Brevet FR2497024A1 — publié le 19820625

La présente invention concerne les dispositifs du type convertisseur permettant de transformer une énergie électrique à basse tension en énergie à très haute tension. Dans certains dispositifs connus de ce genre et illustrés par la figure 1 ci-annexée, la transformation de l'énergie à basse tension disponible aux bornes de la sourçe 1 en énergie à très haute tension est réalise par une décharge capacitive. Ainsi, au repos, l'inverseur 3 repose sur le plot 2, permettant au condensateur 5 de se charger au potentiel de la sourçe 1. Lorsque cet inverseur est manoeuvré sur sa position opposée, le condensateur 5 sedéchafge brusquement sur le plot 4 à travers le primaire 7 du transformateur élévateur 6. Aux bornes du secondaire 8 qui comporte environ mille fois plus de spires que le primaire 7, est alors induite une impulsion dont la tension de crête est à peu près mille fois plus élevée que la tension de la sourçe utilisée. Cette impulsion å très haute tension est utilisée, par exemple, pour générer un arc entre les électrodes de l'éclateur 9. De tels dispositifs alimentés par des piles miniatures de 15 volts sont toujours très utilisés comme moyen d'allumage du gaz des briquets dits "électriques". L'inconvénient majeur de tels dispositifs est d'offrir un rendement électrique déplorable, de l'ordre de 1 à 5%. Dans d'autres dispositifs connus de ce genre et illustrés par la figure 2 ci-annexée, on a améliorée rendement-en réduisant le rapport de transformation du transformateur élévateur de tension, cause essentielle de mauvais rendement. Pour ce faire, les progrès de l'électronique ont permis de réaliser des dispositifs tels que celui que l'on décrit plus loin. Dans ce cas, la sourçe à basse tension peut titre un monoélement quel conque 30 qui alimente à travers l'interrupteur 11 un convertisseur de tension.Ce convertisseur de tension est constitué par un transistor de commutation 13 qui est commandé par le multivibrateur 12; en sortie, ce transistor est chargé par le primaire 14 du transformateur élévateur 15, un courant pulsé est ainsi entretenu dans ledit primaire, ce qui a pour conséquence d' induire dans le secondaire 16 un autre courant pulsé lequel développe entre les bornes dudit secondaire une tension élevée. Cette tension éIvée,cde l'ordre de 100 volts, vermet de charger le condensateur 18 et d'y stocker l'énergie grâçe à la diode 17. La diode Zener 19 déclenche la conduction du thyristor SC, ce qui assure.la décharge du condensateur 18 a' tension constante sur le primaire 21 du transformateur 22. Cette impulsion induit aux bornes du secondaire 23 une impulsion d'amplitude cent fois plus élevée, soit 10.000 volts. Comme précédemment, cette irpulsion peut servir à établir un arc entre les électrodes ae l'éclateur 24. De tels dispositifs alimentés par des piles à l'oxyde d'argent sont utilisés comme moyen d'allumage pour les briquets dits "électroniques". L'inconvénient majeur de tels dispositifs demeure le rendement énergétique, car ces dispositifs, bien que mettant en oeuvre une décharge capacitive à tension élevée, n'autorisent, au mieux, qu'un rendement de 1' ordre de 20%. Le dispositif selon l'invention permet d'éviter cet in convenaient majeur. En effet, il ne necessite plus de décharge capacitive sur le primaire d'un transformateur élévateur de tension pour fournir la très haute tension recherchée, il délivre directement l'impulsion à très haute tension, sans perte notable d'énergie.Pour obtenir ce résultat, les moyens mis en oeuvre comprennent un convertisseur alimente par une sourçe à bassew.tension; ce convertisseur comporte un transformateur élévateur de sortie lequel çurnit=aux bornes de son secondaire tewunetension discontinue d'environ 1500 volts; cette tension est appliquée à un multiplicateur de tension à diodes lequel permet le stockage de l'énergie à très haute tension dans la chante des condensateurs de faible capacité qui le composent; un élément à seuil, à très haute tension, chaîne de thyristors montés en série, thyratron, éclateur, permet d'écouler l'énergie ainsi stockée sur la charge choisie; pour limiter l'amplitude du courant de décharge et augmenter la durée de cette décharge, une inductance est plaçée en série dans ce circuit. Ce dispositif autorise un rendement supérieur à 80X, car la décharge de capacité se fait directement sur la charge sans avoir recours, comme dans les dispositifs classiques, à l'interfaçe que constitue l'énergie magnétique. Dans ces conditions, avec le dispositif suivant l'invention, il devient possible de construire un générateur d'impulsions à très haute tension sans utiliser un transformateur élévateur gui dégrade le rendement et qui, de plus, est difficile à réaliser, car il doit supporter, sans risaues d'amorçages, des tensions très élevées, alors que le transformateur du dispositif suivant l'invention supporte des tensions dix fois inférieuree Selon une variante du dispositif objet de l'invention, représentée sur la figure 3, la sourçe 25 alimente à travers l'interrupteur 26 le convertisseur de tension constitué par le transformateur 30 associé au transistor 28 et au circuit 27. Dans ce type de convertisseur, un courant pulsé est entretenu par le transistor de commutation 28 à travers l'enroulement primaire 29.Le pilotage du transistor de commutation est assuré par le circuit de commande 27 qui régit son cycle conduction/blocage. Le transformateur 30 possède un fort rapport de transformation entre son primaire et son secondaire ce qui permet d'obtenir aux bornes du secondaire 31 des pointes de tension. aussi élevées que la tension inverse des meilleures diodes standard. Ainsi, la channe des diodes 33, 35, 37, 39, 41 et 43 peut-elle charger la chaîne des condensateurs 32, 34, 36, 38, 40 et 42 lesquels supportent, chacun, la tension moyenne fournie par ledit secondaire. Si cette tension est de tordre de 1500 volts elle se trouve donc multipliée par le nombre de diodes montées en série ; ainsi, leur nombre étant, ici, de 6, la tension moyenne disponible entre la cathode de la diode 45 et l'anode de la diode 33 atteint-elle, à peu près, 9000 volts. L'énergie à très haute tension disponible a pour valeur E = 1/2 C.V2 où C correspond à la somme algébrique des capacités 32, 34, 36, 38, 40 et 42 et où V est égal à 9000 volts. Le thyratron 44 ou le moyen équivalent permet de commuter tension constante 1'énergie à très haute tension ainsi stockée; la tension d'amorçage dudit thyratron devra nécessairement être inférieure à la tension maximale disponible aux bornes du susdit circuit multiplicateur de tension. Quand le thyratron 44 s'est amorçé, sa résistance interne devient négligeable et le courant de décharge pourrait alors prendre une valeur très élevée préjudiciable à la durée de vie de certains composants, aussi, l'inductance 45 est-elle montée en série dans ce circuit pour y limiter l'intensité maximale de décharge et permettre d'ajuster la durée de l'impulsion. Dans certaines applications du dispositif objet de l'invention, où l'on cherche à produire un arc électrique pour allumer, par exemple un gaz, le rôle du thyratron peut avantageusement être tenu par l'éclateur d'allumage lui-meme, ce qui simplifie grandement la fabrication dudit dispositif. Dans ces conditions, ce sera l'éclateur lui-meme oui tiendra lieu d'élément de commutation à seuil.Ainsi, dans les applications du dispositif qui concernent la production d'un arc électrique de faible énergie, peut-on simplifier la construction en supprimant l'élément de commutation à seuil 44 et l'inductance 45, la décharge de 1' energie à très haute tension étant directement provoquée par 1' ionisation de l'espace inter-électrode de l'éclateur associé. Une réalisation suivant une telle variante du dispositif obiet de l'invention est illustrée par la figure 4. Cette variante ne diffère de la variante illustrée par la figure 3 que par 1' éclateur 50 lequel est directement connecté aux bornes du multiplicateur de tension et par la commande simplifiée du transistor de découpage 28. En effet, dans les applications ne requérant qu'une faible énergie par impulsion, l'inductance 45 n'est plus nécessaire car les différents composants peuvent supporter sans dommage la commutation et comme la puissance du convertisseur est suffisamment faible pour ne pas pouvoir entretenir l'arc établi aux bornes de l'éclateur 50, un tel organe de récupération n'est plus indispensable. Pour ce qui conçerne la commande du transistor 28, elle est réalisé par le transistor 48 monté en émetteur commun comme le transistor 28.Ces deux transitors réalisent un amplificateur comportant deux étages montés en série, or comme le.signal d'entrée est en opposition de phase dans un amplificateur à émetteur commun, l'entrée du transistor 48 est en phase avec la sortie du transistor 28; il suffit donc de rélier la base du transistor 48 au collecteur du transistor 28 au moyen de la résistance de forte valeur 49 pour constituer un oscillateur qui entretient des impulsions à cycle constant dans le primaire 29 du transformateur 30; la résistance 47 a pour rôle de polariser convenablement le transistor 48 de telle façon qu'il puisse, cycliquement, saturer le transistor de commutation 28. Un tel convertisseur peut, bien évidemment, etre remplaçé par un oscillateur bloqué à enroulement de base ou par tout autre dispositif convertisseur connu en soi. Une autre variante du dispositif objet de l'invention est illustrée par la figure 5. Selon cette variante, le dispositif reste conforme à la variante illustrée par la figure 4, à quelques différences près. En effet, suivant celle-ci, l'élément de commutation n'est plus l'éclateur 50 ou l'élément à seuil 45 de la figure 3, mais un ou plusieurs semi-conducteurs à seuil abrupt montés en série lesquels déterminent le seuil de tension auquel va se décharger la channe de capacités constituant le susdit multiplicateur de tension. L'inductance 45 limite le courant de décharge1 évite de mettre, à ehaque décharge, en court-circuit la sortie du convertisseur et permet le reblocage des éléments de commutation à seuil.La résistance 54, capable de supporter de très hautes tensions, assure l'écoulement de l'énergie à haut potentiel, même si aucune charge ne se trouve connectée à la borne de sortie 56, car en l'absence de charge, la tension aux bornes du susdit multiplicateur de tension pourrait atteindre une valeur préjudiciable pour les composants. La lampe néon temoin 55 indique la présence d'une impulsion à très haute tension sur la borne 56. Cette variante du dispositif objet de 1' invention concern partculièrement les générateurs d'impulsions à très haute tension destines à électrifier une ligne de clôture, laquelle serait connectée à la borne de sortie 56. Le dispositif, objet de l'invention, peut être utilisé dans tous les cas où l'on désire produire des impulsions à très haute tension à partir d'une sourçe limitée en énergie. I1 permet de réaliser la transformation de l'énergie avec un rendement très superieur à ce qui est présentement connu. Il pourra être utilisé dans des applications domestiques ou industrielles. Des applications particulièrement intéressantes peuvent être l'allumage des moteurs à explosion, l'allumage d'un briquet, l'électrification des clôtures, l'alimentation directe d'une lampe à éclats, etc... Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement aux modes de réalisationayant été plus spécialement indiqués; elle embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif générateur d'impulsions à très haute tension, alimente par une sourçe pri-aire, caracterise par le fait qu'il comporte un oscillateur à transfor- rateur élévateur de tension 30 dont le secondaire d chaque un circuit mu tiplicateur de l'ension à diodes et capacités compre nant un nombre quelconque d'étages énergie électrlque accumulée dans ledit circuit multiplicateur de tanson étant cycliquement commutee sur la charge considérée 46 au moyen d'un commetateur 44 à seuil de déclenchement constant inférieur a la tension maximale que peut délivrer Ledit circuit multiplicateur de ten- sion. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérise par le fait que le susdit secondaire 31 fournit une tension inférieure à la tension inverse maximale que supportent les diodes standard. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caracterisé par le fait que le susdit commutateur 44 est un tu-be à décharge ou un semi-conducteur présentant un effet d'avalanche a tension élevée. 4 Dispositif selon les revendications 1 a caractérise par le fait qu'une inductance 45-est inséree dans e circuit de décharge du susdit commutateur 44* 5. Dispositif selon les revendications L et 2, caractérisé par le fait que le commutateur 14 à boute tension est remplaçé par l'espage inter-electrodesd'um éclatgur Se qui tient lieu, a la fois, de commutateur et de t conducteur d'energie electrique en énergie calorifique. 6. Dispositif selon la revendication 5. caractérisé par le fait que l'éclateur 50 est remplaçe par un tube à éclat qui tient lieu, à la fois, de commutateur et de transducteur d'énergie électrique en énergie umineuse. 7. Dispositif selon > . 1'ensemble des revendications, 1 caracterisé par le fait que le susdit oscillateur comporte un transistor de découpage 28 dont l'électrode de sortie commande le primaire 29 du transfornateur 30 et dont l'electrods de com- mande est commandée par l'électrode de sortie du transistor 8 dont l'électrode de commande, polarisée par la résistanc 47,est connectée par le moyen d'une résistance de réaction 49 à l'électrode de sorte du transistor 28. sortie du premier transistor. 8. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4 et 7, caractérisé par le fait que le susdit commutateur à seuil 44 est constitué par un ou plusieurs thyristors montés en série qui s'auto-déclenchent à tension constante sur la résistance de pré- charge 54 associée au voyant 55, l'énergie étant évacuée par la borne å très haute tension 56. 9. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 7 et 8, caractérisé par le fait la susdite charge 46 est constituée par une cellule pièzo-électrique, laquelle réalise la transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique.