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Electronique > Réalisations > Alimentations > Disjoncteur 003

Dernière mise à jour : 28/08/2022

Présentation

Ce disjoncteur électronique est de type différentiel et se déclenche pour un défaut d'équilibre phase/neutre de 10 mA. Si votre installation électrique ne dispose pas d'un disjoncteur différentiel (généralement 30 mA) et si vous aimez expérimenter avec des montages alimentés par le secteur 230 V, alors ce disjoncteur vous sera d'une grande utilité si votre doigt glisse par mégarde sur un conducteur pas sympathique.

Le montage s'intercale (se branche en série) entre la source de tension principale (secteur 230 V) et le montage à alimenter durant sa réparation, vérification ou construction. En cas de défaut, il coupe l'alimentation de votre montage en moins de 10 ms.

   

Avertissements

• Montage relié au secteur 230 V, merci de lire ces avertissements avant de poursuivre la lecture de cet article.
• Ce montage n'a pas pour vocation d'être installé dans un tableau de distribution électrique (ce serait mécaniquement difficile).
• Ce montage est un disjoncteur différentiel. Si vous mettez malencontreusement votre doigt sur un conducteur qui engendre un courant de terre en passant dans votre corps, alors il joue son rôle et coupe le jus. En revanche, une surintensité dans l'appareil en test n'est pas vue par ce disjoncteur et ce dernier n'agit pas. La présence d'un disjoncteur traditionnel ou d'un fusible en sus ne sera jamais du luxe. 

   

Schéma

Le schéma suivant représente la totalité du disjoncteur différentiel. 

   

   

Il est vrai que ce système est un peu plus compliqué que le modèle du commerce doté de trois bobinages sur un même noyau et prêt à installer dans le tableau de distribution électrique. Mais son lieu de destination n'est pas le même et, points positifs, il est plus sensible et plus rapide.

   

Principe général de fonctionnement

Un transformateur d'alimentation standard doté de deux enroulements secondaires identiques et "utilisé à l'envers" permet d'obtenir une tension dont la valeur est proportionnelle à la différence de courant entre phase et neutre. Si le courant de phase est égal au courant de neutre (situation normale), alors la tension de différence est très faible ou nulle. Si en revanche le courant de phase est supérieur au courant de neutre (situation de défaut), alors la tension de différence augmente et coupe automatique la sortie du disjoncteur.

Le seuil de déclenchement (valeur conseillée entre 10 mA et 30 mA) est fixé par un potentiomètre ajustable réglé une fois pour toutes.

Rappelons au passage qu'un courant permanent de seulement 10 mA (0,01 A) dans le corps humain peut être mortel ! Le danger dépend de l'intensité du courant qui traverse le corps et de sa durée.

   

Mesure du courant différentiel phase/neutre

La mesure du courant différentiel est obtenue par le transformateur TR2, un transformateur d'alimentation 230 V / 2 x 6 V câblé de façon inverse à la normale. Le premier de ses deux enroulements secondaires 6 V est parcouru par le courant de phase, tandis que le second est parcouru par le courant de neutre. La tension délivrée par l'enroulement primaire 230 V (qu'on utilise ici en secondaire) dépend du courant qui circule dans les deux enroulements 6 V. En câblant les deux enroulements 6 V en opposition de polarité, les flux magnétiques engendrés par les courants de phase et de neutre s'annulent. Ainsi, quand le courant de phase est égal au courant de neutre, on devrait en théorie recueillir une tension nulle sur l'enroulement 230 V. Mais comme il serait très surprenant que les deux enroulements 6 V soient strictement identiques, une petite tension apparaîtra certainement sur l'enroulement 230 V. Ce point n'est pas critique, car un réglage de seuil est prévu, qu'il suffira de régler un peu en dessous de cette faible tension résiduelle.

      

Choix du transformateur TR2

Le courant qui circule dans les enroulements 6 V du transformateur correspond au courant consommé par la charge (appareil branché en sortie du disjoncteur). Il faut donc choisir pour TR2 un transformateur dont le courant de sortie secondaire maximal est égal ou supérieur au courant drainé par la charge. En choisissant par exemple un transformateur de puissance 12 VA (2 x 6 V / 1 A), le courant ne pourra pas excéder 1 A dans les enroulements 6 V, ce qui correspond à une charge d'environ 200 W côté secteur.

Pour pouvoir travailler avec une charge de puissance supérieure, il faut simplement utiliser un transformateur de puissance supérieure.

   

Disjonction

La section chargée de la disjonction est construite autour de l'AOP U1:B câblé en comparateur de tension.

L'entrée inverseuse [-] de l'amplificateur opérationnel U1:B reçoit une tension continue Vref disponible au curseur du potentiomètre ajustable RV1. Cette tension Vref devra être réglée à une valeur très légèrement inférieure à 6,5 V (le détail sera donné ultérieurement, au paragraphe Procédure de réglage).

L'entrée non inverseuse [+] de l'amplificateur opérationnel U1:B reçoit quant à elle la tension Vmeas qui est la somme des deux tensions Vb (tension continue dc) et Vdiff (tension alternative ac) ; Vb s'additionne à Vdiff à travers l'enroulement 230 V de TR2. La tension Vb provient de la sortie de l'amplificateur opérationnel U1:A et est égale à 6,5 V, tandis que la tension Vdiff est proportionnelle à la différence des courants de phase et de neutre. 

En temps normal (pas de défaut), la tension de différence Vdiff est nulle ou très faible et la tension Vmeas est donc égale à Vb, soit 6,5 V. 

Si l'amplitude de Vdiff tend à augmenter (situation de défaut), alors la tension Vmeas fluctue au rythme du secteur et autour de la valeur de repos Vb de 6,5 V. On peut ainsi retrouver en Vmeas une tension centrée sur 6,5 V qui évolue entre 6,0 V et 7,0 V (amplitude proportionnelle à la valeur du courant de défaut). Le montage réagit sur les alternances négatives du secteur, quand la tension Vmeas passe en dessous du seuil Vref qui rappelons-le est légèrement inférieure à 6,5 V.

Au démarrage du système, le relais RL1 est désactivé et aucune tension n'est présente en sortie du disjoncteur. En conséquence, il ne circule aucun courant dans les enroulements 6 V de TR2. La tension arrivant sur l'entrée non inverseuse [+] de l'amplificateur opérationnel U1:B est donc supérieure à celle acheminée sur l'entrée inverseuse [-]. La sortie de U1:B est à +12 V, ce qui permet la saturation (la mise en conduction) du transistor Q1, la borne RL- de la bobine du relais RL1 se trouve ainsi connectée à la masse (0 V). Pour autant, le relais ne colle pas, car sa borne RL+ ne reçoit pas la tension positive qui lui est nécessaire pour s'activer. Pour que RL1 colle, il faut presser le bouton-poussoir SW1 qui amène la borne RL+ du relais à la tension non régulée Vnr (environ 15 V). Une fois que le relais colle, son auto-entretien est assuré par un de ses contacts qui "court-circuite" SW1. Les autres contacts du relais servent, de façon totalement indépendante, à interrompre ou laisser passer la tension secteur sur la sortie du disjoncteur et à allumer la LED verte (sortie disjoncteur activée) ou la LED rouge (sortie disjoncteur désactivée). 

Si maintenant le courant circulant dans le conducteur de phase est plus élevé que celui circulant dans le conducteur de neutre (présence d'un défaut), alors la tension de différence Vdiff qui arrive sur l'entrée non inverseuse [+] de U1:B augmente et diminue. Si elle diminue au point de passer sous la valeur de la tension de référence Vref (seuil de déclanchement), alors la sortie de U1:B initialement active (+12 V) se désactive et passe à 0 V, ce qui a pour conséquence de bloquer le transistor Q1 et de couper le relais RL1. 

Les graphiques suivants montrent l'action du disjoncteur : sortie activée à T0 + 200 ms et apparition d'un défaut 15 mA à T0 + 504 ms
(In = courant de neutre et Ip = courant de phase).

   

Clic pour vue détaillée

      

Une fois le disjoncteur activé (sortie 230 V coupée), le relais RL1 ne peut être réactivé qu'en pressant SW1. Il est en effet hors de question que le système se réarme de manière automatique, même si le défaut à disparu !

Remarque : le bouton-poussoir de test SW2 peut servir de bouton d'arrêt d'urgence... à condition de ne pas choisir un modèle miniature.

   

Choix du relais

Vous devez opter pour un relais de puissance 3 pôles (3PDT) ou 4 pôles (4PDT), ce dernier type étant plus répandu. La tension nominale de la bobine du relais doit être de 12 Vdc ou de 15 Vdc (voir remarque). Les contacts mécaniques doivent quant à eux supporter une tension de 250 Vac et un courant compris entre 4 A et 20 A. Si le relais dispose de points de connexion à enficher (généralement le cas pour les relais de puissance), pensez au support qui va avec...

Remarques 

• Si vous utilisez un relais 3 pôles (3PDT), alors le câblage des deux LED doit être modifié de la façon suivante :
  Anode de LED1 (Loff) sur contact NC1 du relais
  Anode de LED2 (Lon) sur contact NO1 du relais (RL+)
• Il existe un nombre nettement plus élevé de relais 12 V que de relais 15 V. SI vous optez pour un modèle 12 V et que vous estimez que la tension non régulée Vnr (environ 15 V) est trop élevée pour lui, alors vous pouvez insérer une résistance en série avec la bobine du relais, afin de chuter les quelques volts en trop. Le calcul de la valeur de cette résistance additionnelle n'est pas compliqué, il suffit d'appliquer la loi d'ohm R = U/I, R étant la valeur recherchée, U étant la tension à faire chuter et I étant le courant de bobine.
  Si par exemple U = 3 V et I = 50 mA (résistance bobine de 240 ohms), alors R = 3 / 0,05 = 60 ohms.

   

Alimentation du montage

La faible consommation du montage permet de se contenter d'un petit transformateur d'alimentation, ici TR1, dont la tension de sortie efficace est de 12 V pour un courant nominal de 200 mA ou 300 mA. Un petit modèle 2 VA à souder directement sur le circuit imprimé convient donc. Notre alimentation se résume ainsi à un petit transfo de caractéristiques 12 V / 2 VA (TR1), suivi d'une seule diode de redressement (D1) et d'un condensateur de filtrage (C1). La tension Vnr correspond à la tension issue du redressement et du filtrage. Cette tension non régulée qui sert principalement à l'alimentation du relais RL1 est appliquée à l'entrée d'un régulateur de tension positif de type "7812" (LM7812, UA7812 ou équivalent), lequel délivre sur sa sortie une tension stabilisée de +12 V. Il est important en effet de disposer d'une tension parfaitement stable pour la section de disjonction et la tension de seuil de déclenchement.

La première moitié de l'AOP U1 (U1:A) est utilisée ici pour créer une tension de référence Vb sous une faible résistance/impédance de sortie, cette tension est de 6,5 V.

   

Procédure de réglage

Soyez très prudent durant cette phase de réglage !

1. Placer le curseur de RV1 côté masse, de telle sorte que la tension Vref soit comprise entre 0 V et +4 V.
2. Créer un défaut d'équilibre de courant phase/neutre en pressant (ou en court-circuitant) le bouton-poussoir SW2 (Nota 1). 
3. Tourner lentement le curseur de RV1, jusqu'à obtenir l'entrée en action du disjoncteur. La tension Vref doit alors se situer légèrement en dessous de la tension Vb.

Nota 1 - La valeur de RT définit la valeur du courant de défaut, c'est cette résistance RT qui dérive une partie du courant de phase vers la terre de protection (PE) du secteur 230 V. RT se calcule de la façon suivante : RT = 325 / [courant crête de défaut]. Une valeur de 33 kO correspond à un courant d'environ 10 mA.

Si le disjoncteur entre systématiquement en action quelque soit le réglage de RV1, vérifier que les deux enroulements 6 V de TR2 sont bien câblés en sens contraire entre phase et neutre. Si ce n'est pas le cas, les flux magnétiques produits par les enroulements 6 V s'additionnent au lieu de s'annuler et l'amplitude de Vdiff est dans ce cas toujours élevée. 

      

Circuit imprimé

Non réalisé.

   

Historique

28/08/2022
- Première mise à disposition.