Brevet FR2393454A1 — publié le 19781229

La présente invention concerne les dispositifs limiteurs de surtensions, en particulier ceux destinés à protéger les équipements téléphoniques. Les lignes de transmissions téléphoniques, aussi bien souterraines qu aériennes, peuvent être le siège de surtensions parasites dues à la traversée de champs électriques perturbateurs. On distingue les champs perturbateurs d'origine atmosphérique de ceux dÇorigine industrielle. Il est quasiment impossible d'éviter l'éventualité de leur surgissement comme d'en prévoir le moment. L'intensité des champs perturbateurs est extremement variable. Elle dépend de leur source et peut, dans le cas de perturbations atmosphériques : foudre, nuages chargés, etc... atteindre des dizaines de kilovolts en une fraction de seconde. Les effets de telles surtensions transmises par les lignes téléphoniques jusqu'à l'entrée d'un central téléphonique seraient destructeurs pour les installations des centraux touchés. Pour protéger les équipements à l'entrée des centrauF des dispositifs de protection sont traditionnellement prévus. Tant que les équipements des centraux téléphoniques sont restés de type électromécanique, les dispositifs classiques de protection, tels les parafoudres et les fusibles, suffirent à ménager une protection correcte. Il n'en est plus de meme aujourd'hui ; en raison de leur inertie de fonctionnement les dispositifs classiques de protection s'avèrent insuffisants à protéger efficacement des équipements de plus en plus vulnérables aux surtensions, parce que devenus de plus en plus souvent de type électronique. Pour limiter les effets préjudiciables de surtensions parasites transmises par les lignes extérieures à l'entrée de centraux équipés électroniquement,on a d'abord préconisé des systèmes comportant une détection préalable des tensions anormales sur les lignes à l'entrée d'un central. Ainsi la demande de brevet français enregistrée sous le ne 73 46 497 déposée au nom de la demanderesse > décrit un système de protection pour centraux électroniques conçu pour détecter la présence de potentiels anormaux sur les lignes intéressées par une mise en communication téléphonique, au moment de l'établissement de la relation téléphonique.Le système est assorti de moyens pour interrompre la comnuinication lorsqu'une tension anormale est détectée, mettre hors service les équipements intéressés et éviter ainsi leur détérioration. Toutefois l'utilisation de tels système ne résout pas toutes les diffi cultés à surmonter. En particulier, lorsque la surtension parasite 9 un très faible temps de montée, ces systèmes n'ont pas une rapidité suffisante pour provoquer instantanément les ruptures des circuits à protéger après la phase de détection préalable qu'ils comportent. Les normes d'équipement et de fonctionnement des autocommutateurs électro- niques distinguent parmi les surtensions parasites celles qui sont dues aux décharges atmosphériques, celles qui sont pulsées à la fréquence industrielle et celles qui, tout en étant également à la fréquence industrielle, ont un caractère permanent. Pour parer efficacement à tous ces types de surtensions parasites,on on peut placer à ltentrée des centraux téléphoniques des dispositifs limiteurs de surtensions spécialement adaptés. Pour satisfaire aux conditions imposées pour réaliser une protection efficace des centraux téléphoniques la présente invention propose une solution nouvelle mettant en oeuvre un transformateur de protection à circuit magnétique dans lequel l'enroulement primaire est relié à une ligne téléphonique et l'enroulement secondaire à l'équipement à protéger. Une des caractéristiques de la solution proposée réside dans la structure du transformateur de protection préconisée ; celui-ci est construit de manière à ce que son enroulement secondaire soit placé dans un champ minimal afin de limiter la transmission au circuit de l'équipement protégez à une fraction minime de l'énergie disponible au primaire dudit transformateur. Dans une forme de réalisation particulièrement efficacesles les enroulements primaire et secondaire du transformateur de protection sont montés sur des axes perpendiculaires entre eux, ce qui a pour effet de fournir, à la saturation du circuit magnétique, un coefficient de couplage réciproque nul entre lesdits enroulements. I1 s'ensuit que le transformateur ainsi construit est remarquable en ce qu'il forme alors un barrage intégral à la propagation de l'énergie parasite. Dans une forme pratique de réalisation n' utilisant que des éléments courants sur le marché, le circuit magnétique du transformateur de protection est remar quable en ce qu'il est constitué par un tore, fait en un matériau magnétique tel que la ferrite ; le diamètre du tore est choisi de maniere à ce que les deux enroulements puissent être bobinés sur des portions dont l'emplacement est choisi de façon à rendre le couplage mutuel entre lesdits enroulements le plus faible possible. Dans chaque forme de réalisation la rigidité diélectrique de l'ensemble est calculée pour atteindre une valeur prédéterminée lesobjets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexes dans lesquels La figure 1 représente le transformateur selon l'invention, La figure 2 représente une forme de réalisation pratique de l'invention, La figure 3 représente un -graphique donnant les variations du flux et de la tension au primaire en fonction du temps t, La figure 4 illustre schématiquement le montage du transformateur de la figure 1 (ou de la figure 2) pour l'isolement galvanique d'un équipement électronique de central téléphonique vis- -vis d'une ligne téléphonique arrivant de l'extérieur. La figure I représente schématiquement la structure du transformateur de protection 3 selon l'invention. Un support rigide,fait d'un matériau magnétique, forme un circuit magnétique fermé C. Il comporte deux branches A et B qui supportent respectivement l'enroulement primaire 1 et l'enroulement secondaire 2. Ces deux branches sont perpendiculaires entre elles. La figure montre la configuration affectée par le circuit magnétique Cette configuration est celle d'une double équerre imbriquée dans laquelle une équerre supérieure à laquelle appartient la branche A surplombe une équerre inférieure à laquelle appartient la branche B ; les deux équerres, supérieure et inférieure, étant raccordées entre elles en un contour ferme.La configuration du circuit ferme C peut aussi étre définie par comparaison avec le contour de la lettre grand L en empreinte pour imprimerieXc'est-à-dire selon une forme évidée au centre pour reproduire cette lettre, à l'aide d'un encrage. Dans cette structure,l'axe de la branche B qui sert de mandrin au bobinage 2 est perpendiculaire à l'as de la branche A qui supporte le bobinage 1, et ce, au milieu D dudit enroulement 1. LVenrou- lement primaire 1 est reliée à la ligne a, b, l'enroulement secondaire 2 est relié à l'équipement E du central téléphonique. Au point de vue du fonctionnement, on remarque que, lorsque le circuit magnétique est saturé, le coefficient de couplage d'un enroulement sur l'autre est nul puisque les deux enroulements sont bobinés selon deux axes perpendiculaires entre eux, l'un des axes de bobinage coupant l'autre en son milieu. L'une des conditions imposées pour satisfaire les exigences de la prote tion à obtenir est d'avoir un circuit magnétique qui se sature pour une faible valeur de la tension primaire V . On admet que cette valeur de tension peut p être égale à deux fois la valeur maximale de l'amplitude des fréquences vocales présentes sur les lignes téléphoniques. Cette condition étant supposée remplie, on voit qu'un transformateur construit selon le schéma de la figure 1 fournit bien une limitation des surtensions parasites convoyées par la ligne téléphonique a, b,reliée au primaire 1. En effet, une tension parasite existant sur cette ligne apporte au transformateur une énergie susceptible d'être préjudiciable à l'équipement E (non figuré) relié à l'enroulement secondaire 2. liais le circuit magnétique C est saturé et le couplage des deux enroulements est théoriquement nul puisque ces enroulements sont bobinés perpendiculairement entre eux, l'axe de l'enroulement 2 étant orthogonal et médian vis-à-vis de l'axe de l'enroulement 1. I1 s' ensuit que l'énergie transmise par le circuit secondaire 2 à l'équipement E est minimale. L'équipement E du central téléphonique est protégé, automatiquement et instantanément, de tous effets de la surtension apparaissant dans le circuit de ligne du primaire 1. *is sur le marché, il n'existe pas de circuit magnétique ayant la forme illustrée par la figure 1, ni même une forme équivalente susceptible de recevoir des bobinages à angle droit. Aussi l'invention propose une solution pratique consistant à utiliser un tore en matériau magnétique du commerce pour réaliser un transformateur de protection selon l'invention. La figure 2 montre comment on peut adapter la construction illustrée par la figure I en employant un tore de matériau magnétique. Sur la figure 2 les memes références désignent les memes objets que sur la figure précédente. On a bobiné sur un même tore C1, de grand diamètre,un enroulement primaire I relié à la ligne et, perpendiculairement, un enroulement secondaire 2 relié à l'équipement E. L'orthogonalité entre les enroulements est celle des tangentes T1 et T2. Le fonctionnement est pratiquement le meme que dans le cas de la figure 1, bien que la propriété de symétricité de l'intersection des axes ne soit pas conservée. Il faut que le tore ait un diamètre assez grand afin d'éloigner suffisaient les bobinages l'un de l'autre pour rendre leur couplage tres faible. Pour satisfaire aux conditions d'une protection efficace des centraux téléphoniques on choisit le tore pour que la rigidité diélectrique des enrou liements qu'il supporte soit de quelques milliers de volts. Le circuit magnétique est choisi en fonction du flux de saturation recherché. Le flux maximal FM lié aux fréquences vocales doit être calcule à 300 Hz. Or ce flux est donné par F (t) n fv (t) dt ou v (t) = VN sin tn t d'où F (t) = - VM/# cos # t et FM = VM/# min. Si dans cette expression on fait le calcul pour une fréquence de 300 hertz on a FM = VM/600#. Il s'ensuit que l'on peut prendre un circuit magnétique qui se sature pour un flux de deux fois la valeur de FN c'est-à-dire de F saturation = VM/300#. (I) En ce qui concerne les énergies il faut faire intervenir le temps nécessaire pour atteindre la saturation. On doit alors distinguer les surtensions d'origine atmosphérique : foudre, etc... et celles d'origine industrielle dont la fréquence est à 50 périodes par seconde. Pour les surtensions d'origine atmosphérique, telles celles dues à la foudre, la saturation est provoquée par la self de fuite de l'enroulement primaire puisque dans un transformateur parfait les flux primaire et secondaire sont égaux et de signe opposé en sorte que leur composante résultante est nulle dans le circuit magnétique. On a F (t) = S v (t) dt avec v (t) = k t où k est la pente de la surtension assimilée à une droite. d'où F (t) - K/2 t la saturation est atteinte au temps t . donné par l'expression En appliquant la valeur 2Fsat. = 2 VM/300# et en faisant VM = 1 volt on a 2 Fsat. = 1/150# Il s'ensuit que, si la surtension croît de mille volts en 0,5.10-6 seconde, la valeur de k est : 1.000/0,05.10-6= 2.109 soit lus. La tension secondaire suivra la tension primaire pendant une durée d'une microseconde. Il suffit donc de prévoir au secondaire un écrêteur. tel une diode Zener, pour absorber pendant une microseconde la surtension. Il s'agit d'une énergie beaucoup plus faible à absorber qu0en l'absence du transformateur selon l'invention. Pour les surtensions d'origine industrielle à la fréquence de cinquante hertz on a F (t) = # v (t) dt avec v (t) = Um sin # t où # = 100 # d'où F (t) t -(Um/100#).cos 100 ot. le flux est donc déphasé de - 42 par rapport à la tension. La figure 3 illustre la situation. En abcisses sur ce graphique sont portés les temps t, en ordonnées les flux F (t) et la tension primaire V (t). Sur ce graphique la sinusoïde en traits pleins représente la tension primaire V (t) tandis que la sinusoïde en traits hachurés donne le flux en fonction du temps F (t). On voit qu'entre les deux valeurs opposées du flux de saturation Fsat. et -Fsat. pendant un intervalle de temps Tif il n'y a pas de saturation. Pendant cet intervalle T. la tension secondaire est égale à la tension primaire au signe près. Si donc on suppose la résistance du secondaire égale à r, la tension primaire étant donnée par : v (t) = Um sin # t,la valeur de la tension crête transmise au secondaire est Um. L'énergie transmise est : W = Um Ti/r. (3) On peut calculer la tension v du primaire pour laquelle on atteint le p flux de saturation F (t). On a en effet F = L i où i = Vp/L # d'où F = Vp/# on aura F = Fsat. quand Vp = Fsat. # Mais Fsat. = 1/300# et #=100# donc Vp eff. = 1/3 volt et v (t) = o,47 sin 100 it t On peut aussi calculer la valeur de l'intervalle de temps T. pendant lequel la tension primaire est transmise. Comme il a été trouvé précédemment le flux est donné par : F (t) = -(Um/100#) cos 100 # t il décroît entre 0 et #/2 jusqu'à atteindre la valeur -Fsat.Le temps t0 nécessaire pour atteindre la valeur -Fsat. est donné par : t0 = 1/100# Arc cos (100# Fsat./Um) Si on porte Fsat. = 1/300# on obtient t0 = (1/100#) Arc cos (1/3 Um). L'intervalle T. est égal à deux fois l'intervalle T de cinq millisecondes moins le temps t soit Ti = 2 [(5.10 - 1/100#) Arc cos (1/3 Um)] (4) Si,par exemple,la tension est de dix volts efficaces la valeur de Um est de 10#2 volts et T. est alors de 150 microsecondes. Si la tension est de 430 volts efficaces, on a Um = 430#2 voltset Ti est de 3,5 microsecondes. On peut aussi donner les valeurs de l'énergie = Um Ti/r. (3) Avec une valeur de la résistance r d'une centaine d'ohms au circuit secondaire on aboutit au tableau suivant : Veff 10 50 110 220 430 (volt) Ti 150 30 13,6 6,8 3,5(microseconde W.r = Um Ti 0,03 0,15 0,33 0,66 1,29 W 3.10-4 15.10-4 33.10-3 66.10-3 1,3.10-2 (joule) Pour les surtensions dues à la foudre comme pour celles de fréquence industrielle, le dispositif selon l'invention permet une limitation spectaculaire des effets de surtension en réalisant un isolement galvanique de l'équipement a protéger vis-à-vis de la ligne téléphonique. La forme du circuit magnétique doit être prévue telle que le couplage entre le primaire et le secondaire du transformateur soit nulle ou très faible lorsque le circuit magnétique est sature. L'énergie transmise au secondaire reste faible au regard de celle qui se présente au primaire,ce qui permet de-ne retrouver sur le circuit secondaire que des surtensions de faible intensité et de faible durée On absorbe ces surtensions faciles à résorber à l'aide de diodes Zener comme le montre la figure 4. Sur la figure 4 le transformateur 3, réalisé par exemple comme dans la figure 1, est monté entre, d'une part, une ligne téléphonique a, b venant de l'extérieur et, d'autre part, un équipement d'entrée E d'un central téléphonique électronique. Entre les connexions reliant l'équipement E sont montées deux diodes Zener Z1 et Z2 en opposition de façon à shunter ledit équipement E pour écreter toute surtension instantanée délivrée en sortie du transformateur 3. Le dispositif transformateur forma un isolement galvanique parfait en coopération avec les diodes Zener et permet une limitation adéquate de tout effet de surtensions parasites. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif limiteur de surtensions pour protéger un équipement d'entrée de central téléphonique comprenant un transformateur à circuit magnétique dont l'enroulement primaire est relié à une ligne téléphonique et l'enroulement secondaire à l'équipement à protéger, caractérisé en ce que ledit enroulement secondaire est situé par rapport audit enroulement primaire de façon à ce que leur couplage soit minimal quand le circuit magnetique est saturée ce qui a pour effet de réduire l'énergie transmise au circuit de l'équipement à protéger à une fraction minimale de l'énergie incidente totale sur ledit dispositif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la saturation du circuit magnétique du transformateur le coefficient de couplage entre les enroulements primaire et secondaire est nul, les deux dits enroulements étant montés sur deux axes perpendiculaires entre eux, llaxe de l'enroulement secondaire coupant l'axe de l'enroulement primaire en son milieu. 3. Dispositif limiteur de surtensions selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique du transformateur de protection est constitué par un tore en matériau magnétique sur lequel sont bobinés l'un et l'autre enroulements primaire et secondaire. 4. Dispositif limiteur de surtensions selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie du transformateur comporte des moyens aptes à écrêter les surtensions résiduelles de faible énergie. 5. Dispositif limiteur de surtensions selon la revendication I et la revendication 4, caractérisé en ce que le transformateur à circuit magnétique coopère avec deux diodes Zener disposées en opposition entre ses bornes de sortie de façon à écrêter les surtensions résiduelles de faible énergie.