La conception avant l'homologation - Sécurité

Des explosions de chargeurs de téléphone ont récemment fait la une des journaux. S'agit-il d'un problème de fond ou juste d'une probabilité statistique ?

La sécurité des produits fait soudain la une des journaux. Le sujet a toujours été d'actualité, mais il faut une info "sensationnelle" pour attirer l'attention du public sur cette question. Les chargeurs de téléphone bon marché, et plus récemment les chargeurs de cigarette électronique, intéressent les journalistes quand ils explosent et, dans certains cas, quand ils auraient pu blesser ou tuer quelqu'un, comme dans cet exemple relaté par la BBC. Mais ces explosions sont-elles dues à la prolifération des produits ou assistons-nous à une généralisation des produits mal conçus ?

 Il est intéressant d'étudier l'histoire récente des règlements de sécurité. Il y a 40 ans, les alimentations à découpage faisaient leurs premiers pas, manquaient de fiabilité, et leurs commutateurs semi-conducteurs à basse tension empêchaient le fonctionnement des switchers off-line. On utilisait donc un transformateur gros, lourd et cher pour réduire la tension secteur à un niveau permettant de la transformer à nouveau et de la réguler à l'aide d'un commutateur basse tension (il s'agit toujours de la meilleure solution pour certaines applications). Les principaux composants de sécurité étaient le transformateur secteur, les fusibles, ainsi que les câbles et connecteurs associés. Le transformateur utilisait des fils émaillés, du vernis et du papier pour isoler les circuits primaires et secondaires. Une solution solide, grosse, lourde, chère et inefficace (vous vous rappelez les "pertes fer" et "cuivre" que vous appreniez à l'école ?). Les progrès en technologie des composants, la miniaturisation et les méthodes de production de volume ont permis la mise au point de produits petits, efficaces et bon marché, mais à quel prix ? Des ouvriers peu qualifiés peuvent fabriquer une simple alimentation secteur-USB à l'aide d'un CI et d'un petit nombre de composants, mais comprennent-ils les dangers de cette fabrication ?

La sécurité consiste avant tout à protéger les utilisateurs, les opérateurs, les animaux domestiques (!) et les biens lors d'une utilisation ordinaire. Certaines normes techniques stipulent même des "conditions prévisibles et imprévisibles". Les principaux risques à prendre en considération pour la plupart des produits de consommation sont la décharge électrique, les risques liés à l'énergie, la surchauffe, le feu, les émissions chimiques et le rayonnement (liste non exhaustive).

Les incidents répétés auxquels nous assistons, tels que les exemples de départs de feu et/ou de décharge électrique causés par des chargeurs de cigarette électronique et de téléphone, découlent-ils donc d'un problème de fond ou d'une probabilité statistique ? Si seulement un chargeur sur un million présente un problème de sécurité, que ce soit au niveau de sa conception ou à celui de sa fabrication, alors il y a dans le monde des centaines ou des milliers de chargeurs potentiellement mortels sur le marché.

Un système peut-il absolument et assurément empêcher tout incendie ou décharge électrique au niveau de l'alimentation ? Probablement pas sans excès d'ingénierie et de coûteux tests intégraux de post-production. En matière de sécurité aussi, les coûts sont une question importante. Le fabricant doit arriver à un compromis entre niveau de sécurité du produit et coût de production.

Une généralisation du système en place en Amérique du Nord, qui implique la certification des produits par un organisme tiers et un contrôle de conformité continue par inspections régulières améliorerait sans doute la situation, mais certains fabricants peu soucieux des consommateurs arriveront toujours à contourner ces contrôles.

Le système européen d'auto-certification des produits par rapport aux règlementations de marquage CE a ses mérites à bien des égards, mais il est très simple à enfreindre pour n'importe quel fabricant sans scrupule. Il existe un système pan-européen de signalisation des produits non conformes, qui peut au moins permettre à l'État membre ayant rencontré un problème d'avertir les autres. Il s'agit de la base de données RAPEX, qui ne manque certainement pas d'exemples de produits dont l'utilisation a été considérée comme dangereuse.

Plus d'informations à ce sujet lors d'un prochain article sur la surveillance des marchés, la conformité continue et son application.

Questions pratiques

Les principaux dangers à prendre en considération sont les suivants :

Décharge électrique – probablement le danger le plus évident concernant les équipements électriques, mais aussi le moins bien compris. Les tensions des circuits secondaires à double isolation de moins de 42,4 V (en pic) ou 60 V c.c. sont considérées comme des tensions de sécurité très faible (SELV), et en tant que telles sont sûres dans des conditions de fonctionnement normales et en condition de défaut simple. L'équipement et les utilisateurs doivent être protégés contre les risques de décharge par deux protections, de manière à ce qu'en cas de défaillance de la première, la deuxième reste opérationnelle. Ces protections peuvent prendre diverses formes : isolation, mise à la terre, espacement ("ligne de fuite" et "distance dans l'air"), boîtiers, composants de protection comme les optocoupleurs et les transformateurs. Certaines formes d'isolation ne fournissent pas de double barrière (comme l'isolation solide), mais permettent d'obtenir un niveau de protection équivalent.

Risques liés à l'énergie – l'énergie stockée dans les condensateurs, même à des niveaux de tension très faible et de courant élevé, peut provoquer des brûlures, la formation d'arc et même l'expulsion de matière en fusion. Un incident particulier il y a fort longtemps a impliqué le gros condensateur 50 V d'une alimentation. En le court-circuitant, l'ingénieur a provoqué la fusion de son bracelet de montre en acier sur son poignet !

Incendie – Le feu est à la fois le meilleur allié et le pire ennemi de l'homme. Un incendie peut provenir d'une surchauffe, de la défaillance d'un composant, d'une panne d'isolation et de mauvais contacts. Les mesures permettant d'empêcher la surchauffe sont généralement une conception saine et l'utilisation de composants adaptés. Les matériaux à inflammabilité limitée et empêchant la propagation du feu ou l'expulsion de matière en fusion doivent être utilisés.

Risques liés à la chaleur – l'objet n'est pas en feu, mais il est trop chaud pour être manipulé. La surchauffe peut causer des brûlures et empêcher l'isolation des composants ou encore causer leur dégradation. Là aussi, une bonne conception et l'utilisation de composants adaptés permettent de réduire ce risque.

Risques mécaniques – ils ne semblent pas évidents pour les équipements électriques, mais de simples éléments comme des bords lisses pour les armoires métalliques ou empêchant les doigts d'entrer en contact avec les pièces en mouvement, comme les moteurs et les ventilateurs, peuvent suffire. Certains dangers, comme les objets volants provenant de la rupture d'enveloppes en verre comme les CRT (tubes cathodiques), les valves (encore utilisées dans des applications comme la hi-fi haut de gamme et les amplificateurs de guitare) et les lampes, sont encore moins évidents. Ils font quelque peu figure de dinosaures dans nos environnements électroniques numériques à LED et LCD, mais doivent tout de même être pris en considération.

Rayonnement – le rayonnement recouvre l'ensemble du spectre acoustique, fréquence radio, rayonnement lumineux et ionisant. Un bruit à haute intensité, une lumière LED ou un laser peut créer autant de dégâts qu'un rayonnement alpha. La prévention valant mieux que la guérison, les sources intenses doivent être pourvues d'un écran ou d'un verrouillage utilisateur, afin d'empêcher toute exposition. Des symboles de mise en garde sont un minimum !

Risques chimiques – certains matériaux et composants utilisés dans la fabrication d'un produit peuvent émettre des fumées ou des émanations dangereuses pour les humains (et les animaux) en cas de défaillance, et doivent être évités dans la mesure du possible. Les réglementations en vigueur pour certains matériaux visent à réduire leur présence dans la chaîne de recyclage. Toutefois, ces mesures ont réduit la teneur en plomb, cadmium, brome, mercure et chrome IV des composants (réf. directive RoHS de l'UE)

Systèmes d'isolation

Les deux niveaux d'isolation nécessaires peuvent prendre diverses formes. La plus simple est l'isolation solide, qui peut être celle d'un câble.

• Double isolation (de base + supplémentaire)
• Isolation renforcée
• Isolation solide
• Séparation de protection (de base plus mise à la terre)

Toutes ces isolations procurent une séparation sûre entre les circuits sous tension et les êtres humains.
Une simple protection solide, par exemple sur un transformateur, est acceptable, mais d'autres exigences sur la qualité des matériaux en fonction des différentes conditions de l'environnement s'appliquent alors.

L'autre système d'isolation important, mais mal compris, est celui par "ligne de fuite" et "distance dans l'air". La ligne de fuite est la distance entre deux conducteurs le long d'une surface, et la distance dans l'air est la distance la plus courte entre deux conducteurs dans l'air. Voir Fig. 2. Lors de l'inspection d'un petit transformateur, vous pouvez noter que la partition entre les bobinages primaire et secondaire est plus importante qu'une simple couche de plastique. Elle incorpore probablement un dégagement (>1 mm) pour augmenter la distance de fuite.

Les composants intégrant des barrières d'isolation sont une bonne solution : relais, optocoupleurs et transformateurs sont disponibles en vente libre, mais un conseil est toutefois nécessaire. La solution la plus simple consiste normalement à utiliser des composants de protection certifiés. Ils sont dotés d'une certification en laboratoire d'essais, par exemple VDE, UL, etc. qui vous assure d'utiliser un composant valable ! Mais attention avant d'acheter : ne vous faites pas piéger par les mentions "conforme à…" ou "conçu pour répondre à…" qui n'équivalent pas à la certification proprement dite. Les laboratoires d'essais n'acceptent pas un composant de sécurité sans exécuter de tests supplémentaires à moins qu'il bénéficie d'une certification valide. 

Un mot sur la sélection des "composants de sécurité critique". Assurez-vous que le composant est adapté à son emploi. Fonctionne-t-il à la tension indiquée et dans les limites de courant et de fréquence indiquées ? Si ce n'est pas le cas, il ne convient pas et doit être remplacé. Certains composants disposent de paramètres de sécurité critique supplémentaires qui doivent faire l'objet d'une vérification selon l'application (par exemple la norme d'inflammabilité des matériaux polymères, l'indice de cheminement des matériaux de circuit imprimé, etc.).

Mise à la terre

Certainement la forme la plus utile de protection. Quand tout le reste est indisponible, la mise à la terre, si la conception/l'application le permet, protège l'utilisateur du danger, mais uniquement à condition d'être reliée à une terre externe fiable. Reliez à la terre toutes les pièces de métal non alimentées et accessibles par l'utilisateur, telles que les poignées et les boîtiers. Cette protection participe également à la conformité à la norme CEM
 
Fusibles et disjoncteurs

Il s'agit de composants de sécurité importants lorsqu'ils sont utilisés avec d'autres moyens de sécurité, car ils sont généralement présents pour les circonstances rares de défaillance ou potentiellement dangereuses comme une surcharge. Un fusible standard met un temps précis à sauter en condition de surintensité. Plus la surintensité est élevée, plus le fusible saute rapidement. Les fusibles sont souvent utilisés en même temps qu'une varistance ou des diodes à fixer, qui ne peuvent pas protéger contre une surintensité car elles risquent de fondre ou de prendre feu. Les disjoncteurs sont des appareils électro-mécaniques ou même totalement électroniques généralement plus sophistiqués, avec des paramètres de performance mieux définis et un prix beaucoup plus élevé ! Ils sont fréquents dans les applications industrielles, car il est simple de les réactiver après résolution d'une défaillance.

Barrières et boîtiers de protection de l'utilisateur

La barrière utilisateur est là pour empêcher l'utilisateur d'entrer en contact avec des tensions dangereuses, des pièces en mouvement et des composants chauds. Elle entraîne toutefois une série de problèmes, notamment de refroidissement et de ventilation. Un orifice assez grand pour permettre une ventilation satisfaisante est susceptible d'exposer l'utilisateur au contact d'une pièce dangereuse. La forme des aérations peut empêcher l'accès à ces pièces ou intégrer des mailles, des fentes ou des grilles, mais ces aérations peuvent être problématiques en cas de défaillance : un composant défaillant proche d'une ouverture peut émettre des particules en fonte, voire enflammer certains matériaux situés près de l'aération du produit.

Le boîtier est plus complexe qu'il ne le semble à première vue. Il peut être constitué de plastique en fonction des contraintes de prix, de poids et de conception. L'inflammabilité du matériau peut devenir un problème. N'utilisez que des matériaux pourvus d'une norme d'inflammabilité, par exemple UL 94 V0, attribuée par un laboratoire d'essais compétent. Le matériau peut également faire l'objet d'un test dans le cadre de l'évaluation de sécurité, mais il peut être trop tard pour le changer à ce moment-là s'il échoue au test !

Vérifications de fabrication

Lors de l'évaluation de la conformité d'un produit, la première chose que l'ingénieur sécurité vérifie est sa fabrication. Une simple inspection permettra de s'assurer de l'état (mais pas de l'efficacité !) de la plupart des systèmes de sécurité évoqués ci-dessus. Le bon ancrage des câbles, l'installation convenable des couvercles (qui ne doivent pas être amovibles à la main dans les cas de tension dangereuse), l'absence de bords tranchants et d'espaces pour passer les doigts, et enfin le test tactile de toute première importance : est-ce que le composant chauffe ? Les normes de sécurité et les instructions du fabricant fournissent des informations sur les températures admissibles maximales. Les enregistreurs de données de température, utilisés avec les types de thermocouples adéquats sont utiles pour le concepteur, en particulier sur les produits plus complexes.

Mais revenons à nos alimentations USB !

Pourquoi y a-t-il tant de chargeurs dangereux, USB et autres, sur le marché ? L'inspection de ces produits révèle que les barrières de sécurité sont inadéquates ou inexistantes, que des composants bon marché et inadaptés ont été utilisés, que leurs plastiques prennent feu et que leurs boîtiers non seulement prennent feu, mais ne parviennent pas à contenir les matériaux en fusion quand l'inévitable se produit, et par-dessus le marché, explosent ! Un ou plusieurs principes de sécurité ont manifestement été enfreints.

Les exigences de sécurité existent pour une bonne raison. Apprenez et comprenez comment concevoir un produit sûr, et épargnez les produits dangereux aux utilisateurs !