Brevet FR2138454A1 — publié le 19730105

La présente invention concerne un générateur rapide d'impulsions de haute tension, notamment d'impulsions d front de montée tres bref. Ce générateur peut être utilisé dans le domaine des lasers et celui des caméras électroniques à très grande rapidité d'ouverture. I1 est connu de réaliser des générateurs d'impulsions de haute tension par exemple au moyen d'une chaîne de condensateurs se chargeant chacun une tension donnée. Les condensateurs sont connectés en série par l'intermédiaire d'interrupteurs, ils sont chargés en parallèle, a la tension donnée, les interrupteurs étant ouverts.La fermeture simultanée de tous les interrupteurs de la chaîne permet de recueillir entre le dernier condensateur et la masse de référence, une impulsion de haute ten ai dont l'amplitude est égale è la somme des amplitudes des tensions de charge de chaque condensateur de la chaîne. Ces interrupteurs, pour obtenir une grande rapidité de réponse, peuvent être d'un type électronique, par vexez pIe' constitués par des transistors fonctionnant en régime d'avalanche, de ma nière è supporter des tensions élevées. Pendant la charge des condensateurs, le transistor est bloqué et correspond à un interrupteur ouvert.Dès qu'il re çoit une impulsion de commande, le transistor est débloqué et permet la décharge très rapide du condensateur qui lui correspond, ce qui donne une im pulsion à front de montée très rapide. Un dispositif connu consiste donc en une chaîne de rondensateurs connectés en série et séparés par des transistors fonctionnant en régime d'avalanche et jouant le roule d'interrupteurs.Le déblocage des transistors est effectué au moyen d'une impulsion de commande parvenant au primaire d'un transformateur d'impulsions a enroulements secondaires -iltiples. Chaque enroulement secondaire est connecté au transistor qui lui correspond dans la chaîne et l'impulsion de commande qui parvient à cet enrou lament débloque le transistor correspondant. Sur le dernier transistor de la chaîne, une impulsion de haute tension est alors recueillie. L'inconvénient d'une telle disposition réside dans le fait qu'il est imr possible de choisir de façon optimale les éléments du circuit afin d'obtenir une impulsion de front bref è la sortie du dispositif. Le choix du transformateur d'impulsions est particulièrement délicat et généralement son temps de réponse est élevé.De plus, l'ordre dans lequel déclenchent les transistors de la chaîne recevant une impulsion de commande, n'est pas contrôle et des limitation9 technologiques apparaissent dans le choix du nombre de ces transistors, les derniers éléments de la chaîne étant portés par rapport d la tasse de référence, à une tension dépendant de ce nombre Des problemes se posent pour la tenue en tension des éléments et les risques d'amorçage d'arc électrique entre les éléments du dispositif et la masse, La présente invention a pour but de remédier è ces inconvénients, La présente invention a pour objet un générateur d'impulsions de haute tension, et de front rapide comportant, une chaîne de transistors connectés en série de manière å fonctionner en régime d'avalanche, l'émetteur de chaque transistor de ladite chaîne étant porté à un premier potentiel fixe de référence, le collecteur de ce transistor étant porté un deuxième potentiel fixe, d'amplitude supérieure à celle dudit premier potentiel, le collecteur d'un transistor de ladite chaîne étant connecté à ltémetteur du transistor qui le suit, par l'intermédiaire d'un condensateur, un transformateur d'attaque dont le primaire reçoit une impulsion d'attaque et dont le secondaire possède des enroulements multiples, chaque enroulement du secondaire étant connecté entre la base et l'émetteur du transistor correspondant de ladite chaîne, l'impulsion de haute tension étant recueillie à l'extrémité de chaque chaîne, à travers ledit condensateur connecté au collecteur du dernier transistor de cette chaîne, caractérisé par le fait que le primaire dudit transformateur est une ligne de transmission. A titre purement illustratif et nullement limitatif, un exemple de générateur va être décrit avec des figures schématiques à l'appui. - la figure 1 représente un générateur d'impulsions de haute tension, d'un type classique, - la figure 2 représente, selon l'invention, un schema de générateur d'impulsions de haute tension, à deux chaînes couplées en série, par l'intermédiaire d'un transformateur bifilaire de sortie. Les éléments qui se correspondent sur ces deux figures portent les mêmes références. Le générateur d'impulsions représenté schématiquement par la figure 1 est d'un type classique et il comporte - une chaîne de transistors 1, 2, 3 montés en série de manière à fonctionner en régime d'avalanche, leur nombre a été limité à 3, à titre d'exemple. L'émetteur de chacun de ces transistors est porté à un potentiel fixe de référence à travers des résistances 5, 6, leur collecteur étant porté à un autre potentiel fixe, la haute tension V par exemple, à travers des résistances 8, 9, 10. Le collecteur d'un transistor de la chaîne est connecté à l'émetteur du transistor qui le suit, par l'intermédiaire d'un condensateur. Ce sont les condensateurs 11, 12, 13 séparant les transistors 1, 2, 3. Les résistances 5, 6, 7 et 8, 9, 10 permettant la charge des condensateurs 11, 12, 13 à la valeur de la haute tension V. - Un transformateur d'attaque dont le primaire 14 reçoit une impulsion d'attaque 18 et dont le secondaire possède des enroulements multiples 15, 16, 17, chaque enroulement secondaire étant connecté entre la base et l'émetteur du transistor correspondant de la chaîne. L'impulsion de haute tension 19 est recueillie sur le dernier condensateur 13 de la chaîne. Avant qùe l'impulsion d'attaque soit transmise au primaire 14 du transformateur, lès condensateurs 11, 12, 13 sont chargés à la valeur de la haute tension et les transistors sont bloqués. Lorsque l'impulsion d'attaque est fournie, cette impulsion apparaît aux bornes de chaque enroulement secondaire et rend successivement conducteurs les transistors de la chaîne. Les condensateurs chargés chacun à la valeur de la haute tension V, se déchargent dans le circuit d'utilisation 20, qui reçoit une impulsion dont l'amplitude est proportionnelle au nombre de condensateurs de la chaîne : + 3 V dans le cas de l'exemple choisi. Dans le cas de ce système classique, le nombre de transistors de la chaîne doit être limité, en effet, les derniers éléments de la chaîne supportent une tension importante par rapport à la masse, proportionnelle à ce nombre. De plus, ltemploi d'un transformateur d'impulsions d'un type classique ne permet pas d'obtenir en un temps très court une impulsion de haute tension à partir d'une impulsion de commande. La figure 2 est un schéma, selon l'invention, d'un générateur dtimpul- sions de haute tension, à deux chaînes couplées en série par l'intermédiaire d'un transformateur bifilaire de sortie. La première chaîne est du type décrit précédemment, la deuxième chaîne comporte des éléments identiques à ceux de la première chaîne et fonctionne de la même manière. Les transistors 21, 22, 23, résistances 25, 26, 27, 28, 29, 30, condensateurs 31, 32, 33 sont respectivement identiques aux transistors 1, 2, 3, résistances 5, 6, 7, 8, 9, 10, condensateurs 1X, 12, 13. Les résistances 4 et 24 ont une valeur déterminée en fonction de l'impédance du circuit d'utilisation. Le déblocage des transistors se fait au moyen d'une impulsion d'attaque 18 parvenant sur la base d'un transistor 37, correctement polarisé par les résistances 38 et 39, ce qui provoque la décharge d'un condensateur 40 dans le primaire d'un transformateur, ce primaire étant constitué dlune ligne de transmission. Une borne du primaire de ce transformateur est portée au potentiel de référence, par l'intermédiaire de la résistance 41. Le transformateur d'attaque, selon l'invention, peut être un transformateur comportant une multiplicité de secondaires doubles, couplés au primaire au moyen de tores de ferrites. Ce transformateur peut aussi utiliser un couplage du type "microstrip", le primaire dtun tel transformateur étant une ligne de transmission, le secondaire est une ligne parallèle à la première, séparée d'elle par un isolant. Il est bien évident que tout autre moyen de couplage entre le primaire et les secondaires du transformateur d'attaque, qui produirait le même effet technique, pourrait être employé sans sortir du cadre de l'invention. L'impulsion d'attaque débloque simultanément les transistors de même rang de chaque chaîne. Ces deux chaînes sont connectées en série où en paral lèle au moyen d'un transformateur bifilaire 42, de sortie, alimentant le circuit d'utilisation 20. C'est un couplage du type "série" qui est représenté en exemple sur la figure 2. Le couplage des tores de ferrite 43 est 44 de ce transformateur de sortie, est tel que les amplitudes des impulsions provenant des deux chaînes, s'additionnent dans le circuit d'utilisation 20. L'avantage d'un tel générateur réside dans i'emploi de transformateurs à tores dont le fonctionnement est très rapide et dans le contrôle des paramètres de transmission. Il est à remarquer que le primaire du transformateur d'impulsions est une ligne de transmission à très basse impédance (50 ohms environ). Cette ligne de transmission permet à l'impulsion de commande, de parvenir sans déformation jusqu'à l'éxtrémité de la chaîne, avec un front de montée très rapide, une amplitude ayant subi peu de variations, et un temps de propagation parfaitement déterminé. Cette ligne est une liaison adaptée par la résistance 41. Le transformateur bifilaire de sortie présente une impédance très faible adaptée à l'impédance de sortie de chaque chaîne (75 ohms environ). L'impédance de ce transformateur bifilaire est donc de 75 ohms environ, particulièrement bien adaptée à celle des deux chaînes en série, permettant ainsi, d'obtenir un minimum de réflexion dans l'addition des impulsions aux extrémités des chaînes. Les transistors sont soigneusement sélectionnés, afin de disposer ceux dont la réponse est rapide, en début de chaîne, ce qui permet d'équilibrer la réponse de la chaîne de déclenchement, constituée par les transformateurs, et la réponse de la chaîne de transistors. Les résistances 4 et 24 peuvent être de valeur nulle, et dans ce cas l'amplitude de l'impulsion obtenue est maximale. Ces résistances peuvent aussi avoir pour valeur, celle de l'impédance caractéristique de 75 ohms ou une valeur plus élevée afin de protéger la chaîne contre d'éventuel court-circuits. I1 est possible avec un tel générateur à deux chaînes en série, d'obtenir des impulsions de haute tension, d'amplitude double de celles qui sont obtenues avec le générateur classique de la figure 1. En effet, dans l'exemple décrit à l'aide de la figure 2, le nombre de transistors a été limité à trois, mais il peut être plus élevé et soit n ce nombre. Dans un générateur classique où chaque condensateur se charge à la valeur +V, l'impulsion obtenue a pour amplitude nV Le nombre n de transistors de la chaîne est limité par la différence de potentiel que peuvent supporter les derniers éléments de la chaîne par rapport à la masse. Le générateur selon l'invention, grâce au couplage série par transformateur bifilaire, permet d'obtenir des impulsions de haute tension, d'ampli tude 2n V, alors que selon le montage classique la limite est nV.L'impulsion de commande se propageant rapidement du fait de l'emploi de transformateurs à tores de ferrite, il est possible d'obtenir une impulsion de haute tension en un temps inférieur a 10 nanosecondes, cette impulsion ayant un front de montee inférieur à 5 nanosecondes. Cette rapidité du front de montée est liée à l'em- ploi de transistors en régime d'avalanche. Elle est aussi liée à la compacité dans l'implantation des éléments du générateur, ce qui permet d'éliminer, notamment les inductances parasites entre les éléments qui sont noyés dans un matériau électriquement isolant, ce qui évite l'amorcage d'arcs électriques entre un éléments et la masse de référence, ou entre deux éléments proches. Ce matériau peut être un vernis ou une résine. L'attaque des deux chaînes au moyen d'une ligne de transmission permet de contrler la propagation de l'impulsion d'attaque, et ainsi le temps de réponse du générateur. Toutes les impédances des liaisons étant adaptées entre elles, le rendement du générateur est accru. En exemple, la tension + V étant fixée à 450 V, et avec deux chaînes en série comportant chacune vingt transistors, il est possible d'obtenir en 10 nanosecondes, une impulsion de tordre de 9 R9, alors que selon un montage classique, l'impulsion obtenue a unc amplitude deux fois plus faible, cette impulsion étant obtenue en un temps supérieur à 50 nanosecondes. Les performances obtenues grâce au dispositif selon l'invention résultent aussi de la. compacité dans l'implantation des éléments du circuit, ainsi que de leur enrobage dans un vernis ou tout autre matériau électriquement isolant. REVENDICATIONS 1/ - Générateur d'impulsions de haute tension et de front rapide comportant, une chaîne de transistors connectés en serie de manière a fonctionner en régime d'avalanche, l'émetteur de chaque transistor de ladite chaîne étant porté à un premier potentiel fixe de référence, le collecteur de ce transistor étant porté à un deuxième potentiel fixe, d'amplitude supérieure à celle dudit premier potentiel, le collecteur d'un transistor de ladite chaîne étant connecté à ltémetteur du transistor qui le suit par l'intermédiaire d'un condensateur, un transformateur d'attaque comportant un primaire et une multiplicité de secondaires, le primaire recevant une impulsion d'attaque, chaque secondaire étant connecté entre la base et l'émetteur du transistor correspondant de ladite chaîne, l'impulsion de haute tension étant recueillie à l'extrémité de chaque chaîne, à travers ledit condensateur connecté au collecteur du dernier transistor de cette chaîne, caractérisé par le fait que le primaire dudit transformateur d'attaque est une ligne de transmission. 2/ - Générateur d'impulsions selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacun desdits secondaires dudit transformateur d'attaque est couplé audit primaire au moyen d'un tore de ferrite, le nombre de tores étant égal celui des transistors de ladite chaîne. 3/ - Générateur d'impulsions selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le couplage de chacun desdits secondaires dudit transformateur audit primaire, est du type "micro-strip." 4/ - Générateur d'impulsions selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que chaque secondaire est double, ledit-transformateur d'attaque commandant deux chaînes identiques disposées "en série" au moyen d'un transformateur du type "bifilaire" connecté entre les sorties de chacune des deux chaînes. 51 - Générateur d'impulsions selon l'une des revendications 2 et 3, caracté- risé par le fait que chaque secondaire est double, ledit transformateur d'attaque commandant deux chaînes identiques disposées en "parallèle" au moyen d'un transformateur du type "bifilaire" connecté entre les sorties de chacune des deux chaînes. 6/ - Générateur d'impulsion selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que ladite ligne de transmission constituant le primaire dudit transformateur d'attaque, a une impédance adaptée au moyen d'une résistance. 7/ - Générateur d'impulsions selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit transformateur bifilaire à une impédance adaptée à l'impédance de sortie de chacune desdites deux chaînes identiques. 81 - Générateur d'impulsions selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ses éléments sont noyés dans un matériau électriquement isolant.