Brevet FR2535918A1 — publié le 19840511

r La présente invention est relative à un dis- ppositif de protection contre les surtensions et trouve une application particulièrement intéressante pour la protection contre la foudre des systèmes raccordés à des câbles coaxiaux. Il existe à l'heure actuelle de nombreux dis-. -positifs de protection contre les surtensions et notai- ment de protection contre la foudre Par exemple, la publication FR-A-2 436 520 décrit un système compor- tant un parafoudre disposé entre un premier conducteur et la masse, une inductance montée en série avec le premier conducteur et un condensateur qui relie 1 'in- ductance à la masse, formant ainsi une cellule induc- tance-capacité. Une telle réalisation concerne cependant une application spécifique, à savoir la protection des li- gnes haute tension à basse fréquence Le but d'un tel dispositif est d'être efficace contre -les ondes pro- gressives de fréquence élevée en empêchant leur propa- gation le long de la ligne A cet effet, la cellule inductance-capacité constitue un filtre passe-bas Ce document insiste sur le fait qu'un tel filtre passe-bas. n'oppose aucune résistance au transport d'énergie à des fréquences situées entre 16 2/3 et 60 Hz, mais qu'il agit comme un barrage pour les ondes progressives dont la fréquence est supérieure de plusieurs ordres de grandeur La valeur de la capacité utilisée doit être relativement importante. Contrairement au dispositif décrit dans la publication FR-A-2 436 520, la présente invention a pour objet un dispositif de protection contre les sur- tensions capable de fonctionner dans une large gamme de fréquences, de l'ordre de grandeur de celles qui sont habituellement véhiculées dans les câbles coaxiaux - Dans les systèmes raccordés à des câbles coaxiaux, le montage d'un élément parasurtension ou pa- rafoudre a pour résultat l'introduction d'une capacité. La figure 1 illustre la configuration élec- trique résultante sur une ligne Le parafoudre 10, qui est généralement constitué par un éclateur à gaz,est placé en parallèle sur une ligne 12 d'impédance carac- téristique Z 0 ( 50 ohms par exemple) Le parafoudre in- troduit donc dans le circuit électrique une capacité C d'une valeur de quelques picofarads L'admittance vue dans le plan du parafoudre est @ Y = Y O +j Ccn ( 1) ou y = 1 + 2 iq ( 2) en admittance réduite, la ligne étant terminée par une charge égale à son impédance caractéristique (la flèche F indique le sens d'écoulement du signal) On peut dé- duire des équations ( 1) ou ( 2) que la présence de l'élément parasurtension 10 a pour effet une désadapta- tion réactive qui est d'autant plus importante que la fréquence est élevée. Le but de la présente invention est de pro- poser un dispositif de protection contre les surten- sions qui ne perturbe pas les ondes hyperfréquences qui le traversent. Selon la principale caractéristique de ce dispositif, celui-ci, du type comportant un parafoudre disposé entre un premier conducteur et la masser une inductance montée en série avec le premier conducteur et un condensateur qui relie l'inductance à la masse formant ainsi une cellule inductance-capacité, se ca- 2535918 ' ractérise en ce que la capacité du condensateur est sensiblement égale à la capacité du parafoudre. Suivant une autre caractéristique de ce dis- positif, la valeur de la capacité dudit condensateur est ajustable. Le dispositif objet de l'invention peut être réalisé suivant différentes techniques et notamment les techniques à microrubans, triplaque et coaxiale. Enfin, selon une dernière caractéristique de ce dispositif, la tension de claquage du condensateur est supérieure à la tension d'amorçage du parafoudre. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1, déjà décrite, est un schéma électrique équivalent d'un système coaxial équipé d'un parafoudre, la figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif de protection selon l'invention, * la figure 3 est un abaque de Smith illus- trant la compensation réalisée grâce au dispositif de l'invention, et la figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation de l'invention selon, la méthode dite "microruban". La figure 2 représente un dispositif sembla- ble à celui de la figure 1 auquel on a ajouté une cel- lule inductance-capacité, en aval du parafoudre 10 par rapport au sens d'écoulement du signal (flèche F) Cet- te cellule se compose d'une inductance 14 montée en série avec le conducteur 12 et d'un condensateur 16 monté entre le conducteur 12, en un point situé en aval de l'inductance 14, et la masse 11 On obtient ainsi une cellule en it formée par les composants 10, 14 et 16, les jambes du N étant constituées par le parafoudre et le condensateur 16. L'abaque de Smith représenté sur la figure 3 permet de vérifier que le fait d'avoir choisi, confor- mément à l'invention, des valeurs sensiblement égales pour les capacités du condensateur 16 et du parafoudre permet de supprimer pratiquement la désadaptation réactive introduite par ce dernier Sur l'abaque réfé-. rencé en admittance, le point Pl représente l'admit- tance réduite En prenant comme hypothèse que C, capa- cité du parafoudre, est égale à 3 p F et que Z 0 est égale à 50 ohms, on a pour une valeur de la fréquence de 900 M Hz (valeur o la compensation doit être opti- male): y = 1 + jy C= l+jx 3 1012 o 2 n 9 108 50 ( 3) YO O y = 1 + jx 0,85 ( 4) L'équation ( 4) permet de déterminer sur l'a- baque référencé en admittance le point Pl qui repré- sente l'admittance réduite en l'absence de compensation (c'est-à-dire dans le cas de la figure 1). Pour réaliser la compensation, c'est-à-dire pour ramener le point représentatif au centre de l'aba- que, on référence d'abord l'abaque en impédance: le point représentatif est alors P 2 symétrique de Pl par rapport au centre de l'abaque. La position du point P 2 est donnée par l'é- quation ( 5): z = 0,58 j 0,48 ( 5) Une inductance série permet d'amener le point P en P 3 par une rotation sur le cercle R=constante Le P 2 e P 3 par une rotation sur le cercle R=constante Le 2535918 point P 3 est symétrique du point P 2 par rapport à l'axe réel, de manière à ce que l'on puisse se retrouver sur le cercle R=il lorsque l'on repasse en admittance La position du point P 3 est donnée par l'é- quation ( 6) z = 0,58 + j 0,48 ( 6) ce qui veut dire que l'on a ajouté la réactance t j 20 =j 0,96 ( 7) soit L = 9 x = 8, 5 n E 2-mo 9 o 10 B Si l'on repasse en admittance, on se retrouve au point P 4, symétrique de P 3 par rapport au centre de l'abaque On termine ensuite l'adaptation en rajoutant j -" de manière à se retrouver au centre de l'abaque. Eta Rt donné que la position du point P 4 est donnée par l'équation: y = 1 j x 0,85 ( 8) on voit en comparant les équations ( 4) et ( 8) que, si on donne à la capacité C 1 du condensateur 16 la même valeur que la capacité c du parafoudre 10 (c'est-à-dire 3 p F dans l'exemple décrit ici),on obtient bien l'adap- tation recherchée. Le dispositif ainsi obtenu présente donc à l'entrée et à la sortie la m 6 me impédance que l'impé- dance caractéristique du coaxial auquel il est relié. En outre, la tension de claquage de la capacité est choisie de manière à être supérieure à la tension d'amorçage de l'élément protecteur (parafoudre). Sur le plan pratique, on a réalisé un dispo- sitif de protection conforme à l'invention mettant en oeuvre la technique connue en soi dite "microruban" ("microstrip" en terminologie anglosaxonne) Un tel mode de réalisation est représenté sur la figure 4 Le dispositif comporte alors une plaque de masse arrière recouverte par un diélectrique 22 Sur le diélectri- que sont déposées les lignes de transmission d'entrée 24 et de sortie 26 toutes deux constituées par des mi- crorubans Entre les lignes de transmission d'entrée 24 et de sortie 26 est implantée la cellule en -t consti- tuée par le parafoudre 10, l'inductance 14 et le con- densateur 16 La capacité de ce dernier a une valeur voisine de celle du parafoudre et est variable afin de permettre un ajustement précis au cours du réglage ini- tial du dispositif D'autre part, chaque ligne de transmission comporte une terminaison coaxiale afin de permettre les raccordements enfin, pour des raisons de sécurité, on choisit le condensateur 16 de sorte que sa tension de claquage soit supérieure à la tension d'amorçage du parafoudre 10. Bien entendu, d'autres montages que le micro- ruban sont possibles, et l'invention s'applique égale- ment à des montages triplaque ou coaxiaux. Bien que l'invention ait été décrite dans le cadre d'une application o l'impédance caractéristique est égale à 50 ohms, il va de soi que l'invention est tout également applicable pour des valeurs différentes de cette impédance caractéristique, Dans tous les cas, l'ensemble en it ainsi obtenu permet de réaliser un sys- tème adapté du continu aux hautes fréquences, sans per- te notoire de transmission. 7 2535918 REVENDICATIONS 1 Dispositif de protection contre les sur- tensions, du type comportantun parafoudre ( 10) disposé entre un premier conducteur ( 12) et la masse ( 11), une inductance ( 14) montée en série avec le premier conduc- teur ( 12) et un condensateur ( 16) qui relie l'induc- tance ( 14) à la masse ( 11) formant ainsi une cellule inductancecapacité, caractérisé en ce que la capacité du condensateur ( 16) est sensiblement égale à la capa- cité du parafoudre ( 10). 2 Dispositif de protection selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la capacité du conden- sateur ( 16) de ladite cellule est ajustable 3 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est réa- lisé selon la technique microruban. 4 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications-l et 2, caractérisé en ce qu'il est réali- sé selon une technique triplaque 5 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est réali- sé selon une technique coaxiale. 6 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5 t caractérisé en ce que la tension de claquage du condensateur ( 16) est supérieure à la ten- sion d'amorçage du parafoudre ( 10).