Comprendre les capteurs de tension capacitifs

Comment les détecteurs de tension utilisent-ils la conductivité de votre corps

Votre partenaire vient d'acheter l'un de ces détecteurs de tension AC en forme de crayon. Il l'appelle « détecteur sans contact » ou « pointe rougeoyante ». Il le transporte dans la poche de sa chemise où qu'il aille. Il doit l'aimer, car il ne le prête jamais. Quand vous l'avez interrogé à ce sujet, il a affirmé que cet outil pouvait détecter les tensions AC actives à l'intérieur d'un câble isolé. Il a ajouté qu'il l'avait utilisé pour détecter un neutre ouvert dans un circuit de dérivation ou pour trouver une mauvaise connexion à la terre d'un boîtier métallique.

Comment est-ce que cela peut bien fonctionner ? Comment le détecteur peut-il détecter une tension sans contact métallique ? Détecte-t-il les conducteurs sous tensions dans un conduit métallique relié à la terre ?

Couplage capacitif

Ces détecteurs de tension AC fonctionnent sur le principe du couplage capacitif. Pour mieux comprendre, penchons-nous un instant sur la théorie des circuits électriques et rappelons-nous le fonctionnement d'un condensateur. Un condensateur est composé de deux conducteurs ou « électrodes » qui sont séparés par un élément non conducteur, appelé diélectrique. Si nous connectons une tension AC entre les deux conducteurs, un courant AC circule car les électrons sont alternativement attirés ou repoussés par la tension sur l'autre électrode. Nous avons donc un circuit AC complet même s'il n'y a pas de connexion « câblée ». Le « champ » électrique dans le condensateur, entre les deux électrodes, est ce qui complète le circuit AC.

Nous pensons souvent aux condensateurs comme à des composants individuels d'un circuit, par exemple des douilles d'amorçage de moteur, mais en réalité, le monde est rempli de condensateurs « vagabonds » et nous ne réalisons généralement pas qu'ils sont là. Voici un exemple. Supposons que vous êtes debout sur un tapis recouvrant un sol en béton sous un appareil d'éclairage de 120 V en fonctionnement. Votre corps est conducteur pour un tout petit peu de courant AC car il fait partie d'un circuit composé de deux condensateurs en série. Les deux conducteurs (ou électrodes) du premier condensateur sont les éléments sous tension dans la lampe et votre corps. Le diélectrique est l'air (et peut-être votre chapeau) qui les sépare. Les deux conducteurs du deuxième condensateur sont votre corps et le sol en béton. (Rappelez-vous que le béton est un très bon conducteur, comme le prouve l'utilisation d'électrodes coulées dans du béton comme prise de terre.) Le diélectrique du deuxième condensateur est le tapis ainsi que vos chaussures et chaussettes. Le deuxième condensateur est bien plus grand que le premier. Un tout petit peu de courant AC circulera, car 120 V s'appliquent à la combinaison en série. (En passant, ce courant est bien inférieur au seuil de choc électrique, sinon nous ne vivrions pas dans un monde de tension AC et nous n'allumerions certainement pas de lampe dans la salle de bains.)

Capteurs de tension capacitifs

Mais comment la tension se divise-t-elle entre les deux condensateurs en série ? Cette réponse est primordiale pour comprendre le fonctionnement des capteurs de tension capacitifs. Revenons rapidement à notre théorie des circuits électriques. Dans un circuit en série, la tension la plus importante se développe sur la plus grande impédance (loi d'Ohm). Avec les condensateurs, plus le condensateur est petit, plus l'impédance est élevée (c'est ce que l'on appelle une réactance capacitive). C'est un peu complexe, car c'est l'inverse du fonctionnement des résistances, mais gardez cette différence en tête et le reste devient simple. Quand deux condensateurs sont en série, la plus grande tension se développe sur le condensateur le plus petit. Dans l'exemple ci-dessus, seuls quelques volts se développeront entre vos pieds et le sol (le grand condensateur) tandis que le reste des 120 V se situe entre votre tête et la lampe (le petit condensateur). Cela peut sembler étrange, car en règle générale, nous n'imaginons pas que le tapis et le sol font partie d'un circuit électrique, mais c'est en fait bien le cas et ils obéissent aux lois d'ohms et de Kirchoff si nous les appliquons correctement.

Le capteur de tension capacitif fonctionne parce que vous insérez un élément de détection à haute impédance dans un circuit avec couplage capacitif en série lorsque vous tenez le manche cylindrique dans votre main et que vous placez la pointe près d'un conducteur sous tension. Comme dans l'exemple précédent, votre main et votre corps constituent un condensateur assez grand couplé au sol. La pointe du capteur est un petit condensateur couplé à la tension active. Le circuit de détection détecte la tension et déclenche l'indicateur lumineux ou sonore.

Essayez et voyez par vous-même

Pour vérifier cette théorie par vous-même, vous pouvez essayer de faire ce simple test : Trouvez une lampe de bureau en métal ayant une prise avec seulement deux broches (c'est-à-dire une prise sans terre). Branchez la lampe à une prise sous tension et, avec le capteur, posez la pointe de la sonde sur le métal de lampe. Le capteur affiche la tension active, car le métal de la lampe est proche (avec couplage capacitif) de la phase du cordon d'alimentation et qu'il n'y a pas de conducteur de mise à la terre pour « attirer à la terre » la tension. En d'autres termes, le capteur détecte la tension « parasite » couplée au métal de la lampe par la capacité « parasite » entre le métal et la phase du cordon d'alimentation. Maintenant, posez le capteur sur une pile de livres ou sur tout autre objet non conducteur, en laissant la pointe appuyée sur le métal de la lampe, puis retirez votre main. Le capteur n'indique plus de tension active, car son circuit couplé capacitivement a été rompu quand vous avez retiré votre main !

Ce test vous donne un indice sur la façon dont le capteur peut détecter un neutre ouvert dans un circuit de dérivation. Supposons que le circuit que vous testez soit une prise murale en 120 V. Quand vous branchez une charge, il ne se passe rien. Une vérification rapide dans le panneau vous apprend que le disjoncteur correspondant est activé et votre multimètre mesure 120 V entre la phase et la terre de la prise. Ensuite, prenez votre capteur et insérez la pointe dans la phase de la prise : il indique la tension active. Enfin, insérez la pointe dans le neutre de la prise, pour un même résultat : une tension active. Comment est-ce possible ? Si le neutre était en contact avec le conducteur de la phase, n'y aurait-il pas un court-circuit ? Le disjoncteur ne devrait-il pas se déclencher ? Si nous réfléchissons attentivement au couplage capacitif, la réponse est évidente. Les conducteurs de neutre et de phase sont côte à côte pour toute la distance entre la prise et le panneau. En d'autres termes, ils sont couplés capacitivement : chaque câble est une « électrode » du condensateur et l'isolation des conducteurs est le diélectrique. Si le neutre est ouvert sur le panneau, et donc sans mise à la terre, le conducteur neutre aura presque la même tension que la phase. C'est pourquoi le capteur de tension détecte une tension active sur le neutre.

Essayez par vous-même avec une paire de rallonges à deux broches (sans terre). Branchez une rallonge à une prise murale et branchez le second cordon à la première en ne raccordant que la phase, en laissant donc le neutre ouvert. Prenez l'autre extrémité de la deuxième rallonge et essayez le capteur de tension des deux côtés. Les deux doivent indiquer une tension active.

Dans certaines conditions, nous pouvons utiliser le capteur de tension pour détecter de mauvaises connexions à la terre sur un boîtier ou une section de conduite métalliques. En fait, c'est même une bonne habitude à prendre avant de toucher ou de travailler sur tout boîtier métallique. Souvenez-vous du métal de lampe décrite plus tôt. La raison pour laquelle le capteur indiquait une tension active dans le métal de la lampe, c'est parce que ce métal, non mis à la terre, présentait de la tension parasite, couplée avec le conducteur de phase. Dans le cas de boîtiers métalliques non mis à terre, le capteur de tension ne vous dira pas si le boîtier est sous tension à cause d'une tension couplée capacitivement ou à cause, par exemple, d'un contact avec un câble sous tension (isolation endommagée sur un conducteur de phase). Cette différence est une question de vie ou de mort. Cela vaut la peine de vérifier.

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