Brevet FR2616978A1 — publié le 19881223

DISPOSITIF DE PROTECTION D'UN EQUIPEMENT ELECTRONIQUE CONTRE LES FORTES IMPULSIONS ELECTROMAGNETIQUES, NOTAMMENT DUES A LA FOUDRE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispositif de protection d'un équipement éLectronique contre les fortes impulsions électromagnétiques. Le dispositif de L'invention vise à La protection contre des impulsions électromagnétiques intenses telles que celles produites par La foudre. A fortiori, Le dispositif de L'invention peut être utilisé pour se protéger d'un électromagnétique perturbateur moins intense. De manière générale, on peut considérer que Les effets perturbateurs sur les équipements électroniques sont provoqués par deux causes qui sont d'une part le couplage directe d'un champ électromagnétique avec L'équipement électronique et, d'autre part, L'injection par les liaisons (decommunication, d'alimentation électrique, ...) dont est pourvu cet équipement. Cette injection est elle-même due au couplage entre le champ électromagnétique et la liaison. Le couplage direct entre le champ électromagnétique et L'équipement électronique peut être éliminé, de manière connue, en disposant L'éqUipement électronique à protéger dans une enceinte radio-électriquement protégée (cage de Faraday). Cette protection est toutefois insuffisante si L'équipement électronique disposé dans La cage de Faraday est relié à un-autre équipement extérieur à la cage de Faraday par une liaison non protégée. L'injection d'une impulsion électromagnétique sur la liaison se traduit par une impulsion parasite de tension et/ou de courant de valeur maximale très importante. Dans Le cas de la foudre, la tension peut atteindre 10 kV et L'intensité 20 kA. Une telle impulsion se propageant sur une liaison atteint L'équipement sur une entrée ou il reçoit normalement un signal de tension très inférieur, qui est de L'ordre de 500 volts pour une Liaison d'alimentation électrique et de quelques dizaines de volts pour une liaison téléphonique ou informatique. Une telle impulsion a donc de fort chance d'endommager très sérieusement L'équipement électronique. On connatt déjà, notamment par le document FR-A-2563058 déposé le 17 avril 1984 au nom de la demanderesse, un dispositif de protection d'un équipement électronique contre les fortes impulsions électromagnétiques. Ce dispositif est placé entre une liaison et L'équipement à protéger. Il se compose d'un élément non Linéaire, de type écrêteur, pour dériver de la liaison vers La terre Le maximum d'intensité de L'impulsion électromagnétique, et un moyen de filtrage pour écouler égaLement du courant et/ou de L'énergie non dérivé à l'écrêtage, mais aussi pour atténuer Le niveau de tension de l'impulsion après L'écrêtage. Ce dispositif permet la protection contre les impulsions électromagnétiques intenses dont Les front de montée est très rapide, telle qu'une impulsion causée par la foudre. Alors que le dispositif décrit dans le document FR-A2563058 est destiné à être disposé entre une Ligne d'alimentation basse tension et l'équipement électronique à protéger, et n'a donc pratiquement pas de contraintes sur sa bande passante, le dispositif objet de la présente invention est destiné à être disposé aussi bien entre une ligne d'alimentation et L'équipement électronique qu'entre une Ligne de transmission de signaux et L'équipement électronique. Le dispositif de l'invention est donc conçu pour ne pas entrainer un affaiblissement d'un signal utile, notamment en ce qui concerne son amplitude et son spectre de fréquence. De manière précise, L'invention a pour objet un dispositif de protection d'un équipement électronique contre les fortes impulsions électromagnétiques, ledit équipement étant contenu dans une enceinte radio-électriquement isolée et étant relié à une Liaison extérieure à ladite enceinte, ledit dispositif de protection étant disposé dans une autre enceinte radio-électriquement isolée et comprenant une entrée reliée à ladite liaison et une sortie reliée audit équipement, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, en série, une cellule d'écrêtage et une cellule de fiLtrage, la cellule d'écrêtage comprenant un écrêteur et un filtre passe-bas, et la cellule de filtrage comprenant un filtre passe-bas à fréquence de coupure variable. Selon un mode de réalisation préféré, la cellule de filtrage comprend un filtre passe-bas en L constitué d'une inductance et d'un condensateur, suivie d'un moyen de commutation de La fréquence de coupure de ce filtre, ce moyen de commutation comprenant un élément non linéaire à seuil dont le seuil de conduction est supérieur au niveau maximal du signal utile sur la Ligne. Selon un mode de réalisation avantageux, ce moyen de commutation comprend un condensateur et une inductance en série et deux diodes tête-bêches disposées en parallèle avec la résistance, ce moyen de commutation étant disposé en parallèle avec le condensateur du filtre passe-bas. Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, L'écrêter de La cellule d'écrêtage, le filtre passe-bas de la cellule d'écrêtage, et La cellule de filtrage sont chacun disposé dans une enceinte radio-électriquement protégée. Les caractéristiques et avantages de L'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur Lesquels - la figure 1 est un graphe illustrant le spectre en fréquence de différents types de signaux, - la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif de l'invention, - La figure 3 illustre une variante de réalisation de la cellule dlécrêtage dans laquelle l'écrêteur se compose d'un éclateur et d'une varistance, - la figure 4 illustre une variante de réalisation du dispositif de l'invention dans lequel Les éléments du dispositif sont disposés dans différentes enceintes radio-électriquement isoles, et - les figures 5a et 5b illustrent deux modes d'implantation du dispositif de L'invention sur une enceinte radio-électriquement isolée. On a représenté sur la figure 1 les spectres en fréquence des signaux normalement transmis par une liaison et le spectre en fréquence correspondant à une impulsion électromagnétique intense due à la foudre. Dans le graphe de la figure 1, l'abscisse note la fréquence F et L'ordonnée L'amplitude en dB. La courbe A est Le spectre en fréquence d'un signal transmis sur une ligne téléphonique ou informatique à faible débit, et la courbe B le spectre en fréquence d'un signal numérique transmis sur une ligne informatique à fort débit. Ces signaux sont caractérisés par une amplitude faible et une largeur frêquentielle importante importante (entre 1MHz et 30MHz environ) par rapport à un signal d'alimentation électrique transmis sur une Ligne d'alimentation ou de télécommande. Un tel signal, dont le spectre en fréquence est représenté par la courbe C, a une bande passante Limitée à 1kHz au plus. Les lignes de transmission des signaux téléphoniques ou informatiques sont également utilisées pour l'émission de signaux de service, tel les que la sonnerie ou le code d'appel d'un abonné dans le cas d'une ligne téléphonique. Ces signaux de service ont généralement une amplitude plus forte et une fréquence plus basse que les signaux émis normalement sur la ligne de transmission. Ceci doit être pris en compte. On a également représenté sur la figure 1 le spectre en fréquence d'une impulsion électromagnétique intense causée par la foudre. Ce spectre correspondant à la courbe D. Le dispositif de L'invention permet une protection des équipements électroniques par rapport à une telle impulsion électromagnétique, sans perturber les signaux normalement présents sur la Ligne de transmission. Un mode de réalisation schématique du dispositif de L'invention est représenté sur la figure 2. Ce dispositif est disposé dans une enceinte radio-électriquement isolée 2 telle qu'une cage de Faraday. Celle-ci comprend une première ouverture 4 pour recevoir une Liaison 6 non protégee des perturbations électromagnétiques et une seconde ouverture 8 de laquelle part une liaison 10 protégée des perturbations électromagnétiques, cette liaison étant reliée par son autre extrémité à un équipement électronique à protéger. Les ouvertures 4 et 8 sont réalisées selon des règles connues de l'homme de L'art de manière à maintenir l'isolement électrique à L'intérieur de L'enceinte 2. Le dispositif de protection de L'invention se compose d'une cellule d'écrêtage 12 et d'une cellule de filtrage 14 disposées en série dans L'enceinte 2. La cellule d'écrêtage 12 a pour fonction d'écouler le maximum d'énergie de la ligne non protégée vers ta terre, et la cellule de filtrage 14 a pour fonction d'adapter la bande passante au signal normalement transmis sur la ligne et de réduire La tension résiduelle non écoulée par La cellule d'écrêtage. La cellule d'écrêtage 12 comprend un écrêteur dont une extrémité est reliée à la liaison à protéger et dont l'autre extrémité est reliée à L'enceinte 2, elle-même reliée à la terre. Cet écrêteur est par exemple un éclateur 16 et présente les caractéristiques suivantes - une tension d'amorçage dynamique V faible en fonction de la pente dV/dt élevée de L'impulsion électromagnétique perturbatrice, - un fort pouvoir d'écoulement pour absorber sans destruction les énergies dues aux impulsions électromagnétiques intenses, telle que la foudre, - une impédance interne faible en régime ionisé (resistance d'arc et inductance d'arc) afin de limiter la tension résiduelle de L'écrêteur. La cellule d'écretage 12 comprend également un filtre passe-bas. Celui-ci est de préférence un filtre en L comprenant une inductance 20 et un condensateur 22. L'inductance 20 est reliée par une extrémité à l'ouverture 4. Le condensateur 22 est relié d'une part à L'autre extrémité de l'inductance 20 et d'autre part à la terre par l'intermédiaire de L'enceinte 2. Le filtre passe-bas offre une grande impédance d'entrée à La pénétration des fréquences élevées. Il permet ainsi, lorsqu'une impulsion électromagnétique à front de montée rapide se présente sur la Ligne, de faciliter une commutation rapide de L'écrêter de l'étage d'entrée. Lorsque la commutation de l'écrêteur est réalisée, Les éléments parasites de celui-ci créent à ses bornes une tension résiduelle de déchet. Le filtre a également pour rôle d'écouler du courant et/ou de L'énergie non dérivé à l'écrêtage, mais aussi celui d'atténuer le niveau de tension de l'impulsion après L'écrêtage notamment dans La partie haute fréquençe du spectre de l'impulsion. Comme on l'a déjà indiqué, Les signaux transmis normalement sur La ligne peuvent être accompagnés de signaux de service (sonnerie ou code d'appel dans Le cas d'une Ligne téléphonique) à fréquence basse mais à niveau relativement élevé. Le niveau de tension d'un tel signal peut être suffisant pour maintenir conducteur L'écrêteur de la cellule d'écrêtage après qu'il ait été amorcé par une impulsion électromagnétique intense. Pour éviter ceci, et donc faciliter la commutation de L'écrêter après son amorçage, il est avantageux de disposer en série avec L'éclateur 16 une varistance 18 comme représenté sur la figure 3. Revenons maintenant à la figure 2. La cellule de filtrage 14 comprend un filtre 14A dont la bande passante est adaptée au spectre en fréquence des signaux normalement transmis sur la Ligne, et un moyen 14B de modification de la fréquence de coupure du filtre 14A. Le filtre 14A est un filtre passe-bas en L comprenant une inductance 28 et un condensateur 30. L'inductance 28 est en série avec l'inductance 20 du module 12, et le condensateur 30 est disposé entre la liaison et la terre, en aval de l'inductance 28. Le moyen 14L est composé en série d'un condensateur 32 et d'une inductance 34 disposées en parallèle avec le condensateur 30. Ce moyen comprend également des éléments non linéaires à seuil telles que des diodes, par exemple des diodes Zener 36 et 38 comme représenté sur la figure, disposées en parallèle avec l'inductance 34. Le fonctionnement de la cellule de filtrage 14 est le suivant. En temps normal lorsqu'aucune impulsion électromagnétique intense n'est présente sur la Ligne, La fréquence supérieure de coupure définie par la filtre 14A est supérieur à La fréquence maximale des signaux normalement transmis. La cellule de filtrage 14 n'a donc aucun effet. Lorsqu'une impulsion électromagnétique intense appariait sur la Ligne, une partie importante de l'énergie de cette impulsion est dérivée par la cellule d'écrêtage 12. Cependant, une fraction de l'énergie de cette impulsion atteint la cellule de filtrage 14 et les diodes 36 et 38 deviennent conductrices. Le condensateur 32 est alors placé en parallèle avec le condensateur 30 ce qui diminue temporairement la bande passante du filtre 14A. Il s'ensuit une atténuation suplémentaire du signal parasite délivré par la cellule d'écrêtage 12. Le seuil de conduction des diodes 36 et 38 doit autre fixé afin que Les éventuels signaux de service (code d'appel, sonnerie) ne provoque pas une mise en conduction des diodes car, si tel était le cas, les signaux de service seraient absorbés par la cellule de filtrage 14 et ne seraient plus présents en sortie du dispositif de protection. Le seuil de conduction des diodes est donc fixé à une valeur Légèrement supérieure au niveau des signaux les plus intenses normalement transmis sur la Ligne, corrigé par le rapport de division défini par le condensateur 32 et L'inductance 34. Dans le cas où la liaison 6 est une ligne pour signaux numériques ayant une bande passante de quelques mégahertz, le dispositif de protection peut etre constitué par exemple d'une cellule d'écrêtage telle que représentée sur la figure 2, suivie d'une cellule de filtrage telle que celle du dispositif de La figure 2. Le dispositif peut comprendre les éléments suivants - écrêteur 16 : écrêteur rapide - inductance 20 : 2,2ru - condensateur 22 : 100 pF - inductance 28 : 2,2oh - condensateur 3G : 100 pF - condensateur 32 : 1WF - inductance 34 : 22 mH - diodes 36, 38 : diodes Zener - tension de seuil : 10 à 20 volts. Dans ce dispositif, à titre d'exemple, la cellule d'écrêtage apporte une atténuation d'environ 40 dB, ce qui Laisse une tension résiduelle de quelques centaines de volts pour une impulsion sur La ligne ayant quelques dizaines de kilovolts. L'atténuation apportée par la cellule de filtrage est d'environ 20 dB ; l'impulsion résiduelle sur la ligne n'est alors plus que de quelques dizaines de volts. On a représenté sur la figure 4 une variante de realisation du dispositif de l'invention. Ce dispositif comprend les mêmes éléments que celui de La figure 2. Il s'en distingue en ce que L'écrêter 16, le filtre 20-22 et la cellule de filtrage 14 sont chacun disposé dans une enceinte radio-électriquement isolée. Cette structure permet un meilleur isolement électromagnétique des différents éléments du dispositif. Le dispositif de protection de L'invention est destiné à protéger un équipement électronique disposé lui-même dans une enceinte radio-électriquement protégée. On a représenté sur Les figures 5a et 5b deux modes d'implantation sur cette enceinte du dispositif objet de l'invention. Sur la figure 5a, le dispositif de protection 2 de L'invention est disposé sur la face externe d'une enceinte radioélectriquement protégée 40 contenant l'équipement électronique à protéger 42. Le dispositif de protection 2 peut être fixé sur l'enceinte 40 par tout moyen connu de L'homme de L'art et notamment, comme représenté sur la figure, au moyen d'equerres 44. Sur la figure 5b, le dispositif de protection 2 a été fixé au moyen d'équerres 44 sur la face interne de l'enceinte 40. Dans le cas d'un équipement électronique sur lequel sont connectées plusieurs lignes de transmission et/ou d'alimentation, un dispositif de protection conforme à L'invention est disposé sur chaque Ligne. Ainsi, par exemple, pour des Liaisons téléphoniques bifilaires, deux dispositifs de protection sont utilisés et pour des liaisons numériques quadrifilaires de type MIC, quatre dispositifs de protection sont utilisés. Le montage de ces dispositifs peut être dans ces cas effectué dans un même boitier comme représenté sur la figure 4. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection d'un équipement électronique (42) contre les fortes impulsions électromagnétiques, ledit équipement étant contenu dans une enceinte (40) radio-électriquement isolée et étant relié à une ligne extérieure à ladite enceinte, ledit dispositif de protection étant disposé dans une autre enceinte (2) radioélectriquement isolée et comprenant une entrée (4) reliée à ladite ligne (6) et une sortie (8) reliée audit équipement, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, en série - une cellule d'écrêtage (12) comprenant un écrêteur, ayant une extrémité reliée à L'entrée de ladite cellule d'écrêtage et une autre extrémité à la terre, et un filtre passebas disposé entre l'entrée et la sortie de ladite cellule d'écrêtage, et - une cellule de filtrage (14) comprenant en série un filtre passe-bas (14A) et un moyen de commutation (14B) de la fréquence de coupure dudit filtre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commutation comprend des éléments non linéaires. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de commutation (14B) comprend en série un condensateur (32) et une inductance (34) disposés entre la ligne et La terre, et des éléments à seuil de conduction aux bornes de I ' inductance, le seuil étant fixé de manière qu'il y ait conduction desdits éléments lorsque le signal sur la ligne a une amplitude supérieure à L'amplitude maximale des signaux normalement transmis sur la Ligne. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments à seuil sont des diodes (36, 38). 5. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'écrêteur, le filtre de la cellule d'écrêtage et la cellule de filtrage sont chacun contenus dans une enceinte radio-électriquement isolée. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre passe-bas de la cellule d'écrêtage (12) est un filtre en L (20, 22). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que L'écrêter est un éclateur (16). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une varistance (18) est en outre disposée entre L'éclateur et la terre. 9. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le filtre passe-bas (14A) de la cellule de filtrage est un filtre en L (28, 30).