Contrairement à d'autres modes de protection ATEX, la protection par sécurité intrinsèque définie par la norme 60079-11 ne vise pas à isoler les circuits électriques de l'atmosphère explosible, mais à assurer que le matériel est intrinsèquement non dangereux même en cas d'anomalies de fonctionnement ou de défaillances de composants, tant pour le risque par étincelle que pour le risque par échauffement.
Pour le risque par 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 au niveau spécifique du groupe de gaz considéré. En conséquence, la norme met à disposition un ensemble de courbes et de tableaux pour définir avec un coefficient de sécurité les limites acceptables en tension et en courant, notamment en cas de présence de condensateurs et d'inductances dans le circuit électrique car ils constituent des réservoirs d'énergie.
Les règles de construction
La norme 60079-11 définit les règles de construction, les défauts et défaillances à considérer, ainsi que les critères d'évaluation qui vont permettre par tests ou par calculs, de démontrer que les limites de sécurité avec coefficient de sécurité inclus ne peuvent jamais être dépassés même en cas d'anomalies et de défaillances multiples.
Pour le risque par étincelle, les méthodes d'analyse permettront de démontrer qu'une étincelle créée en un endroit quelconque du circuit électrique, par court-circuit ou par rupture d'une connexion électrique, ne peut jamais enflammer une atmosphère explosible correspondant au groupe de gaz pour lequel est conçu le matériel.
Pour le risque par échauffement, les méthodes d'analyse permettront de déterminer les températures maximales de surface des composants mis en contact avec l'atmosphère explosible, afin de s'assurer de la conformité avec le classement en température du matériel.
Les méthodes d'analyse et de conception découlent directement de quelques principes de base issus de la norme :
- deux conducteurs sont considérés comme 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. 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 utilisés selon les recommandations prescrites. Dans ce cas, ils sont appelés "composants infaillibles".
Nota : un composant n'est jamais infaillible par nature, c'est la manière dont il est utilisé qui peut le faire considérer comme infaillible.
- une analyse repose sur l'existence simultanée des anomalies les plus défavorables.
La modélisation
Si aucune règle de construction proposée par la norme n'est prise en compte, l'analyse se base sur la transformation du schéma électrique en un synoptique ATEX réduit à sa plus simple expression.
En effet, 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 serait 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. La modélisation consiste donc à remplacer l'ensemble du schéma électrique par un condensateur unique égal à la somme des condensateurs (tolérances incluses) et par une inductance unique égale à la somme des inductances (tolérances incluses).
L'étape suivante consiste à vérifier pour le risque par étincelle, si le modèle ainsi constitué est compatible avec les valeurs limites données par les courbes et les tableaux de la norme, en considérant la tension maximale et le courant maximum pouvant être rencontrés en cas d'anomalies.
A titre d'exemple pour l'évaluation de la tension maximale, il est considéré qu'une alimentation à découpage de type élévatrice délivre une tension théoriquement infinie car la boucle de contre-réaction peut être totalement défaillante !
Il arrive assez fréquemment que les informations données par la norme soient insuffisantes, ou 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 la conformité du matériel, la validation ultime ne pourra être apportée que par un test à l'éclateur (*) réalisé par le laboratoire chargé de la certification.
En ce qui concerne le risque par échauffement, la méthode consiste à imaginer que toute l'énergie disponible dans le circuit électrique est dissipée dans le composant qui en raison de la taille de son boîtier, est le plus susceptible de monter en température.
Le simple fait d'imaginer une puissance de plus de 1 W dissipée dans un transistor SOT23 (ou plus petit), ou de considérer que le condensateur maximum admis par la norme pour une tension de 10 V n'est que de 3 uF 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 par échauffement, l'emploi de composants toujours plus petits et la course à la miniaturisation est un non-sens, et que du point de vue du risque par étincelle une autre approche est parfois indispensable.
Par conséquence, le développement d'un matériel ATEX est obligatoirement une affaire de compromis et de structure 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 la norme ainsi que sa mise en oeuvre, consistant en une cloche remplie d'un mélange air/gaz inflammable, dans laquelle sont effectués des courts-circuits à l'aide d'un dispositif mécanique connecté au matériel électrique en test au niveau du point où une évaluation est demandée.
La décomposition en îlots
Le principe consiste à structurer le matériel de manière à regrouper dans des îlots les composants inséparables où le risque par étincelle et le risque par échauffement sont facilement maîtrisables avec une énergie limitée, tout en séparant les îlots par des "composants infaillibles".
Chaque îlot est analysé par modélisation comme précédemment avec la méthode globale, et le matériel complet est ensuite vu comme un assemblage de condensateurs et inductances séparés par des "résistances infaillibles" ou protégés par des "assemblages infaillibles". Toute tension accidentelle due à des défaillances quelconques est donc maintenant strictement circonscrite dans un îlot.
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 est représenté par son synoptique ATEX, qui montre le circuit électrique décomposé sous forme de 3 îlots avec des "composants infaillibles" (repérés par des triangles) ajoutés entre eux pour limiter les tensions, les courants et les puissances à l'entrée de chaque îlot.
- Pour chaque composant déclaré comme infaillible, l'analyse de sécurité doit prouver que le composant est réellement utilisé conformément aux exigences de la norme pour pouvoir être considéré comme "composant infaillible".
- Pour chaque îlot, sont indiquées : la tension maximale, la puissance maximale disponible, la capacité maximale équivalente, l'inductance maximale équivalente.
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 s'assurer que les niveaux électriques imposés aux composants déclarés comme "composants infaillibles" sont toujours conformes. Une lecture attentive des documentations des composants est nécessaire, parfois complétée par des informations plus confidentielles du constructeur du composant ou par des tests spécifiques.
Caractéristiques de diodes Zener - Mesures réalisées par impulsions de courant
L'analyse thermique d'un composant
L'influence de l'implantation du composant est à ce point prépondérante (pistes, plans de masse, matériaux, distances, épaisseurs), qu'aucune information du fabricant du composant n'est réellement 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 pendant le test, 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 disponible dans l'îlot où est implanté le composant et la température ambiante maximale d'utilisation de l'équipement, il est alors très simple d'en déduire la température maximale de surface et donc la compatibilité avec le classement en température du matériel.
Relevés thermiques de composants SOT23, SOT223 et SOD87 sur un circuit imprimé donné
En cas de destruction d'une jonction interne du composant pendant le test, la courbe est extrapolée. En effet il n'est pas possible d'assurer que le composant se détériorera toujours de la même manière pour la même puissance injectée. Le test n'a pas pour but de mesurer la température maximale, mais de déterminer la résistance thermique du composant quand il est câblé sur le circuit imprimé.
