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12. Protection électrique, onduleur, ...

12.1. Introduction - 12.2. Fonctionnement d'une alimentation à découpage - 12.3. Perturbations du réseau électrique 12.4. Les disjoncteurs - 12.5. Onduleur - UPS (Uninterruptible Power Supply)

Le réseau électrique européen est alimenté en 230 V alternatif (éventuellement comme nous l'avons vu en première du 230 ou 380 V triphasé). Par contre, les appareils informatiques sont alimentés en basses tensions continues (généralement compris entre + 12 et -12V). Pour transformer la tension d'alimentation du réseau électrique en tension acceptable par les appareils électroniques, on utilise une alimentation.

En première dans le chapitre sur les bases d'électricité et électronique, nous avons vu un montage alimentation par pont redresseur. Les alimentations utilisées en informatique utilisent la technologie "A découpage". Ce principe est non seulement adapté aux alimentations, mais également aux UPS (onduleur en Français). Les alimentations conventionnelles ont généralement un rendement proche de 50 % pour jusque 80 % pour les alimentations à découpage. Le rendement (le rapport entre la puissance consommée et la puissance rendue en continu) de ces alimentations par pont redresseur (4 diodes) après passage par un transformateur est trop faible.

12.2. Fonctionnement d'une alimentation à découpage.

Avant de commencer, deux remarques s'imposent:

1. Au prix d'une alimentation PC, la réparation est peu rentable.
2. Les pièces sont difficiles à trouver. La technique de réparation est plus spécifiques aux vrais électroniciens qu'aux techniciens informatiques. De ce fait, les réparations éventuelles sont difficiles à réaliser (sinon impossibles). En plus, les précautions en ouvrant ces appareils sont de types "si tu met le doigt là, c'est du 230 V alternatif, là c'est du 380 continu, ..." Bref, si vous n'avez pas de connaissances sérieuses en électronique analogique (transistors, haute tension). ATTENTION!

Prenons le schéma suivant.

La tension de départ est alternative en 230 V, elle est redressée directement par un pont de diodes dit de Pont de Graetz sans transformateur intermédiaire, couplé avec un condensateur (230 V en continu, 330 V en pointe sans le condensateur). Le composant suivant est un transformateur: un transformateur parcouru par un courant continu au primaire ne produit aucun signal au secondaire. Par contre, si vous faites passer une tension alternative au primaire d'un transformateur, il en ressort au secondaire une tension de même forme mais de valeur différente (une division suivant le rapport nombre de bobines entrées / sorties). A quoi peut donc bien servir ce transformateur?

En série avec le transformateur, on insère un transistor qui va découper la tension, permettant une tension discontinue au primaire du transformateur. La base du transistor (la gâchette en technologie CMOS) est reliée au secondaire du transformateur via un circuit de commande, pour la majorité des modèles via un autre transformateur (séparation galvanique servant de protection). Ceci évite des problèmes en cas de sur-tensions sur le réseau électrique.

A l'allumage, le réseau électrique n'est pas continue (le temps de charger le condensateur mais aussi les imperfections de l'interrupteur). Cette tension va d'abord alimenter le circuit de commande qui va commencer à faire hacher la tension continue aux bornes du transformateur.

Plus la proportion de hachage va être grande sur la gâchette du transistor (ou base dans le cas d'un transistor bi-polaire), plus la tension en sortie va être grande. Le circuit de commande va faire varier ce découpage en fonction de la tension de sortie de l'alimentation et ainsi réguler cette tension.

Comme le pont est directement sur le 230 V alternatif, considérez que la moitié du montage est sous 230 V. Le signal d'entrée est une tension redressée (continue), ce montage électronique permet également de démarrer directement d'une tension continue (batteries).

12.3. Perturbations du réseau électrique.

Reprenons notre signal alternatif de base.

1. Coupure complète du courant provoquée généralement par un problème de réseau électrique ou d'un disjoncteur.
2. Sur-tension, la tension du réseau est supérieure à la tension pour laquelle les alimentations sont conçues (pensez aux diodes d'entrées). Ceci est spécifiques aux installations proches des cabines électriques "haute tension". Même si une surtension n'est par forcément dangereuse pour les installations informatiques (dans des valeurs raisonnables), cette perturbation provoque des contraintes des composants de l'alimentation qui, à terme, provoquent les pannes. 
3. Sous-tension, la tension est inférieure à celle pour laquelle les alimentations sont conçues et l'alimentation ne sait plus fournir une tension suffisante en sortie. Dans le cas des alimentations pour PC, elle descendent au moins jusque 180 V. Une sous-tensions est généralement provoqué par une augmentation soudaine de le consommation électrique sur le réseau par le démarrage de dispositifs électriques lourds: moteurs, compresseurs, ascenseurs, ... mais également par une distance trop importante par rapport à la cabine haute-tension. Ce problème électrique peut provoquer des blocages et crash inattendus. Elles réduisent également la durée de vie de l'ordinateur.
4. Transitoires. Signaux parasites qui se superposent sur le signal électrique standard, elles peuvent aller jusqu'à 4000 Volts, mais plus faibles généralement.
5. Micro coupures. De faibles coupures du signal électrique durant quelques milli-secondes.
6. Pics de tensions: sur-tensions de durée très faible (inférieure à 1/120 seconde), mais de forte intensité (supérieure à 4000 V), généralement dus à l'arrêt de machines électriques de fortes puissances (moteurs, climatiseurs, équipements industriels, ...) qui dissipent la tension excédentaire sur le réseau. Ici aussi, on assiste à une usure des composants.
7. Foudre, aussi une sur-tension. La foudre vient de phénomènes météorologiques (orages) qui transfère de fortes tensions sur le réseau électrique mais aussi téléphonique. Une forme de foudre remonte de la terre, liée à la géologie du sol et donc à une zone géographique limitée, sans réelles solutions de protections, même si la proportion est faible, moins de 1% des cas.

Comment va se comporter notre alimentation à découpage dans ces cas:

• En cas de panne complète du réseau, plus d'alimentation.

• En cas sur-tension (jusqu'à 280 Volts), l'alimentation à découpage va réguler la sortie mais avec des contraintes pour les composants électroniques.

• En cas de transitoires, le redressement au primaire va réduire les effets, mais le transformateur ne servira pas de tampon, il va juste réduire la tension. Le condensateur et la self de lissage au secondaire vont juste les atténuer. Elles provoquent généralement des blocages de cartes mères avec les alimentations ATX actuelles. C'est identique pour les pics de tensions.

• En cas de micro-coupures, les différents condensateurs vont servir en partie de réserves d'énergies.

• En cas de foudre, l'alimentation tombe généralement en panne mais peux aussi mettre d'autres composants de l'ordinateurs en panne.

Ces différentes perturbations électriques ne sont analysable que par des appareils professionnels que l'on appelle perturbographes.

12.4. Le disjoncteur

Ces appareils protègent des sur-tensions et de la foudre. En cas de sur-tensions, ils déconnectent les appareils du réseau électrique. Les moins chères doivent être remplacés après une seule sur-tension importante, les autres permettent une remise à zéro.

Bref, ce n'est pas forcément la solution pour des installations professionnelles, juste un premier niveau de protection.

12.5. UPS - onduleur

Un UPS (Uninteruptible Power Supply, onduleur en Français) inclut des batteries qui alimentent les appareils connectés lors d'une coupure de courant, déconnectent les appareils du réseau en cas de sur-tension / foudre et régularisent la tension du réseau. Trois schémas sont utilisés: 

• On-line 

• Line-interactive 

• Off-line. 

Les UPS actuels se connectent avec un logiciel à l'ordinateur via un port USB (série pour d'anciens modèles), ce qui permet d'éteindre le PC proprement (y compris sauvegarde de données) en cas de coupure prolongée. Les onduleurs permettent typiquement une alimentation de 10 minutes, le logiciels coupe l'ordinateur au minimum avec une sécurité de 5 minutes mais c'est paramétrable. Certains BIOS permettent de redémarrer le PC lorsque la tension est rétablie.

La puissance d'un UPS est donnée en VA (Volts - ampères). L'équivalence pratique avec la puissance en Watts est de 1,6. Par exemple, une consommation de 350 Watts nécessite un onduleur de 350 X 1,6 = 560 VA. Une station standard consomme dans les 300 Watts. Ceci conditionne le choix de la puissance. En cas de sous puissance de l'appareil de protection, il sera endommagé ou disjonctera en cas de coupure. Les imprimantes laser ne doivent pas être protégées, à cause de la brusque consommation de courant lors du début d'impression.

Reste les batteries- accumulateurs. Elle sont généralement au plomb avec une tension de service de 12 Volts continu, parfois connectées en série pour atteindre 24 Volts et en parallèle pour augmenter la durée d'alimentation (charge plus importante). Ces batteries doivent être complètement déchargées régulièrement, ceci pour éviter l'effet mémoire de recharge, tous les 6 mois en moyenne. C'est identique pour les ordinateurs portables, GSM, ...

Certains UPS incluent des protections pour les câbles Ethernet et lignes téléphoniques.

12.5.1 Onduleur Off-line

Les modèles Off-line sont les plus courants et utilisés pour les ordinateurs individuels, les puissances varient de 420 à 800 VA. Le réseau électrique est séparé de l'appareil par un relais qui s'ouvre en cas de sur / sous tension. En fonctionnement normal, le signal d'entrée est filtré pour éliminer une partie des parasites et le convertisseur charge les batteries.

En cas de coupure du réseau électrique ou si la tension est inférieure à 176 Volts ou dépasse les 280 Volts, le relais s'ouvre, dissociant le montage du réseau électrique. Le convertisseur recrée la tension de sortie à partir de l'énergie des batteries. Le temps de réaction du relais est élevé (quelques millisecondes) et cette technique ne corrige pas les micro-coupures.

12.5.2. Onduleur Line Interactive.

Similaires aux off-line, ces onduleurs intègrent en plus un booster qui permet d'injecter une tension supplémentaire en cas de variations de tensions, mais surtout de baisses prolongées. Le circuit de compensation va juste "booster" la tension de sortie pour des tensions d'entrées entre 176 Volts (le minimum) et 205 Volts , diminuant les contraintes de l'alimentation des équipements protégés. Pour des tensions d'entrées inférieures à 176 Volts ou supérieur à 280 volts, le fonctionnement est identique aux modèles off line.

12.5.3. Onduleur On-Line

Le fonctionnement d'un onduleur On-Line est nettement différent. La tension d'entrée est systématiquement redressée et alimente en permanence les batteries: la tension est donc stable. Cette tension de 12 ou 24 Volts est ensuite retransformée en tension alternative de 230 Volts en sortie.

Lors d'une coupure de tension du réseau électrique, les accumulateurs vont assurer l'alimentation électrique des équipements connectés via le convertisseur continu / alternatif. Si l'alimentation du réseau passe en sous tension ou en cas d'une courte baisse de tension, la source d'alimentation utilisée va être le réseau électrique aidé par la charge des batteries, les deux sont donc utilisées simultanément, augmentant la durée de la protection, à la différence des autres types d'UPS). Seul problème, les accumulateurs au plomb sont pratiquement utilisés en permanence, et finalement à remplacer plus souvent (les batteries représentent quasiment 2/3 d'un prix d'un onduleur). 

Généralement, ces modèles utilisent deux circuits de by-pass. Le premier permet d'alimenter les ordinateurs sans passer par l'électronique de l'onduleur, utilisé lors du remplacement des batteries ou lors d'une réparation de l'onduleur. Le deuxième by-pass est similaire aux off-Line et augmente la durée de vie des batteries.

12.5.. Comparaison des protections

Les couleurs utilisées déterminent les risques en fonction des problèmes du réseau électrique.

La protection électrique reste un compromis entre le prix des appareils de protection et l'importance du matériel à protéger. La sécurité d'un serveur informatique d'entreprise nécessite au minimum un onduleur online, alors qu'un ordinateur personnel se contentera probablement d'un disjoncteur. L'arrêt d'une heure de production revient nettement plus chère que le prix d'un UPS. Attention, Vous ne pouvez pas mettre d'onduleur pour protéger une imprimante laser. Dans ce cas, la seule possibilité de protection électrique est le disjoncteur.