Brevet FR2551595A1 — publié le 19850308

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS MUNI D'UN ECLATEUR. La présente invention a trait a un dispositif muni d'un éclateur ou parafoudre et destiné a assurer la protection de circuits électriques et/ou d'organes montés dans ces circuits contre les surtensions. On sait que pour assurer la protection des circuits électriques contre les surtensions, on peut utiliser des organes appelés Méclateursn ou "parafoudres", que l'on insère dans les circuits. Un tel organe est, en général, constitué de deux électrodes qui, a l'intérieur d'une enceinte fermée de manière étanche sous un vide partiel prédéterminé et remplie d'un gaz ou d'un mélange gazeux inerte, présentent des surfaces en vis-a-vis.Les deux electrodes sont chacune reliées a l'un de deux pôles sous tension, et l'écartement des surfaces en vis-a-vis est tel que lorsque la différence de potentiel entre les électrodes dépasse un certain seuil appelé tension d'amorçage, un arc électrique s'établit entre les électrodes e et le passage de l'arc électrique s'accompagne d'une brutale chute de tension entre les électrodes. Dans un but de sécurité, afin que le circuit dans lequel l'éclateur est inséré soit protégé de façon connue et prédéterminée, on cherche, de façon générale, a réaliser des éclateurs pour lesquels la tension d'amorçage soit déterminée et constante au cours du temps. Par ailleurs, il faut que la tension pour laquelle l'arc électrique disparaît, qui est appelée potentiel d'extinction, soit suffisamment supérieure aux tensions normales de fonctionnement du circuit, afin que l'arc se soit éteint dès que la surtension a disparu et qu'il ne puisse pas subsister pour une tension d'utilisation normale du circuit. On sait de plus que, pour un éclateur donnée la tension d'amorçage est une fonction décroissante de la vitesse d'établissement des surtensions, ou pente de la courbe représentant l'évolution des surtensions en fonction du temps, et que le temps de réaction de l'éclateur, c'esta-dire l'intervalle de temps au terme duquel l'arc électrique s'amorce entre les électrodes après que la tension d'amorçage a été atteinte, est une fonction décroissante de l'amplitude du signal. Ceci a pour conséquence qu'un circuit n'est pas protégé contre des courants transitoires rapides de faible amplitude avant la fin d'un temps de réaction relativement long de l'éclateur monté dans ce circuit, et qu'il n'est pas non plus protégé contre des surtensions de grande amplitude mais qui s'établissent lentement, avant que soit atteinte une tension d'amorçage de valeur élevée. Par la présente invention, on se propose de remédier a ces inconvénients, et de réaliser un dispositif comprenant un éclateur qui présente une grande rapidité d'amorce çage, c'est-a-dire un faible temps de réaction, de façon à protéger le circuit électrique correspondant contre les courants transitoires rapides, même lorsque ces derniers sont de faible amplitude, et dont la tension d'amorçage soit sensiblement constante et indépendante de la vitesse d'établissement de la surtension, l'éclateur pouvant cependant laisser passer les signaux de faible amplitude et de faible fréquence (par exemple inférieurs a 50 Hz) en raison d'un temps de réaction très long qu'il présente pour ces signaux. Le principe à la base de l'invention consiste à amplifier l'amplitude de la surtension appliquée aux deux électrodes de l'éclateur mais non dans le circuit à protéger, sans augmenter son temps d'établissement, ce qui revient à augmenter fictivement la vitesse d'établissement de la surtension, de sorte qu'il lui corresponde une tension d'amorçage bien plus faible que celle pour laquelle l'arc électrique s'amorcerait si la surtension était appliquée non amplifiée aux électrodes. A cet effet, le dispositif de protection selon la présente invention, destiné à protéger un circuit électrique contre les surtensions, qui comprend un éclateur comportant au moins deux électrodes présentant des surfaces en vis-a-vis, dans une enceinte fermée étanche contenant un gaz inerte sous pression réduite, se caractérise par le fait qu'il comprend, de plus, au moins un transformateur, dont au moins un enroulement primaire est connecté d'une part à la terre et d'autre part, par l'intermédiaire d'au moins un condensateur, à l'alimentation du circuit électrique à protéger, et dont au moins un enroulement secondaire est connecté d'une part à la terre et d'autre part à une électrode de l'éclateur dont l'autre électrode est connectée à l'alimentation du circuit électrique à protéger. On obtient ainsi qu'un signal transitoire, ayant la forme d'un créneau est transmis par le condensateur à l'enroulement primaire du transformateur, et que ce signal se retrouve sur l'enroulement secondaire en étant amplifié d'un coefficient égal au rapport de transformation donné par le rapport des nombres de spires des enroulements. Comme, sur chaque enroulement secondaire, le signal reçu a partir d'au moins un enroulement primaire se trouve en opposition de phase avec le signal parcourant le ou les enroulements primaires correspondants, on obtient que la différence de potentiel entre les deux électrodes de l'éclateur est d'autant plus importante, de sorte que le ou les enroulements secondaires sera ou seront traversés par un courant d'intensité maximum. En conséquence, et selon des caractéristiques avantageuses propres a l'invention, chaque enroulement secondaire comprend un faible nombre de spires, de manière à ne pas freiner l'écoulement du signal après l'amorçage de l'arc électri que, et chaque enroulement secondaire est réalisé avec un fil conducteur de section nettement supérieure a celle du fil du ou des enroulements primaires correspondants. Selon l'invention, un bon compromis entre les exigences contradictoires que constituent d'une part le faible nombre de spires des enroulements secondaires, et, d'autre part, le fait que les spires des enroulements secondaires sont en nombre supérieur aux spires des enroulements primaires, afin de donner un rapport de transformation et donc une amplification convenables, est obtenu si le rapport du nombre des spires des enroulements primaires au nombre des spires des enroulements secondaires est compris entre 1/1 et 1/3. Avantageusement, afin d'obtenir un fonctionnement convenable aux fréquences élevées, sans produire des courants de Foucault importants, le transformateur comprend de plus un noyau de ferrite, lequel peut être réalisé sous la forme d'un anneau ou d'un empilage d'anneaux de ferrite. De même, afin d'éviter une saturation trop rapide du dispositif, ce qui présenterait l'inconvénient d'empêcher la transmission des signaux aux enroulements secondaires après que le point de saturation soit atteint, le transformateur comprend avantageusement un entrefer. Selon un mode de réalisation préféré, les enroulements primaires et secondaires entourent une même bobine et se raccordent en un point connecté a la terre. Une telle réalisation permet de donner au transformateur une bonne compact6, qui se trouve améliorée si les spires des enroulements primaires et secondaires sont entrecroisées autour de la bobine. Dans une forme préférée de réalisation, qui permet de protéger les enroulements, la bobine présente une gorge périphérique délimitée par un élément tubulaire central de section circulaire et par deux flancs annulaires en saillie radialement vers l'extérieur aux deux extrémités de l'élément tubulaire, les enroulements étant logés dans la gorge. Dans ce cas, le noyau de ferrite ou l'entrefer peut être logé dans le passage central de l'élément tubulaire de la bobine. Cette dernière ainsi que les enroulements sont avantageusement logés dans une enveloppe de forme cylindrique, réalisée de préférence en fer doux. L'enveloppe, qui remplit la fonction des culasses des transformateurs de réalisation conventionnelle, est avantageusement constituée de deux parties complémentaires qui sont maintenues appliquées l'une contre l'autre en position de fermeture de l'enveloppe par un organe de fermeture. Selon un mode de réalisation propre à l'invention, chaque partie d'enveloppe a la forme d'une demi-coquille de forme cylindrique fermée à une extrémité par un fond et présentant, a son autre extrémité, des encoches destinées au passage des fils de sortie des enroulements, et, dans la partie centrale du fond, un bossage cylindrique en saillie vers l'intérieur de la demi-coquille et s'engageant dans le passage central de l'élément tubulaire de la bobine, en vis-a-vis du bossage cylindrique de l'autre demi-coquille lorsque les deux demi-coquilles sont disposées l'une contre l'autre en position de fermeture. Les deux bossages cylindriques en vis-a-vis dans le passage central de la bobine constituent ainsi un noyau qui donne au transformateur un coefficient d'induction mutuelle entre les enroulements aussi élevé que possible. Avantageusement dans ce cas, l'organe de fermeture est une frette entourant les deux demi-coquilles de l'enveloppe. Selon un exemple particulier de réalisation, les enroulements primaire et secondaire sont respectivement constitués par cinq spires d'un fil conducteur isolé de 0,1 mm de diamètre et par 10 spires d'un fil conducteur isolé de 1 mm de diamètre. Le condensateur qui relie l'enroulement primaire du transformateur au circuit à protéger est de préférence du type dont le diélectrique est en céramique, tandis que l'éclateur est avantageusement du type qui comprend une électrode en forme de douille cylindrique dans laquelle l'autre électrode est engagée coaxialement. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemple illustratif, un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés. Sur ces dessins - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une courbe représentative de la tension d'amorçage en fonction de la vitesse d'établissement des surtensions pour l'éclateur que comprend le dispositif représenté sur la figure 1, et - la figure 3 est une vue en partie en coupe d'un exemple de réalisation pratique du dispositif de la figure 1. Sur la figure 1, on a représenté en 1 un fil d'alimentation en courant alternatif d'un composant 2 à protéger contre les surtensions. Sur un fil 3, en dérivation sur le fil d'alimentation 1, sont connectés en série un condensateur 4 et un enroulement primaire 6 d'un transformateur 5. L'extrémité de l'enroulement primaire 6 par laquelle ce dernier n'est pas connecté au condensateur 4 est à la masse en un point 7, par lequel l'enroulement primaire 6 est également connecté à une extrémité d'un enroulement secondaire 8 du transformateur 5, l'autre extrémité de l'enroulement secondaire 8 étant connectée à une électrode 10, en forme de douille cylindrique, d'un éclateur 9 dont l'autre électrode 11, engagée coaxialement dans l'électrode tubulaire 10, est connectée au fil d'alimentation 1 par un second fil de dérivation 12. Le transformateur 9 comprend également un noyau 13 constitué par exemple par un anneau de ferrite ou par un empilage d'anneaux de ferrite.La ferrite est par exemple du type de celle commercialisée sous le nom de marque de "Ferrinox", et le noyau 13 a pour effet de permettre un bon fonctionnement du dispositif de protection contre les surtensions de fréquence élevée, en évitant le développement de courants de Foucault. Lorsqu'une surtension, contre laquelle le composant 2 doit être protégé et qui se présente comme une impulsion ou comme un signal en créneau de faible largeur comparé a son amplitude, arrive sur le fil 1, elle traverse le condensateur 4 car elle présente une dérivée importante de la tension en fonction du temps ou vitesse d'établissement de la surtension.Ce signal d'entrée est donc appliqué a l'enroulement primaire 6 du transformateur 5 et donne sur l'enroulement secondaire 8 un signal de sortie déphasé a 1800 par rapport au signal d'entrée, et avec une amplitude égale au produit de l'amplitude du signal d'entrée par un coefficient qui est le rapport de transformation, donné par le rapport du nombre des spires de l'enroulement secondaire 8 au nombre des spires de l'enroulement primaire 6. Pour le transformateur 5, le rapport de transformation est choisi entre 1 et 3. Du fait de l'opposition de phase entre les deux signaux et de l'éventuelle amplification du signal de sortie par rapport au signal d'entrée, la différence de potentiel entre les deux électrodes 10 et 11 de l'éclateur 9 est au minimum égale au double de l'amplitude de la surtension reçue sur le fil 1. Sur la figure 2, on a représenté la courbe correspondant a l'évolution de la tension d'amorçage VA de l'éclateur 9 de la figure 1 en fonction de la vitesse v d'établissement des surtensions. On constate que la tension d'amorçage VA diminue de manière asymptotique lorsque la vitesse v augmente. On comprend que si une surtension de vitesse d'établissement v1 relativement faible est reçue sur le fil 1, l'éclateur ne protégera efficacement le composant contre celle-ci qu'après la formation d'un arc électrique pour une tension d'amorçage VA1 relativement importante. Grâce au dispositif a transformateur 5 de la figure 1, et en supposant que leur rapport de transformation soit égal a un, on constate que la.surtention appliquée aux électrodes 10 et 11 de l'éclateur 9 est d'une amplitude double de celle reçue sur le fil 1, et donc qu'elle correspond a une vitesse v2 = 2 vl, pour laquelle la tension d'amor çage VA2 est inférieure a VA1, de sorte que l'éclateur 9 s'amorce bien plus rapidement. Bien entendu, ce phénomène est d'autant plus marqué que le rapport de transformation est élevé.On peut donc ainsi efficacement protéger le composant 2 contre des courants transitoires rapides, même lorsque ces derniers sont de faible amplitude. Par contre, les courants transitoires de faible amplitude et de faible fréquence, par exemple inférieurs a 50 Hz, peuvent passer si l'on choisit un condensateur 4 de valeur suffisamment faible, par exemple de 10 nF. Un tel condensateur 4 est de préférence du type dont le diélectrique est réalisé en céramique. I1 est donc tentant de donner a l'enroulement secondaire 8 un nombre suffisamment grand de spires afin que le rapport de transformation soit toujours suffisamment élevé pour que la tension d'amorçage VA soit indépendante de la vitesse de l'onde, et donnée par exemple par la ligne en pointillés V'A sur la figure 2. Cependant, comme l'enroulement secondaire 8-est parcouru par le courant de plus grande intensité qui se développe dans le dispositif, il n'est pas souhaitable que cet enroulement secondaire 8 comporte un nombre aussi élevé de spires, car ceci augmente la résistance de l'enroulement 8 et freine l'écoulement du signal, apres l'amorçage de l'arc électrique entre les électrodes 10 et 11.Pour cette raison, l'enroulement secondaire 8 est donc réalisé avec un fil conducteur de grande section comparé a celle du fil utilisé pour réaliser l'enroulement primaire 6, et, dans un but d'optimisation, l'enroulement secondaire 8 ne comprend que quelques spires, de l'ordre d'une dizaine, le rapport de transformation étant volontairement limité a 3 au maximum. Enfin, pour éviter une saturation trop rapide du dispositif, ce qui couperait la transmission du signal a évacuer de l'enroulement primaire 6 a l'enroulement secondaire 8 du transformateur 5, et afin d'augmenter la réluctance du dispositif, le transformateur 5 comporte de préférence un entrefer. Sur la figure 3, on a représenté un exemple préféré de réalisation du dispositif, dans lequel le transformateur 5 est constitué par des enroulements primaire 6 et secondaire 8 qui sont a spires entrecroisées, enroulées autour d'une même bobine 13, de sorte qu'il se produise un déphasage de 180 entre les signaux parcourant les deux enroulements 6 et 8. L'enroulement primaire 6 est constitué par exemple par cinq spires d'un fil conducteur isolé de 0,1 mm de diamètre, et l'enroulement secondaire 8 par 10 spires d'un fil conducteur isolé de 1 mm de diamètre. Les deux enroulements 6 et 8 se raccordent l'un à l'autre par un point commun connecté à la masse ou sont chacun mis a la masse par un élément de fil 14. La bobine 13 est constituée par un élément tubulaire central 15, de section circulaire, solidaire a chacune de ses deux extrémités axiales d'un flanc annulaire 16 en saillie radialement vers l'extérieur, de sorte que l'élément tubulaire 15 et les deux flancs 16 délimitent une gorge périphérique de la bobine 13 dans laquelle sont enroulées les spires des enroulements 6 et 8. La bobine 13 et ses enroulements 6 et 8 sont logés dans une cuve 17, de forme extérieure cylindrique et de section circulaire. Cette cuve 17 est constituée par l'assemblage de deux demi-coquilles ou demi-cuves identiques 18 et 19 disposées symétriquement en vis-a-vis l'une de l'autre, selon deux parties complémentaires de la cuve 17, et maintenues appliquées l'une contre l'autre en position de fermeture de la cuve 17 par une frette 20. Chaque demi-cuve 18 ou 19 a la forme d'un bac cylindrique fermé à une extrémité par un fond et présentant, dans son autre extrémité, deux encoches diamétralement opposées et ménagées radialement dans la paroi latérale du bac, afin de délimiter avec les encoches de l'autre demi-cuve des passages pour les extrémités des fils des enroulements 6 et 8. De plus, chaque demi-cuve 18 ou 19 présente un bossage central 21, en saillie vers l'intérieur de la demicuve correspondante sur la partie centrale du fond de cette dernière, et les deux bossages 21 s'engagent en vis-a- vis l'un de l'autre dans le passage central de l'élément tubulaire 15 de la bobine 13. Si les demi-cuves 18 et 19 sont réalisées en fer doux, ainsi que la bobine 13 de préférence, les bossages 21 des deux demi-cuves 18 et 19 et l'élément tubulaire 15 de la bobine 13 constituent un noyau pour les enroulements 6 et 8, tandis que les fonds etles parois latérales des demi-cuves 18 et 19 constituent une culasse du transformateur. Il est également possible de loger, dans l'espace annulaire libre a l'extérieur des bossages 21 et à l'intérieur de l'élément tubulaire 15 de la bobine 13, un manchon de ferrite (non représenté) réalisé d'une seule pièce ou par l'empilage d'anneaux de ferrite, afin d'améliorer le noyau. Il est bien entendu que le dispositif ci-dessus décrit pourra donner lieu à toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection d'un circuit électrique (1,2) contre les surtensions, comprenant un éclateur (9) comportant au moins deux électrodes (10,11) présentant des surfaces en vis-a-vis, de préférence dans une enceinte fermée de manière étanche sous un vide partiel prédéter- miné et remplie d'un gaz ou mélange gazeux inerte, caractérisé par le fait qu'il comprend de plus au moins un transformateur (5), dont au moins un enroulement primaire (6) est connecté d'une part a la terre (7) et d'autre part, par l'intermédiaire d'au moins un condensateur (4), au circuit (1,2) a protéger, et dont au moins un enroulement secondaire (8) est connecté d'une part a la terre (7) et d'autre part a une électrode (10) de l'éclateur (9) dont l'autre électrode (11) est connectée au circuit a protéger (1,2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que sur chaque enroulement secondaire (8) le signal reçu d'au moins un enroulement primaire (6) est en opposition de phase avec le signal parcourant le ou les enroulements primaires (6) correspondants. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que chaque enroulement secondaire (8) comprend un faible nombre de spires. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que chaque enroulement secondaire (8) est réalisé avec un fil conducteur de section supérieure å celle du fil du ou des enroulements primaires (6) correspondants. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 4, caractérisé par le fait que le rapport du nombre des spires de l'enroulement primaire (6) au nombre de spires de l'enrodEment secondaire (8) est compris entrè 1/1 et 1/3. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 5, caractérisé par le fait que le transformateur (5) comprend un noyau de ferrite (13). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 6, caractérisé par le fait que le transformateur (5) comprend un entrefer. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 7, caractérisé par le fait que les enroulements primaire (6) et secondaire (8) entourent une même bobine (13) et se raccordent en un point connecté à la terre (14). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les spires des enroulements primaire (6) et secondaire (8) sont entrecroisées autour de la bobine (13). 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait que la bobine (13) présente une gorge périphérique délimitée par un élément tubulaire central (15), de section circulaire, et par deux flancs annulaires (16) en saillie radialement vers l'extérieur aux deux extrémités de l'élément tubulaire (15), les enroulements (6,8) étant logés dans la gorge. 11. -Dispositif selon l'une des revendications 8 å 10, caractérisé par le fait que la bobine (13) et les enroulements (6,8) sont logés dans une enveloppe (17) de forme cylindrique. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l'enveloppe (17) est constituée de deux parties complémentaires (18,19) maintenues appliquées l'une contre l'autre en position de fermeture de l'enveloppe (17) par un organe de fermeture (20). 13. Dispositif selon la revendication 12 telle que rattachée a la revendication 10, caractérisé par le fait que chaque partie (18,19) de l'enveloppe (17) a la forme d'une demi-coquille de forme cylindrique fermée a une extrémité par un fond et présentant, a son autre extrémité, des encoches destinées au passage des fils de sortie des enroulements (6,8), et, dans la partie centrale du fond, un bossage cylindrique (21) en saillie vers l'intérieur de la demi-coquille correspondante (18,19) et s'engageant dans le passage central de l'élément tubulaire (15) de la bobine (13), en vis-a-vis du bossage (21) de l'autre demi-coquille (18,19) lorsque les deux demi-coquilles sont disposées l'une contre l'autre en position de fermeture de l'enveloppe (17). 14. Dispositif selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé par le fait que l'organe de fermeture est une frette (20) entourant les deux parties complemen- taires (18,19) de l'enveloppe (17). 15. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 14 telles que rattachées a l'une des revendications 1 a 5, caractérisé par le fait que les enroulements primaire et secondaire (6,8) sont respectivement constitués par cinq spires d'un fil conducteur isolé de 0,1 mm de diamètre et par dix spires d'un fil conducteur isolé de 1 mm de diamètre. 16. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 15, caractérisé par le fait que le condensateur est du type dont le diélectrique est en céramique. 17. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 16, caractérisé par le fait que l'éclateur (9) comprend une électrode en forme de douille cylindrique (10) dans laquelle l'autre électrode (11) est engagée coaxialement.