La décision de mettre à la terre ou d’isoler une alimentation électrique n’est pas toujours claire dans le NEC. Cet article explique comment isoler ou fixer une alimentation continue par rapport à la terre et comment les circuits peuvent être construits de ces deux manières.
Il y a beaucoup de discussions, et peut-être même de folklore, autour de l’utilisation des alimentations électriques « mises à la terre » ou « flottantes » dans les systèmes d’instrumentation, d’acquisition de données et de contrôle. Le choix de mettre à la terre ou d’isoler une alimentation est parfois clairement indiqué dans le Code National de l’Électricité (NEC), mais dans d’autres cas, il est laissé à la discrétion de l’ingénieur.
Le but de cet article technique n’est pas de donner une réponse pour chaque situation de mise à la terre possible, mais de souligner certaines des considérations qui doivent entrer dans la décision. Il s’agit plus d’apprendre quelles questions poser plutôt que de fournir des réponses directes.
Figure 1. Le choix de mettre à la terre ou d’isoler une alimentation n’est pas toujours clair dans le NEC. Image utilisée avec l’aimable autorisation d’Adobe Stock
Réglementations de Mise à la Terre du NEC
Avant de décider d’un système mis à la terre ou isolé, les ingénieurs doivent consulter le NEC, qui dicte les normes légales pour savoir quels dispositifs doivent être mis à la terre ou laissés non mis à la terre et comment cela doit être fait. Les systèmes qui ne suivent pas le NEC constituent des violations majeures de la sécurité, pouvant entraîner des accidents mortels sur le lieu de travail, des blessures, des dommages matériels ou des amendes.
Le NEC est mis à jour tous les trois ans, et la dernière version a été publiée en 2023.
Avantages de Garder les Alimentations Électriques Mises à la Terre
Bien que cet article ne soit pas destiné à être un cours complet sur la mise à la terre ou la question philosophique « qu’est-ce que la terre? », il est important de comprendre pourquoi les systèmes sont mis à la terre. Cet article aborde les masses de châssis, où les couvercles métalliques des appareils sont électriquement connectés. Ces connexions peuvent être faites par des fils, des sangles tressées, des bandes ou barres de cuivre, des rails DIN ou d’autres connexions similaires. Les véhicules utilisent des masses de châssis pour assurer un chemin sûr de retour à la borne négative de la batterie tout en ne conduisant aucun courant vers la masse physique extérieure.
Les systèmes mis à la terre sont ceux dans lesquels tous les composants sont reliés entre eux et ont un nœud commun. L’hypothèse avec les systèmes mis à la terre est qu’il n’y a pas de chute de tension à travers les fils de liaison ou le châssis et que toutes les pièces de ce système peuvent utiliser cette masse commune comme point de référence pour les mesures de tension.
Pour aller plus loin dans le concept de mise à la terre, spécifier ‘mise à la terre physique’, ou simplement ‘earth’ dans de nombreuses régions, implique que la masse est connectée à une tige de mise à la terre physique à l’extérieur de l’installation.
Figure 2. Masse de châssis. Remarquez qu’il y a plusieurs connexions électriques à la boîte en acier de cet appareil. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
Mise à la Terre pour la Sécurité au Travail
Les masses sont souvent connectées au châssis d’un appareil. De cette manière, s’il y a un court-circuit interne dans le châssis, le courant peut s’écouler directement vers la terre. Généralement, cela fait sauter un disjoncteur ou un fusible, arrêtant ainsi le flux de courant.
La raison la plus courante de relier les masses ensemble est de prévenir les chocs électriques dangereux. En général, si deux équipements sont à portée de main l’un de l’autre, leurs masses doivent être reliées entre elles. Si elles ne le sont pas, les deux machines peuvent avoir une différence de potentiel. Si un travailleur touche chaque machine, et que la différence de potentiel est suffisamment élevée, il pourrait recevoir un choc électrique dangereux.
Figure 3. Un appareil de 24 V relié à la terre (à gauche) à côté d’une alimentation de 24 V « flottante » (à droite) réglée à un niveau arbitraire de 36 V.
Considérons deux appareils 24 V CC à portée de main l’un de l’autre. Un appareil de 24 V est relié à la terre, ce qui signifie que la haute tension (par rapport à la terre) est de 24 V. Le châssis de l’autre machine a perdu sa mise à la terre. Au lieu de cela, un autre système d’alimentation (ou une tension induite) a élevé le potentiel de tout le système à 36 V. Il y a encore seulement 24 V à travers les composants de ce second système, mais il y a maintenant 60 V entre le sommet de l’alimentation et la terre. C’est un exemple d’une alimentation « flottante ».
Si quelqu’un touche le châssis des premier et second appareils, même si les deux DEVRAIENT être à zéro volt par rapport à la terre, le second système flotte 36 V plus haut. L’opérateur recevrait alors un choc.
Avantages des Systèmes d’Alimentation Électrique Isolés
Deux avantages des systèmes flottants sont leur capacité à isoler les équipements et la possibilité de réduire le bruit sur les lignes de signal des capteurs.
La Difficulté Pour Trouver une Masse Commune
Bien qu’il y ait des avantages à relier une extrémité de tous les équipements à la terre, cela n’est parfois pas pratique.
Considérons une grande installation de capteurs de surveillance de la santé sur un pont. Ils surveillent de petits changements de résistance provenant des jauges de contrainte pour s’assurer que le pont se comporte de manière prévisible en utilisation normale et en cas de vent. Souvent, ces jauges de contrainte sont alimentées par un pont de Wheatstone pour mesurer un petit changement de tension lorsque le pont est sollicité. Comme cette tension est petite, et que la distance que les signaux peuvent avoir à parcourir est grande, une masse commune peut ne pas être si « commune », ce qui signifie que la tension en tout point le long de ces fils de masse de capteur peut ne pas être nulle. De telles boucles de masse peuvent causer des ravages sur les capteurs soigneusement calibrés. Dans ce cas, il pourrait être préférable de s’assurer que chaque capteur est isolé d’une masse commune, mesurant uniquement le changement de tension (et donc la résistance et donc la contrainte) à travers la jauge elle-même.
Dans cette optique, un long fil peut agir comme une antenne, même si une extrémité semble mise à la terre. De ce fait, toute interférence de radiofréquence (RFI) peut être absorbée par ce long fil d’antenne, provoquant encore plus de différences de « masse ». Ceux-ci peuvent être particulièrement difficiles à dépanner car ils changent avec le temps et peuvent être intermittents, selon la source de la RFI.
Figure 4. Les transformateurs d’isolement sont bons pour filtrer les signaux haute fréquence. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
Isolation Électrique
L’isolation présente également des avantages pour limiter les pics de haute tension et les signaux d’impulsion. Revenons à l’exemple du pont – considérons qu’il y a un ensemble de capteurs et de matériel d’acquisition de données, tous reliés entre eux par une masse commune. Ensuite, comme cela arrive fréquemment, le pont est frappé par la foudre. Bien que de telles structures possèdent une certaine protection contre la foudre, elle n’est pas parfaite. Soudainement, la « masse » est instantanément portée à 100 000 V. Tout sur ce système sera polarisé en inverse à la hauteur de 100 000 V moins la tension sur le côté positif. Il est fort probable que les appareils connectés à cette masse seront détruits.
L’exemple de la foudre plaide en faveur de l’isolation dans les grandes installations de capteurs en extérieur. Supposons qu’au lieu de connecter tous ces dispositifs par une masse commune, le système d’acquisition de données et l’alimentation flottent, connectés par un transformateur d’isolement. Dans ce cas, le pic de tension sera moins susceptible d’endommager le matériel le plus coûteux. Les transformateurs (et en réalité, les bobines d’induction) sont bons pour filtrer les signaux haute fréquence, y compris les impulsions, ce qui signifie que le pic de tension sera atténué avant de revenir dans le matériel protégé.
Il convient de noter que les transformateurs d’isolement et les masses flottantes ne fournissent pas une protection adéquate contre la foudre. Ils peuvent être utilisés comme partie d’un système de protection contre la foudre plus complet.
Flotter ou Ne Pas Flotter?
Dans les limites de la loi prévue par le NEC, l’ingénieur a une certaine flexibilité sur la manière dont chaque système peut être conçu ou modifié pour répondre à ses besoins particuliers. Les grands systèmes avec de longs fils bénéficient souvent de connexions flottantes, car les boucles de masse peuvent être inévitables, et les pics de tension sont plus fréquents. Les systèmes plus compacts, en particulier ceux qui pourraient être facilement ou accidentellement connectés, devraient partager une masse commune.