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Définition du mode de protection

Contrairement à d'autres modes de protection ATEX, la protection par sécurité intrinsèque définie par la norme 60079-11 ne vise pas à isoler le matériel électrique de l'atmosphère explosible, mais à prouver que le matériel est intrinsèquement non dangereux même en cas d'anomalies de fonctionnement et de défaillances de composants, tant pour le risque étincelle que pour le risque échauffement.

Pour le risque étincelle, la sécurité intrinsèque repose sur le phénomène physique qu'une étincelle ne peut pas provoquer l'inflammation d'une atmosphère explosible si l'énergie mise en jeu par l'étincelle est inférieure à un niveau défini pour le groupe de gaz considéré. Dans cette optique, la norme met à disposition un ensemble de courbes et tableaux pour définir avec un coefficient de sécurité les limites en tension et courant, en fonction notamment des condensateurs et inductances présents dans le matériel, et qui constituent des réservoirs d'énergie.




Les règles de construction

La norme 60079-11 définit les règles de construction et les cas de défaillance à considérer afin de déterminer les critères d'analyse permettant par tests ou par calculs, de démontrer que même en cas d'anomalies et défaillances multiples, les limites et coefficients de sécurité ne peuvent jamais être dépassés.

Pour le risque échauffement, les mêmes critères d'analyse sont appliqués pour déterminer les températures maximales de surface des composants mis en contact avec l'atmosphère explosible, afin d'en vérifier la compatibilité avec le classement en température du matériel.

Les méthodes d'analyse et de conception découlent directement de quelques principes de base issus des normes :

- deux conducteurs sont considérés pouvant être en court-circuit si la distance qui les sépare est inférieure à celle préconisée.

- une connexion électrique est considérée pouvant être coupée, sauf si elle suit les recommandations de réalisation et dans ce cas elle est appelée "connexion infaillible".

- un composant électronique peut se mettre dans le cas de défaillance le plus défavorable. La norme définit néanmoins pour certains composants simples (transistors, diodes, résistances, ...) les cas de panne à prendre en considération pour l'analyse, et peut même admettre leur infaillibilité s'ils sont constitués et utilisés selon les recommandations prescrites ; il est alors question de "composants infaillibles".
A noter, qu'un composant n'est jamais déclaré infaillible par nature ; c'est la manière dont il est utilisé qui peut le faire considérer comme infaillible.

- toute analyse repose sur l'existence simultanée des anomalies les plus défavorables ...




La modélisation

Si aucune règle de construction normalisée n'est prise en compte, l'analyse se base sur la transformation du schéma électrique en un modèle représentatif du risque étincelle.

Tous les conducteurs étant susceptibles d'être en court-circuit, tous les semi-conducteurs et circuits intégrés pouvant présenter des courts-circuits internes, le cas le plus défavorable pour le risque étincelle serait donc de voir tous les condensateurs se mettre en parallèle et toutes les inductances se mettre en série. Peu importe si cette éventualité est réaliste ou non, du moment qu'aucune disposition préconisée par la norme n'a été prise en compte, cette configuration sert de base à l'analyse comme possibilité extrême.

Ainsi pour le risque étincelle, la modélisation consiste à remplacer l'ensemble du schéma électrique par un condensateur équivalent à la somme des condensateurs (tolérances incluses) et par une inductance équivalente à la somme des inductances (tolérances incluses).

L'étape suivante consiste à vérifier si le modèle ainsi constitué, est compatible avec les valeurs limites données par les courbes et tableaux de la norme, en considérant la tension maximale et le courant maximum pouvant être rencontrés en cas d'anomalies. A titre d'exemple : une alimentation à découpage de type élévatrice délivre une tension théoriquement infinie dès que la boucle de contre-réaction est défaillante !!!

Il arrive assez fréquemment que les informations données par les normes soient insuffisantes, que les valeurs pratiques rencontrées soient en dehors des courbes, ou que les analyses des couples condensateur-inductance soient insolubles. Dans ces cas, bien que des simulations et des extrapolations soient possibles pour estimer le viabilité du matériel, la justification ultime ne pourra être apportée que par un test à l'éclateur (*) réalisé par le laboratoire chargé de la certification.

Pour le risque échauffement, la modélisation consiste à imaginer que toute l'énergie disponible se dégage du composant de par sa nature le plus susceptible de monter en température.

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Le simple fait d'imaginer une puissance de plus de 1 watt dissipée dans un transistor SOT23 (ou plus petit), ou de considérer que le condensateur maximum admis par la norme pour une tension de 10V n'est que de 3uF pour le groupe de gaz IIC, montre vite les limites d'une telle approche globale.

Il devient alors évident que du point de vue du risque échauffement, l'emploi de composants toujours plus petits et la course à la miniaturisation est un non-sens, que du point de vue du risque étincelle une autre approche est également nécessaire, et que par voie de conséquence le développement d'un matériel ATEX est obligatoirement une affaire de compromis et de structures sur lesquels doit être basée toute la conception.

Un matériel qui n'a pas été pensé dès le départ pour l'ATEX a par la suite
très peu de chance de pouvoir être adapté à cet environnement

(*) éclateur : équipement de test strictement défini par les normes ainsi que sa mise en oeuvre, consistant en une cloche remplie de gaz explosible dans laquelle sont effectués des courts-circuits à l'aide d'un dispositif mécanique en un point déterminé du matériel électrique en test.




La décomposition en îlots

Le principe consiste à structurer le matériel de manière à regrouper dans des îlots les composants inséparables où le risque étincelle est facilement maîtrisable avec une énergie limitée, tout en séparant les îlots par des composants "infaillibles".

Chaque îlot est analysé par modélisation comme précédemment, et le matériel complet est ensuite vu comme un assemblage de condensateurs et inductances séparés par des résistances "infaillibles" ou protégés par des dispositifs "infaillibles". Toute tension accidentelle due à des défaillances quelconques est strictement circonscrite dans les îlots.

Dans l'exemple ci-dessous, un matériel imaginaire est connecté à un capteur. Le système ainsi constitué ne sera acceptable que si les paramètres de sortie du matériel sont compatibles avec ceux apparaissant sur le certificat ATEX du capteur.

Le matériel a été décomposé sous forme de 3 îlots, et des composants "infaillibles" (repérés par des triangles) ont été ajoutés pour limiter les tensions, courants et puissances à l'entrée de chaque îlot.

La tension maximale et la puissance maximale disponible sont indiquées pour chaque îlot, et pour chaque composant infaillible est spécifiée sa puissance nominale pour que le composant puisse être considéré comme infaillible vis-à-vis de la norme.



schéma exemple EXi

La présence de certains composants de sécurité doublés est caractéristique du niveau de protection "ib" destiné aux matériels de sécurité intrinsèque développés pour la "zone 1". Pour les matériels destinés à la "zone 0", est exigé le niveau de sécurité "ia" caractérisé par le triplement de ces composants.

Certains transitoires doivent être pris en compte (comme parfois le temps de fusion des fusibles) de manière à être certain de la fiabilité des composants utilisés comme composants infaillibles. Une lecture attentive des documentations des composants est nécessaire, parfois complétée par des informations plus confidentielles du constructeur du composant ou des tests spécifiques.


Diode Zener
Diode Zener
Caractéristiques de diodes Zener - Mesures réalisées par impulsions de courant



L'analyse thermique d'un composant

L'influence de l'implantation du composant étant à ce point prépondérante (pistes, plans de masse, matériaux, distances, épaisseurs), qu'aucune information du fabricant du composant n'est utilisable.

Mises à part les déductions par analogie, la mesure doit toujours être faite sur le circuit imprimé définitif en injectant une puissance dans le composant et en mesurant la température au point le plus chaud. Ainsi par soustraction de la température ambiante, est déterminée une fonction T = f(P) où T est l'élévation de la température et P la puissance injectée. En connaissant la puissance maximale de l'îlot où est implanté le composant et la température ambiante maximale, il est alors très simple d'en déduire la compatibilité avec le classement en température du matériel.



Relevés thermique
Relevés thermiques de composants SOT23, SOT223 et SOD87 sur circuit imprimé

En cas de destruction de la jonction interne d'un semi-conducteur en cours de test, la courbe est extrapolée. En effet il n'est pas possible d'assurer à priori, que le composant se détériorera toujours de la même manière pour la même puissance injectée ; le test n'est pas une mesure de température maximale, mais une mesure de coefficient thermique.