Brevet FR2552596A1 — publié le 19850329

L'invention concerne d'une manière générale les circuits multiplicateurs de tension en cascade du type Cockroft-Walton, et plus particulièrement l'utilisation de tels circuits pour développer des tensions élevées dans des pistolets de pulvérisation électrostatique. L'utilisation de diodes et de condensateurs à semiconducteur dans des circuits multiplicateurs de tension en cascade pour produire une tension élevée pour des opérations de pulvérisation électrostatique est bien connue dans la technique De tels circuits ont été utilisés depuis longtemps pour développer des tensions élevées en un lieu éloigné, lesquelles tensions élevées sont ensuite transmises à un pistolet de pulvérisation au moyen d'un câble d'alimentation convenable et sont appliquées à une 15 électrode associée au pistolet de pulvérisation pour produire une tension de charge électrostatique facilitant l'application de peintures et autres liquides Plus récemment, on a réduit suffisamment les dimensions de ces circuits pour qu'ils puissent être montés directement dans 20 le corps du pistolet de pulvérisation lui-même afin de multiplier l'amplitude d'un courant alternatif sous basse tension, appliqué au multiplicateur, pour établir un potentiel électrostatique prédéterminé. Chacun des étages d'un tel multiplicateur de 25 tension est réalisé à partir d'un circuit doubleur de tension de conception bien connue et plusieurs de ces étages sont montés en cascade pour produire des tensions électrostatiques relativement élevées, de l'ordre de 50 à 150 kilovolts (k V) Des tensions de cet ordre conviennent 30 à l'application de charges électrostatiques à des liquides pulvérisés. L'un des problèmes posés par l'utilisation de tels circuits multiplicateurs de tension en cascade dans les pistolets de pulvérisation résulte des dimensions 35 physiques relativement grandes demandées pour contenir des circuits capables de produire une tension électrostatique raisonnable Il faut un nombre important d'étages en cascade et le corps du pistolet de pulvérisation renfermant ces circuits doit contenir suffisamment de matières isolantes pour éviter le risque d'une rupture diélectrique qui se produirait autrement sous des tensions électrostati5 ques élevées Les problèmes de rupture diélectrique exigent également d'espacer physiquement de distances raisonnables les composants individuels de circuits d'un multiplicateur en cascade pour éviter l'amorçage d'arc entre étages à l'intérieur du multiplicateur. Le nombre d'étages multiplicateurs de tension demandés pour développer une tension suffisamment élevée pour pouvoir être utilisés efficacement dans une pulvérisation électrostatique pose un autre problème lors de la conception des pistolets de pulvérisation Par exemple, 15 il n'est pas rare d'avoir à utiliser dix à douze étages en cascade pour développer la tension demandée, et un multiplicateur de tension présentant ce nombre d'étages occupe une longueur importante Si un tel multiplicateur de tension est monté directement dans un corps de pistolet 20 de pulvérisation, ce corps doit *tre grand et est peu commode et lourd Tous ces facteurs sont indésirables en ce qui concerne la conception du pistolet de pulvérisation, car un objectif constant est de produire un pistolet de pulvérisation léger, aisé à manipuler et confortable 25 à tenir Il est donc souhaitable de minimiser les dimensions physiques des circuits multiplicateurs de tension en cascade lorsque de tels circuits sont incorporés directement dans des corps de pistolet de pulvérisation. L'invention concerne un circuit multiplicateur 30 de tension en cascade du type convenant à une utilisation dans des pistolets de pulvérisation électrostatique, présentant une longueur notablement inférieure à celle des multiplicateurs de tension de l'art antérieur, la longueur du multiplicateur de tension étant une fonction de la 35 somme de la longueur des étages individuels en cascade et la longueur de chaque étage monté en cascade étant principalement une fonction de la dimension physique des condensateurs de cet étage L'invention résulte du fait que l'on a constaté que les contraintes de tension maximale appliquées aux étages successifs de condensateurs du multiplicateur de tension sont une fonction de la position 5 relative de ces condensateurs dans la chaîne du multiplicateur de tension, les contraintes de tension appliquées à ces condensateurs étant d'autant plus faibles que les étages de ces condensateurs sont éloignés de la source de tension, le long de la chaîne du multiplicateur de 10 tension Par conséquent, la tension nominale des condensateurs est choisie en fonction de leur position dans la chaîne du multiplicateur de tension Etant donné que la tension nominale des condensateurs est en relation directe avec leurs dimensions physiques, la longueur des étages de 15 condensateurs davantage éloignés, le long de la chaîne du multiplicateur, peut être réduite, de même que la longueur globale du multiplicateur. L'invention a pour objet principal un circuit multiplicateur de tension conçu pour être incorporé dans 20 un pistolet de pulvérisation, de dimensions physiques minimales L'invention a également pour objet un circuit multiplicateur de tension ayant une longueur minimale. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement 25 limitatif et sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un multiplicateur de tension Cockroft-Walton; la figure 2 est un schéma d'un multiplicateur de tension configuré selon l'art antérieur; la figure 3 est un schéma d'un circuit configuré conformément à l'invention; la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; et la figure 5 est un graphique de tensions. La figure 1 est un schéma d'un circuit CockroftWalton à dix étages Dans une forme classique de réalisation d'un tel circuit, tous les condensateurs "C" ont la même valeur de capacité et toutes les diodes "D" sont du même type Des bornes 10 et 15 constituent les bornes d'entrée et la borne 15 est généralement à la masse. Un courant alternatif sous tension prédéterminée est appli5 qué à la borne 10 et cette tension est élevée par gradins dans les étages successifs du circuit multiplicateur de tension, ce qui a pour résultat une valeur de tension continue élevée à une borne 20 de sortie Le fonctionnement théorique de tels circuits est bien connu dans la technique 10 et d'autres étages consécutifs de multiplication de tension peuvent être ajoutés au circuit si cela est souhaité. A titre d'exemple, un "étage" du multiplicateur de tension de la figure 1 comprend des condensateurs 12 et 14 et des diodes 11 et 13 Chacun de ces "étages" successifs 15 du multiplicateur de tension comprend des paires similaires de condensateurs et de diodes Par conséquent, on peut voir que le circuit multiplicateur de tension de la figure 1 comprend dix étages de multiplication de tension. Chaque étage du multiplicateur de la figure 20 1 double théoriquement la tension de crête d'entrée E et, par conséquent, la sortie théorique du multiplicateur est égale au double de la tension de crête d'entrée E, multiplié par le nombre d'étages Dans le cas du circuit de la figure 1, la sortie théorique à la borne 20 est 25 20 E En réalité, la sortie théorique est réduite par la chute de charge à travers les condensateurs, la chute d'ondulation et la chute de tension à travers les diodes. La chute de tension à travers les diodes n'est généralement qu'insignifiante et peut être ignorée aux fins de 30 la présente invention De même, la chute de tension due à l'ondulation est principalement une fonction des valeurs de capacité choisies pour le circuit, et on peut supposer que des valeurs de capacité assez grandes pour minimiser la chute de tension due à l'ondulation peuvent être choisies. 35 La chute de charge à travers la totalité de la chaîne de condensateurs du multiplicateur est une somme des chutes de charge des condensateurs individuels le long de la chaîne L'effet résultant de la chute de charge des conden- sateurs est de réduire la sortie théorique globale à une certaine valeur inférieure à 2 NE, o N représente le nombre d'étages et E représente la tension de crête d'entrée. La figure 5 montre des mesures de tensions 5 réelles prises le long d'un multiplicateur à N étages. La graduation verticale sur le côté droit du graphique de la figure 5 indique la tension de sortie d'un circuit multiplicateur de tension représentatif, en fonction du nombre d'étages de ce circuit, ce nombre étant indiqué 10 à l'échelle horizontale inférieure L'échelle verticale du cité gauche du graphique de la figure 5 indique la chute de tension de charge à travers un seul étage à condensateurs/diodes, en fonction de la position de cet étage dans le circuit multiplicateur de tension, position indiquée 15 par l'échelle horizontale inférieure La courbe 1 montre les tensions de sortie cumulées à chaque étage du multiplicateur, et il apparaît que la tension augmente avec le nombre d'étages, mais à un rythme décroissant Ce rythme décroissant peut être attribué aux pertes de tensions 20 décrites précédemment La courbe 2 de la figure 5 montre la chute de tension de charge à travers chaque étage de condensateurs du multiplicateur et il apparaît que la chute de tension à travers les premiers étages de condensateurs est notablement supérieure à la chute de tension 25 se produisant à travers les étages de condensateurs plus éloignés le long de la chaîne du multiplicateur La courbe 3 de la figure 5 est une courbe de tension de condensateurs présentant un coefficient de sécurité de 25 % sur les chutes de tensions de la courbe 2, ce coefficient pouvant 30 être utilisé de façon sûre dans les divers condensateurs des étages respectifs du multiplicateur En général, un coefficient de sécurité de tension nominale d'environ 25 Z est nécessaire pour assurer un fonctionnement fiable des condensateurs sans défaillance pendant la vie du produit. 35 Les courbes de la figure 5 montrent qu'il n'est pas nécessaire de maintenir une tension nominale uniforme sur tous les condensateurs de la chaîne du multiplicateur de tension. Par exemple, la courbe 3 montre qu'une tension nominale sûre pour les condensateurs de l'étage 1 du multiplicateur du type représenté doit être de l'ordre de 15 k V, alors qu'une tension nominale de sûreté pour un condensateuer 5 de l'étage 10 du même multiplicateur peut être d'environ 6 k V. Si des condensateurs céramiques ayant des tensions nominales et des valeurs de capacité convenant à une utilisation dans de tels circuits sont examinés, il 10 apparaît que la dimension physique de tels condensateurs varie en fonction directe de la tension nominale deedits condensateurs Ces derniers peuvent être réalisés sous une forme rectangulaire ayant, par exemple, une hauteur prédéterminée et une longueur qui varie en fonction de la tension nominale Par exemple, il est apparu que trois condensateurs ayant les mêmes valeurs de capacité, mais des tensions nominales de 8 k V, 10 k V et 15 k V, respectivement, ont une longueur variant d'environ 50 % En d'autres termes, un condensateur céramique d'une tension 20 nominale de 8 k V a une longueur approximativement égale à la moitié de celle d'un condensateur céramique ayant une tension nominale de 15 k V et un condensateur céramique, de tension nominale de 10 k V, est plus long d'environ 20 X qu'un condensateur de tension nominale 8 kv Cette 25 information peut être très intéressante pour la conception de la disposition physique d'un circuit multiplicateur de tension. La courbe 3 de la figure 5 montre que la tension nominale de sûreté des condensateurs disposés le long 30 des étages du multiplicateur peut être réduite progressivement au fur et à mesure que le nombre d'étages augmente à partir de la source de tension appliquée Théoriquement, ces tensions nominales de sûreté peuvent être réduites conformément au tableau suivant: TABLEAU I Numéro de l'étage Tension nominale (k V) 1 12 2 11,2 3 10,5 4 9,5 8,6 6 8,0 7 7,2 8 6,6 9 6,2 5,7 Etant donné que la longueur physique d'un condensateur est une fonction directe de sa tension nominale, 15 il apparaît que la dimension physique des condensateurs peut être réduite progressivement au fur et à mesure que le nombre d'étages progresse en s'éloignant de la source de tension appliquée Par exemple, si la tension nominale des condensateurs montrés sur le tableau I est comparée à la longueur demandée pour ces condensateurs ainsi qu'aux longueurs des condensateurs choisies conformément à l'art antérieur o la pratique classique impose que la tension nominale appliquée à tous les condensateurs soit choisie de façon à supporter les contraintes de tension de l'étage 25 ayant la chute de tension la plus grande, on peut apprécier l'économie globale de longueur En supposant une longueur normalisée de 1,0 pour les condensateurs de l'étage 1, on obtient la comparaison donnée dans le tableau II: TABLEAU II Numéro de l'étage Longueur (invention) Longueur (art antérieur) 1 1,0 1,0 2 0,93 1,0 3 0,87 1,0 4 0,79 1,0 0,72 1,0 6 0,67 1,0 7 0,60 1,0 8 0,55 1,0 9 0,52 1,0 0,48 1,0 Total 7,13 10,0 Le tableau II montre qu'une économie globale de longueur d'environ 30 Z peut être obtenue dans un multiplicateur de tension A dix étages lorsque les tensions nominales des condensateurs sont choisies conformément à l'invention Ceci signifie que la longueur d'un canon 20 de pistolet de pulvérisation logeant le multiplicateur de tension peut être raccourcie d'environ 30 Z en comparaison avec les canons de pulvérisation de l'art antérieur, d'un fonctionnement similaire. Dans une application pratique, l'économie globale 25 de longueur est quelque peu inférieure à 30 %, car des tensions nominales de condensateurs ne sont pas disponibles dans le commerce sur une large plage de valeurs croissantes. Par exemple, dans la forme préférée de réalisation de l'invention, on choisit des matières céramiques pour conden30 sateurs produites par la firme Myada Development Company, Hampton, Virginie, E U A Des condensateurs constitués de cette matière ont été coupés à des dimensions donnant des tensions nominales de 15 k V, 10 k V et 8 k V, respectivement, et ont été choisis pour être utilisés dans la présente 35 invention afin d'établir, pour les tensions nominales, un coefficient de sécurité important, supérieur au double des chutes de tensions prévues Les tensions nominales des condensateurs de ce groupe sont choisies, pour chaque étage du multiplicateur, afin d'assurer une marge convenable de sécurité pour les contraintes de tension que chaque étage est susceptible de rencontrer, comme représenté 5 par la courbe 2 Il en résulte le choix de condensateurs ayant des tensions nominales telles qu'indiquées par la courbe 4 de la figure 5. La figure 2 montre la disposition physique d'un circuit multiplicateur de tension de l'art antérieur, 10 à dix étages Pour plus de commodité, les diodes sont représentées par leurs symboles sur la figure 2 et il apparaît que la disposition physique d'un circuit multiplicateur de tension est très similaire au schéma électrique de ce circuit On suppose que les condensateurs ont la même valeur et la même tension nominale et qu'ils sont généralement formés de matières céramiques présentant les caractéristiques d'isolation de tensions demandées. La figure 3 illustre un circuit réalisé conformément à l'invention Dans le circuit de la figure 3, les 20 condensateurs des quatre premiers étages du multiplicateur de tension ont été choisis afin d'avoir une tension nominale de 15 k V; les condensateurs choisis pour les trois étages suivants du multiplicateur de tension de la figure 3 ont une tension nominale de 10 k V; et les condensateurs choisis 25 pour les trois derniers étages du multiplicateur de tension ont une tension nominale de 8 k V En choisissant les condensateurs de cette manière, on peut voir que la longueur globale du multiplicateur de tension de la figure 3 est notablement inférieure à la longueur globale du multiplica30 teur de tension de la figure 2 Cette économie de longueur entraîne des économies correspondantes de poids avec, pour résultat, la possibilité de réaliser le mâme nombre d'étages d'un multiplicateur de tension dans un boîtier plus petit lorsque l'on prend en compte les tensions nomi35 nales des condensateurs. La figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3 La zone hachurée de la figure 4 est généralement formée d'une résine époxy ou d'une matière plastique solide et les condensateurs et les diodes du multiplicateur de tension sont enrobés sous la forme montrée sur la figure 4 L'enrobage solide entourant les condensa5 teurs et les diodes respectifs constitue la plus grande partie du poids du multiplicateur de tension et, par conséquent, une diminution de la longueur globale du multiplicateur a pour résultat une diminution directe du poids de ce multiplicateur On peut donc voir qu'en choisissant 10 convenablement les tensions nominales des étages de condensateurs respectifs, afin qu'elles correspondent aux contraintes de tensions réelles apparaissant dans ces étages, on obtient une réduction globale de la longueur du multiplicateur ainsi que du poids de ce multiplicateur. En fonctionnement, il peut être difficile de choisir des condensateurs ayant des tensions nominales différentes pour chaque étage, car le coût économique de l'utilisation d'un nombre aussi élevé de condensateurs différents nepenmetdech&islr qu'un nombre limité de tensions 20 nominales Cependant, en théorie, les tensions nominales des condensateurs peuvent être choisies conformément à la courbe 3 de la figure 5 et ceci a pour résultat la réalisation d'un multiplicateur de tension ayant la plus faible longueur globale En pratique, le multiplicateur 25 montré sur la figure 3 représente un compromis par rapport au multiplicateur optimal théorique, lequel compromis est exigé par les limites pratiques des coûts d'équilibre du marché Par exemple, un multiplicateur de tension pratique a été réalisé à l'aide de condensateurs disponibles 30 dans le commerce et a été conçu pour recevoir une tension d'entrée de 12 k V, ce multiplicateur comportant dix étages de multiplication de tension Les condensateurs disponibles sur le marché libre ont été triés en fonction de leurs dimensions et de leur tension nominales, la valeur de 35 tous les condensateurs ayant été déterminée comme étant de 130 picofarads On a découvert que des condensateurs disponibles dans le onerce, convenant à une utilisation dans les plages de tensions à prévoir selon cette conception, étaient disponibles à des tensions nominales de 15 k V, 10 k V et 8 k V, ces condensateurs ayant les dimensions suivantes: k V Largeur Longueur 15 0,410 0,140 0,410 0,095 8 0,410 0,075 On a de nouveau procédé à une analyse des chutes de tensions à travers chacun des étages respectifs du 10 multiplicateur, à l'aide de données telles que celles montrées sur la figure 5, et on a déterminé que le condensateur à tension nominale de 15 k V pouvait être utilisé dans les trois premiers étages du multiplicateur, alors que le condensateur a tension nominale de 10 k V pouvait 15 être utilisé en toute sécurité dans les trois étages suivants du multiplicateur et que le condensateur à tension nominale de 8 k V pouvait être utilisé dans les quatre étages restants du multiplicateur Par conséquent, un multiplicateur tel que celui montré sur la figure 3 a 20 été réalisé et testé avec succès, et a présenté un fonctionnement approprié tout en offrant une réduction de longueur globale de 25 % et une réduction totale de poids de 25 %, dans chaque cas par rapport à un multiplicateur de conception classique tel que celui montré sur la figure 2. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit multiplicateur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit multiplicateur de tension à semiconducteursdu type CockroftWalton, comportant des condensateurs ( 12, 14) et des diodes ( 11, 13) montés dans des 5 étages multiples, le premier étage étant destiné à être connecté à une source prédéterminée de tension et le Nième étage étant conçu pour être relié à une charge, le circuit multiplicateur étant caractérisé en ce que les condensateurs du premier étage ont une première tension 10 nominale prédéterminée et les condensateurs du Nième étage ont des tensions nominales prédéterminées inférieures à celle des condensateurs du premier étage, de manière que la longueur globale du multiplicateur puisse être réduite. 2 Circuit multiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre plus de trois étages et en ce que les condensateurs desdits étages comprennent en outre des condensateurs ayant au moins trois tensions nominales prédéterminées. 3 Circuit multiplicateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte dix étages et en ce que les condensateurs de ces étages comprennent en outre des condensateurs ayant trois tensions nominales prédéterminées différentes. 4 Circuit multiplicateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les quatre premiers étages dudit multiplicateur comportent des condensateurs d'une première tension nominale prédéterminée et les trois étages suivants du multiplicateur comportent des condensateurs d'une deuxième 30 tension nominale prédéterminée, les trois étages suivants du multiplicateur comportant des condensateurs d'une troisième tension nominale prédéterminée qui est inférieure à ladite deuxième tension nominale prédéterminée, cette deuxième tension étant elle-même inférieure à ladite pre35 mière tension nominale prédéterminée. Procédé de fabrication d'un multiplicateur de tension à semi-cxndutrs du type Cockroft-Walton comportant plusieurs étages de condensateurs ( 12, 14) et de 1 3 diodes ( 11, 13), le procédé, conçu pour minimiser la longueur globale du multiplicateur, étant caractérisé en ce qu'il consiste à sélectionner, pour un premier étage dudit multiplicateur, des condensateurs ayant une première 5 tension nominale prédéterminée qui est supérieure aux contraintes de tensions que les condensateurs du premier étage reçoivent, et à sélectionner, pour un étage suivant du multiplicateur, des condensateurs ayant une deuxième tension nominale prédéterminée, supérieure aux contraintes 10 de tensions que les condensateurs de cet étage suivant reçoivent et qui est inférieure à la première tension nominale prédéterminée. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les étages sont en nombre supérieur à 5 et en 15 ce que les étapes de sélection comprennent en outre et au moins une troisième étape consistant à choisir, pour un autre étage du multiplicateur, des condensateurs ayant une troisième tension nominale prédéterminée qui est supérieure aux contraintes de tensions que les condensateurs 20 de cet autre étage reçoivent et qui est inférieure a la deuxième tension nominale prédéterminée.