrodes et la composition du gaz déterminent la tension de claquage. L'étanchéité hermétique est critique — toute contamination ou variation de pression modifierait les caractéristiques de claquage.
Les GDT à trois électrodes sont courants dans les applications de télécommunications, offrant une protection ligne-ligne et ligne-terre dans un seul composant. Les versions à deux électrodes servent pour des configurations ligne-terre plus simples. Les électrodes sont souvent revêtues de matériaux qui réduisent la tension de claquage et stabilisent la formation de l'arc.
Principe De Fonctionnement
Dans des conditions normales, le gaz est non conducteur et le GDT présente une impédance quasi infinie (>10⁹ Ω) avec une capacité extrêmement faible — typiquement inférieure à 2 picofarads. Lorsqu'une tension transitoire dépasse la tension d'amorçage, le champ électrique ionise le gaz. Les électrons libres accélèrent et entrent en collision avec les atomes de gaz, libérant davantage d'électrons dans un processus d'avalanche. En une fraction de microseconde, un canal de plasma conducteur se forme entre les électrodes.
Une fois ionisé, le GDT entre en mode arc. La tension aux bornes du dispositif chute à une faible tension d'arc — typiquement 10-20 volts, quelle que soit la tension de claquage initiale. Le dispositif agit alors comme un quasi-court-circuit, dérivant le courant de surtension à travers le plasma. L'arc persiste jusqu'à ce que le courant descende en dessous du “courant de transition arc-lueur”, typiquement de quelques dizaines de milliampères.
Ce comportement de court-circuitage crée une considération de conception critique : si le circuit protégé peut fournir un “courant de suivi” suffisant au-dessus du seuil de lueur, le GDT peut rester bloqué en conduction même après la fin du transitoire. C'est pourquoi les GDT sur réseaux électriques alternatifs nécessitent une résistance en série ou une coordination avec des disjoncteurs en amont. Sur des alimentations CC à faible impédance, le blocage en conduction par courant de suivi peut être catastrophique.
Caractéristiques Clés et Comportement
Capacité en courant de surtension: Les GDT supportent des courants de surtension extrêmement élevés — les dispositifs de qualité télécom typiques sont dimensionnés pour 10 000 à 20 000 ampères (forme d'onde 8/20 µs) avec une endurance multi-impulsions. Cette haute capacité provient de la nature distribuée du canal de plasma plutôt que de jonctions à semi-conducteurs localisées.
Capacité: L'avantage déterminant des GDT est leur capacité inférieure à 2 pF, les rendant transparents pour les signaux à haute vitesse. C'est pourquoi ils dominent la protection des lignes de télécommunication : le xDSL, le câble large bande et le Gigabit Ethernet ne tolèrent pas la capacité des varistances (MOV) ou de nombreux dispositifs TVS.
Le Temps De RéponseTemps de réponse.
: Les GDT sont plus lents que les dispositifs à semi-conducteurs. Le claquage se produit généralement en quelques centaines de nanosecondes à quelques microsecondes, selon la surtension (un dV/dt plus élevé accélère l'ionisation). Pour les transitoires rapides sur l'électronique sensible, les GDT sont souvent associés à des dispositifs de clampage plus rapides dans un schéma de protection coordonné.Stabilité et durée de vie.
Les Applications Typiques: Les GDT de qualité présentent une excellente stabilité à long terme. Les méthodes d'essai UIT-T K.12 et IEEE C62.31 vérifient les performances sur des milliers de cycles de surtension. Les GDT télécom reconnus UL démontrent un décalage de paramètres minimal sur des décennies de service.
Applications typiques.
: Protection de lignes de télécommunication (xDSL, câble, fibre optique), interfaces Ethernet à haute vitesse, entrées RF et antennes, et toute application où une charge de ligne minimale est essentielle et où l'impédance de source de surtension est suffisamment élevée pour empêcher le blocage en conduction par courant de suivi.
Figure 2 : Construction et comportement de fonctionnement d'un tube à décharge de gaz (GDT). Le schéma de gauche montre la structure interne : chambre à gaz hermétiquement scellée avec entrefer d'électrodes et remplissage de gaz inerte (argon/néon). Le graphique de droite illustre la réponse d'ionisation — lorsque la tension transitoire dépasse le seuil d'amorçage, le gaz s'ionise créant un canal de plasma conducteur, la tension chute en mode arc (~10-20V), et le courant de surtension est dérivé à travers le plasma jusqu'à ce que le courant descende en dessous du seuil de transition arc-lueur.
Architecture Interne
Diode TVS : Structure et principe de fonctionnement.
Principe De Fonctionnement
Les diodes suppresseurs de tension transitoire (TVS) sont des dispositifs à avalanche au silicium conçus spécifiquement pour le clampage des surtensions. Elles combinent les temps de réponse les plus rapides avec les tensions de clampage les plus basses disponibles dans les composants de protection contre les surtensions, ce qui en fait le choix privilégié pour protéger les circuits semi-conducteurs sensibles.
La physique est purement à l'état solide, sans mouvement mécanique, ionisation de gaz ou changement de phase des matériaux. Cela permet des temps de réponse de l'ordre de la nanoseconde — inférieurs à 1 ns pour le silicium nu, bien que l'inductance du boîtier pousse généralement la réponse effective à 1-5 ns pour les dispositifs pratiques. La caractéristique tension-courant est très raide (faible résistance dynamique), offrant un clampage serré.
Caractéristiques Clés et Comportement
Puissance d'Impulsion: Les fabricants de diodes TVS spécifient la capacité en puissance à l'aide de largeurs d'impulsion standardisées (généralement des formes d'onde exponentielles 10/1000 µs). Les familles de produits courantes offrent des puissances d'impulsion de 400W, 600W, 1500W ou 5000W. La capacité en courant de crête est calculée à partir de la puissance d'impulsion et de la tension de clampage — un dispositif de 600W avec un clampage à 15V gère environ 40A de crête.
Performance de Clampage: Les diodes TVS offrent les tensions de clampage les plus basses parmi toutes les technologies de protection contre les surtensions. Le rapport entre la tension de clampage et la tension de tenue (V_C/V_WM) est typiquement de 1,3 à 1,5, contre 2,0-2,5 pour les varistances MOV. Ce contrôle serré est crucial pour protéger les circuits logiques 3,3V, USB 5V, les circuits automobiles 12V et autres charges sensibles à la tension.
Capacité: La capacité des diodes TVS varie considérablement selon la construction du dispositif. Les diodes TVS à jonction standard peuvent présenter des centaines de picofarads, ce qui charge les lignes de données haute vitesse. Les familles TVS à faible capacité conçues pour HDMI, USB 3.0, Ethernet et RF utilisent des géométries de jonction spécialisées et atteignent moins de 5 pF par ligne.
Vieillissement et Fiabilité: Contrairement aux varistances MOV, les diodes TVS présentent une dérive de performance minimale sous contrainte d'impulsion nominale. La jonction en silicium ne se dégrade pas de manière cumulative à cause de surtensions répétées dans les limites nominales. Les modes de défaillance sont typiquement en circuit ouvert (annihilation de la jonction) ou en court-circuit (fusion de la métallisation), les deux ne survenant qu'en cas de surcharge extrême bien au-delà des spécifications.
Les Applications Typiques: Protection des circuits au niveau carte (ports E/S, rails d'alimentation), interfaces USB et HDMI, électronique automobile, alimentations DC, lignes de données de communication, et toute application nécessitant une réponse rapide et un clampage de tension serré pour des charges à semi-conducteurs.
Figure 3 : Courbe caractéristique tension-courant (I-V) d'une diode TVS montrant le fonctionnement par avalanche du semi-conducteur. Sous tension normale (région de tenue V_WM), le dispositif maintient une haute impédance avec un courant de fuite de l'ordre du nanoampère. Lorsqu'une transitoire dépasse la tension de claquage inverse (V_BR), la jonction P-N en silicium entre en multiplication par avalanche — la résistance de la jonction s'effondre et le dispositif clamp la tension à V_C (tension de claquage plus résistance dynamique × courant de surtension). La courbe raide (faible résistance dynamique) offre un contrôle de tension serré, crucial pour protéger les charges à semi-conducteurs.
Clampage vs Court-circuit : Deux Philosophies de Protection
La différence fondamentale entre ces technologies réside dans leur philosophie de protection. Les varistances MOV et les diodes TVS sont des dispositifs de clampage— ils limitent la tension à un niveau spécifique proportionnel au courant de surtension. Les tubes à décharge de gaz (GDT) sont des dispositifs de court-circuit— ils créent un court-circuit qui fait chuter la tension à un faible niveau résiduel, quelle que soit l'amplitude du courant.
Comportement de clampage (MOV et TVS) : À mesure que le courant de surtension augmente, la tension de clampage s'élève selon la courbe V-I non linéaire du dispositif. Une varistance MOV nominale 275V RMS peut clamper à 750V pour une surtension de 1 kA mais monter à 900V à 5 kA. Une diode TVS nominale 15V de tenue peut clamper à 24V pour 10A mais atteindre 26V à 20A. La charge protégée voit une tension déterminée par l'amplitude de la surtension et les caractéristiques du dispositif.
Comportement de court-circuit (GDT) : Une fois le claquage survenu, le GDT entre en mode arc et la tension chute à 10-20V, que le courant de surtension soit de 100A ou 10 000A. Cela offre une excellente protection une fois déclenché, mais l'amorçage initial peut permettre une pointe de tension avant que l'ionisation ne soit complète. C'est pourquoi les charges sensibles derrière des GDT nécessitent souvent un clampage rapide secondaire.
Chaque philosophie convient à différentes applications. Les dispositifs de clampage protègent en limitant l'exposition à la tension. Les dispositifs de court-circuit protègent en dérivant le courant. Le clampage fonctionne lorsque le circuit protégé peut tolérer la tension de clampage. Le court-circuit fonctionne lorsque la source de surtension a une impédance suffisamment élevée pour que la mise en court-circuit de la ligne n'endommage pas l'équipement amont ou ne cause pas de problèmes de courant de suivi.
MOV vs GDT vs TVS : Comparaison Côte à Côte
Le tableau ci-dessous quantifie les principales différences de performance entre ces trois technologies de protection contre les surtensions :
| Paramètre | MOV (Varistance à Oxyde Métallique) | GDT (Tube à Décharge de Gaz) | Diode TVS |
| Principe De Fonctionnement | Résistance non linéaire dépendante de la tension (joints de grains ZnO) | Court-circuit par ionisation de gaz | Claquage par avalanche du semi-conducteur |
| Mécanisme de protection | Clampage | Court-circuit | Clampage |
| Le Temps De Réponse | <25 ns (pièces de catalogue typiques) | 100 ns – 1 µs (dépendant de la tension) | 1-5 ns (limité par le boîtier) |
| Tension de Clampage/Arc | 2,0-2,5 × MCOV | 10-20 V (mode arc) | 1,3-1,5 × V_tenue |
| Courant de Surtension (8/20 µs) | 400 A – 100 kA (dépend de la taille) | 5 kA – 20 kA (qualité télécom) | 10 A – 200 A (famille 600W ~40A) |
| Absorption d'Énergie | Excellente (100-1000 J) | Excellente (plasma distribué) | Modérée (limitée par la jonction) |
| Capacité | 50-5000 pF (dépend de la surface) | <2 pF | 5-500 pF (dépend de la construction) |
| Comportement au Vieillissement | Se dégrade avec les cycles de surtension ; V_n dérive vers le bas | Stable sur des milliers de surtensions | Dérive minimale dans les limites nominales |
| Mode de Défaillance | Dégradation → court-circuit ou circuit ouvert | Court-circuit (maintien de l'arc) | Ouvert ou court-circuit (catastrophique uniquement) |
| Risque de courant consécutif | Faible (auto-extinguible) | Élevé (nécessite une limitation externe) | Aucun (statique) |
| Plage de tension typique | 18 V RMS – 1000 V RMS | 75 V – 5000 V DC d'éclatement | 3,3 V – 600 V de tension de tenue |
| Coût (relatif) | Faible (0,10 € – 5 €) | Faible-Moyen (0,50 € – 10 €) | Faible-Moyen (0,20 € – 8 €) |
| Normes | CEI 61643-11, UL 1449 | UIT-T K.12, IEEE C62.31 | CEI 61643-11, UL 1449 |
| Applications Principales | Secteur AC, distribution d'énergie, industriel | Lignes de télécommunication, données à haut débit, antenne | E/S au niveau de la carte, alimentations DC, automobile |
Principaux points à retenir de la comparaison
MOV offrent le meilleur équilibre entre la gestion de l'énergie, la réponse rapide et le coût pour les surtensions de niveau de puissance. Ils dominent la protection du secteur AC, mais souffrent du chargement capacitif sur les circuits à haute fréquence et du vieillissement cumulatif sous contrainte répétée.
GDT excellent là où une charge de ligne minimale est essentielle et où la capacité de courant de surtension doit être maximisée. Leur capacitance ultra-faible les rend irremplaçables dans les applications de télécommunications et RF, mais une réponse plus lente et un risque de courant consécutif nécessitent une conception de circuit soignée.
Diodes TVS fournissent le serrage le plus rapide et le plus précis pour l'électronique sensible. Ils sont le seul choix pratique pour protéger les E/S de semi-conducteurs à des tensions inférieures à 50 V, mais une capacité énergétique limitée signifie qu'ils ne peuvent pas gérer les surtensions de niveau de foudre que les MOV et les GDT absorbent régulièrement.
Figure 4 : Tableau de comparaison professionnelle comparant les technologies MOV (varistance à oxyde métallique) et TVS (suppresseur de tension transitoire) selon les spécifications clés. Les MOV présentent des rapports de tension de serrage plus élevés (2,0 à 2,5 × MCOV) avec une excellente absorption d'énergie pour les surtensions de niveau de puissance, tandis que les diodes TVS offrent un contrôle de tension plus précis (1,3 à 1,5 × tension de tenue) avec une réponse plus rapide (<5 ns) pour la protection des semi-conducteurs. Le tableau comprend les tensions nominales, les capacités de courant de surtension et des exemples de références typiques démontrant les enveloppes de performance complémentaires de chaque technologie.
Guide de sélection de la technologie : quand utiliser chacune
Le choix de la bonne technologie de protection contre les surtensions dépend de l'adaptation des caractéristiques du dispositif aux exigences du circuit. Voici un cadre de décision :
Utilisez MOV lorsque :
- La tension du circuit est le secteur AC ou le DC haute tension (> 50 V): Les MOV sont disponibles dans des tensions nominales de 18 V RMS à plus de 1000 V, correspondant parfaitement à la distribution d'énergie résidentielle (120/240 V), commerciale (277/480 V) et industrielle.
- L'énergie de surtension est élevée: Les surtensions induites par la foudre, les transitoires de commutation des services publics et le courant d'appel du moteur produisent des niveaux d'énergie (des centaines à des milliers de joules) que seuls les MOV peuvent absorber économiquement.
- Le temps de réponse <25 ns est acceptable: La plupart des équipements électroniques de puissance et industriels tolèrent la vitesse de réponse des MOV.
- Le chargement capacitif est acceptable: Aux fréquences de puissance (50/60 Hz), même une capacitance de 1000 pF est négligeable.
- Le coût est limité: Les MOV offrent le coût par joule de protection le plus bas.
Évitez les MOV lorsque vous protégez les lignes de communication à haut débit (chargement capacitif), les circuits de semi-conducteurs basse tension (tension de serrage trop élevée) ou les applications nécessitant des performances sans dérive garanties sur des décennies (problèmes de vieillissement).
Utilisez GDT lorsque :
- Le chargement de la ligne doit être minimal (<2 pF): Les modems xDSL, le câble haut débit, Gigabit Ethernet, les récepteurs RF et les entrées d'antenne ne peuvent pas tolérer la capacitance des MOV ou des dispositifs TVS standard.
- La capacité de courant de surtension doit être maximisée: Les centraux de télécommunications, les tours de téléphonie cellulaire et les installations extérieures sont confrontés à des surtensions de foudre répétées de forte amplitude qui dépassent les valeurs nominales des TVS.
- Le circuit protégé a une impédance de source élevée: Les lignes téléphoniques (600 Ω), les lignes d'alimentation d'antenne (50-75 Ω) et les câbles de données peuvent être court-circuités en toute sécurité sans courant consécutif excessif.
- La tension de fonctionnement est élevée (> 100 V): Les GDT sont disponibles avec des tensions d'éclatement de 75 V à 5000 V, couvrant les tensions de télécommunications, PoE (Power over Ethernet) et la signalisation haute tension.
Évitez les GDT lorsque vous protégez les alimentations DC à faible impédance (risque de courant consécutif), les circuits nécessitant la réponse la plus rapide (critique <100 ns) ou les charges sensibles à la tension qui ne peuvent pas tolérer le pic d'éclatement initial (nécessite un serrage secondaire).
Utilisez une diode TVS lorsque :
- La tension de serrage doit être étroitement contrôlée: La logique 3,3 V, l'USB 5 V, les circuits automobiles 12 V et autres charges de semi-conducteurs nécessitent un serrage à moins de 20 à 30 % de la tension nominale, seuls les diodes TVS offrent cela.
- Le temps de réponse doit être le plus rapide (<5 ns): La protection des processeurs à haut débit, des FPGA et des circuits analogiques sensibles exige une réponse en nanosecondes.
- La tension du circuit est faible à moyenne (<100 V): Les familles TVS couvrent tout, des lignes de données 3,3 V aux alimentations de télécommunications 48 V.
- Le vieillissement/la dérive ne peuvent pas être tolérés: Les dispositifs médicaux, l'aérospatiale et les systèmes critiques pour la sécurité nécessitent une protection prévisible et stable pendant toute la durée de vie du produit.
- L'espace sur la carte est limité: Les dispositifs TVS SMT dans des boîtiers 0402 ou SOT-23 s'adaptent là où les MOV et les GDT ne le peuvent pas.
Évitez les diodes TVS lorsque l'énergie de surtension dépasse la puissance d'impulsion nominale (un dispositif typique de 600 W n'absorbe qu'environ 1 joule), le courant de surtension dépasse la valeur nominale de crête (40 A typique pour 600 W à 15 V) ou le coût par canal devient prohibitif dans les systèmes multi-lignes.
Matrice de décision
| Application | Technologie primaire | Raisonnement |
| Protection du panneau secteur AC | MOV (SPD de type 1/2) | Haute énergie, 120-480V, économique |
| Interface de ligne télécom | GDT + TVS (étagé) | Le GDT absorbe l'énergie, le TVS bride le résiduel |
| Lignes de données USB 2.0 / 3.0 | TVS à faible capacité | Fronts rapides, alimentation 5V, <5 pF requis |
| Ethernet (10/100/1000 Base-T) | GDT (primaire) + TVS à faible capacité | Charge minimale, forte exposition aux surtensions |
| E/S industrielles 24V DC | TVS | Bride serrée, réponse rapide, pas de vieillissement |
| Entrée DC solaire PV | MOV (homologué DC) | Haute tension (600-1000V), haute énergie |
| Circuits automobiles 12V | TVS | Protection contre le délestage de charge, bride serrée à 24-36V |
| Entrée d'antenne RF | GDT | Sub-2 pF, tenue en puissance élevée |
| Rail d'alimentation FPGA 3.3V | TVS (faible capacité) | Bride 6-8V, réponse <1 ns critique |
Cette matrice est un point de départ. Les installations complexes combinent souvent des technologies dans des schémas de protection multicouches, tirant parti des forces de chaque étape.
Figure 5 : Schéma d'architecture de protection contre les surtensions professionnelle à trois étages illustrant une stratégie de protection coordonnée. Étape 1 (Primaire) : Le SPD MOV de type 1 à l'entrée de service gère l'énergie de surtension extrême (40-100 kA) et bride la tension de 10+ kV à ~600V. Étape 2 (Secondaire) : Le tube à décharge de gaz dévie les transitoires résiduels de haute tension et réduit la tension à ~30V grâce au fonctionnement en mode arc. Étape 3 (Finale) : La diode TVS fournit un bridage serré (tension de blocage <1,5×) avec une réponse en nanosecondes pour protéger les charges sensibles des semi-conducteurs. Chaque étape comprend une mise à la terre et une coordination de tension appropriées pour garantir que les dispositifs en amont se déclenchent avant les composants en aval, créant des points de “transfert” clairs qui répartissent l'énergie de surtension à travers la cascade de protection. Cette approche multicouche tire parti des forces complémentaires des technologies MOV (haute énergie), GDT (faible capacité) et TVS (bride serrée).
Protection multicouche : Combinaison de technologies
Les architectures de protection contre les surtensions les plus robustes ne reposent pas sur une seule technologie. Au lieu de cela, elles coordonnent plusieurs étapes, chacune optimisée pour une partie différente du spectre de la menace. Cette approche de “défense en profondeur” tire parti des forces complémentaires des technologies MOV, GDT et TVS.
Pourquoi une protection multicouche ?
Répartition de l'énergie: Une seule diode TVS ne peut pas absorber une surtension de foudre de 10 kA, mais un GDT en amont peut dévier 99 % de cette énergie, laissant le TVS brider le résiduel. Chaque étape gère ce qu'elle fait de mieux.
Optimisation de la vitesse: Un GDT met des centaines de nanosecondes à s'ioniser. Pendant ce temps, un TVS rapide en aval peut brider le pic initial, évitant ainsi d'endommager les charges sensibles. Une fois que le GDT s'amorce, il prend en charge la déviation du courant principal.
Coordination de la tension: Le dispositif en amont doit se rompre avant le dispositif en aval. Une sélection appropriée garantit que le premier étage conduit à, disons, 600V, limitant ce qui atteint le deuxième étage (nominal 150V), qui à son tour protège la charge finale (nominale 50V).
Architectures multicouches courantes
Interface télécom (GDT + TVS):
- Étape primaire: Le GDT à la limite de l'interface gère les coups de foudre directs et les défauts d'alimentation haute tension (surtensions de 2 à 10 kV, jusqu'à 20 kA).
- Étape secondaire: La diode TVS à faible capacité bride les transitoires résiduels à des niveaux sûrs pour le circuit intégré émetteur-récepteur (<30V).
- Coordination: Amorçage du GDT à 400V, claquage du TVS à 15V, valeur maximale de l'émetteur-récepteur 12V. Le TVS protège pendant le délai d'ionisation du GDT ; une fois que le GDT s'amorce, il assume la fonction de courant principal.
Ethernet PoE (GDT + TVS + Inductance):
- Primaire: Le GDT dévie les surtensions de foudre ligne-terre.
- Inductance série: Ralentit le temps de montée de la surtension (dV/dt), donnant au GDT le temps de s'ioniser et limitant le courant dans les étages en aval.
- Secondaire: Les diodes TVS sur chaque paire différentielle brident les transitoires en mode commun et en mode différentiel pour protéger le PHY Ethernet (±8V max).
Panneau AC industriel (MOV primaire + MOV secondaire):
- Entrée de service: Le MOV de type 1 nominal 40-100 kA gère la foudre directe (tension 1,2/50 µs, formes d'onde de courant 10/350 µs selon IEC 61643-11).
- Panneau de distribution: Le MOV de type 2 nominal 20-40 kA bride les surtensions résiduelles qui se couplent à travers le câblage du bâtiment.
- Équipement de charge: Le SPD de type 3 ou le TVS au niveau de la carte fournit une protection finale au point d'utilisation.
Système solaire PV (MOV DC + TVS):
- Boîte de jonction de réseau: Le MOV nominal DC (600-1000V) sur la sortie de chaîne PV gère les surtensions induites par la foudre.
- Entrée de l'onduleur: Les diodes TVS protègent le convertisseur DC-DC et les semi-conducteurs du contrôleur MPPT, bridant à des niveaux auxquels le silicium peut survivre.
La clé d'une coordination réussie est de sélectionner des tensions de claquage qui créent des points de “transfert” clairs et de vérifier que l'énergie traversante d'un étage reste dans les limites de l'étage suivant. Les fabricants de systèmes SPD complets (comme VIOX) publient souvent des assemblages testés et coordonnés qui éliminent cette complexité de conception.
Conclusion
La sélection des composants de protection contre les surtensions ne consiste pas à trouver la “meilleure” technologie, mais à faire correspondre la physique aux exigences. Les MOV utilisent des céramiques d'oxyde de zinc pour absorber une énergie élevée aux tensions d'alimentation. Les GDT exploitent l'ionisation des gaz pour obtenir une charge de ligne minimale avec une capacité de courant maximale. Les diodes TVS exploitent l'avalanche des semi-conducteurs pour un bridage le plus rapide et le plus serré de l'électronique sensible.
Chaque technologie représente un compromis fondamental :
- Les MOV (varistances à oxyde métallique) échangent une tension d'écrêtage et un vieillissement plus élevés contre une excellente capacité de gestion de l'énergie et un faible coût.
- Les GDT (tubes à décharge gazeuse) échangent une réponse plus lente et un risque de courant consécutif contre une capacitance ultra-faible et une endurance aux surtensions.
- Les diodes TVS (suppresseurs de tension transitoire) échangent une capacité d'énergie limitée contre une réponse plus rapide et un contrôle de tension plus précis.
Comprendre ces compromis, qui sont enracinés dans les principes de fonctionnement que nous avons examinés, vous permet de spécifier une protection qui fonctionne réellement dans votre application. Une MOV de 600 V sur une ligne de données de 5 V ne parviendra pas à protéger. Une diode TVS de 40 A confrontée à une surtension de foudre de 10 kA échouera de manière catastrophique. Un GDT sur une alimentation CC à faible impédance peut se verrouiller en conduction de courant consécutif destructrice.
Pour les installations complexes, la protection multicouche coordonne plusieurs technologies, en positionnant chacune là où elle fonctionne le mieux. Le GDT absorbe l'énergie en vrac, la MOV gère les surtensions au niveau de la puissance et la TVS fournit un écrêtage final pour les charges de semi-conducteurs.
Que vous conceviez un parafoudre de distribution d'énergie nominal de 100 kA selon la norme IEC 61643-11, que vous protégiez une interface Gigabit Ethernet avec une charge inférieure à 2 pF ou que vous protégiez les E/S FPGA de 3,3 V, le cadre de décision est le même : faites correspondre la physique du dispositif aux exigences du circuit, vérifiez les valeurs nominales par rapport aux formes d'onde de menace et coordonnez les étages lorsqu'une seule technologie ne peut pas couvrir l'ensemble du spectre.
À propos de VIOX ElectricEn tant que fabricant leader de dispositifs de protection contre les surtensions, VIOX propose des solutions complètes MOV, GDT et TVS pour les applications résidentielles, commerciales et industrielles. Notre équipe d'ingénierie fournit un support d'application pour les systèmes de protection coordonnés. Visitez www.viox.com ou contactez notre équipe de vente technique pour obtenir de l'aide sur les spécifications.
