Brevet FR2520951A1 — publié le 19830805

La présente invention a pour objet un généra- teur d'impulsions électromagnétiques de haute tension. Ce générateur d'impulsions peut être notam- ment utilisé pour tester la tenue de certains disposi- tifs tels que des composants électroniques, sous des im- pulsions de haute tension, comme par exemple sous des impulsions de 30 à 300 k V, avec -des fronts de montée d'une durée inférieure à 5 ns. Les générateurs d'impulsions électromagnéti- ques actuellement connus, ne permettent pas une telle application étant donné l'existence d'une self globale trop élevée, cette self globale étant constituée par les selfs propres des différents constituants du générateur ainsi que des selfs de liaison, résultant de la con- nexion de ces différents constituants entre eux i La présente invention a justement pour objet un générateur d'impulsions électromagnétiques de haute tension, permettant de supprimer l'effet de cette self. Ce générateur peut donc être utilisé, notamment dans l'application décrite ci-dessus. De façon plus précise, l'invention a pour objet un générateur d'impulsions électromagnétiques de haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend: un condensateur présentant un axe de révolution, dis- posé autour d'un conducteur interne présentant un axe de révolution confondu avec celui du condensateur, ce condensateur pouvant être chargé au moyen d'une source d'alimentation électrique de haute tension continue, un éclateur de forme conique, dont l'axe de révolution peut être confondu avec celui du condensateur, compor- tant au moins deux électrodes, une électrode externe et une électrode interne, et permettant de décharger de façon impulsi onnelle le condensateur, une résistance de charge, présentant un axe de révolu- tion, reliée en série avec l'éclateur de façon que l'électrode externe de l'éclateur soit reliée directe- ment à la borne haute tension de la source d'alimenta- tion électrique et que l'électrode interne dudit écla- teur soit reliée à la masse de ladite source d'alimen- tation, par l'intermédiaire du conducteur interne et de la résistance de charge, et des moyens de commande de l'éclateur. Le condensateur, l'éclateur et la résistance de charge de ce générateur forment avec le conducteur interne une ligne coaxiale ayant une impédance constante tout le long de la ligne coaxiale L'impédance de cette ligne est par exemple voisine de 50 ohms Ceci permet de s'affranchir des problèmes liés aux selfs Ce générateur peut donc engendrer des impulsions réglables présentant une tension comprise entre 30 et 300 k V avec un front de montée d'une durée inférieure à 5 ns. Selon un mode préféré de réalisation du géné- rateur de l'invention, l'extrémité de l'électrode inter- ne, en regard de l'électrode externe, présente une forme convexe. Selon un autre mode préféré de réalisation du générateur de l'invention, la partie de l'électrode ex- terne située en regard de l'extrémité de l'électrode in- terne présente une forme plane. Selon un autre mode préféré de réalisation du générateur de l'invention, le condensateur est disposé autour d'un support cylindrique isolant dans lequel est logé le conducteur interne, l'ensemble constituant une ligne coaxiale. Selon un autre mode préféré de réalisation du générateur de l'invention, la résistance de charge est constituée d'une nappe d'un électrolyte aqueux dont l'épaisseur varie de façon inversement proportionnelle au rayon de ladite nappe. Selon un autre mode préféré de réalisation du générateur de l'invention, ce dernier comprend une gâ- chette placée dans un alésage pratiqué dans la partie plane de l'électrode externe Dans ce mode de réalisa- tion, les moyens de commande de l'éclateur comprennent par exemple un autre condensateur pouvant être chargé au moyen d'une autre source d'alimentation électrique con- tinue, un autre éclateur permettant de décharger de fa- çon impulsionnelle ledit autre condensateur et un trans- formateur d'isolement dont le primaire est connecté en- tre ledit autre condensateur et la masse de ladite autre source d'alimentation et dont le secondaire est relié entre l'électrode externe et la gâchette. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la des- cription qui suit, donnée à titre explicatif mais nulle- ment limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles: la figure 1 représente, schématiquement,- une vue en coupe d'un générateur d'impulsions, conformément à l'invention, la figure 2 est un schéma synoptique du cir- cuit de décharge du générateur d'impulsions de la figu- re 1, et la figure 3 représente, schématiquement, une vue en coupe de l'éclateur du générateur d'impulsions de la figure 1. En se référant aux différentes figures, le gé- nérateur d' impulsions électromagnétiques, conformément à l'invention, comprend, un condensateur 2 présentant un axe de révolution 4 et disposé autour d'un conducteur interne 5 présentant un axe de révolution confondu avec celui du condensateur Le générateur comprend encore un éclateur 6 de forme conique, dont l'axe de révolution est notamment confondu avec celui du condensateur, et une résistance de charge 8, présentant un axe de révolu- tion qui peut être confondu ou non, avec l'axe de révo- lution 4 du condensateur Pour des raisons pratiques ces différents éléments constitutifs du générateur d'impul- sions doivent être prévus démontables. Ce générateur comprend, de plus, une source d'alimentation électrique de haute tension continue, branchée aux bornes du condensateur 2 et permettant de charger ce dernier La décharge de façon impulsionnelle du condensateur 2 est effectuée au moyen de l'éclateur 6 dont la commande est effectuée notamment au moyen d'un système 10. Selon l'invention, le condensateur 2, l'écla- teur 6 et la résistance de charge 8 définissent avec le conducteur interne 5 une ligne coaxiale présentant une impédance constante tout le long de la ligne L'impédan- ce de cette ligne est par exemple voisine de 50 ohms. La résistance de charge 8 est connectée à l'ensemble, formé de l'éclateur 6 et du condensateur 8, soit directement au moyen de vis, soit par l'intermé- diaire d'un câble 7, comme représenté sur la figure 1, ce câble présentant la même impédance que celle de la ligne coaxiale définie ci-dessus. Du point de vue branchement électrique, la ré-' sistance de charge 8, comme représenté sur la figure 2, est branchée en série avec l'éclateur 6, et l'ensemble, constitué de la résistance et de l'éclateur, est branché aux bornes du condensateur 2, donc aux bornes de la source d'alimentation électrique de haute tension conti- nue. Selon l'invention, l'éclateur 6 est constitué d'au moins deux électrodes, une électrode interne 12 et une électrode externe 14, jouant un rôle d'enveloppe étanche, réalisée en métal Etant donné que les tensions qui peuvent être tenues par l'éclateur sont très éle- vées, la longueur de l'électrode externe 14 devra être très élevée. De préférence, l'extrémité 12 a de l'électrode interne 12, en regard de l'électrode externe 14, présen- te une forme convexe telle qu'hémisphérique tandis que la partie 16 de l'électrode externe, faisant face à la- dite extrémité 12 a, présente une forme plane Ceci est illustré sur la figure 3. L'électrode interne 12, logée dans une pièce isolante 17, est reliée à la masse de la source d'ali- mentation électrique haute tensicn(HT) par l'intermédiaire de la résistance de charge 8 et l'électrode externe 14 est reliée directement à la borne haute tension (HT) de cette même source d'alimentation électrique (figure 1). L'éclateur 6 est un éclateur, du type à gaz sous pression L'alimentation en gaz de l'éclateur est effectuée par l'intermédiaire d'un système réglable ap- proprié 18 Selon la tenue en tension désirée, les gaz utilisés seront soit de l'hexafluorure de soufre, soit de l'azote Ce dernier pouvant être comprimé à des pres- sions allant jusqu'à 25 bars, l'électrode externe 14 jouant le r 8 le d'enveloppe, doit pouvoir résister à de telles pressions Dans ce type d'éclateur, l'amorçage se produit par dépressurisation de l'éclateur. Des études ont montré que le claquage de l'éclateur 6 ne s'effectuait pas toujours axialement, c'est-à-dire entre l'extrémité 12 a de l'électrode 12 et la partie plane 16 de l'électrode 14 En effet, le cla- quage apparait parfois latéralement. Pour éviter ce risque, on peut utiliser un éclateur 6 du type triode, comportant, en plus des élec- trodes 12 et 14, une gâchette 20, comme cela est repré- senté sur la figure 3 Cette gâchette 20 est placée dans un alésage 22 pratiqué dans la partie plane 16 de l'électrode externe 14 et disposé_de façon que l'extré- mité 20 a de la gâchette affleure avec la partie interne l 6 a de la partie 16 de l'électrode externe Afin d'évi- ter toute fuite de gaz de l'intérieur vers l'extérieur de l'éclateur, un matériau isolant de remplissage 23 de l'alésage 22 est prévu. Comme on l'a dit précédemment, la commande de l'éclateur et en particulier de l'éclateur du type trio- de, est effectuée au moyen d'un système 10 Ce système , du type électromagnétique, comprend un interrupteur tel que par exemple un éclateur 24 branché aux bornes d'une deuxième source d'alimentation électrique conti- nue, un condensateur 26 pouvant être chargé au moyen de cette deuxième source d'alimentation, et un transforma- teur d'isolement 28 qui peut être aussi élévateur de tension, dont le primaire 30 est connecté entre le con- densateur 26 et la masse de la deuxième source d'alimen- tation, et dont le secondaire 32 est relié entre l'élec- trode externe 14 et la gâchette 20. Lorsque l'on commande la fermeture de l'inter- rupteur 24, le condensateur 26 se décharge à travers le primaire 30 du transformateur 28 La tension produite, alors, dans le secondaire 32 du transformateur provoque une étincelle entre la gâchette 20 et l'électrode exter- ne 14, entraînant une étincelle entre l'extrémité 12 a de l'électrode interne 12 et la partie plane 16 de l'élec- trode externe 14 Le claquage de l'éclateur 6 engendre alors la décharge impulsionnelle du condensateur 2 don- nant naissance à des impulsions de sortie de haute ten- sion. L'utilisation d'un tel système de commande permet d'engendrer des signaux reproductibles, aussi bien du point de vue de la forme et de l'amplitude que de la vitesse de montée de ces signaux. Selon l'invention, le condensateur 2 du géné- rateur peut être formé, soit d'un unique condensateur, soit de plusieurs condensateurs 34, montés en série et/ou en parallèle Ce ou ces condensateurs présentent la forme de cylindres creux, disposés autour d'un sup- port cylindrique isolant 36 réalisé par exemple en PVC, dans lequel est logé le conducteur interne 5 L'ensemble formé du condensateur, du support cylindrique et du con- ducteur interne, constitue une ligne coaxiale dont l'im- pédance est par exemple égale à 50 ohms. Lorsque l'on utilise plusieurs condensateurs montés en série, il convient de prévoir des résistances de charge 38, branchées chacune en parallèle avec le condensateur correspondant 34, comme cela est schématisé sur la partie supérieure de la figure 1 Ces résistances servent à imposer des tensions adéquates aux points in- termédiaires 39. Comme on l'a dit précédemment, les différents éléments constituant le générateur d'impulsions doivent être démontables, et en particulier en ce qui concerne l'ensemble formé du condensateur et de l'éclateur Les vis telles que 40 permettent la fixation de l'éclateur sur le condensateur. Par ailleurs, des joints d'étanchéité tels que 41 doivent être prévus, afin d'éviter un claquage éven- tuel entre la masse et la haute tension, c'est-à-dire entre le condensateur et le conducteur interne. Selon l'invention, la résistance de charge 8 est constituée d'une nappe d'électrolyte aqueux 42, de révolution, intercalée entre deux pièces isolantes 44 et 46 L'électrolyte choisi est par exemple une solu- tion de chlorure de sodium. De façon que la puissance dissipée dans l'électrolyte soit constante, l'épaisseur de la nappe varie de façon inversement proportionnelle au rayon de la nappe La génératrice de cette nappe de révolution est détermineede façon que l'adaptation d'impédance soit conservée d'un bout à l'autre de la résistance de char- ge L'impédance de cette nappe d'électrolyte est par exemple égale à 50 ohms. Dans l'application du générateur d'impulsions pour tester des composants électroniques, ces derniers doivent être montés en parallèle avec la résistance de charge 8, c'est-à-dire aux bornes de sortie du généra- teur notées U, au moyen d'un connecteur spécifique dont la structure est fonction des composants à tester. On va maintenant donner un exemple de réalisa- tion du générateur d'impulsions tel que décrit précédem- ment. Le condensateur 2 peut être formé de trois condensateurs élémentaires montés en série ayant une ca- pacité de 180 n F et présentant un diamètre interne de mm, un diamètre externe de 255 mm et une longueur de 306 mm, ces condensateurs ayant une tenue en tension au moins égale à 50 k V La résistance 38 branchée aux bor- nes de chacun de ces condensateurs élémentaires est pri- se égale à 250 MS; - En ce qui concerne l'éclateur, celui-ci pré- sente une longueur de 400 mm. En ce qui concerne le système de commande 10 de l'éclateur 6, du type triode, la tension délivrée par la deuxième source d'alimentation électrique est prise égale à 7 k V, la capacité du condensateur 24 est prise égale à 100 n F et les nombres de spires du primaire et du secondaire du transformateur élévateur de tension sont pris respectivement égaux à 15 et 40. 30. REVENDICATIONS 1 Générateur d'impulsions électromagnétiques de haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend: un condensateur ( 2) présentant un axe de révolution ( 4), disposé autour d'un conducteur interne ( 5) pré- sentant un axe de révolution confondu avec celui du condensateur, ce condensateur pouvant être chargé au moyen d'une source d'alimentation électrique de haute tension continue, un éclateur ( 6) de forme conique, dont l'axe de révo- lution peut être confondu avec celui du condensateur, comportant au moins deux électrodes, une électrode ex- terne ( 14) et une électrode interne ( 12), et permet- tant de décharger de façon impulsionnelle le condensa- teur, une résistance de charge ( 8), présentant un axe de révolution, reliée en série avec l'éclateur ( 6) de fa- çon que l'électrode externe ( 14) de l'éclateur ( 6) soit reliée directement à la borne haute tension (HT) de la source d'alimentation électrique et que l'élec- trode interne ( 12) dudit éclateur ( 6) soit reliée à la masse de ladite source d'alimentation, par l'intermé- diaire du conducteur interne ( 5) et de la résistance de charge ( 8), et des moyes de commande ( 10,18) de l'écla- -teur, le condensateur, l'éclateur et la résistance de charge constituant avec le conducteur interne une ligne coaxia- le présentant une impédance constante tout le long de la ligne. 2 Générateur d'impulsions selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'extrémité ( 12 a) de l'électrode interne ( 12), en regard de l'électrode, ex- terne ( 14) présente une forme convexe. 3 Générateur d'impulsions selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que la partie ( 16) de l'électrode externe ( 14) située enr regard de l'extrémité ( 12 a) de l'électrode interne ( 12) présente une forme plane. 4 Générateur d'impulsions selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le condensateur ( 2) est disposé autour d'un support cy- lindrique isolant ( 36) dans lequel est logé le conduc- teur interne ( 5), l'ensemble constituant une ligne co- axiale. Générateur d'impulsions selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la résistance de charge ( 8) est constituée d'une nappe, d'un électrolyte aqueux ( 42) dont l'épaisseur varie de façon inversement proportionnelle au rayon de ladite nappe. 6 Générateur d'impulsions selon l'une quel- conque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une gâchette ( 20) placée dans un alésage pratiqué dans la partie plane ( 16) de l'électrode exter- ne ( 14). 7 Générateur d'impulsions selon la revendi- -cation 6, caractérisé en ce que les moyens decommande( 10) de l'éclateur comprennent un autre condensateur ( 26) pouvant être chargé au moyen d'une autre source d'ali- mentation électrique continue, un autre éclateur ( 24) permettant de décharger de façon impulsionnelle ledit autre condensateur ( 26) et un transformateur d'isolement ( 28) dont le primaire ( 30) est connecté entre ledit autre condensateur et la masse de ladite autre source d'alimentation et dont le secondaire ( 32) est relié entre l'électrode externe ( 14) et la gâchette ( 20).