Brevet FR2341195A1 — publié le 19770909

L'invention concerne un élément de circuit électrique mi niaturisé du genre dit "microparafoudre", c'est-à-dire un élément de circuit minia;- Tsé conçu pour absorber ou amortir par- décharge électrique les surtensions d'origine atmosphérique ou autres (coups de oudre, inductions par un réseau, contacts accidentels, etc...) pouvant apparaitre aux bornes de composants ou circuits électriques ou électroniques fonctionnant normalement en courants faibles. L'invention concerne aussi les circuits comportant un tel élément de circuit ainsi que les composants discrets, dits eux aussi micropara- foudres", comportant un tel élément de circuit et des éléments d'embrochage ou d'enfichage. Les microparafoudres, notamment ceux destinés à la protection des installations téléphoniques d'abonnés, doivent répondre à des exigences relativement sévères concernant leurs caractéristiques de fonctionnement et leur encombrement. Les plus couramment utilisés comprennent deux électrodes de décharge disposées dans un boitier étanche renfermant une atmosphère gazeuse radio-active. L'amorçage de la décharge est ainsi assuré dans un délai réduit en raison de la probabilité élevée de la présence doa moins un électron germe dans l'espace inter-électrodes au moment de la naissance d'une onde de surtension. L'objet de l'invention est un microparafoudre - fonctionnant sans exiger d'atmosphère radio-active et ne posant par conséquent ni problèmes de sécurité lors de la fabrication, du stockage et du remplacement ni problèmes de vieillissement, - pouvant etre d'encombrement tres réduit, notamment en épaisseur, - compatible avec les équipements en service, - pouvant etre incorporé dans des circuits imprimés ou meme dans des circuits intégrés au moment même de leur fabrication. Selon sa définition la plus générale, le microparafoudre de l'invention comporte dans une atmosphère au moins trois électrodes de décharge constituées par autant de plaquettes métalliques séparées appliquées sur une même face d'un support isolant, une première et une deuxième plaquette ont des côtés en regard sensiblement parallèles, la troisième plaquette, qui est connectée électriquement à la première par une résistance électrique, pénètre dans une extrémité de l'intervalle entre lesdits côtés par une languette effilée le contour de celle-ci est constitué, vis-à-vis du dit côté de la deuxième plaquette, par un segment qui est orienté relativement audit côté selon un angle aigu ouvert dans la direction dudit intervalle et qui se raccorde à son extrémité la plus proche dudit côté à un sommet arrondi.Ainsi, lorsqu'une tension négative, supérieure à une valeur fixée par la constitution et par les dispositions des plaquettes, par la pression et la nature de l'atmosphère et par la vitesse de mise sous tension, est appliquée à la première plaquette relativement à la deuxième, une décharge ou émission de champ électrique s'amorce par effet de couronne/entre ledit sommet et le électrique s'amorce par effet de couronne entre ledit sommet et le dit côté de la deuxième plaquette, puis se propage entre ledit segment et ledit côté par ionisation de 1' atmosphère et enfin s'établit entre lesdits côtés de la première et de la deuxième plaquette jusquà ce que ladite tension décroisse en deçà d'une valeur déterminée Le microparafoudre ainsi décrit est unipolaire.Les dispositions constructives qui permettent de le rendre bipolaire seront, de même que d'autres dispositions de l'invention, indiquées lors de la description qui suit et qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une coupe agrandie, selon le plan x-x de la figure 2, d'un microparafoudre bipolaire dans l'une des formes de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus, à même échelle que la figure 1, du microparafoudre de itinvention dont certains éléments ont été omis, - la figure 3 est une vue à plus grande échelle de détails de la figure 2. Le microparafoudre desdites figures est un composant dis cret compatible avec les systèmes de contact à lames. On considère d'abord les figures 1 et 2. Les éléments 62 et 64 - dont le rôle sera défini plus loin - de la figure 1 ne sont pas représentés dans la figure 2. Une plaquette-support 1 en matériau isolant porte sur l'une de ses faces (face supérieure dans la figure 1) des plaquettes métalliques 2, 3, 4 et 5. Les plaquettes 2 et 3, de forme générale rectangulaire, ont leurs bords respectifs en vis-à-vis 21 et 31 substantiellement parallèles. Laplaquette 4 pénètre dans l'intervalle il entre les bords 21 et 31 par une languette effilée 41. Le contour de celle-ci comprend, vis-à-vis du bord 31, un bord 42 substantiellement rectiligne.En considérant la figure 3, on voit que le bord 42 est orienté relativement au bord 31 selon un angle a aigu ouvert vers l'intervalle 11, Le bord 42 se raccorde, à son extrémité opposée à l'intervalle 11, à un sommet arrondi 43 de rayon moyen r séparé du bord 31 par une distance d sensiblement inférieure à la largeur moyenne D de l'intervalle 11 La plaquette 5 pénètre dans l'intervalle 11, par l'extrémité opposée à celle dans laquelle s'insère la languette 41, par une languette effilée 51 disposée et conformée relativement au côté 21 de la plaquette 2, comme l'est la iplaquette 41 relativement au côté 31 de la plaquette 3. Les plaquettes 4 et 5 sont respectivement connectées aux plaquette s 2 et 3 par des liaisons électriques résistantes 44 et 54 dont le rôle sera défini plus loin. Contre la face inférieure du support isolant 1 est appliquée une plaquette ou couche métallique 12 en contact électrique avec la plaquette 2 par un plot 22 inséré dans un trou traversant le support isolant. Un conducteur 32 (fil ou ruban métallique) est brasé sur la plaquette 3. L'ensemble ci-dessus décrit est disposé dans un capot métallique constitué par un boitier 61 - sur le fond duquel le support 1 est fixé par brasage de la couche métallique 12 - et par un couvercle 62. Un cadre 64 en céramique est inséré et brasé entre le bord rabattu 63 du boitier 61 et le couvercle 62. Le conducteur 32 est pincé et brasé entre le couvercle 62 et le cadre 64. De préférence, le capot clos contient une atmosphère sous pression réduite sur laquelle des indications seront données plus loin. Après fermeture, le microparafoudre comporte donc, dans une atmosphère cnntrôlée, deux sous-ensembles de conducteurs, isolés l'un de l'autre, à savoir d'une part les plaquettes-électrodes 2 et 4 réunies par la résistance 44 et connectées au boitier 61 et d'autre part les plaquettes-électrodes 3 et 5 réunIes par la.résistance 54 et connectées au couvercle 62. Si une tension négative est appliquée au boitier 61 relativement au couvercle 62 et si cette tension dépasse un seuil qui dépend des facteurs que l'on a déjà cités, l'électrode 4 agissant comme cathode froide délivre des électrons par le sommet 43 en direction du bord 31 (figure 3). Ces électrons ionisent les molécules gazeuses situées dans le voisinage et la décharge se propage par ionisation de proche en proche entre les bords 42 et 31 puis s'établit entre les bords 21 et 31. La résistance 44 a pour rôle de limiter le courant dans ltélectrode 4 afin d'éviter sa détérioration lorsque .'a décharge s'amorce.Ainsi, un microparafoudre selon l'invention qui ne comporterait que les électrodes 2, 3 et 4 agirait comme dispositif de protection unipolaire. Un dispositif bipolaire pourrait etre réalisé en connectant tête-bêche deux microparafoudres semblables. Mais le même résultat est obtenu d'une façon beaucoup plus simple en ajoutant l'électrode 5. Le microparafoudre des figures l et 2 est conçu, comme on l'a déjà vu, pour etre utilisé dans les systèmes de contact à lames en usage dans les installations d'abonnés, mais on peut le modifier facilement pour le rendre embrochable par découpage du capot ou par brasage de broches sur celui-ci. L'invention permet en outre de réaliser des circuits de protection contre les surtensions en même temps que les composants ou circuits à protéger. D'une part en effet, il est possible de réaliser et d'appliquer les plaquettes conductrices par de nombreux procédés connus, par exemple par découpage et collage, mais aussi par dépôt chimique, électrolytique, cathodiques etc..; à forme des plaquettes étant obtenue lors du dépôt par masquage ou après dépot par attaque chimique sélective, électro-érosion, etc... D'autre part, le matériau du support isolant peut être choisi dans une gamme va riée (stratifié résine-époxyde et fibres de verre, verre, silice, céramique, alumine, etc...). Aussi est-il possible, par exemple de réaliser un élément de circuit selon l'invention sur un circuit imprimé en même temps que les connexions des composants à protéger. Il est même possible de réaliser 'in situ" un élément de circuit selon l'invention dans un circuit intégré. Ces possibilités, jointes au fait que l'encombrement du dispositif peut être extrêmement réduit, permettent par exemple de réaliser des tetes de câbles téléphoniques dans lesquelles les circuits de protection sont incorporés, d'où une réduction sensible du nombre des contacts mécaniques dont on sait qu'ils sont une cause quasi-permanente d'incidents de fonctionnement. Bien qu'il ne soit pas interdit, en principe, de concevoir des éléments de circuit selon l'invention fonctionnant à 1' air libre, c'est-à-dire mettant en oeuvre l'ionisation des molécules d'air voisines des électrodes, il est d'une façon générale préférable, pour obtenir une réponse à des surtensions suffisamment basses dans des conditions suffisamment reproductibles, d'utiliser comme atmosphère un gaz monoatomique sous pression réduite. On prévoit alors un capot de protection englobant stil y- a leu, en meme temps que l'élément de circuit protecteur, les éléments ou composants à protéger. On a en outre intérêt a) pour éviter une détérioration prématurée des électrodes, à les constituer en un alliage ou un métal à faible taux d'évaporation dans l'atmosphère choisie; b) pour éviter de devoir réduire le rayon r et la distance d (figure 3)à des valeurs difficiles à réaliser, à choisir un alliage ou un métal à faible travail de sortie d'électrons, avantageusement inférieur à 5eV On indique ci-après quelques résultats d'essais obtenus avec un circuit conforme aux figures 1, 2 et 3 dans lequel les é- lectrodes 2, 3, 4 et 5 sont en un alliage dont le travail de sortie d'électrons est d'environ 4,5 eV (alliage fer-nickel-cobalt-molybdène ou encore nickel sur sous-couche de chrome) et dont le support est en alumine vitrifiée; l'atmosphère utilisée est de l'argon pur sous une pression absolue de 80 torrs; la distance D est de 400 micromètres, la distance d de 10 micromètres et le rayon r de 40 micromètres; l'angle a est compris entre 30 et 60 . Avec un tel circuit, la tension statique d'amorçage est de 230 volts et la tension d'arc s'établit à environ 20 volts. Si l'on applique une onde de tension dont la pente est de 5 kV//is, le temps d'amorçage est inférieur à 150 nanosecondes, c'est-à-dire que la tension dynamique d'amorçage est inférieure à 750 volts. Pour une onde de pente 1 kV/ls s, la tension amorçage dynamique s'abaisse au niveau de la tension d'amorçage statique. Les écoulements de charge que peut supporter le circuit sont fonction de la surface des électrodes principales 2 et 3. Si chaque électrode a une surface de 0,24 cm2, le circuit supporte sans destruction un courant de 10 kA sur une impulsion de 8 microsecondes de temps de montée et de 20 microsecondes de largeur à mi-hauteur. L'invention permet ainsi de réaliser, sur un substrat en céramique d'une surface de 1 cm2, un microparafoudre symétrique pouvant supporter, comme les microparafoudres actuellement utilisés, un niveau d'énergie d'environ 350 joules. L'utilisation, pour les électrodes, d'un métal à faible travail de sortie comme le magnesium permettrait, en présence d' argon, d'obtenir des tensions d'arc inférieures à 10 volts. REVENDICATIONS 1. Element de circuit de protection contre les surtensions comportant dans une atmosphère ionisable des électrodes de décharge, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois électrodes constituées par autant de plaquettes métalliques séparées appliquées sur une même face d'un support isolant, à savoir une première et une deuxième plaquette ayant des côtés en regard sensiblement parallèles et une troisième plaquette connectée électriquement à la première par une résistance électrique et pénétrant dans l'intervalle entre lesdites cotés en regard par une languette effilée dont la portion de contour située vis-a-vis dudit côté de la deuxième plaquette est un bord orienté relativement audit côté selon un angle aigu ouvert vers ledit intervalle et se raccordant, à son extrémité la plus proche dudit côté, à un sommet arrondi de telle sorte que lorsqu'une surtension négative de niveau suffisant est appliquée à la première plaquette relativement à la deuxième, une décharge électrique s'amorce par effet de couronne ou émission de champ ou les deux effets simultanément entre ledit sommet de la troisième plaquette et ledit cOté de la deuxième plaquette puis se propage entre ledit segment et ledit cOté par ionisation de l'atmosphère et enfin s'établit entre lesdits côtés de la première et de la deuxième plaquette. 2.Elément de circuit de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une quatrième électrode constituée par une quatrième plaquette connectée à la deuxième plaquette par une résistance électrique, ladite quatrième plaquette pénétrant dans ledit intervalle par l'extrémité opposée à celle par laquelle pénètre la languette de la troisième plaquette par une languette effilée dont la portion de contour située vi s-à- vis dudit côté de la première plaquette est un bord orienté relativement audit côté selon un angle aigu ouvert vers ledit intervalle et se raccordant, à son extrémité la plus proche dudit coté,à un sonar.et arrondi de telle sorte que ledit circuit est actif quelle que soit la polarité de la surtension appliquée. 3. Elément de circuit de protection selon la revendication I ou la revendication 2, caractérisé en ce que le support isolant est en résine époxyde armée, en céramique, en quartz ou en alumine vitrifiée. 4. Elément de circuit de protection selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les plaquettes sont réalisées en un matériau métallique dont le travail de sortie d'électrons est au plus égal à 5 électron-volts. 5. Elément de circuit de protection selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que 11 atmosphère est constituée par de l'argon. 6. Microparafoudre discret caractérisé en ce qu il comporte, dans un capot étanche contenant un gaz mono-atomique, un élément de circuit conforme à l'une quelconque des revendications l à 5. 7. Microparafoudre discret selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capot est constitué par un boitier métallique fermé par un couvercle métallique isolé du boitier et en ce que l'une des première et deuxième plaquettes est connectée électriquement au boitier tandis que l'autre est connectée au couvercle. 8. Circuit imprimé caractérisé en ce qu'il comporte un élément de circuit de protection conforme à 7 'une quelconque des revendications l 5. 9. Circuit intégré caractérisé en ce qu il comporte au moins un élément de circuit de protection conforme à l'une quelconque des revendications l à 5. 10. Tête de câble téléphonique caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément de circuit de protection conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5. 11. Elément de circuit de protection selon l'une quelconque des revendications 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les plaquettes sont en alliage fer-nickel- cobalt-molybdène ou encore nickel sur sous-couche de chrome et en ce que l'argon est sous une pression de l'ordre de 80 torrs. 12. Elément de circuit de protection selon la revendication 11, caractérisé en ce que la premiere et la deuxième plaquettes sont distants de 400 micromètres environ, que la troisième plaquette est distante en son point le plus proche de 10 micromètres environ de la deuxième plaquette, et de même que la quatrième et la première plaquettes sont distantes en leurs points les plus proches de 10 micromètres environ, que 11 angle aigu ouvert entre la deuxième et la troisième plaquette, de meme qu'entre la première et la quatrième, est compris entre 30 et 609, et que les sommets arrondis de la troisième et la quatrième plaquette ont un rayon de l'ordre de 40 mjcromètres, de telle sorte que si l'on applique une onde de tension de pente 5kV/ s, la tension dynamique d'amorçage sera inférieure à 750 volts et que si la pente est de 1 kV/jg s, la tension dynamique d'amorçage sera de l'ordre de la tension statifique d'amorçage, soit de l'ordre de 230 volts.