Ouverture d'un circuit inductif

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Les inductances s'opposant à la variation du courant qui les traverse, l'ouverture d'un circuit inductif parcouru par un courant peut amener des surtensions ^[1].

[modifier] Description du phénomène

Figure 1 - L'alimentation charge l'inducteur à travers la résistance.

Dans le diagramme ci-contre (figure 1) une bobine qui se charge à travers une résistance et un interrupteur est représentée. Le condensateur dessiné en pointillés représente la valeur équivalente des capacités parasites entre spires de la bobine^[2].

Figure 2 - L'interrupteur s'ouvre. Le courant ne peut circuler qu'en chargeant la capacité parasite.

À un instant $\scriptstyle{t_\circ}$ l'interrupteur s'ouvre. En regardant la définition de l'inductance :

$u=-L{di\over dt}\,$

on voit que le courant qui traverse la bobine s'interrompt instantanément, il faudrait l'apparition d'une tension infinie à ses bornes, ce qui est impossible. Le courant continue à circuler à travers les capacités parasites (figure 2).

Figure 3 - À l'instant l'interrupteur s'ouvre et laisse l'inductance osciller avec les capacités parasites.

Figure 3 - À l'instant $\scriptstyle{t_\circ}$ l'interrupteur s'ouvre et laisse l'inductance osciller avec les capacités parasites.

Nous nous retrouvons avec un circuit LC oscillant avec une pulsation :

$\textstyle{\omega = {1\over \sqrt{LC}}}$

soit une fréquence :

$f_0 = {\omega\over 2\pi} = {1\over {2\pi\sqrt{LC}}}$

où $\scriptstyle{C}$ est la valeur équivalente des capacités parasites. Si l'isolation électrique et la rigidité électrique du bobinage est suffisante pour résister aux hautes tensions et si la tension de tenue de l'interrupteur est suffisante, l'oscillation continuera avec une amplitude décroissante à cause des pertes diélectriques des capacités parasites et de pertes résistives du bobinage. Si, de plus, la bobine comporte un noyau ferromagnétique il y aura aussi des pertes dues à l'hystérésis.

La tension maximale de l'oscillation peut être très élevée, comme illustré sur la figure 3 qui montre le cas extrême où le courant est interrompu alors qu'il a son amplitude maximale. Ceci lui vaut le nom de surtension. Cela vient du fait qu'après l'interruption du courant l'énergie de l'inductance $\scriptstyle{{1\over 2}LI^2}$ a été transférée aux capacités parasites $\scriptstyle{{1\over 2}CV^2}$ .

La surtension maximale peut être calculée à partir de l'égalité : $\scriptstyle{{1\over 2}LI_o^2} = \scriptstyle{{1\over 2}CVmax^2}$ , $\scriptstyle{I_o}$ étant la valeur du courant à l'instant de coupure.

$Vmax = I_o\sqrt{L \over C}$

À courant donné, la surtension est d'autant plus élevée que l'inductance est plus grande et que la capacité est plus faible.

Figure 4

Si la surtension est très élevée, la tension aux bornes de l'interrupteur peut dépasser sa tension de tenue entre contacts, il se produit alors un réamorçage (appelé aussi ré-allumage, car l'arc est ré-allumé entre les contacts de l'interrupteur) comme illustré sur la figure 4.

Bien que les arcs électriques soient le plus souvent nuisibles et dangereux, dans certaines applications ils sont utiles et souhaités. C'est le cas de la soudure à l'arc, lampes à décharge, fours à arc utilisés en métallurgie, etc.^[3]

[modifier] En électrotechnique

Article détaillé : Tension transitoire de rétablissement.

[modifier] En électronique

Si l'interrupteur est remplacé par un composant électronique il faut se prémunir des surtensions de coupure destructrices. Ceci sera réalisé en plaçant aux bornes de la bobine un ou des composants permettant d'assurer un chemin au courant à l'instant du blocage du composant principal. Le choix et le dimensionnement de ce circuit dérivateur permettent non seulement de limiter la valeur de la surtension, mais aussi d'en amortir l'oscillation.

Article détaillé : Surtension#Surtension en électronique.

[modifier] Notes, sources et références

↑ books.google.com, Ouverture d'un circuit inductif
↑ Tout bobinage a des capacités parasites, même ceux spécialement conçus pour les diminuer, comme le bobinage en « nid d'abeilles »
↑ Dans le cas de la soudure à l'arc, l'interrupteur du diagramme est formé par le contact entre le métal à souder et l'électrode.