Brevet FR2542938A1 — publié le 19840921

Module de protection contre des surtensions parasites La présente invention concerne un module de protection contre des surtensions parasites disposé sur une ligne monofilaire de l'espèce conducteur de ligne téléphonique ou ligne d'énergie électrique à basse tension et basse fréquence dont les appareils d'utilisation doivent être protégés des surtensions exceptionnelles par mise à la masse de celles-ci. La réalisation de circuits de protection tels que les parafoudres selon le schéma de principe de la figure 1 est connue dans sa version avec des composants discrets. En coupant un conducteur de ligne on dispose entre une extrémité entrée côté ligne de celui-ci et une extrémité sortie côté utilisation un module de dimensions assez importante par exemple, 50 x 80 x 15 mm. Le module contient entre l'entrée et une masse que l'on met à la terre un éclateur rempli d'un gaz rare à basse pression et entre l'entrée et la sortie une inductance de découplage en série avec une résistance dont l'impédance totale aux basses fréquences d'utilisation est négligeable, cette inductance ayant l'effet d'une inductance d'arrêt aux fréquences hautes engendrées par les impulsions parasites. De plus entre la sortie reliée à l'utilisation et la masse est disposée une diode ZENER fonctionnant en inverse montée de telle sorte que la cathode est disposée du côté du conducteur de ligne à polarité positive, l'anode étant à la masse ou vice-versa Si le conducteur de ligne est à polarité négative. La tension de déclenchement de la diode Zener est prévue pour être légèrement supérieure à la tension de ligne. Cependant les dispositifs anciens ont l'inconvénient premièrement d'être encombrants, deuxièmement d'induire dans les circuits proches une surtension non négligeable lors du fonctionnement de l'éclateur par suite de leur configuration et des connexions trop longues entre les composants. Le module selon la présente invention remédie à ces inconvénients. Celui-ci en effet est de dimensions suffisamment petites pour être disposé à l'intérieur d'un connecteur par exemple. Les connexions entre les composants étant très courtes et le blindage de son éclateur permettent d'éviter les phénomènes de rayonnement. La présente invention a pour objet un module de protection contre des surtensions parasites comportant, entre une entrée de conducteur de ligne continue ou basse fréquence et une sortie de conducteur d'utilisation, une inductance et une résistance en série et entre ladite entrée et une masse au moins un éclateur et entre ladite sortie et ladite masse une diode Zener montée en inverse, caractérisé en ce qu'une plaquette parallélépipédique isolante pour circuit hybride comporte sur sa face carrée côté utilisation, à la partie supérieure de ladite face un premier rectangle métallisé conducteur relié matériellement et électriquement par un de ses grands côtés à la tranche supérieure métallisée de la plaquette, à la partie droite de ladite face un deuxième rectangle métallisé dont le grand côté est perpendiculaire à celui du premier rectangle et est séparé de celui-ci par un espace, à la partie gauche de ladite face et à la partie inférieure de ladite face une équerre métallisée conductrice formée respectivement d'un troisième rectangle et d'un quatrième rectangle, le petit côté supérieur du troisième rectangle à la même hauteur que celui du deuxième rectangle étant séparé dudit premier rectangle par un espace, le4grand côté du deuxième rectangle et une partie du grand côté du troisième rectangle comprenant entre eux une couche résistive en couche épaisse faisant office de ladite résistance en série, le quatrième rectangle étant isolé dudit deuxième rectangle et de ladite couche résistive-par un espace, ladite diode ZENER étant disposée sur ladite plaquette côté utilisation avec une connexion soudée sur ledit premier rectangle et l'autre connexion soudée sur ledit quatrième rectangle, ladite inductance bobinée sur un tore étant connectée d'une part à un point soudé sur ledit deuxième rectangle et d'autre part à l'entrée de conducteur de ligne, ladite sortie de conducteur d'utilisation étant soudée à un point dudit quatrième rectangle. Selon une particularité de l'invention la face de ladite plaquette côte ligne est entièrement métallisée conductrice réunie avec la métallisation de la tranche supérieure de la plaquette et comporte soudés perpendiculairement à cette face l'une des électrodes dudit éclateur ainsi qu'un blindage cylindrique contenant l'éclateur, cette électrode et la base du blindage cylindrique étant réunies entre elles, un fil de masse étant réuni audit blindage, une entrée de conducteur de ligne étant réunie à l'autre électrode de l'éclateur d'une part et par un fil à une extrémité de ladite inductance d'autre part. Selon une autre particularité de l'invention de face de ladite plaquette côté ligne comporte à sa partie supérieure un cinquième rectangle métallisé conducteur dont un premier grand côté correspond à la largeur de la plaquette et est réuni électriquement à la métallisation de la tranche supérieure de la plaquette et dont un deuxième grand coté jouxte un sixième rectangle métallisé dont le grand côté est plus petit que le deuxième grand côté, ledit sixième rectangle étant séparé par un intervalle d'un septième rectangle identique au sixième rectangle, une encapsulation étanche remplie de gaz rare à basse pression recouvrant ledit intervalle et des parties desdits sixième et septième rectangle et de la plaquette de façon à réaliser ledit éclateur, ledit septième rectangle étant relié par son grand côté à un huitième rectangle métallisé conducteur disposé à la partie inférieure de ladite face côté ligne sur lequel sont soudés d'une part le fil d'entrée de ligne et d'autre part le fil d'extrémité de ladite inductance. En se référant aux figures schématiques 1 à 4 ci;jointes on va décrire ci-après des exemples de mise en oeuvre de la présente invention, exemples donnés à titre purement illustratif et nullement limitatif. Les mêmes éléments représentés sur plusieurs de ces figures portant sur toutes celles-ci les mêmes références. La figure 1 représente un schéma de principe électrique connu en soi d'un module de protection contre des surtensions. La figure 2 représente une vue schématique latérale partiellement coupée d'un module utilisant la technique hybride en couche épaisse et éclateur avec son blindage. La figure 3 représente une vue schématique en perspective d'une face d'une plaquette supportant une partie des composants du module en technique hybride. la figure 4 représente une vue schématique en perspective de la face opposée de la plaquette de la figure 3 supportant la partie restante des composants du module en technique hybride. la figure 1 représente un schéma électrique connu d'un module servant à protéger les appareillages alimentés par une ligne dont un seul conducteur est ici représenté. L'entrée 1 du conducteur, servant par exemple pour une ligne téléphonique dont un des conducteurs ici représenté est à polarité positive et est reliée en un point a à l'extrémité d'une inductance 2 en série avec une résistance 3 au travers d'un point e. Le point a est relié à une électrode d'un éclateur 4 à gaz dont l'autre électrode b est reliée à la masse m par un fil de connexion. L'autre extrémité d de la résistance 3 est reliée d'une part à l'utilisation par un fil 5 et d'autre part à la cathode d'une diode ZENER 6 dont l'anode c est reliée par un fil à la masse m. Dans les dispositif de l'art antérieur l'ensemble est relativement encombrant et est enrobé dans un boiter isolant 7 de forme parallélépipédique. La figure 2 représente une première réalisation du module selon l'invention. A la droite de la figure est représentée une plaquette 8 en matière isolante telle que l'oxyde d'aluminium ou l'oxyde de béryllium pouvant servir de substrat à des dépôts métallisés et de supports à des composants non intégrés. La face côté utilisation 5 de la plaquette 8 de la figure 2 est identique à celle de la figure 3 tant dans l'utilisation des mêmes composants que par la faible longueur des connexions entre ceux-ci. La face de la plaquette 8 a pour dimensions un carré de 6 x 6 millimètres. On voit sur les figures 2 et 3 que la face côté utilisation 5 comporte des métallisations conductrices réalisées par dépôt d'alliage de fer et de nickel de forme rectangulaire telles un premier rectangle 9 dans la partie supérieure de la face, un deuxième rectangle 10 sur le bord droit de la face et séparé par un espace non métallisé, par conséquent, isolant du premier rectangle 9. Sur le bord gauche de la même face est disposé un troisième rectangle 11 séparé du premier rectangle par un espace semblable au précédent. Sur le bord inférieur de la même face est disposé un quatrième rectangle 12. Les rectangles 11 et 12 formant une équerre déposée sans solution de continuité avec les rectangles 9 et 10. Entre le rectangle métallisé 10 et une partie du rectangle 11 est déposée une résistance 13 en surface de type connu dont la valeur est comprise entre 1 et 20 ohms. La résistance 13 réalisée en couche épaisse remplit la fonction de la résistance 3 de la figure 1. Une diode ZENER 14 de forte puissance, 1500 watts sous une milliseconde, sans son boitieroéquivalent à la diode 6 de la figure 1 comporte deux pattes de connexion en alliage dénommé COVAR permettant un soudage aisé à l'étain à leurs extrémités en c sur le rectangle 9 et en d sur le rectangle 12. La diode 14 et les pattes n'entrent pas en contact avec la résistance 13. Une inductance 15 réalisée en fil isolé de cuivre par exemple est bobinée sur un tore en ferrite pour avoir une valeur comprise entre 100 et 300 microhenrys.Les fils d'extrémité sont soudés en e sur le rectangle 10 et en a sur le conducteur 1 d'entrée (figure 2) ou dans la variante des figures 3 et 4 en a sur un rectangle métallisé sur lequel est soudé le conducteur d'entrée 1. La tranche 16 supérieure de la face côté utilisation 5 de la plaquette 8 comporte une métallisation conductrice semblable aux précedentes et reliée à la métallisation 9. Sur la figure 2 la face opposée côté entrée 1 de la plaquette comporte une métallisation 17 sur toute cette face, reliée à la métallisation de la tranche 16. Un éclateur 18 de taille réduite que l'on trouve dans le commerce et d'une capacité d'écoulement de 2500 ampères en onde normalisée 8/20 microsecondes est soudé sur la plaquette de telle sorte que l'axe de ses électrodes est relié au fil d'entrée 1 du conducteur de ligne. Un blindage 19 cylindrique entourant l'éclateur 18 est réalisé en cuivre par exemple soudé également à la métallisation 17. Pour la mise en place du blindage 19 on rétreint vers 2100C environ, une enveloppe thermorétractable entourant l'ensemble de l'éclateur et de son blindage coaxial; ce blindage est isolé de la première électrode par une isolation suffisante, faite d'un thermorétractable par exemple 28. Un fil de masse m est soudé au blindage 19. Le fil de masse peut être réalisé en un alliage d'argent et de palladium ainsi que les fils d'entrée 1 et de sortie 5. L'ensemble du module est enrobé de résine 20 du type époxy de configuration cylindrique (figure 2). Dans les figures 3 et 4 est représentée une variante du module dans laquelle les dépôts en couche épaisse hybride sont réalisés de part et d'autre de la même plaquette 8. La face représentée sur la figure 3 ayant déjà été décrite en relation avec la figure 2, on voit sur la figure 4 la face côté entrée 1 de la plaquette 8. Le fil de masse m est soudé sur la métallisation 16, tranche supérieure de la plaquette 8. Une métallisation 21 en forme de rectangle relié à la métallisation 16 est disposée sur le bord supérieur de la face côté entrée 1. L'éclateur 22 conforme à l'éclateur 4 du schéma de principe et 18 de l'exemple donné en figure 2 est réalisé en technique planaire. Pour cela deux électrodes 23 et 24 réalisées en couches épaisses de nickel-chrome en forme de rectangle dont les grands côtés sont plus petits que la largeur de la face de la plaquette 8 sont séparés l'un de l'autre par un intervalle déterminé par la loi de Paschen ainsi que la pression du gaz rare tel que le néon et/ou l'argon. Ce gaz est disposé à l'intérieur d'une encapsulation 25 étanche soudée sur les électrodes 23 et 24 et àla plaquette 8 L'électrode 24 peut être adjacente et réunie électriquement à une métallisation 26 disposée au bas de la face. Sur cette métallisation 26 sont soudés les fils de connexion de l'inductance 15 point a) et le fil d'entrée 1 du module. Selon une variante, une varistance 27 en couche épaisse est disposée en outre entre l'électrode 24 et la métallisation 26 conformément à l'enseignement du brevet français nO 82 05020. La varistance a pour rôle de présenter une résistance faible au-dessus d'un certain seuil de tension et une résistance grande dans le cas inverse. Une résine de forme parallélépipédique non représentée permet d'enrober l'ensemble. Le module de protection selon les deux exemples permet de réduire la taille, d'alléger le poids et d'éviter le rayonnement de l'éclateur. La solution du problème technique a été obtenue par une intégration des circuits hybridables et de composants non hybridables et par un choix de la masse permettant des connexions particulierement courtes. Les applications sont du domaine de protection contre les effets de la foudre. REVENDICATIONS 1/ Module de protection contre des surtensions parasites comportant, entre une entrée (1) de conducteur de ligne continue ou basse fréquence et une sortie (5) de conducteur d'utilisation, une inductance (2, 15) et une résistance (3, 13) en série et entre ladite entrée (1) et une masse (m) au moins un éclateur (4, 18, 22) et entre ladite sortie (5) et ladite masse (m) une diode Zener (6, 14) montée en inverse, caractérisé en ce qu'une plaquette (8) parallélépipédique isolante pour circuit hybride comporte sur sa face carrée côté utilisation (5), à la partie supérieure de ladite face un premier rectangle (9) métallisé conducteur relié matériellement et électriquement par un de ses grands côtés à la tranche (16) supérieure métallisée de la plaquette, à la partie droite de ladite face un deuxième rectangle (10) métallisé dont le grand côté est perpendiculaire à celui du premier rectangle (9) et est séparé de celui-ci par un espace, à la partie gauche de ladite face et à la partie inférieure de ladite face une équerre métallisée conductrice formée respectivement d'un troisième rectangle (11) et d'un quatrième rectangle (12), le petit côté supérieur du troisième rectangle (11) à la meme bauteur que celui du deuxième rectangle (10) étant séparé dudit premier rectangle (9) par un espace, le grand côté du deuxième rectangle (10) et une partie du grand côté du troisième rectangle (11-) comprenant entre eux une couche résistive (13) en couche épaisse faisant office de ladite résistance (3) en série, le quatrième rectangle (12) étant isolé dudit deuxième rectangle (10) et de ladite couche résistive (13) par un espace, ladite diode ZENER (14) étant disposée sur ladite plaquette côté utilisation avec une connexion soudée sur ledit premier rectangle (9) et l'autre connexion soudée sur ledit quatrième rectangle (12), ladite inductance (15) bobinée sur un tore de ferrite étant connectée d'une part à un point (e) soudé sur ledit deuxième rectangle (9) et d'autre part à lentrée (a) du conducteur de ligne (1), ladite sortie (5) de conducteur d'utilisation (5) étant soudée à un point (d) dudit quatrième rectangle (12). 2/ Module selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la face de ladite plaquette côté ligne est entièrement métallisée conductrice réunie avec la métallisation de la tranche (16) supérieure de la plaquette et comporte soudés perpendiculairement à cette face l'une des électrodes dudit éclateur (18) ainsi qu'un blindage (19) cylindrique contenant l'éclateur (18), cette électrode et la base du blindage cylindrique étant réunies entre elles, un fil de masse m étant réuni audit blindage (19), une entrée (a) de conducteur de ligne (1) étant réunie à l'autre électrode de l'éclateur (18) d'une part et par un fil à une extrémité de ladite inductance (15) d'autre part. 3/ Module selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la face de ladite plaquette côte ligne comporte à sa partie supérieure un cinquième rectangle (21) métallisé conducteur dont un premier grand côté correspond à la largeur de la plaquette (8) et est réuni électriquement à la métallisation de la tranche (16) supérieure de la plaquette et dont un deuxième grand coté jouxte un sixième rectangle (23) métallisé dont le grand côté est plus petit que le deuxième grand côté, ledit sixième rectangle (23) étant séparé par un intervalle d'un septième rectangle (24) identique au sixième rectangle (23), une encapsulation (25) étanche remplie de gaz rare à basse pression recouvrant ledit intervalle et des parties desdits sixième (23) et septième rectangle (24) et de la plaquette (8) de façon à réaliser ledit éclateur (22), ledit septième rectangle (24) étant relié par son grand côté à un huitième rectangle (26) métallisé conducteur disposé à la partie inférieure de ladite face côté ligne sur lequel sont soudés d'une part le fil d'entrée de ligne (1) et d'autre part le fil d'extrémité de ladite inductance (15). 4/ Module selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'un neuvième rectangle (27) réalisé en couche épaisse dans le but de réaliser une vasistance est disposé entre les septième (24) et le huitième rectangle (26) c'est-à-dire entre l'entrée de ligne (1) et l'éclateur (22). 5/ Module selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le substrat de ladite plaquette (8) est réalisé en oxyde d'aluminium ou oxyde de béryllium. 6/ Module selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdits fils de connexion d'entrée (1), de sortie (5) et de masse (m) sont réalisés en un alliage d'argent et de palladium. 7/ Module selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdites couches métallisées conductrices sont réalisées en un alliage de fer et de nickel. 8/ Module selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ladite diode ZENER (14) est montée sans boitier et que les connexions de la diode ZENER sont en un alliage facile à souder sur les métallisations tel que le COVAR. 9/ Module selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ladite inductance (15) est bobinée sur un tore en ferrite. 10/ Module selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'ensemble des composants est enrobé dans une résine époxy de forme cylindrique (20) avec les connexions de masse, d'entrée et de sortie apparentes. 11/ Module selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que l'ensemble des composants est enrobé dans une résine époxy de forme parallélépipédique avec les connexions de masse, d'entrée et de sortie apparentes.