Brevet FR2177477A1 — publié le 19731109

De nombreux équipements nécessitant l'utilisation de haute tensions electriques continues, positives ou négatives, en particulier les équipements de peinture par pulvérisation ou de poudrage avec effet electrostatique. Les générateurs de Haute Tension comportent couramment des générateurs de moyenne tension suivis d'additionneurs de tension en cascade. Actuellement les générateurs produisant la Haute Tension sont reliés à l'electrode de charge de l'équipement utilisant la Haute Tension au moyen d'un câble. Quand la tension est au moins de quelques dizaines de kilo volts, le câble doit avoir un isolement important, il est lourd, volumineux, rigide et onéreux. De plus il présente une capacité electrique élevée. L'énergie mise en réserve dans cette capacité est importante et représente un grand danger en cas de décharge accidentelle. Les générateurs utilisés pour la peinture ou le poudrage electrostatique doivent permettre de disposer à l'electrodc de charge d'une tension de 60 à 100 KY et de débiter sous cette tension un courant de l'ordre de 50 microampères. La puissance utile est donc faible. I1 est apparu à l'inventeur qu'il y avait lieu de dissocier le générateur de courant alternatif à moyenne tension de 1 'ad- ditionneur redresseur de courant. Ce dernier élément pouvant être miniaturisé, peut etre placé dans le pistolet, au plus près de l'electrode de charge. De cette façon les pièces sous haute tension continue sont réduites et leur capacité electrique faible. Les problèmes de sécurité, posés par l'utilisation de la haute tension, sont inexistants ou facilement solubles. D'autre part, le câble d'alimentation ne doit plus être isolé que pour une tension de l'ordre de 2 à 4 EV efficace. Le capable est souple et de faible dimension. D'autre part, en cas d'accident sur le câble, le générateur intervient pour limiter la tension et le courant, assurant ainsi une bonne sécurité. I1 n'est donc pas utile de chercher à miniaturiser ce générateur pour le placer à côté de l'additionneur dans le pistolet. Le cabale Basse Tension, dans ce cas, serait aussi encombrant et serait au moins aussi dangereux en cas de rupture. Le générateur Haute Tension continue suivant l'invention com~jorte trois éléments: Un générateur de courant alternatif moyenne tension comprenant les éléments de régulation. Un cible coaxial m;yenne tension. Un additionneur redresseur miniaturisé. C'est la necessité de rniniaturiser l'additionneur qui conditionne les caractèristiques de l'ensemble de l'appareil. Il existe, de fabrication courante, des diodes au silicium de dimensions très réduites qui peuvent convenir. Les capacités de l'additionneur doivent être réduites aux valeurs les plus faibles possible, non seulement dans un but de miniaturisation mais aussi pour réduire la capacité de l'ensem- ble de l'additionneur de manière à augmenter la sécurité de l'ap- pareillage. Â cet effet l'additionneur doit être alimenté en courant,moyenne tension, alternatif, sinusoïdal, à une fréquence assez élevée, supérieure à 10.000 Hertz et préfèrentiellement de 30 à 40 kHz. D'autre part un additionneur en cascade fonctionne correcte ment si la valeur des capacités des différents étages sont en progression arithmétique en partant de la Haute Tension de sortie vers l'alimentation. I1 apparait à l'inventeur que les capacités de l'étage de sortie peuvent être de l'ordre de 10 pico farad. Les capacités à prévoir seront donc de 10, 20, 30... 10 n pîcofarads pour l'étage de rang n. Ces deux caractéristiques: fréquence élevée et valeur des capacités en série arithmétique permettent d'obtenir un additionneur de faible capacité équivalente, donc le meilleur au point de vue encomsrement et sécurité. Pour réaliser pratiquement et économiquement un additionneur suivant l'invention, une méthode possible consiste à obtenir la série des condensateurs sur un ou deux circuits imprimés double couche ou multicouches. ntn dehors de la facilité de fabrication d'une série de condensateurs en une seule opération les circuits imprimés présentent l'avantage de servir de support à l'additionneur. I1 apparait, comme il sera précisé sur les exemples, qu'il est touJours possible de prévoir le aessin et la disposition des armatures des condensateurs pour qu'il soit possible de constituer ltadditionl,eur en soudant les diodes sur if ditefarmatures. L'ensemble est ensuite isolé pour la haute tension par enro bage avec des résines appropriées. Les caractéristiques de l'additionneur ayant été définies, il faut alimenter ce dernier. L'obtenticn d'une tension de l'ordre de 5 à 10 XV à une fréquence de l'ordre de quelques dizaines de Kilohertz ne pose pas de problème particulier. La cons titi on du générateur Haute Tension pose, par contre, deux problèmes: celui du câble et celui de la régulation du courant haute tension. Les disposttions prises suivant l'invention permettent d'utiliser un câble coaxial simple dont l'ame est sous tension et la tresse est mise à la terre. Pour compenser la capacité du câble une self est prévue entre la sortie sous tension et la terre. Un condensateur en série avec la self empêche les composantes continues de-passer par la self. La régulation du générateur est faite comme il est normal, en prenant une information sur le courant débité en haute tension. Ce courant se bouclant par la masse il est normal de prévoir une résistance sur le circuit de retour de la masse à l'additionneur. Dans le générateur suivant l'invention il fallait assurer ce retour par le fil sous tension du câble coaxial et non par la tresse. Le branchement à l'additionneur est tel qu'un condensateur placé entre la tresse et la masse laisse passer les composantes alternatives du courant de charge mais bloque le retour du courant continu délivré en haute tension. L'information oDtenue aux bornes de la résistance est complexe. Elle comprend une composante alternative corresEondant au courant de charge et une composante continue correspondant au courant débité en haute tension. I1 est connu que, pour se libérer de la composante alternative, on peut monter un condensateur en parallèle avec la résistance. Ce système a l'inconvénient de présenter une inertie non négligeable et de provoquer un retard à la réaction de système de régalation. Suivant l'invention l'information provenant de la résistance est traitée par un amplificateur différentiel. Ce dernier est alimenté en entrée positive par le signal à travers une résis-tance et à l'entrée négative par le signal également, mais à travers une self et une capacité en série qui arrêtent la coRpo- sante continue du signal. À la sortie de l'amplificateur il ne subsiste que le signal continu, les comosantes alternatives correspondant au courant de charge se seront annulées car la self et la capacité écédenDes sont prévues pour laisser passer les composantes alternatives à la fréquence du courant de charge. Ce système a l'avantage de pernettre de recueillir en sortie toutes les variations du courant continu même si celles-ci sont à fronts raides. D'autres caractéiistiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description suivante des modes de réalisations et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente le schéma de l'additionneur redresseur à cascade. La figure 2 représente l'ensemble d'un additionneur à quatre étages réalisé avec deux séries de condensateurs, chacune sur un circuit imprimé et la série de diodes. Les figures 3 et 4 représentent un additionneur de même tjpe présenté sous forme d'un parallélépipède compact moulé. La figure 5 représente un schéma electrique de réalisation possible d'un générateur selon l'invention. La figure 1 rappelle le schéma théorique d'un additionneur redresseur en cascade. Le courant d'alimentation, moyenne tension alternatif sinusoïdal arrive aux bornes À et B. La sortie haute tension continue est en S. L'additionneur comprend deux séries de condensateurs: une série paire et une série impaire comme il est visible sur la figure, les condensateurs étant numérotés de 1 à 8. Une série de diodes permet de charger les condensateurs en parallèle avec le courant alternatif d'alimentation et leur décharge en série à la borne S. L'additionneur représenté sur la figure comporte quatre étages chacun des étaLes comprenant un condensateur impair et un condensateur pair et deux diodes. La tension de sortie correspond,au rendement près, à la tension d'ali7mentation crete à crête multi- pliée par le ombre n d'étages. Le c urant de c arobe aux bornes d'entrée A et B est n fois le courant délivré en saute tension, mais il faut bien remarquer que le courant traversant les condensateurs du deuxième étage, immé- diatement après étage d'entrée, est de n - 1 le courant de sortie et ainsi de suite ; dans les condensateurs du n -n-le éta6--'e,de so tie, ne circule que le courant de série haute tension.Cela explique que lê. capacité des condensateurs doit cotre an progression arithmétique pour obtenir un fonctionnement iaentique à chaque étage. Cette règle n'est pas absolument impérative mais il convient de s'en rapprocher pour avoir le veilleur rendement avec une surface totale des armatures donne. Elle est importan- te,en particulier, si on réalise les condensateurs en circuit iin- primé, pour diminuer l'encombrement. D'autre part elle permet de réduire au minimum la capacité de l'additionneur pour assurer la sécurité de l'appareil. En utilisant une fréquence de l'ordre 30.000 Hertz à 40.000 Hertz il apparait qu'il suffit au dernier étage de sortie d'avoir des capacités de l'ordre de 5 picofarads pour réaliser un générateur délivrant un courant de l'ordre de 50 microampères sous 60 kV. Un tel condensateur représente une surface d'armature de l'or- dre de 0,8 cm 2 sur un circuit imprimé verre-epoxy de 0,6 mm d'épaisseur. La tension d'alimentation alternative peut ezre conrrise en 5 et 10 kV. Ces chiffres, donnés à titre d'exemple, montrent qu'il est possible de réaliser économiquement les séries de condensateurssur circuits imprimés tout en obtenant un encombrement réduit. A titre d'exemple également, la figure 2 représente une réalisation possible d'un additionneur à 4 étages avec 2 séries de condensateurs sur deux circuits imprimés 21 et 22. Le circuit 21 comporte sur la figure, 4 condensateurs 23 a,23 b, 23 c et 23 d, constitué par les surfaces de cuivre hachurées sur la figure dont les surfaces sont dans les rapports 1, 2, 3 et 4. En dessous des surfaces correspondantes sont constituées les secondes armatures du condensateur. Pour la compréhension elles ont été figurées en pointillé légèrement de calées par rapport aux surfaces du recto. Cnaque armature possède un prolongement sur lequel peuvent être soudées les diodes 24;de telle S e, les queues des diodes mettent au même potentiel les faces recto d'une capacité et verso de la capacité suivante. Pour obtenir une présentation plus compacte de l'additionneur de la figure 2 il suffit de plier les queues des diodes pour amener les deux circuits imprimés à se faire vis à vis dans deux plans parallèles, les diodes trcu-ant leur place entre les circuits. Les figures 4 ( Plan ) et 3 ( coupe X Y ) représentent cette disposition pour un additionneur à deux étages (4 diodes). L'ensemble peut être moulé dans une résine appropriée pour for mer un ensemble compact parallélépipédique dont les limites sont fígmrées en pintiI1é sur les figures. D'autres dispositions des armatures des condensateurs sur les circuits inpri:-nés et des diodes par rapport à ces dernières peuvent être imaginées sans sortir du cadre de l'invention. I1 est bon également de noter que la capacité parasite des diodes n'est plus négligeable quand les capacités des derniers étages deviennent aussi faibles que celles qui sont prévues par l'in Invention. Cela peut entraîner uu renforcement des capacités des derniers étages. La figure 5 représente le schéma d'une réalisation possible du générateur suivant l'invention. Le transformateur d'alimentation T 1, le pont de Diode D 1 et la capacité C 1 constituent une alimentation redressée et filtrée. A la suite un régulateur de tension est nécessaire pour fixer le niveau des tensions et par conséquent la haute tension. Ce régulateur série, classique, comprend les éléments R @,R 5, Q 3, R 4, Q 4,D 3, R 5, P 2, R 6, P 3, R 4 et D 2. Signalons simplement que le potentiomètre P 2 permet de régler la-tension délivrée Les autres éléments dont Q 2,font partie de la régulation du gé nérateur dont nous parlerons plus loin. De V REGulasion et O commun, nous passons à l'autooscillateur formé des éléments Q 5,Q 6,R 8, R 7, D 4 et du transformateur oe 2. Ce dernier comprend un enroulement primaire L 1, un enroulement secondaire L 2 et un-enroulement de réaction L 3. Il est du type symétrique classique et prévu pour donner une tension sinusoïdale à une fréquence de 2C à 40 k Hz. Cette fréquence dépend, Oien entendu, de la self et de la capacité du circuit sur lequel ltoscillateur débite et en particu lier du transformateur D 2 et du câble coaxial CC. Si L et C sont la self et la capacité du circuit, la fréquence de résonnance de l'ensemble sera Etant donné que nous ne sommes pas maîtres de la self et de la capacité parasite CP du trcnsformateur et de la capacité du cable, nous avons ajouté la self S 1 pour compenser la capacité du câble coaxial et maintenir le produit L. C. et par conséquent la fréquence F O à la valeur désirée. Cette self permet donc d'ali enter 1 t ai nneur au moyen du câble coaxial à la fréquence désirée avec un bon rendement. L'additionneur est alimenté peser le cable coaxial. Le brancnement de celui-ci est spécial. La tresse du câble doit être branchée sur le condensateur C x et le conducteur axial sur la diode D x. Le reste de l'additionneur est classique et a été décrit ci-dessus. I1 est visible sur le schéma que le courant continu débité par la haute tension ne peut retourner à l'additionneur ni par la tresse où il est bloqué par le condensateur C x, ni par la self S, où il est bloqué par le condensateur C 4. I1 passera donc par la résistance R 9 et l'enroulement L 2 du transformateur T 2. La résistance R 9 est protégée ainsi que les éléments de régulation qui lui sont associés entre les surintensités dues, par exemple à un amorçage, par deux diodes Zener D 5 montées en opposition. L'amplificateur différentiel Q 1 reçoit les informations en provenance de R 9 en A. Cette information entre en + à travers la résistance R 1 et en - à travers la self L 4 et le condensateur C 2. La self L 4 est réglée pour que passent les composantes alternatives de fréquence F O. À la sortie de Q 1, seule la composante continue passe par le potentiomètre P 1. Ce dernier permet de régleur l'intensité à partir de laquelle le transistor Q 2 deviendra conducteur et amènera la base du transistor Q 3 à la masse faisant chuter la tension régulée délivrée à l'oscillateur. Le générateur selon l'invention peut être utilisé pour alimenter en haute tension des pistolets de peinture avec effet electrostatique, des pistolets ou appareils de poudrage electro statique ou d'une façon générale tous appareils faisant appel à une haute tension continue, en particulier pour obtenir un effet electrostatique. I1 peut également alimenter des tubes ou autres appareils utilisés en electronîque. Revendications 1/ Générateur de cousant continu en haute tension alimenté en courant alternatif basse tension à fréquence industrielle et përettant d'alimenter sous une tension de quelques dizaines de kilovolts une electrode de charge d'un pistolet electrostatique de peinture ou de poudrage ou tout appareil de pulvérisation, de oudrage, de filtration ou autre, utilisant l'effet electrostatique, caractérisé par le fait qu'il est-constitué d'un générateur de courant alternatif de fréquence élevée de l'ordre de quelques dizaines de Kilo hertz, d'un câble conduisant ce courant et d'un additionneur redresseur à cascade. 2/ Générateur savant la revendication 1 caractérisé par le fait que l'effet de la fréquence élevée du courant est combiné avec le choix des capacités de l'additionneur dont les saleurs sont en progression arithmétique, pour rendre minimum les dites valeurs et la valeur de la capacité équivalente de l'additionneur. 3/ Générateur suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que la varie des capacités de l'additionneur est obtenue par impression sur un circuit imprimé double couche ou multicouches, ou sur deux circuits imprimés l'un pour la ligne de condensateurs pairs, l'autre pour la ligne de condensateurs impairs. 4/ Générateur suivant la revendication 3 caractérisé par le fait que les diodes sont soudées directement sur les armatures des condensateurs es que l'enserible est ensuite isolé en haute tension par enrobage avec des résines appropriées. 5/ Générateur suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le câble entre le générateur de courant alternatif et l'adadditionneur est un câble coaxial constitué par un conducteur axial sous tension et une tresse concentrique mise à la terre avec un isolant approprié entre conducteur et tresse et une protection à l'extérieur de la tresse. 6/ Générateur suivant la revendication 5 caractérisé par le fait que la tresse du câble coaxial est mise à la terre au départ du générateur de courant alternatif à fréquence élevée d'une part et d'autre part à la masse du pistolet assurant la mise à la terre de dernier. Une des bornes de l'additionneur redresseur est miseà la masse du pistolet par l'intermédiaire d'une capacité assurant ainsi le retour du courant alternatif de charge mais interdisant le retour du courant continu débité en haute tension. 7/ Générateur suivant la revendication 5 caractérisé par le fait qu'une self-induction est introduite au départ du cible coaxial entre le conducteur et la masse, de manière à compenser la capa cité du câble et obtenir que la fréquence de résonnance de l'en- semble oscillateur, transfornateur élévateur de tension et cible scit la fréquence élevée choisie et que la transmission de la puissance à cette fréquence soit réalisée avec un bon rendement. Un condensateur est monté en série avec la self pour arreter la composante continue du courant de retour qui pourrait la parcourir 8/ Générateur suivant les revendications 6 et 7 caractérisé par le fait que le courant continu débité en haute tension ne peut retourner de la masse à l'additionneur que par l'enroulement se condaire du transformateur et le conducteur axial du cable étant bloqué par un condensateur sur la self et sur la tresse. 9/ Générateur suivant la revendication 8 caractérisé par le fait qu'une résistance est introduite sur le retour du courant entre la masse et l'enroulement secondaire du transformateur pour obtenir aux oornes de cette résistance une onformation sur les cou rants débités pour assurer la régulatiôn-du générateur. 10/ Générateur suivant la revendication 9 caractérisé par le fait que l'information est traitée pour ne conserver que la composante continue du courant et éliminer la composante alternative correspondant au courant alternatif de charge. Ce traitement est obtenu par un amplificateur différentiel dans lequel l'information est incroduite à la borne + par l'intermèdiaire d'une résistance et à la borne - par l'intermèwiaire d'une self et dtune capacité montées en série et accordées pour la fréquence du courant alternatif de charge. 11/ Générateur suivant la revendicatIon 10 caractérisé par le fait que l'information agit sur le régulateur de tension pour faire chuter la tension dès que le courant débité en haute tension atteint une valeur ae réglage et agit en sorte de maintenir ce courant à cette valeur.