Brevet FR2141551A1 — publié le 19730126

La préaente invention concerne des perfectionnements aux inductances et transformateurs utilisés dans la technique des circuits imprimés, plus particulièrement dans le cas où de tels inductances ou transformateurs sont utilisés comme éléments de filtres de fréquences. On connait déjà, par exemple par le brevet français i 413 240 du 25 septembre 1964, des inductances pour circuits imprimés réali sées sous forme de rubans métalliques minces bobinés en spirale plate et fixés à la surface d'un substrat, c'est-à-dire d'une mince plaque de matière isolante, généralement de plastique, portant également les autres éléments du circuit, soit sous forme imprimée, soit sous forme d'éléments discrets (par exemple des condensateurs) fixes à des broches, cosses ou pattes de connexion portées par ladite plaque. La présente invention a plus spécialement pour objet la réalisation de telles inductances ou d'enroulements de transformateurs sous une forme comportant plusieurs enroulements étroitement couplés et que l'on peut associer de diverses manières, afin d'obtenir, à partir des moles enroulements, selon le mode dtassociation choisir diverses valeurs d'inductances ou, pour un transformateur, diverses valeurs d'inductance propre et de rapport de transformation. Selon la pros ente invention, il est prévu un mode de construction d'enroulements d'inductance réalisés sous la forme de deux ou plusieurs rubans métalliques plats fixés sur une plaque-substrat dans le plan de la surface dudit substrat, dans lequel la forme géorétrique des bords de chacun desdits rubans est celle dune spirale d'Archimède, caractérisé en ce que lesdits enroulements sont de dimensions propres identiques, ont un centre commun et sont imbriqués et décalés angulairement dans ledit plan, grÂce à quoi sont obtenus deux ou plusieurs enroulements ayant un meme diamètre extérieur prédéterminé dans ledit plan mais pouvant entre associés entre eux de manière différente pour obtenir une valeur d1induc- tance ou une constitution de transformateur choisie. A titre nullement limitatif, il peut Qtre indiqué que l'invon tion est particulièrement bien adaptée à la réalisation d'inductances ayant des valeurs allant de quelques nanohenrys à quelques licrohenrys, pour utilisation à des fréquences de quelques dizaines à quelques milliers de mégahertz. L'invention, dont la réalisation est rendue possible unique nient grÂce aux propriétés géométriques de la spirale d 'Archimède, sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée donnée ci-après et faite avec l t aide des dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1 sert à la définition des propriétés géométriques essentielles d'une spirale dtArchimède et à celle des paramètres correspondants ; et - la Fig 2 montre, à titre d'exemple, la réalisation d'un ensemble d'imdtetances selon l'invention, utilîsant trois enroulements imbriqués. Se référant d'abord à la Fig. 1, les propriétés géométriques de la spirale d'Àrchimède de centre O seront brièvement rappelées. On sait que cette spirale est entièrement définie par s - le demi-axe polaire ( x1 dans la Fig. 1, matérialisant la demidroite tangente à la première spirale S1 à son origine) - le sens de rotation du rayon vecteur (le sens trigonométrique inverse étant choisi comme sens positif dans la Fig. 1) - le pas (coefficient de proportionnalité entre la longueur du rayon vecteur et l'angle de rotation exprimé en tours à partir du demi-axe polaire). Si, après avoir tracé la première spirale S1 de pas p, de demiaxe polaire OX1, on trace une seconde spirale S2 de même pas p, mais de demi-axe polaire 012 faisant avec OX1 un angle e positif, on obtient deux spirales imbriquées ayant les propriétés suivantes (1) Les tracés des deux spirales se déduisent rigoureusement l'un de l'autre par une rotation qui conserve les angles. Il s'ensuit que la deuxième spirale s'inscrit à l'intérieur de la première sans jamais la couper. (2) La distance. entre points homologues situés sur un même rayon vecteur est constante et égale à pN (N étant le nombre de tours séparant les vecteurs origine et extrémité). On en déduit que les deux spirales peuvent Qtre considérées comme les lisières, Itune intérieure, l'autre extérieure, d'un mdme ruban de largeur constante 1 (Fig. 1) Par un choix convenable du décalage angulaire e entre les demiaxes polaires, il est possible de réaliser un couple de spirales matérialisant les lisières d'un ruban spiralisé de largeur imposée l telle que I = p 0/360 (si # est exprimé en degrés) On obtient ainsi le dessin d'une inductances simple dont la partie conductrice est figurée par la zone hachurée de la Fig. 1. En généralisant la construction précédente par des décalages successifs des demi-axes polaires, il est possible d'imbriquer plusieurs rubans ayant des propriétés électriques identiques, et régulièrement répartis à l'intérieur d'un contour circulaire. Par des rotations choisies selon une loi convenable, on peut obtenir un transformateur à plusieurs enroulements. Une loi générale de tracé d'un tel transformateur à n enroulements est donnée en coordonnées polaires pour les lisières internes pour les lisières externes avec p = rayon vecteur dont l'extrémité décrit une spirale de pas p N = variable de construction de la spirale exprimée en nombre de tours effectués par le rayon vecteur i = rang de la lisière n = nombre de rubans imbriqués (égal au nombre d'enroulements) Pour la commodité des accès électriques, il est nécessaire de décaler les origines des rubans, afin d'assurer un espacement suffisant des points de connexion A, B, C (Fig. 2). En outre, pour faciliter l'insertion de connexions telles que aB, bC destinées à relier, par exemple en série, les inductances élémentaires (représentées par les sections Aa, Bb, Cc), on répartit les origines - A, B, C d'une part - a, b, c d'autre part, selon une loi isogone de base 1/3 de tour, chaque enroulement ayant donc un nombre entier de spires majoré de 2/3 Dans le cas où l'on ne connecte pas les enroulements en serie, on peut aligner les points de connexion sur un même rayon vecteur ou selon toute configuration jugée plus pratique. Toujours dans le cas de la Figo 2 (exemple avec n=3) la constitution d'un transformateur à trois enroulements est obtenue en n'employant qu'une interconnexion bC. Le schéma ainsi réalisé correspond à une structure de filtre dite "Jaumaun", bien connue, avec la garantie d'avoir de bonnes caractéristiques de symétrie, même à très haute fréquence. On peut également réaliser, à partir de la Fig. 2 - un auto-transformateur dont l'enroulement est constitué de la mise en série des trois enroulements (au moyen de liaisons aB et bC comme il a été dit plus haut), les prises intermédiaires étant a ou B d'une part, b ou C d'autre part. Une répartition isogone des connexions peut se généraliser dans le cas d'un nombre quelconque d'enroulements; la seule limitation pratique du nombre d'enroulements provenant du fait que les prises de contact au centre de l'inductance doivent conserver entre elles un écart suffisant (les mettant à l'abri des courts-circuits). Une condition essentielle est que la distance entre rubans (espace entre spires consécutives) soit supérieure à une valeur minimale fixée pratiquement par la technologie de fabrication utilisée. A partir de la loi générale (formules 1 et 2), un transformateur à n enroulements est réalisé comme suit - les lisières internes se déduisent de la premiere d'entre elles par (n-1) rotations de (I/n)ième de tour - la première lisière externe se déduit de la première lisière interne par rotation de (#/p)ième de tour (l = largeur du ruban; p = pas de la spirale). On doit vérifier que la largeur du ruban reste inférieure au pas apparent p a = p/n - les autres lisières externes se déduisent de la première par (n-1) rotations de (1/n)ième de tour. Appliquées à l'exemple de la Fig. 2 (n=3) les règles cidessus se résument dans le tableau ci-après Ruban Lisière Loi du tracé Observations intérieure p = pN extérieure p = (N+1/p) 1/p intérieure p = p(N+1/3) II(Bb) extérieure p=p(N+1/p+1/3) 1/p 1/3 intérieure p = p(N+2/3) III(Cc) extérieure p = p(N+1/p+2/3) 1/p 1/3 N=#/360(# en 1 avec pa=p/n=p/3 degrés) Les règles en question concernent le tracé indéfini des spirales correspondant aux lisières, qu'il conviendra de limiter, pour réaliser une inductance de valeur finie. Les extrémités des enroulements constituent les points de connexion dont la position peut être prédéterminée comme il est dit ci-après. Les demandeurs ont réalisé expérimentalement, dans un diamètre de 28 mmt une inductance multiple à cinq enroulements en série additionnelle, dont la valeur totale est 8,85 H. Les valeurs obtenues entre une extrémité et chaque prise vérifient la loi L = k n1' où k est un coefficient constant L la valeur d'inductance n le nombre de rubans imbriqués entre 2 prises de connexion. Il est ainsi possible d'obtenir, à partir d'un seul composant inductif, les valeurs de 0,58 - 1,64 - 3,40 - 5,80 - 8,85 pH selon les points de connexion choisis, l'épaisseur de ruban conducteur employé étant de 35 microns environ. Selon l'invention, il est également possible de réaliser une inductance multiple faite de plusieurs rubans en spirale disposés à la fois au recto et au verso d'un même support isolant. On sait en effet que l'inductance obtenue à partir d'un ruban spiralé, divise ou non en plusieurs sections imbriquées, est limitée par la surface occupée, compte tenu des tolérances d'écartement imposées entre spires consécutives. Selon l'invention, un moyen d'augmenter l'inductance maximale réalisable, pour une surface donnée, consiste à disposer au verso du support isolant une inductance de mdme configuration qu'au recto. La nliae en série et en addition des différents enroulements s'effectue alors comme suit : chaque section du plan recto est connectée à une section du plan verso, laquelle est de nouveau connectée à une deuxième section du plan recto, etc. Grtce au retournement de plan et grtce à une répartition à angles égaux des points de connexion, on peut réaliser la mise en série des enroulements recto-verso par des traversées conductrices ou par des "trous métallisés". A partir de l'inductance à cinq enroulements sus-mentionnée disposée à la fois au recto et au verso d'un support isolant, après mise en série et en addition des différentes sections spi ralees au moyen de traversées conductrices comme décrit plus haut* on a pu ainsi obtenir une inductance totale de 36 H. On peut ainsi sensiblement quadrupler la valeur d'inductance réalisée selon la technique classique nmonocouche" ci-dessus décrite. En outre, il peut entre montré qu'à partir d'un seul composant inductif à n sections, on peut réaliser n valeurs différentes d'inductance, chaque valeur d'inductance se déduisant d'un plan de connexion correspondant. Tous les points de connexion peuvent alors Qtre disposés sur une mome face du support, sauf l'une des extrémités qutil est facile de relier à la terre ou à un point de potentiel faible, du côté de l'utilisation. Dans les dispositions décrits précédemment, la série des valeurs différentes d'inductance réalisables se trouve limitée au nombre des enroulements. Un moyen dtaugmenter cette quantité consiste à réaliser d'autres couplages entre enroulements, à savoir - mise en série partielle de certains enroulements, les autres étant soiten circuit ouvert ou en court-circuit, soit connectés à la terre à une ou aux deux extrémités. Selon le plan de connexion choisit on obtient, en plus des valeurs citées précédemment, des valeurs intermédiaires fournissant un composant inductif ayant les caractéristiques d'une inductance ajustable par échelons. L'utilisateur bénéficie donc, sans avoir recours à un moyen mécanique sujet à instabilité, de la possibilité d'ajuster l'inductance à une valeur égale à, ou tout au moins très proche de la valeur recherchée. On peut d'ailleurs envisager une commutation appropriée modifiant le plan de connexion, pour disposer rapidement de plusieurs valeurs d'inductance (par exemple pour assurer la commutation de la fréquence d'un oscillateur ou la modification de la fréquence de coupure ou de la sélectivité d'un filtre). Dans les dispositions ci-dessus décrites, il est seulement fait mention de la réalisation d'inductances simples (un seul enroulement en une seule couche) et multiples (plusieurs enroulements imbriqués en une ou deux couches). Par la superposition d'un ou plusieurs enroulements en plusieurs couches (nombre supérieur à 2), on obtient une valeur accrue d'inductance maximale par surface unitaire. De plus, on augmente ainsi le nombre des valeurs pouvant être obtenues par des combinaisons série-parallèle des différents enroulements. La réalisation pratique se fait en empilant plusieurs dispositifs du genre ci-dessus décrit, avec interposition de couches isolantes. Pour faciliter l'accès électrique aux différentes couches, on prévoit un décalage des connexions entre couches, permettant à l'utilisateur de les raccorder, soit au niveau de la première couche, soit au niveau de la dernière. La réalisation pratique des inductances par les procédés décrits plus haut est grandement facilitée par l'usage d'une machine conçue pour le dessin de masques de photogravure. En particulier, cette machine permet 1 - le positionnement précis de l'origine commune aux différentes spirales constituant les futures lisières des rubans métalliques 2 - le repérage précis des extrémités des rubans conaucteurs qui constitueront les points de connexion de l'inductance finie 3 - le contrôle rigoureux des rotations nécessaires à l'imbrication de plusieurs rubans, grâce à l'emploi d'un compte-tours gradué en centièmes de tour. La conception d'ensemble de cette machine, munie d'une table micrométrique qui contrôle la position d'un stylet traceur ou du burin (pour film pelliculable), permet de ramener les variables nécessaires au tracé de chaque lisière à 3 valeurs, à l'issue d'un préréglage qui concerne le pas de la spirale de référence. L'exemple détaillé donné ci-après illustre l'adaptation de cette machine au problème posé (confection d'un masque de photogravure à l'échelle 10/1). Données initiales - nombre d'enroulements imbriqués : 5 - nombre de spires : 5,8 (pour une répétition isogone des connexi - pas de la spirale de référence : 18 mm - début de la 1ère lisière à tracer : 2 tours à partir de l'origine de la spirale de référence ère - extrémité de la 1 lisière 7,8 tours - largeur des spires : 2,7 mm - espace entre spires: 0,9 mm Préréglage de la machine - pas de 18 mm choisi par positionnement d'engrenages Traçage des lisières ou découpe sur film pelliculable : Repère de Positionnement du Plateau Ruban Lisière position du (en tours) traceur (mm) Début de lisière Fin de lisière intérieure 0 2,00 7,80 I extérieure 2,70 2,00 7,80 intérieure 3,60 1,80 7, 0 II extérieure 6,30 1,80 7,60 intérieure 7,20 1,60 7,40 III extérieure 9,90 1,60 7,40 IV intérieure 10,80 1,40 7,20 extérieure 13,50 1,40 7,20 intérieure 14,40 1,20 7,00 v extérieure 17,10 1,20 7,00 REVENDICATIONS 7 - Mode de construction d'enroulements d'inductance réalisés sous la forme de deux ou plusieurs rubans métalliques plats fixés sur une plaque substrat dans le plan de la surface dudit substrat, dans lequel la forme géométrique des bords de chacun desdits rubans est celle d'une spirale d'Archimède, caractérisé en ce que lesdits enroulements sont de dimensions propres identiques, ont un centre commun et sont imbriqués et décalés angulairement dans ledit plan, grâce à quoi sont obtenus deux ou plusieurs enroulements ayant un meme diamètre extérieur prédéterminé dans ledit plan mais pouvant mètre associés entre eux de manière différente pour obtenir une valeur d'inductance ou une constitution de transformateur choisie. 2 - Mode de construction selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits enroulements ont leurs extrémités reliées à des broches de connexion traversant ladite plaque substrat. 3 - Mode de construction selon la revendication 1, caractérisé en ce cpie lesdits enroulements sont reliés en série et en addition. 4 - Mode de construction selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits enroulements sont reliés, les uns en série et en addition, les autres également en série et en addition mais isolés des précédents, afin de constituer un transformateur ayant deux enroulements mutuellement isolés. 5 - Mode de construction selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux groupes d'enroulements respectivement fixés sur l'une et l'autre des faces de ladite plaque substrat. 6 - Mode de construction selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits groupes d'enroulements sont reliés en série et en addition, de manière à réaliser une inductance de valeur élevée pour une surface donnée. 7 - Mode de construction selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de deux ou plusieurs éléments sensiblement plans comportant chacun une plaque substrat portant sur au moins une de ses faces un groupe d'enroulements.