Brevet FR2548481A1 — publié le 19850104

Dispositif de circuit pour alimentation en énergie" L'invention concerne un dispositif de circuit pour alimentation en énergie d'une charge dlun appareil de decharge dans les gaz, notamment d'une source d'ions, avec un prélèvement de puissance électrique demeurant inchangée sous la forme d'une haute tension pulsée et d'un courant élevé correspondant à cette tension, dispositif constitué d'une alimentation haute tension avec des moyens pour régler cette haute tension et pour l'adapter à des appareils de décharge dans les gaz de tensions de fonctionnement différentes et de courants de fonctionnement différents, pour un pSAbvement de puissance restant à peu près inchangée, ainsi que des moyens branchés à la sainte de l'alimentation haute tension pour commuter des tensions partielles de la tension de sortie de cette alimentation haute tension, et pour adapter cette tension de sortie et/ou le courant au prélèvemerit de puissance de la charge, en maintenant une puissance de perte prédéfinie. Pour exploiter des sources dolions, telles qu'elles sont utilisées par exemple dans la recherche des ions lourds, des appareillages d1alimentation pulsés à haute tension et à courant élevé, à très grand rendement, sont nécessaires. Les générateurs pulsés connus (Proceedings of the International Conférence on Multiply-Charged Heavy Ion Sources and Accelerating Systems, Gatlinturg, Tennessee 25-28 Octobre 1971) sont constitués d'une alimentation haute tension non réglée et de tubes électroniques à haute tension et à haute puissance, branchés à la suite pour la commutation. Avec ce dispositif de circuit, des sources d'ions de différents types sont pulsées. Dans ce cas, pour éviter un raccourcissement de la durée de vie, la source d'ions est exploitée de façon qu'une puissance permanente par exemple de l'ordre d' 1 kW ne soit pas dépassée. Cela signifie qu'il y a lieu d'exploiter des sources d'ions de faible tension de décharge avec des courante élevés et des sources d'ions avec des tensions de décharge élevées et des courants faibles. L'alimentation d'un large spectre de sources d'ions nécessite donc des générateurs pulsés qui sont prévus aussi bien pour des tensions élevées que pour des courants élevés. En outre, les tubes électroniques nécessitent une tension et une puissance importantes, car lors de la connexion, il y a toujpurs aux bornes des tubes électroniques, une tension prédéterminée, dans le présent exemple, au maximum de 1500 à 2000 Volts. Il s'en suit que la puissance disponible pour le générateur pulsé est de l'ordre de 10 kW > lorsque toutes les possibilités de l'exploitation des sources d'ions doivent être épuisées. Des installations de ce type exigent un grand volume, ont un encombrement important, et ne peuvent entre exploitées qu'avec un système de refroidissement approprié. L'invention a pour but de développer un dispositif de circuit ayant un encombrement beaucoup plus réduit, et qui est dépourvu de système de refroidissement et dont le volume est considérablement réduit. Ce but est atteint, dans le cas d'un dispositif de circuit selon le préambule de l'invention, en ce qu'il est caractérisé par a) l'alimentation haute tension comporte plusieurs transfor mateurs dont les enroulements d'entrée sont susceptibles d'être branchés individuellement, indépendamment les uns des autres, ou bien en parallèle les uns sur les autres, sur une tension alternative prédéterminée, b) les bobinages de sortie des transformateurs sont branchés en série et prévus de façon que la tension aux bornes de chaque transformateur dépasse d'une quantité prédéterminée, celle du précédent, c) chacun des enroulements d'entrée est susceptible dJetre branché par l'intermédiaire d'un contacteur électronique au réseau, chacun des enroulements de sortie étant sus ceptible d'être shunté par un commutateur électronique de court-circuitage, d) chacun des contacteurs et chacun des commutateurs de court circuitage sont susceptibles d'tre commandés par des moyens de réglage électroniques. e) la sortie positive d'un redresseur en pont branché sur la sortie commune des transformateurs est branchée sur la charge, par l'intermédiaire d'au moins un commutateur élec tronique en cascade avec respectivement deux cascades de commutation branchées en parallèle, tandis que la sortie négative est branchée directement sur la charge. Les avantages obtenus avec le dispositif de circuit ainsi proposé résident notamment en ce que la totalité du courant de commande est prélevée sur le courant de commutation et qu'en conséquence, l'alimentation du eonsu- tateur en tension et en puissance, est supprimée. La tension de 3 kV nécessaire pour les dispositifs de circuit connus, est réduite à 1000 ou 1500 V. Le générateur d'impulsions peut être prévu pour la puissance de source d'ions. La puissance disponible et la puissance délivrée peuvent être maintenues en pratique constantes entre de larges limites de tension, du fait que lorsque la tension du transformateur chute, le courant nominal est augmentez La puissance du générateur d 'impul- sions est réduite du facteur 10. Un exemple de réalisation d'un dispositif de circuit conforme à l'invention est représenté sur la fi- gure unique ci-jointe et va être décrit plus en détail ciaprès. A l'entrée 1 du dispositif de circuit confor- me à l'invention est appliquée une tension alternative de 220 V sur laquelle peuvent être branchés les enroulements d'entrée de 8 transformateurs 2 à 9. Le raccordement de chacun des enroulements d'entrée s'effectue par l'inter- médiaire d'un contacteur électronique 10 en série avec lequel est branché un atténuateur 11 constitué d'mon commuta- teur électronique et d'une résistance d'atténuation raccordée au contact de commutation. Cet atténuateur 11 est, en règle générale, fermé et n'est commandé à l'ouverture que pendant exclusivement 40 ms lors du raccordement du transformateur.Les enroulements de sortie des transformateurs sont branchés en série et sont prévus de façon que la tension de sortie soit de 22 = 4 Volts, au transformateur 2, de 23 = 8 Volts au transformateur 3, et de 29 = 512 Volts au transformateur 9. Chacun des enroulements de sortie est susceptible d'être shunté par l'intermédiaire d'un commu- tateur électronique de court-circuitage 12. Les contacteurs 10, les atténuateurs 11, et les commutateurs de court-circuitage 12 sont actionnés par des moyens électroniques de réglage 13. Les comnrta- teurs de court-circuitage 12 se ferment avec un retard à la fermeture de 6 ms lorsque le contacteur 10 s'ouvre Par mise en circuit et hors circuit prédéterminée des transformateurs 2 à 9, une tension alternative prédéterminée est établie aux bornes de sortie 14, 15 du circuit de transformateur, cette tension, redressée par un redresseur en pont 16, est présente à la borne positive 17 et à la borne négative 18 de ce redresseur. Une diode de séparation 19 est branchée sur la sortie positive 17, cette diode séparant d'un c8té, une mémoire capacitive 20. Aux sorties 17, 18 du redresseur en pont 16 et au raccordement négatif 21 de la mémoire 20, est en outre raccordé un transformateur de potentiel 22 qui fournit à une première sortie 23 sans courant , la valeur réelle de la tension Uist et à une seconde sortie 24 sans potentiel, la valeur réelle du courant IIst' La sortie du transformateur de potentiel 22 à la sortie 17 du redresseur en pont 16 permet une régulation partiellement indépendante de la mémoire 20. De cette façon, lorsque la charge est nulle, le processus de réglage ne se trouve pas interrompu.Les valeurs de consigne de la tension UsOllsor susceptibles d'être réglées suz un premier potentiomètre 25, tandis que les valeurs de consigne du courant ISol1 sont susceptibles d'être réglées sur un second potentiomètre 26. La sortie, transmettant un écart de réglage de la tension d'un premier comparateur de valeur de consi gne et de valeur réelle 27, et la sortie, transmettant un écart de réglage du courant, d'un second comparateur de valeur de consigne et de valeur réelle 28, sont susceptibles d' & re branchées sur de premiers éléments différenciateurs 30 par des moyens de commutation 29 sélectionnant une régulation en tension ou bien une régulation en courant. Deux des premiers éléments différenciateurs 30 sont prévis pour une première fréquence de comptage, deux .autres premiers éléments comparateurs 30 pour une setonde fréquence de comptage. Dans le cas de très grandes dlfférences entre la valeur de consigne et la valeur réelle du courant ou bien de la tension, la fréquence de comptage est elevée au moins du facteur 16 par commutation automatique des éléments différenciateurs 30. Des seconds éléments différenciateurs 31 sont branchés à la suite des moyens de commutation 29 ces éléments commutant automatiquement en cas de limitation de la tension, sur la régulation par courant et commutant automatiquement en cas de limitation du courant sur la régulation par tension. Un circuit logique 32 branché à la suite des premiers éléments différenciateurs 30, comporte un circuit de porte, une commutation à valeur de seuil et un détecteur de tension nulle. A un compteur en avant et en arrière 33, commandé par le circuit logique 32, est raccordé un circuit de commande 34 qui commande directement en temps les contacteurs 10, les atténuateurs il et les commutateurs de court-circuitage 12 pendant le passage par zéro de la tension d'alimentation. Les trajets de courant émetteur-collecteur d'au moins deux premiers transistors npn 35 sont branchés en parallèle entre eux à leur raccordement d'émetteur 37 du côté de la charge 36e Chacun des conducteurs aboutissant au collecteur comporte deux résistances 38, 39 branchées en série, et est relié avec les conducteurs aboutissant au collecteur d'autres premiers transistors npn 35 par l'intermédiaire d'un pont 40 raccordé entre les résistances 38, 39 branchées en série. L'émetteur d'un second transistor npn 41, jouant le rôle d'excitateur, est branché sur les bases , reliées entre elles, des premiers transistors npn 35, le collecteur de l'excitateur 41 étant branché sur le pont 40. Les premiers transistors 35 constituent une cascade de commutation avec l'excitateur 41 et avec leur ensemble de résistances 38, 39 rendant le branchement symétrique et le stabilisant et qui engendrent une tension d'excitation prédéterminée. Deux cascades de commutation branchées l'une sur l'autre en parallèle constituent un commutateur en cascade, susceptible d'entre commandé par l'intermédiaire d'un troisième transistor npn 42 jouant le role de pré-excitateur, et dont l'émetteur est branché sur les bases des excitateurs 41. Une résistance de symétrie 43, une diode de retour 44 pour la protection contre les tensions en retour, et des moyens de protection contre la surtension 45 pour la protection du commutateur en cascade contre les pointes de tension, sont branchés en parallèle sur le commutateur en cascade. Le commutateur en cascade est raccordé à la borne positive de la mémoire 20. la tension minimale de fonctionnement nécessaire pour l'excitateur 41 est obtenue par l'intermédiaire des résistances 38, 39, la tension minimale de fonctionnement pour le pré-excitateur 42 est obtenue par l'intermédiaire des résistances 39O L'excitateur 41 et le pré-excitateur 42 dérivent le courant d'excitation à partir du courant de coemutation Les combinaisons de résistances 38, 39 sont dimensionnées de sorte que pour des courants de commutation importants, une tension minimale prédéterminée est disponible pour l'excitateur 41, tension pour laquelle un échauffement supplémentaire de cet excitateur est évité. les résistances 38, 39 rendent en outre symétriques les cascades de commutation et les stabilisent. Dans le cas de L'exemple représenté sur la figure, deux commutateurs en cascade sont branchés l'un derrière l'autre. Une résistance 47 est branchée entre l'émet- teur du premier transistor 35 et la charge 36, cette résistance limitant le courant à une valeur prédéterminée en cas de court-circuit. le raccordement négatif 21 de la mémoire 20 est relié à la charge 36 par l'intermédiaire d'un transf or- mateur d'impulsions 48. les pré-excitateurs 42 sont commandés par l'intermédiaire d'amplificateurs sans potentiel 49, 50 comportant une entrée opto-électronique, ces amplificateurs étant alimentés à partir d'un transformateur 51. Les signaux de commande sont engendra dans un émetteur de lumière 52 et appliqués aux amplificateurs 49, 50 par l'in ternédiaire de conducteurs de lumière 53, 54. l'ensem- ble des diodes luminescentes de l'émetteur de lumière 52 sont branchées en série, de sorte qu'elles peuvent & re commutées en synchronisme. Le signal de commande pour l'émetteur de lumière 52 est obtenu à partir de moyens de commande, qui sont constitués d'un récepteur opto-électro- nique 56 pour le signal de commande, d'un commutateur temporisé 57, d'un étage de commutation 58, d'un excitateur 59 pour les diodes luminescentes, et d'un circuit de surintensité 60. Ce circuit de surintensité 69 comporte un étage de connexion pour la réintroduction de la valeur de référence de la tension continue qui se perd par l'intermédiaire du transformateur d'iLmpulsions 48. le dispositif de circuit délivre une tension de sortie allant de O à 1000 Volts et engendre un courant pulsé maximal de 16 Ampères. Il est également possible de fournir des tensions plus élevées lorsque les tensions des transformateurs et le nombre des commutateurs en cascade sont augmentés. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Dispositif de circuit pour l'alimentation en énergie d'une charge dtun appareil de décharge dans les gaz, notamment d'une source d'ions, avec un pré lèement de puissance électrique demeurant inchangéesous la forme d'une haute tension pulsée et d'un courant élevé correspondant à cette tension, dispositif constitué d'une alimentation haute tension avec des moyens pour régler cette haute tension et pour l'adapter à des appareils de décharge dans les gaz de tensions de fonctionnement différentes et de courants de fonctionnement différents, pour un prélèvement de puissance restant à peu près inchangée, ainsi que de moyens branchés à la suite de l'alimentation haute tension pour commuter des tensions partielles de la tension de sortie de cette alimentation haute tension, et pour adapter cette tension de sortie et/ou le courant au prélèvement de puissance de la charge, en maintenant une puissance de perte prédéfinie, dispositif caractérisé en ce que a) l'alimentation haute tension comporte plusieurs trans formateurs (2 à 9) dont les enroulements d'entrée sont susceptibles d'être branchés individuellement indépen damment les uns des autres, ou bien en parallèle les uns sur les autres, sur une tension alternative prédé terminée, t) les bobirages de sortie des transformateurs (2 à 9) sont branchés en série et prévus de façon que la tension aux bornes de chaque transformateur dépasse d'une quantité prédéterminée, celle du précédent, C) chacun des enroulements d'entrée est susceptible d'8tre branché par l'intermédiaire d'un contacteur électroni que (10) au réseau, chacun des enroulements de sortie étant susceptible d18tre shunté par un commutateur élec tropique de court-circuitage (12), d) chacun des contacteurs (10) et chacun des commutateurs de court-circuitage (12) sont susceptibles d'tre commandés par des moyens de réglage électroniques (13). e) la sortie positive (17) d'un redresseur en pont (16) bran ché sur la sortie commune (14, 15) des transformateurs (2 à 9) est branchée sur la charge (36) par l'intermédiai re d'au moins un commutateur électronique en cascade avec respectivement deux cascades de commutation branchées en parallèle, tandis que la sortie négative est branchée di rectement sur la charge (36). 2.- Dispositif de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que : a) un transformateur de potentiel (22) est branché aux bor nes de tension continue (17, 18) du redresseur en pont (16) et au-pôwe négatif d'une mémoire capacitive (20) branchée à la suite du redresseur en pont (16), b) la sortie positive (17) du redresseur en pont (16) est branchée, par l'intermédiaire d'une diode de séparation (19) sur la mémoire capacitive (20). c) une sortie sans courant (23), acheminant la valeur réelle (zist) de la tension, du convertisseur de potentiel (22) est branchée sur un premier comparateur (27)de la valeur de consigne et de la valeur réelle de la tension, tandis qu'une sortie sans potentiel (24), acheminant la valeur réelle (IIst) du courant, est branchée sur un second com4 parateur (28) de la valeur de consigne et de la valeur réelle du courant, d) les sorties, acheminant un écart de réglage, des compa rateurs de valeur de consigne et de valeur réelle (27, 28) sont susceptibles d'être branchées sur de premiers éléments différenciateurs (30) par l'intermédiaire d'un moyen de commutation (29) sélectionnant la régulation en tension ou la régulation en courant. e) à la suite du moyen de commutation (29) sont branchés de seconds éléments différenciateurs (31) commutant automati quement sur la régulation en courant lors de la limitation de la tension, et sur la régulation en tension lors de la limitation du courant. 3.- Dispositif de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que : a) il est prévu deux premiers éléments différenciateurs (30) pour une première fréquenee de comptage, et deux autres premiers éléments différenciateurs (303, susceptnbles d'être raccordés automatiquement, pour une seconde fré quence de comptage, qui, lors de grandes différences en tre la valeur de consigne et la valeur réelle du courant ou de la tension, augmentent la fréquence de comptage d'au moins un facteur 16, b) un circuit logique (32) branché à la suite des premiers éléments différenciateurs (303 comporte un circuit de porte, une commutation à valeur de seuil et un détecteur de tension nulle, c) un circuit de commande (34), commandant directement dans le temps les contacteurs (10) des transformateurs (2 à 9) pendant le passage par zero de la tension d'alimentation et fermant avec un retard prédéterminé dans le temps les commutateurs de court-circuitage (123 lors de l'ouverture des contacteurs (10), est branché sur un compteur en avant- en arrière (33) cmmandé par le circuit logique (32). 4.- DiQositîf de circuit selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caracxérise en ce qu'un atténuateur (11), commande exclusivement pendant 40 secondes lors de la mise en circuit du transformateur par le circuit de commande (34), est branché en amont du contacteur (10) sur le conducteur d'alimentation de chacun des transformateurs (2 à 9). 5.- Dispositif de circuit avec un commutateur électronique en cascade selon la revendication 1, caracté- risé en ce que a) les trajets de courant émetteur-collecteur d'au moins deux premiers transistors npn (35) sont branchés en paral lèle entre eux à leur raccordement d'émetteur (37) situé du c8té de la charge (36), b) chacun des conducteurs aboutissant au collecteur comporte deux résistances branchées en série (38, 39) et est relié par l'intermédiaire d'un pont (40), raccordé entre les résistances (38, 39) branchées en série, au conducteur aboutissant au collecteur d'autres premiers transistors npn (35), c) l'émetteur d'un second transistor npn (41), jouant le rôle d'excitateur, est branché sur les bases, reliées en tre elles, des premiers transistors npn (35), d) le collecteur de l'excitateur (41) est branché sur le pont (40), e) les premiers transistors (35) constituent une cascade de commutation avec l'excitateur (41) et avec leur ensemble de résistances (38, 39) rendant symétrique le branchement et le stabilisant et qui engendrent une tension dlexci- tation prédéterminée. f) deux cascades de commutation branchées en parallèle l'une sur l'autre constituent un commutateur en cascade, suscep tible d'être commandé par un troisième transistor npn t42) exploité comme pré-excitateur. g) l'émetteur du pré-excitateur (42) dont la tension d'exci tation est obtenue par l'intermédiaire des résistances (39) est branché sur les bases des excitateurs (41). 6.- Dispositif de circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une résistance de symétrie (43), une diode de retour (44) et un moyen de protection contre la surtension (45) sont branchés en parallèle sur le commutateur en cascade. 7.- Dispositif de circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est prévu un amplifics- teur (49, 50) sans potentiel commandant le pré-excitateur (42), cet amplificateur comportant une entrée opto-électro nique reliée par l'intermédiaire d'un conducteur de lumière (53, 54) à un émetteur de lumière (52). 8.- Dispositif de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que : a) l'émetteur de lumière (52) est raccordé à un moyen de commande (55) essentiellement constitué d'un récepteur opto-électronique (56) pour le signal de commande, d'un commutateur temporisé (57), d'un étage de commutation (58), d'un excitateur (59) pour les diodes luminescentes de l'émetteur de lumière (52) et d'un circuit de sur intensité (60), b) le circuit de surintensité (60) du moyen de commande (55) est raccordé à un transformateur de courant pulsé (48) branché sur le conducteur négatif d'alimentation de la charge, c) le circuit de surjxftensité (60) comporte un étage de connexion pour la réintroduction de la valeur de réSé- rence de la tension contin1le se perdant par l'intermé alaire du transforr*eteur d'impulsions (48), d) à l'étage de connexion sont raccordés un filtre et un commutateur à valeur de seuil qui agit sur le commutateur temporisé (57), qui, lors d'une surintensité, d'une in version de l'alimentation ou bien d'une interruption de l'alimentation, pour protéger le commlltateur en cascade, bloquent pour environ 20 secondes l'impulsion de com mande.