Transformateurs d'isolement et EMI

Si le réseau d'alimentation électrique n'est pas complètement stable, exempt de bruit et que la possibilité de surtensions transitoires, de perturbations à haute fréquence ou de manque de tension continu est prévue, atteignant même des micro-coupures fréquentes, l'installation de divers filtrages et systèmes de protection à l'entrée d'un système ou d'une installation. Selon le type de perturbations prévues ou subies, la figure 1 présente un ensemble de protections à installer dans un équipement ou une installation en fonction de la durée de la perturbation et de son amplitude. Ces perturbations peuvent être causées par des décharges atmosphériques, l'ouverture et la fermeture de charges électriques, de mauvaises techniques de mise à la terre et de mise à la terre, l'absence de mise à la terre, des émetteurs radio puissants à proximité, etc...

Cet article va se concentrer sur les transformateurs d'isolement (TDA). Les TDA peuvent être utilisés dans de multiples applications : dans l'alimentation électrique principale à 50 Hz ; dans les transformateurs de sortie des convertisseurs de puissance ou dans le cadre d'alimentations à découpage ou d'instruments de précision, entre autres. Tous les concepts expliqués ici peuvent être appliqués à tous les types d'ADD, quel que soit l'endroit où ils sont disponibles. Bien que les TDA puissent être plus ou moins volumineux pour les circuits de signal ou de puissance, par souci de facilité, l'article se concentrera sur les TDA monophasés de 50 Hz disposés à l'entrée d'alimentation de l'équipement. Dans cet environnement, nous parlerons de mise à la terre. Dans d'autres environnements, les mêmes effets de la connexion à la terre dans les ADT peuvent être appliqués en substituant la connexion à la terre à la connexion à la masse interne de l'équipement.

Un transformateur de puissance est conçu pour fonctionner avec des tensions alternatives de 50 Hz avec des rendements proches de 97 %. Évidemment, l'efficacité de ce type de transformateurs avec des perturbations à haute fréquence est très différente, car la réponse en fréquence n'est pas uniforme. Par conséquent, la forme d'onde d'une impulsion d'interférence est affectée et déformée lorsqu'elle traverse le transformateur.

Dans les transformateurs, les enroulements primaire et secondaire sont couplés magnétiquement. Cette construction a une isolation inhérente entre le primaire et le secondaire. Par conséquent, chaque transformateur est isolé galvaniquement. La conception des transformateurs implique un grand rapprochement du primaire et du secondaire et donc des capacités parasites apparaissent entre ces enroulements qui peuvent coupler des perturbations électromagnétiques (EMI) (figure 2). Nous allons voir ici comment réduire ces capacités parasites et ainsi augmenter l'isolement entre le primaire et le secondaire des TDA pour réduire le couplage des EMI.

Les TDA typiques incorporent au moins un écran de Faraday entre les deux enroulements, afin de détourner les EMI qui seraient couplés électriquement (capacitivement) entre les enroulements primaire et secondaire vers la terre. Le mécanisme par lequel se produit le couplage électrique des EMI est dû à la capacité parasite existant entre les spires des deux enroulements dans ce transformateur sans écran de Faraday. Cette même capacité limite la fréquence maximale de la bande passante du transformateur de la même manière que la limite basse fréquence est déterminée par les inductances mutuelles du transformateur. Lorsque la fréquence du courant d'excitation augmente, la réactance provoquée par la capacité entre enroulements, 1/ωC, tend à dévier ces courants, limitant ainsi les performances à haute fréquence.

Le blindage de Faraday contrôle toutes sortes de problèmes pouvant être attribués au couplage capacitif des EMI via le transformateur. L'inclusion d'un écran de Faraday entre les enroulements élimine la capacité parasite entre eux, mais établit également deux nouvelles capacités entre l'écran et chacun des enroulements. Ces capacités permettent aux courants haute fréquence de circuler dans les systèmes de mise à la terre des enroulements primaire et secondaire (figure 3).

Transformateurs et EMI

Les transformateurs ont la capacité d'injecter des EMI rayonnées et conduites dans un système. Au lieu d'être confiné au noyau du transformateur, son rayonnement peut être une source d'EMI en raison de son flux magnétique parasite. Le champ magnétique autour du transformateur est directionnel. Cela minimise les EMI pour les autres composants, s'ils sont bien positionnés par rapport aux composants à proximité. Une amélioration consiste à déplacer le transformateur dans une section d'équipement suffisamment éloignée des composants sensibles ; une autre option consiste à concevoir un transformateur avec des EMI réduits par construction. Ceci est réalisé en concevant le transformateur avec une densité de flux réduite, ce qui implique une augmentation du nombre de spires dans le transformateur ou une augmentation de la surface de son noyau. Une autre solution consiste à entourer le transformateur d'un blindage externe constitué d'une feuille de cuivre à l'extérieur du noyau, comme une spire court-circuitée pour réduire le flux magnétique de fuite parasite. La figure 4 présente les deux types d'écrans de base sur un transformateur.

Dans les cas extrêmes, des écrans magnétiques peuvent être appliqués consistant en une boîte qui entoure le transformateur, capte le flux de fuite parasite et l'envoie à la terre. Cette technique est généralement efficace, mais elle est également coûteuse car le boîtier est en alliages magnétiques. Cependant, lorsque les niveaux les plus élevés de protection EMI sont requis, le confinement magnétique est un bon choix. La figure 5 montre le détail de construction d'un ADT avec un blindage externe et un écran de Faraday. Dans cet exemple, cet écran est réalisé avec un enroulement de spires en une couche. Il serait préférable d'utiliser une feuille de cuivre ou d'aluminium.

L'isolation d'un transformateur est limitée par la résistance alternative de l'isolation ( MΩ ) entre le primaire et le secondaire aux basses fréquences. Cet isolement présente des problèmes lorsque la fréquence est augmentée au-dessus de 100 kHz, car la capacité entre le primaire et le secondaire diminue et atténue les EMI à la fois en mode MC et en mode différentiel. Sur un ADT typique, la capacité de fuite hors écran est d'environ 5 pF.

Un transformateur fonctionne plus efficacement à sa fréquence de conception. Étant donné que la réactance inductive du transformateur augmente avec la fréquence, les harmoniques et les transitoires de fréquence plus élevée sont considérablement atténués avec le transformateur sous charge. Cela se produit parce qu'ils sont dissipés par l'inductance du transformateur. Cependant, dans des conditions de faible charge, la chute de tension aux bornes de sa réactance inductive peut ne pas fournir une atténuation suffisante. Cependant, tous les EMI problématiques ne peuvent pas être classés sous l'étiquette haute fréquence. C'est pourquoi si les EMI en mode différentiel semblent être un problème dans une application particulière, un remède autre que de se fier uniquement à l'impédance TDA sera nécessaire. Par conséquent, la suppression et le filtrage des transitoires sont ajoutés aux ADT pour résoudre les problèmes d'EMI de deux manières (figure 6) :

1. Limiter les transitoires de forte amplitude potentiellement dommageables, avec des varistances rapides ou avec TVS. Cela permet de supprimer les transitoires dans l'enroulement primaire.

2. Filtrage de la phase du secondaire avec son neutre obtenant une très faible impédance pour les signaux haute fréquence. Avec cela, une grande atténuation des EMI en mode différentiel est obtenue, quelle que soit la charge sur le transformateur. La figure 7 montre l'effet complémentaire de la combinaison d'un filtre secteur connecté avec un transformateur d'isolement blindé Faraday. Bien que l'équipement intègre normalement déjà son propre filtre réseau, le TDA n'est pas redondant, puisqu'il complète l'action du filtre.

Écran de Faraday sur un transformateur

Dans un transformateur de puissance normal, sans écran de Faraday, les EMI en mode commun traversent les capacités parasites entre les enroulements primaire et secondaire, atteignant l'équipement de manière indésirable (figure 8). Un TDA avec un écran électrostatique, formé par une fine feuille métallique (Cu ou Al) non fermée, séparant le primaire du secondaire, peut court-circuiter capacitivement à la masse la plupart des EMI de mode commun qui atteignent le primaire, les empêchant d'atteindre le équipements primaires (figure 9). Ainsi, la plupart des problèmes d'alimentation sont résolus en utilisant un ADD. Il est important de ne pas court-circuiter l'écran interne, par exemple en plaçant une spire à l'intérieur du transformateur, car cela provoquerait alors un court-circuit.

Les capacités parasites représentées électriquement sur les figures 2 et 8 peuvent être le chemin des EMI haute fréquence pour passer du primaire au secondaire. Son impédance (ou réactance capacitive) est :

Par conséquent, avec les valeurs de capacité existant entre les enroulements, et aux fréquences élevées, l'impédance capacitive Z a des valeurs très faibles. Ces capacités parasites peuvent être réduites en installant un écran électrostatique ou de Faraday entre les enroulements primaire et secondaire. La valeur de la capacité totale est :

Ainsi, si la capacité totale diminue, le Zcapacitif augmente et le chemin des EMI haute fréquence est modifié, ce qui en dérive une grande partie vers la terre.

En plaçant un écran sur le transformateur, vous augmentez l'atténuation d'au moins 60 dB (1000 fois). Ainsi, une impulsion de 1000 volts sur le primaire apparaît sur le secondaire sous la forme de 1 volt. Cette plage d'atténuation dépend des fréquences des EMI. Avec de bons TDA, des atténuations de 120 dB peuvent être obtenues à des fréquences autour de 500 kHz. De par sa conception et sa fabrication, un bon transformateur peut garantir une atténuation EMI en mode commun de 60 à 120 dB entre les fréquences de 10 Hz à 1 MHz et une atténuation EMI en mode différentiel de 45 dB (à 100 kHz).

Il existe une autre caractéristique supplémentaire des ADT qui faciliterait l'élimination complète des EMI en mode commun. Les normes de sécurité (dans la réglementation basse tension) exigent que l'une des bornes secondaires du TDA soit connectée à la terre, en détournant les EMI. Cette configuration est visible sur la figure 9. L'impédance proche de zéro ne fait apparaître aucune tension de mode commun dans la charge entre cette borne (neutre secondaire) et la terre. Mais méfiez-vous! cette connexion n'est pas autorisée dans les équipements médicaux car ils doivent flotter pour éviter les problèmes de courant de fuite qui pourraient affecter les patients.

Un TDA permet de rétablir la liaison à la terre à proximité de l'équipement. Ainsi, le neutre du secondaire est solidement référencé à la terre via sa jonction et non via une capacité distribuée pouvant exister dans la charge. Toute EMI en mode commun apparaissant sur le secondaire a son courant court-circuité à la terre via la jonction secondaire neutre-terre du transformateur. Le noyau (s'il est métallique) est également mis à la terre, ainsi que le châssis métallique de l'équipement.

mode commun et mode différentiel

Les transitoires de mode commun (transitoires des lignes à la terre) sont les plus problématiques de toutes les perturbations affectant les lignes, car elles sont capables de contourner les filtres d'alimentation et de pénétrer plus facilement à travers les capacités parasites dues à l'effet du couplage électrostatique (figure 2).

Il existe une autre source d'EMI en mode différentiel (MD) au secondaire des transformateurs et c'est un "attribut" des transformateurs, dû à la conversion des EMI en mode commun (MC) : les perturbations en MC au primaire sont convertis en EMI en MD dans le secondaire (figure 10). Les EMI dans MC, dans les lignes d'entrée du transformateur apparaissent également dans les lignes d'entrée du transformateur avec un déphasage de 180º. Idéalement, ils devraient être annulés, mais la réalité est différente. Dans les vrais transformateurs, il y a des imperfections, donc des discontinuités apparaissent dans les capacités et, en général, dans les impédances des enroulements, ce qui affecte la vitesse des EMI traversant le primaire et cela affecte la répartition des courants dans les enroulements. Par conséquent il n'y a pas annulation totale des perturbations en MC. Le courant résultant produit une différence de tension entre les bornes de l'enroulement secondaire du transformateur.

Dans le cas où vous auriez des problèmes de transitoires rapides haute fréquence et de décharge électrostatique (ESD), l'écran placé entre les deux bobinages n'est pas aussi efficace en haute fréquence en raison du large spectre de fréquences, notamment ESD. L'atténuation de l'affichage commence à diminuer au-dessus de 30 kHz. En général, les transformateurs haute fréquence ne sont pas blindés en raison de leur grande inefficacité causée par l'inductance relativement importante de la connexion entre l'écran et la terre (ou la terre à l'intérieur de l'équipement).

Les transitoires MD au primaire sont transmis au secondaire principalement par couplage magnétique et le blindage de Faraday est moins efficace (figure 11). Dans les transformateurs réels, les tensions MC dans le primaire ont tendance à produire des tensions MD dans le secondaire en raison de l'effet de conversion MC à MD du transformateur déjà mentionné. Il existe deux façons d'éliminer ces tensions dans MD : le placement de condensateurs entre la ligne de phase et le neutre du côté secondaire qui filtre les EMI dans MD ; et un deuxième écran qui supprime cette conversion.

Transformateurs à double blindage

Aux basses fréquences, la solution d'un écran est bonne, mais aux moyennes et hautes fréquences, l'atténuation des EMI entre le primaire et le secondaire, aussi bien en MC qu'en MD simultanément, n'est pas optimale. Les deux modes étant présents en même temps, un double bouclier de Faraday doit être utilisé (figure 12).

Un deuxième écran sur l'enroulement primaire agit comme un chemin à faible impédance pour les EMI MC se déplaçant d'un écran à l'autre, éliminant la conversion MC en MD inhérente aux transformateurs. Dans un ADT à 2 écrans, l'écran faisant face au côté primaire est connecté au neutre du primaire pour supprimer les EMI sur MD. L'écran faisant face au secondaire est connecté à la masse de référence pour supprimer les EMI dans MC. Une partie du flux de courant MC dans l'enroulement primaire apparaît dans le secondaire par l'action du transformateur. Les deux écrans fourniront généralement 60 à 80 dB d'atténuation EMI en MC de 100 Hz à 1 MHz.

Transformateurs à triple écran

Si les charges connectées au secondaire génèrent des EMI dans MC, il est souhaitable d'éviter sa propagation à d'autres équipements via un TDA. Ce chemin peut être bloqué en ajoutant un troisième écran qui est connecté à l'un des pôles de l'enroulement secondaire (neutre secondaire) (figure 13). Dans un ADT à triple écran, l'écran central est mis à la terre. Les autres écrans sont reliés respectivement au neutre du primaire et du secondaire. Le TDA avec cet ensemble de trois blindages fournira généralement 65 à 80 dB d'atténuation MC EMI de 100 Hz à 1 MHz. La technique à trois blindages réduit la capacité en dessous de 0,009 pF et augmente l'isolation au-dessus de 100 MΩ.

Les perturbations MD sont généralement causées par la commutation de charges importantes ou par des condensateurs utilisés pour la correction du facteur de puissance. Avec un triple écran, les perturbations en MC et les perturbations en MD du primaire et du secondaire sont atténuées. On suppose ici que l'alimentation à découpage dans l'équipement génère également des EMI dans le secondaire vers le réseau et on souhaite les atténuer, car son propre filtre ne suffit pas. Le troisième écran, relié au neutre du secondaire, atténue les EMI en MD générés par la source commutée de l'équipement et les empêche d'atteindre le réseau avec toute leur intensité.

Les ADT à trois écrans sont également appelés transformateurs ultra-isolants. Ils ont une faible capacité de couplage et une isolation élevée (1.000 XNUMX MΩ). Ces transformateurs ultra-isolants sont appliqués dans les centres de données, le contrôle de processus, l'instrumentation électronique, les systèmes de télécommunication, les salles d'opération, les salles de soins intensifs, les analyseurs médicaux, les équipements audio/vidéo, la télémétrie, les systèmes de contrôle électronique, les équipements informatiques, la téléphonie, entre autres.

Autres applications : Instrumentation

Grâce à la plus grande isolation obtenue, les TDA sont souvent utilisés pour protéger les circuits à gain élevé ou pour empêcher l'apparition de chemins EMI dans les sols des installations d'instrumentation. Le blindage au niveau de l'instrument est difficile et souvent inefficace. Étant donné que la plupart des équipements d'instrumentation disponibles dans le commerce ont un seul blindage sur leurs transformateurs de puissance, les concepteurs sont convaincus que l'ajout d'un blindage secondaire ou primaire éliminera les problèmes de mise à la terre du système. Cette approche peut ne pas apporter d'avantages supplémentaires au système, à moins que l'architecture de vos masses dans l'instrument ne soit correcte. Un TDA ne remplace pas le blindage général ou la mise à la terre appropriée des instruments individuels. Si vous partez d'une bonne conception du système de masses et de blindages dans un système d'instrumentation, un TDA peut fournir une plus grande atténuation des EMI. Si la connexion au sol n'est pas bonne, un TDA ne fera pratiquement rien.

Autres applications : Au niveau du rack

Une application efficace des TDA est leur installation dans des racks d'équipement. Un rack agit comme un blindage externe pour les instruments internes, tout en servant également de « référence zéro volt » pour les signaux du système. Les TDA sont utilisés pour contrôler les courants de blindage et pour éliminer les capacités mutuelles entre l'instrumentation du rack et une connexion à la terre inconnue.

La figure 14 montre une application d'un TDA au niveau du rack. Le principal avantage que comporte son utilisation est un meilleur niveau de contrôle des courants dans les blindages des équipements. Toute différence de potentiel entre la masse du circuit et la masse du rack entraînera la circulation de courants dans la boucle 3-2-1-3, comme indiqué sur la figure 14. Le TDA permet de diriger ces courants de "terre" à travers une partie du blindage du rack, sans affecter le fonctionnement des circuits sensibles et en isolant ces courants des conducteurs de référence des équipements internes.

Conclusions

Un TDA permet d'améliorer la protection d'un appareil contre les perturbations de l'alimentation d'un appareil ou les signaux qui viennent de l'extérieur. Les TDA peuvent être utilisés dans de multiples applications : dans l'alimentation électrique principale à 50 Hz ; dans les transformateurs de sortie des convertisseurs de puissance ou dans le cadre d'alimentations à découpage ou d'instruments de précision, entre autres. La réponse en fréquence d'un transformateur n'est pas uniforme.

Dans les transformateurs, les enroulements primaire et secondaire sont couplés magnétiquement. La conception des transformateurs implique un grand rapprochement du primaire et du secondaire et donc des capacités parasites apparaissent entre ces enroulements qui peuvent coupler des perturbations électromagnétiques.

Les ADT typiques intègrent au moins un écran de Faraday entre les deux enroulements, afin de détourner les EMI qui se coupleraient de manière capacitive entre les enroulements primaire et secondaire vers la terre. Le mécanisme par lequel se produit le couplage électrique des EMI est dû à la capacité parasite existant entre les spires des deux enroulements dans ce transformateur sans écran de Faraday.

Le blindage de Faraday contrôle toutes sortes de problèmes pouvant être attribués au couplage capacitif des EMI via le transformateur.

RÉFÉRENCES

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• Ralph Morrison, "Techniques de mise à la terre et de blindage dans l'instrumentation",  Wily 1986

• Dr Bruce, C. Gabrielson et Mark J. Reinold, "Supprssion of Power Line Noise with Isolation Transformers", Sachs / Freeman Associates

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