Brevet FR2118991A1 — publié le 19720804

L'invention concerne des fibres ou des conduits de transmission de la lumière, et plus particulièrement de tels conduits transmettant des signaux lumineux entre deux régions physiquement espacées l'une de l'autre, et placées à des potentiels électriques très différents. 5 II est quelquefois souhaitable d'établir une communication entre des régions placées à des potentiels électriques très différents, cette communication par liaison maintenant isolées électriquement l'une de l'autre ces régions. C'est le cas par exemple des tubes électriques à l'état solide et à haute tension, dans lesquels les circuits produisant des impulsions 10 de déclenchement à des potentiels très élevés sont actionnés par des dispositifs de commande situés à distance, dont le potentiel est très inférieur. Un moyen pour obtenir uns liaison de communication comporte un guide lumineux constitué généralement de plusieurs fibres optiques parallèles ou conduits lumineux à l'intérieur d'un manchon flexible et opaque. Ces con-15 duits lumineux peuvent être utilisés pour transmettre des impulsions lumineuses qui sont engendrées, sur commande, par une source de lumière au potentiel de la masse, vers plusieurs circuits délivrant un signal de courant de déclenchement, associés respectivement à plusieurs thyristors reliés en série pour former un tube haute tension comme décrit dans le brevet des Etats-Unis 20 d'Amérique n° 3 355 600 déposé par General Electric Company. Le coefficient de transmission lumineux d'une fibre optique dépend du phénomène de réflexion interne, c'est-à-dire que la lumière provenant de la fibre, frappant 1' interface entre un "noyau" cylindrique transparent ayant un indice de réfraction supérieur à un revêtement transparent 25 placé autour de ce noyau, et selon des angles rasants inférieurs à l'angle critique pour les matériaux constituant la fibre, est réfléchie tout le long de cette fibre. Le terme "lumière" est utilisé ici de manière générale pour l'énergie de rayonnement, mais s'applique également au rayonnement visible et au rayonnement invisible. Par exemple, les rayons ultraviolets et infrarouges sont 30 inclus dans ce terme. Bien qu'une certaine variété de guides lumineux soit connue et disponible dans le commerce, aucun n'a été jusqu'à présent entièrement satisfaisant, pour des appareils du type fonctionnant à haute tension. Dans ces applications, il y a une possibilité de longue vie et de sûreté de fonction-35 nement bien que le guide lumineux soit soumis à des conditions relativement dures. La chute de tension élevée entre ses extrémités opposées, ainsi que les effets chimiques et l'humidité de l'atmosphère ambiante tendent à dégrader BAD ORiGiMAL 71 46003 2118991 les propriétés de transmission de la lumière du guide et à accélérer son vieillissement. L'invention propose un guide lumineux perfectionné pouvant supporter une tension différentielle importante entre ses extrémités, sans que ses caractéristiques de transmission de la lumière ne soient affectuées. Selon un mode de réalisation de l'invention, une extrémité d'un conduit lumineux ou d'un guide lumineux est placée en contact avec une structure maintenue à une tension relativement faible, et son extrémité opposée est placée en contact avec une structure maintenue à une tension très supérieure. Un revêtement ayant des caractéristiques de résistance pratiquement homogène est placé sur la surface du conduit, et sur la surface des structures auxquelles les extrémités du conduit sont fixées. Le tout constitue donc ur. ensemble homogène. Le revêtement ayant une conductivité supérieure et plus uniforme que la surface originale du conduit lumineux, permet la présence d'un gradient de tension plus uniforme, et par conséquent, la détérioration du conduit lumineux est considérablement réduite. D'autres caractéristiques et avantages de ' invention ressorti-ront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d:exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 est une repré-t-nlation schémaique du s/-: terne de transmission de la lumière comportant une: source lumineuse, an élément :ensi-hle à la lumière, et un conduit lumineux reliant cette source à cet élément; - la figure 2 est une vue pprLielle en perspective d" m boîtier en matériau isolant, comportant sur ia surface extérieure plusieurs conduits lumineux; - la figure 3 est une vue en coupe des conduits lumineux prise seion la ligne 3-3 de la figure 2. Sur la figure 1, un trajet de transmission de la lumière est constitué par un guide d'onde électromagnétique 1 (appelé dans ce qui suit 'conduit lumineux") entre une source lumineuse 2, située derrière un dispositif de fermeture 3 et un élément sensible à la lumière 4 placé à l'intérieur d'une enveloppe isolée 5. Les enveloppes 3 et 5 peuvent être physiquement séparees et dinstinctes l'une de l'autre, ou bien elles peuvent comporter des parties éloignées d'un boîtier commun. Le but du conduit lumineux 1 est de transmettre des signaux lumineux sur une distance importante entre la source 2 et l'élément 4. La source 2 est constituée d'une diode émettrice de lumière à arséniure de gallium ou d'une lampe au xénon ou similaire, et lorsqu'elle est actionnée par un BAD ORIGINAL 71 46003 2118991 signal de commande convenable, elle émet de la lumière qui pénètre dans l'extrémité 6 du conduit 1. Cette lumière ressort par l'extrémité opposée 7 du conduit où elle éclaire l'élément 4. L'élément 4 est constitué d'un photodétecteur ou d'un redresseur au silicium commandé excité par la lumière, ou similaire, et 5 lorsque la lumière provenant du conduit 1 frappe cet élément, il passe brusquement d'un état de blocage normalement à résistance élevée à un état de conduction du courant à faible résistance, commandant ainsi la conduction par un circuit électrique 8 auquel l'élément 4 est relié. Bien que ceci ne soit pas représenté sur la figure 1, les 10 extrémités d'entrée et de sortie du conduit lumineux 1 peuvent être terminées par des prises ou des prises multiples tel que décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 541 341 du 17 novembre 1970, déposé par la demanderesse. De cette manière, les extrémités 6 et 7 du conduit lumineux 1 sont fixées et en contact étroit physique avec les enveloppes 3 et 5 respectivement. 15 La source lumineuse 2 et son enveloppe 3 sont maintenues à un potentiel égal ou proche du potentiel de la masse, et le circuit 8 auquel est relié l'élément 4 peut avoir un potentiel électrique très différent du potentiel de la masse (c'est-à-dire plus ou moins une certaine valeur qui est égale à 5000 V). Ce cas se produit si l'élément 4 est une partie d'un circuit de puissance ou 20 de déclenchement d'une soupape électrique à l'état solide à haute tension comportant plusieurs réseaux parallèles de thyristors en série. Dans ce montage particulier, plusieurs éléments actionnés par la lumière peuvent être placés à divers potentiels par rapport à la source lumineuse commune, et quelques-uns de ces éléments peuvent avoir des potentiels très proches de celui de cette 25 source. La source lumineuse 2 elle-même,au lieu d'être au potentiel de la masse comme représenté, peut aussi être à un potentiel très élevé. Dans l'une ou autre éventualité il est supposé que, étant donné la différence de potentiel entre le circuit représenté 8 et l'enveloppe 3, une différence de potentiel importante peut être établie aux bornes du conduit lumineux 1, placé entre 30 les régions adjacentes à la source 2 et à l'élément 4. Le conduit lumineux peut occuper une distance de l'ordre de 9m ou davantage, et est relié physiquement à l'enveloppe 5. Le conduit lumineux représenté 1 est constitué d'une ou de plusieurs fibres optiques 9. Plusieurs de ces fibres optiques sont reliées 35 pour former un manchon opaque en polyéthylène 10 constituant le conduit lumineux. Le terme "optique" tel qu'utilisé ici tt1implique pas seulement la lumière visible. Les fibres optiques destinées soit à la lumière visible soit à la 71 46003 2118991 lumière invisible sont bien connues des spécialistes, et peuvent être constituées de verre ou de matière plastique convenable. Chaque fibre comporte un élément interne transparent ou noyau revêtu d'un matériau transparent dont l'indice de réfraction est inférieur au matériau du noyau, de manière que la lumière suive un trajet en zigzag dans le noyau de chaque fibre par réflexions internes depuis le revêtement. La quantité de lumière transmise dans le conduit 1 varie en fonction du nombre et de la surface du noyau des fibres, de l'intensité de la source lumineuse, et de facteur de perte du conduit lumineux. Les diamètres des fibres individuelles peuvent être d'environ 0,036 mm à 0,061 mm, et l'ensemble des fibres ou faisceau peut avoir un diamètre d'approximativement 3 mm par exemple. Les conduits lumineux sont généralement constitués de matériaux ayant des propriétés de résistance élevée, de manière que les fuites de courant entre les régions de potentiels différents soient peu importantes. Néanmoins, dans l'application à haute tension considérée, le rendement d'un conduit lumineux satisfaisant initialement peut à la longue devenir non satisfaisant à cause de certains effets de détérioration résultant de la non-possibilité de supporter un gradient de potentiel important ou de la perte des qualités de transmission de la lumière ou des deux. Ce problème devient très aigu lorsque le conduit lumineux est exposé à une atmosphère humide. La demanderesse a pensé que la cause profonde de la détérioration de ces conduits lorsqu'ils doivent supporter une différence de potentiel importante, est due aux concentrations localisées du potentiel électrique auquel le conduit lumineux est soumis. Ceci peut résulter des qualités de résistance irrégulières du conduit lumineux et de ses matériaux support et/ou de l'existance de gradients de champs très localisés dans certaines zones traversées par le conduit. Dans l'un ou l'autre cas, unehaute tension critique peut être imposée sur une région locale relativement petite du conduit lumineux. Même dans un environnement idéal, l'une des charges par effet corona, 'accompagnée d'un amorçage d'arc ou d'une décharge disruptive peut se produire en tout point de la surface du conduit lumineux si le gradient de potentiel en ce point excède une valeur d'approximativement 1200 V/mm. L'effet inverse de ce phénomène est accentué par l'humidité ou tout autre condition défavorable qui peut se recontrer dans la pratique. Dans le cas d'une fibre optique en verre, une détérioration des qualités optiques de la fibre résulte égalaient de la décharge électrique en présence d'humidité. La demanderesse a découvert que pour quelques types de verre, des atomes de sodium ionisés par la décharge 71 46003 2118991 entrent en solution et se dirigent vers des zones de potentiel opt,---.é. Ceci modifie les propriétés physiques de certaines parties de la surface de la fibre, et il peut en résulter une certaine fragilité locale. Un certain craquelage du revêtement peut également se produire, entraînant des vides dans l'interface entre le noyau et le revêtement, et détériorant les qualités de transmission optique du conduit. Si la fibre optique est en matière plastique, la lumière dégagée par l'étincelle électrique à l'extérieur du conduit, ainsi que la présence du gradient de potentiel élevé peuvent atténuer et éventuellament détruire les qualités de transmission optique de cette fibre. Conformément à l'invention, ces effets peuvent être réduits en appliquant sur le manchon extérieur du conduit lumineux un matériau de revêtement conducteur 11 tendant à créer une répartition de la tension plus uniforme. Ce revêtement II adhère parfaitement aux surfaces du conduit lumineux et aux matériaux isolants formant les enveloppes, et possèdent une résistivité de surface pratiquement homogène, 0 d'environ 10 ohms par unité de surface par exemple. Un tel matériau peut être par exemple la peinture conductrice fabriquée par la société "Krylong Incorporated, Norristown, Pennsylvania", sous le nom de "Krylon modifié". 11 La résistivité de ce matériau est généralement (ïapproxiiïiativement 10 ohms par unité de surface, cette valeur se situant à 1-'intérieur de la gamme accepta ble. Son efficacité peut être accrue par l'utilisation d'additifeconducteur, tel que l'oxyde de fer, en poudre fine, de manière que la résistivité décroisse 8 jusqu'à approximativement 10 ohms par unité de surface. Comme représenté sur la figure 1, le revêtement 11 entoure complètement le manchon 10 du conduit lumineux 1, sur toute sa longueur entre les extrémités opposées 6 et 7. Le revêtement 11 décrit précédemment est de préférence appliqué non seulement sur le conduit lumineux 1, mais également sur la structure isolante qui supporte ce conduit. Ceci est illustré sur les figures 2 et 3. La figure 2 représente un boîtier 15 ayant une paroi latérale 5 en mstériau isolant. Plusieurs conduits lumineux 1 sont disposés le long de la surface extérieure de la paroi latérale 5 à laquelle ils sont reliés physiquement à des intervalles espacés, par un dispositif convenable. Les conduits lumineur conduisent respectivement à un nombre égal d'éléments photosensibles(voir la référence n° 4 sur la figure 1) derrière l'enveloppe 5 et ses éléments sont associés respectivement à des circuits (référence n°8 sur la figure 1) à des potentiels différents. Un moyen convenable comportant les conducteurs extérieurs 21a^ 21b; 21c^, 22ai, 221d, 22c:, 23a, 23jb, 23c_, et 24a, 24b, 24^c permettent BAD ORIGINAL 71 46003 6 2118991 de relier électriquement les circuits à l'intérieur du boîtier 15. Les potentiels des conducteurs 21a, 22si, 23^, et 24a. situés au sommet du boîtier 15 sont très élevés par rapport au potentiel de la masse. Ce boîtier 15 est entouré par une série d'anneaux 25. Dans le mode de réalisation de l'invention, comme il apparaît mieux sur la figure 3, le revêtement 11 est déposé à l'aide d'un pinceau ou pulvérisé sur la surface des conduits lumineux, et de la structure de support, de manière à former un revêtement continu dont l'épaisseur est relativement constante. Ainsi, le revêtement 11 couvre non seulement la surface des conduits lumineux, mais encore la surface de l'enveloppe, et est en contact étroit avec les divers conducteurs de branchement du circuit (23a_ sur la figure 3). De manière connue, ce revêtement aide à maintenir une répartition uniforme du champ électrique autour de l'enveloppe. XI présente de nombreux avantages, car il assure un gradient relativement uniforme entre les moyens de fixation adjacents utilisés pour relier les cji:duits lumineux à la paroi de l'enveloppe et il répartit le potentiel transversalement à la direction de^ conduits lumineux. Comme il ressort de la description précédente, certains aspects de l'invention ne sont pas limités aux détails particuliers de la construction des exemples illustrés et diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art, sans pour «urant sortir du cadre de l'invention . BAD ORIGINAL 71 46003 2118991 !L?_Y_?_ÎLD_J CATIONS 1.Système de transmission de la lumière caractérisé en ce qu'il comporte un élément photosensible maintenu à un premier potentiel et placé à 5 l'intérieur d'une enveloppe; une source lumineuse maintenue à un second potentiel et éloignée dudit élément, ce second potentiel étant très différent du" premier potentiel; un conduit lumineux reliant optiquement l'élément et la source et étant physiquement relié à l'enveloppe; et un revêtement ayant des caractéristiques de résistance pratiquement homogènes, placé autour de la partie du 10 conduit lumineux située entre l'élément et la source, ce revêtement étant déposé à la surface de l'enveloppe du conduit lumineux et formant une surface continue de caractéristiques de résistance pratiquement homogènes, de manière à obtenir un gradient de tension relativement uniforme le long du conduit. 15 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit lumineux est constitué d'un faisceau de fibres optiques placé à l'intérieur d'un manchon flexible. 3. Appareil pour transmettre de l'énergie lumineuse entre des dispositifs à des potentiels électriques différents, caractérisé en ce qu'il 20 comporte une enveloppe, un conduit lumineux supporté par l'enveloppe entre les dispositifs et un revêtement recouvrant le conduit et-la surface adjacente de l'enveloppe, ce revêtement ayant des caractéristiques de résistance pratiquement homogène, et étant relié aux dispositifs pour former une surface continue de caractéristiques de résistance pratiquement homogène, de manière à obtenir 25 un gradient de tension pratiquement uniforme le long du conduit. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la g résistance du revêtement est de l'ordre de 10 ohms par unité de sûrface. 5. Système de transmission de la lumière caractérisé en ce qu'il comporte un conduit lumineux reliant une région proche d'une source lumi- 30 neuse, cette région étant maintenue à un premier potentiel électrique, à une enveloppe d'un élément photosensible éloigné dont le potentiel électrique est différent du premier potentiel, un revêtement ayant des caractéristiques de résistance pratiquement homogènes, placé sur le conduit de façon continue entre la région et l'enveloppe, et sur la surface extérieure de l'enveloppe pour 35 améliorer l'uniformité du gradient de potentiel le long du conduit.