Brevet FR2472863A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne un parafoudre -- mul- tipolaire. On sait que les parafoudres à gaz, encore dénommés éclateurs ou limiteurs de tension, sont en général constitués de deux électrodes écartées l'une de l'autre d'une distance dé- terminée, reliées chacune à un contact électrique extérieur et disposées à l'intérieur d'une enveloppe étanche permettant de maintenir, à l'intérieur de ladite enveloppe, une pression ré- duite. Lorsqu'apparait entre lesdites électrodes une tension égale ou supérieure à une valeur dite tension d'amorçage, il s'établit un arc qui ionise le gaz sous pression réduite conte- nu dans le parafoudre et permet donc le passage du courant même si ensuite la tension décroît du fait que le passage du courant se trouve facilité à partir du moment o le gaz est ionisé. Par contre lorsqu'aucun arc n'a été établi, une tension inférieure à la tension d'amorçage est incapable de provoquer le passage du courant dans le parafoudre qui Joue alors le role d'un iso- lant. Ces parafoudres, qui sont utilisés pour la protection de différents circuits ou réseaux, notamment dans le domaine des télécommunications, peuvent également 9tre réalisés sous forme multipolaire. Dans ce cas, ils présentent, en face d'une première électrode reliée par exemple à la masse ou à la terre, une pluralité de secondes électrodes éloignées de la première et écartées entre elles d'une façon telle que les positions respectives de la première électrode et d'une seconde électrode soient identiques entre elles pour toutes les secondes électro- des-; chacune des'secondes électrodes étant reliée à un circuit différent à protéger, il suffit que la tension d'amorçage appa- raisse entre la première électrode et l'une des secondes élec- trodes pour que l'arc s'établisse et que l'ionisation se fasse. A partir de ce moment, des surtensions même inférieures à la ten- sion d'amorçage, qui apparaîtraient sur les autres circuits, peuvent s'écouler vers l'électrode unique mise à la terre et la totalité des réseaux se trouve simultanément protégée. La fabrication de ces parafoudres multipolaires pré- sente cependant de grandes difficultés. La tension d'amorçage dépend, en effet, étroitement des caractéristiques géométriques ainsi que de l'état de surface de l'ensemble formé par les élec- trodes et l'enveloppe. Du fait que des normes rigoureuses sont prescrites dans ce domaine la réalisation de parafoudres bipo- laires est déjà une opération délicate; a fortiori, il est très difficile de réaliser des parafoudres multipolaires avec une précision suffisante pour garantir l'obtention d'une même ten- sion d'amorçage entre la première électrode et l'une quelconque des secondes électrodes. Il en résulte qu'un grand nombre de parafoudres multipolaires sont mis au rebut malgré le grand soin apporté à leur fabrication car la tension d'amorçage pour au moins un des couples formés par la première électrode et une seconde électrode ne correspond pas à la valeur prescrite par - la norme. On a déjà proposé, pour améliorer l'homogénéité des tensions dtamorçage relatives aux différentes secondes électro- des d'un parafoudre multipolaire, de placer dans l'enveloppe du parafoudre un produit radioactif favorisant l'ionisation du gaz du parafoudre. Ce procédé ne donne que partiellement satisfac- tion et, en outre, certaines législations interdisent l'utilisa- tion de produits radioactifs. La présente invention a donc pour but de remédier à cet inconvénient sans utiliser de produit radioactif et de four- nir un parafoudre multipolaire beaucoup plus simple à réaliser et présentant une tension d'amorçage identique, correspondant à la norme, entre les différentes paires formées par l'électrode commune ou première électrode et chacune des secondes électrodes, La présente invention a,en conséquence, pour objet le produit industriel nouveau que constitue un parafoudre multi- polaire comportant une pluralité de contacts extérieurs, carac- térisé par le fait qu'il comprend un éclateur bipolaire,dont chacune des deux électrodes est reliée à chacun desdits contacts extérieurs, chaque liaison entre une électrode et un contact comportant au moins une diode, les diodes des liaisons associées à une électrode permettant le passage du courant dans le sens électrode-contact alors que celles des liaisons associées à l'autre électrode permettent le passage du courant dans le sens contact-électrod6. Ainsi, grAce à l'invention, si une surtension supé- rieure à la tension d'amorçage de l'éclateur bipolaire apparaft sur l'un des contacts extérieurs du parafoudre multipolaire, cette surtension ne peut s'écouler directement sur les autres contacts du parafoudre multipolaire en raison de la présence des diodes et elle ne peut aller vers lesdits autres contacts qu'en passant par l'éclateur bipolaire. La tension d'amorçage correspondant au passage de la surtension d'un contact sur l'ensemble des autres contacts est donc toujours la même et correspond à la tension d'amorçage de l'éclateur bipolaire du dispositif. On voit donc que le dispositif selon l'invention permet de mettre à la même tension l'ensemble des contacts du parafoudre multipolaire dès lors qu'il-se présente sur l'un de ces contacts une surtension permettant l'amorçage de l'écla- teur bipolaire. Dans un cas particulier intéressant d'utilisation, l'un des contacts extérieurs dit "premier contact" du para- foudre multipolaire est relié à la terre; les autres contacts extérieurs, dits "seconds contacts" du parafoudre multipolaire sont reliés chacun à un circuit à protéger; si une surtension se présente sur l'un quelconque des seconds contacts, et si cette surtension est supérieure à la tension d'amorçage de l'éclateur bipolaire, la surtension traverse ledit éclateur bi- polaire et s'écoule à la terre par le premier contact, tous les circuits étant ainsi amenés par l'amorçage de l'éclateur bipolaire au potentiel 0. Il convient de remarquer que la ten- sion d'amorçage du parafoudre multipolaire est toujours la même, quel que soit le second contact sur lequel apparaît la surten- sion. Il est clair que s'il est particulièrement intéressant de mettre à la terre l'ensemble des seconds contacts du para- foudre multipolaire selon l'invention, il peut, dans certains cas, être intéressant également, lorsqu'un des contacts exté- rieurs du parafoudre multipolaire ne peut être relié à la ter- re, de rendre équipotentiels tous les circuits reliés aux con- tacts du parafoudre, même si ce potentiel n'est pas le potentiel 0. Le dispositif selon l'invention fonctionne quelle que soit la polarité de la surtension qui apparaît sur l'un des contacts extérieurs, étant donné que, pour une première polarité, la surtension passe vers l'une des électrodes de l'éclateur bi- polaire alors que,pour l'autre polarité,la surtension passe sur l'autre électrode de l'éclateur bipolaire. Le circuit formé par les deux pluralités de diodes montées en parallèle peut être réalisé à l'aide de composants discrets. Il peut cependant être également réalisé sous forme intégrée,par exemple sous forme de deux plaquettes d'un semi- conducteur tel que du silicium, une première plaquette étant 3 reliée, d'une part, a l'une des électrodes de l'éclateur bi- polaire et, d'autre part, à chacun des contacts extérieurs du parafoudre multipolaire, alors que la deuxième plaquette est reliée, d'une part, à l'autre électrode de l'éclateur bi- polaire et, d'autre part, à chacun des contacts extérieurs du parafoudre multipolaire. L'éclateur bipolaire utilisé est, de préférence, un parafoudre à gaz bipolaire de type classique. Il peut avanta- geusement être constitué par un parafoudre comportant une enveloppe extérieure métallique constituant l'une des électro- des, la deuxième électrode étant coaxiale à ladite enveloppe. Grâce à l'invention, on a ainsi réalisé un parafoudre multipolaire présentant strictement, pour tous les Jeux de deux p8les, la m9me tension d'amorçage c'est-à-dire celle du para- foudre bipolaire utilisé, et ceci en évitant toutes les diffi- cultés inhérentes à la construction des parafoudres multipolai- res de type classique. L'invention sera maintenant décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, donnée à titre d'exemple non limitatif en se référant au dessin annexé. Sur ce dessin: - la figure 1 représente le schéma d'un parafoudre se- lon l'invention réalisé sous forme discrète; - la figure 2 représente le schéma d'un parafoudre selon l'invention réalisé à l'aide d'éléments intégrés. En se référant à la figure 1, on voit que le parafou- dre multipolaire selon l'invention oenporte un éclateur ou parafoudre bipolaire la présentant une enveloppe métallique cylindrique 1 qui constitue la ipière électode du parafoudre multipolaire et est susceptible dfêtre rlse à la bu re,'par exemple à l'aide du premier contact 2. Cet- te enveloppe cylindrique comporte, de façon connue, une base 3 sur laquelle se raccorde un prolongement cylindrique 4. Sur--al face intérieure de la base 3 peut être ménagé un petit loge- ment à l'intérieur duquel peut être comprimée une poudre à ba- se de baryum (non représentée). L'éclaeaur bipolaire la comporte une au- tre électrode constituée par une tige 5 sensiblement cylindri- que disposée selon l'axe de l'espace intérieur délimité par l'enveloppe 1. La tige 5 est réalisée en un alliage fer-nickel- cobalt et elle est soudée au moyen d'une perle de verre 6 dans la zone centrale d'une bague cylindrique 7 réalisée en un al- liage fer-nickel-cobalt soudable au verre. La bague 7 est sou- dée sur l'enveloppe 1 après que l'on ait effectué un vide suf- fisant à l'intérieur du parafoudre. A titre d'exemple, ce pa- rafoudre peut présenter une tension d'amorçage égale à 280 V. Le premier contact 2 est relié à la première électro- de 1, conformément à l'invention, par un conducteur 8 à partir duquel s'étendent un certain nombre de dérivations parallèles 9 reliées au p8le P de diodes correspondantes 10. Le poSle N de ces diodes 10 est relié chaque fois à un second contact 11.- D'autre partle contact 2 est lui-mame séparé de l'électrode 1 par une diode 12 disposée dans le mème sens que les diodes 10. De même,à partir de l'autre électrode 5 du parafoudre, un conducteur 13 est relié à une pluralité de dérivations 14 en nombre égal aux dérivations 9, s'étendant également en parallè- le et aboutissant aux pales N d'une pluralité de diodes 15 mon- tées en sens inverse par rapport aux diodes 10 et reliées éga- lement respectivement au contact 11. En outrel'éleetrode 5 est reliée au contact de terre 2 par une diode 16 montée dans le même sens que les diodes 15. Le fonctionnement est le suivant: tant que, dans les différents circuits auxquels sont reliés les contacts 11, les ten- sons restent nfrieures à h t"emsim d'amage de 1'cateur la, la para- foudre ne conduit pas et aucun des circuits n'est relié à la terre par l'intermédiaire du premier contact 2. Si, par contre, une surtension, par exemple positive, ayant une valeur supérieu- re à la valeur de la tension d'amorçage de 1'éclateur bipolaire la, apparaît sur l'un des contacts 11, la diode 15 qui est conduc- trice permet le passage de cette surtension sur le conducteur 13 par l'intermédiaire de la dérivation 14. Cette surtension ne peut cependant pas se propager par les autres diodes 15qui ne sont pas conductrices dans le sens retour. Elle ne peut pas non plus aboutir au contact---- 2 à cause de la diode 16. La surtension,qui s'établit ainsi entre l'électrode 5 et 1'élec- trode constituée par l'enveloppe l,provoque l'éclatement d'un arc dans. 'éclateur la, qui devient conducteur et joue son rôle de protectionla mise à la terre s'effectuant par le conducteur 8 et la diode 12 conductrice. A partir de ce moment, si par ha- sard des surtensions positives apparaissent sur les autres con- tacts 11, ces surtensions sont conduites par les diodes 15, les dérivations 14 correspondantes et le conducteur 13 vers 1'6- clateur bipolaire déjà conducteur et la totalité des circuits se trouve ainsi protégée. Si, au contraire, la surtension supérieure à la valeur de la tension d'amorçage, qui apparait brusquement sur l'un des contacts 11, est négative, elle pourra passer par la diode correspondante et par la dérivation 9 vers le conducteur 8 et de là, vers l'électrode 1 par la diode 12,le chemin vers le contact 2 étant bloqué, ce qui provoque l'éclatement de l'arc et la protection du circuit concerné et, simultanément, si né- cessaire, des autres circuits. En se référant maintenant à la figure 2, on voit que dans cette forme de réalisation, on a représenté de façon sché- matique, les électrodes 1 et 5 reliées aux conducteurs 8 et 13. Le conducteur 8 est relié à la face N d'une plaquette de sili- cium 18 traitée de façon à former une pluralité de diodes abou- tissant aux différents contacts 11 et au contact de terre. Le conducteur 13 aboutit à la face P d'une plaquette de silicium 17 également traitée de façon à présenter une pluralité de dio- des reliées aux différents contacts 11 et au contact de terre 2 d'une façon telle que chaque contact 11, ainsi que le contact 2, soit relié tant à une diode de la plaquette 18 qu'à une dio- de de la plaquette 17. Pour le reste, le fonctionnement est le 7 2472863 même que dans le cas de la figure 1. Les essais ont permis-de constater que le parafoudre multipolaire selon l'invention présente un temps de réponse inférieur à une micro-seconde pour un front d'onde de 1 Kv par micro-seconde, temps de réponse qui n'est guère plus élevé que celui des parafoudres connus. Par ailleurs, la tension inverse des diodes n'a pas besoin d'être importante, puisque dans tous les cas le disposi- tif doit fonctionner lorsque la tension d'amorçage, relative- ment basse, est franchie. Tout au plus le dispositif selon l'invention présente, par rapport aux parafoudres multipolaires déjà connus, une ca- pacité parasite supplémentaire de faible valeur due aux diodes. Cette capacité parasite qui est de l'ordre de quelques dizaines de picofarads est le plus souvent sans importance sauf dans le cas de transmission haute fréquence. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une mise en oeuvre particulière, elle peut bien entendu faire l'objet des différentes variantes accessibles à l'homme de l'art. Revendications 1 - Parafoudre multipolaire comportant une pluralité de contacts extérieurs, caractérisé par le fait qu'il com- prend un éclateur bipolaire (la) dont chacune des deux élec- trodes (1,5) est reliée à chacun desdits contacts extérieurs (2,11), chaque liaison entre une électrode et un contact comportant au moins une diode, les diodes (10,12) des liaisons (8,9) associées à une électrode (1) permettant le passage du courant dans le sens électrode-contact, alors que celles (15,16) des liaisons (13,14) associées à l'autre électrode (5) permet- tent le passage du courant dans le sens contact-électrode. 2 - Parafoudre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'un des contacts extérieurs, dit premier con- tact (2),-est destiné à être relié à la terre et les autres contacts extérieurs, dits seconds contacts (11) sont destinés à être reliés chacun à un circuit à protéger. 3 - Parafoudre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdites diodes (10, 12, 15, 16) sont constituées de composants discrets. 4 - Parafoudre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que chaque ensemble de diodes (10,12) et (15,16) associé à l'une des électrodes du parafoudre bipo- laire est réalisé de façon intégrée sur une même plaquette semiconductrice. 5 - Parafoudre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le parafoudre bipolaire comporte une enveloppe métallique (1) formant la première électrode et une électrode cylindrique centrale formant la seconde élec- trode (5), des moyens (6,7) maintenant de façon étanche ladite seconde électrode (5) à l'intérieur de l'enveloppe (1).