Brevet FR2616979A1 — publié le 19881223

DISPOSITIF DE PROTECTION D'UN EQUIPEMENT ELECTRONIQUE CONTRE LES FORTES IMPULSIONS ELECTROMAGNETIGUES, 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 (de communication, 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 ('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 tres 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 entre 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 connaçt déjà, notamment par le document FR-A-2563058 dépose 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 place entre une liaison et L'équipement à protéger. Il se compose d'un élément non linéaire, de type écrSteur, 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'écrétage, mais aussi pour atténuer le niveau de tension de L'impulsion apres I'écretage. Ce dispositif permet la protection contre Les impulsions électromagnétiques intenses dont le 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 entraîner 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 dispose 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 serie :: - une cellule d'écrêtage principale comprenant un premier écrêteur et un filtre pass-e-bas, - une cellule d'écrêtage secondaire comprenant un second écrêteur, Lesdits écrêteurs ayant des caractéristiques dynamiques d'amorçage différentes, et - une cellule de filtrage comprenant un filtre passebas. De manière préférée, les filtres passe-bas sont des filtres en L, comprenant une inductance et un condensateur. 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 t'inductance, ce moyen de commutation étant disposé en parallèle avec le condensateur du filtre passe-bas. Selon une autre caractéristique du dispositif de L'invention, le premier écrêteur de la cellule d'écretage principale, l'ensemble constitué par Le filtre passe-bas de ladite cellule d'écrêtage principale et le second écrêteur et la cellule de filtrage sont chacun disposé dans une enceinte radioélectriquement protégée. Les caractéristiques et avantages de L'invention ressortiront nieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif nais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur Lesquels : - La figure 1 est un graphe illustrant le spectre en fréquence de différentes types de signaux, - La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif de L'invention, - la figure 3 est un graphe montrant les caractéristiques dynamiques d'amorçage des deux écrêteurs des cellules d'écrêtage du dispositif de l'invention, - la figure 4 illustre une variante de réalisation des cellules d'écrêtage dans laquelle le second écrêter est un éclateur de type tripolaire ou à gâchette, - la figure 5 illustre une autre variante de réalisation des cellules d'écrêtage dans laquelle chaque écrêteur se compose d'un éclateur et d'une varistance, - La figure 6 illustre une variante de réalisation du dispositif de l'invention dans lequel les éléments du dispositif sont disposés dans différentes enceintes radio-électriquement isolées, et - les figures 7a et 7b 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 6 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 fréquentielle importante (entre 1 MHz et 30 MHz 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 1 kHz au plus. Les lignes de transmission des signaux téléphoniques ou informatiques sont également utilisées pour L'émission de signaux de service, telles 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 représente 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 realisation 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 liai son 6 non -protégée 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 t' intérieur de l'enceinte 2. Le dispositif de protection de L'invention se compose d'une cellule d'écrêtage principale 12A, d'une cellule d'écrêtage secondaire 129 et d'une cellule de filtrage 14 disposées en série dans L'enceinte 2. Les cellules d'écrêtage ont pour fonction d'écouler le maximum d'énergie de la ligne non protégee vers la 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 principale 1ZA, comprend un écrêter 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 écrêter 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 doues aux impulsions électromagnétiques intenses, telle que la foudre, - une impédance interne faible en regimbe ionisé (résistance d'arc et inductance d'arc) afin de limiter la tension résiduelle de l'écrêteur. La cellule d'écrêtage principale 12A 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. La cellule d'écrêtage secondaire 126 comprend un second écrêteur 24 dont une extrémité est reliée à L'autre extrémité de l'inductance 20 et dont l'autre extrémité est reliée 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 la cellule principale. Lorsque la commutation de l'écrêteur de cette cellule est réalisée, les éléments parasites de celui-ci créent à ses bornes une tension résiduelle de déchet. Cette tension possede un spectre en fréquence qui appartient au spectre électromagnétique d'origine. Le filtre 20, 22 permet de prélever dans ce spectre une fréquence préférentielle, par résonance sérine. Ceci provoque une surtension aux bornes du condensateur 22 et permet d'amorcer le second écrêter 24. La fréquence de résonance du filtre est une fréquence légèrement supérieure à la limite supérieure du spectre en fréquence des signaux normalement transmis sur La ligne, et l'écrêter 24 est choisi de manière à avoir une tension d'amorçage faible pour cette fréquence de résonance. Cette structure des cellules d'écrêtage permet l'amorçage successif des deux écrêteurs 16 et 24, de sorte qu'ils participent ensemble à L'écoulement de l'énergie des fortes impulsions électromagnétiques. Les caractéristiques dynamiques d'amorçage des deux écrêteurs ont été représentées sur le graphe de la figure 3. Les courbes E et E des tensions d'amorçage des écrêteurs 16 et 24 1 2 indique la tension d'amorçage V en fonction de la pente dV/dt du a signal d'impulsion reçu. Ces deux courbes sont différentes. L'écrêter 16 a une tension d'amorçage faible pour les impulsions de pente élevée, ce qui permet de dériver une partie importante de l'énergie d'une impulsion électromagnétique. Le deuxième écrêteur 24 reçoit donc une impulsion d'intensité plus faible et ayant également une pente mcins élevée. Il doit donc avoir une tension d'amorçage faible pour une pente d'impulsion plus faible. Son amorçage est aidé par le filtre constitué de L'inductance 20 et du condensateur 22 qui créé précisément une surtension dans la partie basse fréquence du signal d'impulsion résiduel. Sur le graphe de la figure 3, on a indiqué des exemples de caractéristiques d'amorçage E et E pour Les écrêteurs 16 et I 2 24. Les écrêteurs sont choisis en fonction de l'apptication particulière visee, notamment les caractéristiques (fréquence et intensité) des signaux utiles transmis sur la Ligne. On a représenté sur la figure 4 une variante de réalisation des cellules d'écrêtage du dispositif de l'invention qui diffère des cellules d'écrêtage du dispositif de la figure 2 en ce que Le second écrêter est un éclateur 25 de type tripolaire ou à gâchette. Sur cette gichctte est appliquée une impulsion, prélevée sur l'entrée 4, de polarité inverse de celle appliquée sur l'électrode chaude (c'est-à-dire reliée à La ligne 6) de l'éclateur 25. Ceci permet de faciliter et d'améliorer l'amorçage de ce second écrêteur, ce qui est souhaitable en particulier lorsque la tension résiduelle délivrée par le premier écrêter est un peu faible. Un montage comprenant en série une inductance 19, un condensateur 21 et une inductance 23 est disposé en parallèle avec le premier éclateur 16. La tension appliquée sur la g8chette est prélevée au point commun du. condensateur 21 et de l'inductance 23. Les cellules d'écrêtage représentées sur les figures 2 et 4 sont bien adaptées au cas où la ligne ne transmet que des signaux ayant une faible intensité. Cependant, 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 les prêteurs de la cellule d'écrêtage après qu'ils aient été amorcés par une impulsion électromagnétique intense. Pour éviter ceci, et donc faciliter la commutation de l'écrêteur après son amorçage, il est avantageux de disposer en série avec les éclateurs 16 et 24 des varistances 18 et 26 comme représenté sur La figure 5. 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 14L 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 12A, et le condensateur 30 est disposé entre la liaison et la terre, en aval de l'inductance 28. Le moyen 149 n'est pas nécessaire dans toutes les applications. Il est surtout intéressant pour les lignes transmettant des signaux de fréquence supéricure à 1 MHz, telles que les Lignes numériques. La structure du filtre 14A dépend également de la ligne. L'inductance 28 peut avantageusement être remplacée par une resistance pour les lignes transmettant des signaux de fréquence inférieure à 1kHz. Le moyen 14L représenté sur la figure 2 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 apparat 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 dusignal parasite délivré par la cellule d'ecrçtage.l2. Le seuil de conduction des diodes 36 et 38 doit être fixé afin que les éventuels signaux de service (code d'appel, sonnerie) ne provoque pas une mise en conduction des diodes car, si tel etait le cas, Les signaux de service seraient absorbes par la cellule de filtrage 14 et ne serai-ent plus présents en sortie du dispositifrde 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. On a représenté sur la figure 6 une variante de réalisation du dispositif de l'invention. Ce dispositif comprend Les mêmes éléments que celui de la figure 2. Il s'en distingue en ce que Le premier écrêteur 16, l'ensemble constitué par le filtre 20, 22 et le second écrêteur 24 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. 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 être constitué par exemple d'une cellule d'écrêtage telle que représentée sur la figure 4 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 - écrêteur 25 : écrêteur rapide tripolaire - inductance 19 : O,5AH - inductance 20 : 2,2H - condensateur 21 : 50 pF - condensateur 22 : 100 pF - inductance 23 : 1,5pu - inductance 28 : 2,2ru - condensateur 30 : 100 pF - condensateur 32 : 1 > kF - 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 diécrêtage principale 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. Les atténuations apportées par la cellule d'ecretage secondaire et la cellule de filtrage sont respectivement de l'ordre de 6 dB et 20 dB ; l'impulsion résiduelle sur la ligne n'est alors plus que de quelques dizaines de volts. Dans le cas où La liaison 6 est une liaison téléphonique ayant une bande passante de quelques kilohertz, Le dispositif de protection peut être constitué par exemple d'une cellule d'secrétage telle que représentée sur la figure 4 suivie d'une cellule de filtrage composée uniquement du filtre 14A du dispositif de la figure 2.-Le dispositif peut comprendre les éléments suivants : - écrêteur 16 : sécréteur rapide - écrêter 25 : écrêteur rapide tripolaire ou à gâchette - inductance 19 : O,5H - inductance 20 : 2,2AH - condensateur 21 : 50 pF - condensateur 22 : 100 pF - inductance 23 - inductance 28 : 22JkH - condensateur 30 : 100 pF Le dispositif de protection de l'invention est destiné à protéger un équipement électronique disposé lui-meme dans une enceinte radio-éettriquement protégée. On a représenté sur les figures 7a et 7b deux modes d'implantation sur cette enceinte du dispositif objet de l'invention. Sur La figure 7a, 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 représente sur la figure, au moyen d'équerres 44. Sur la figure 7b, 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 effectue dans un même bottier comme représenté sur la figure 6. 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 dispose 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 principale (12A) comprenant un premier écrêteur ayant une extrémité reliée à l'entrée de ladite cellule d'écrêtage et une autre extrémité à la terre, et un filtre passe-bas disposé entre l'entrée et la sortie de ladite cellule d'écretage, - une cellule d'écrêtage secondaire (12B) comprenant un second écrêteur ayant une extrémité reliée à l'entrée de ladite cellule d'éérêtage et une autre extrémité à la terre, lesdits écrêteurs ayant des caractéristiques dynamiques d'amorçage différentes et Le filtre passe-bas de la cellule d'-écrêtage principale créant, pour une fréquence de résonance supérieure à la fréquence maximale contenue dans les signaux normalement transmis sur la ligne, une surtension aux bornes du second écrêteur, - une cellule de filtrage (14) comprenant au moines un filtre passe-bas (14A). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que Le filtre passe-bas de la cellule d'écrêtage principale (12A) est un filtre en L (20, 22). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque écrêter est un éclateur (16, 24). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second éclateur est du type tripolaire ou à gâchette (25), la cellule d'écrêtage secondaire comprenant en outre un filtre passe-haut, composé en série d'une inductance (19), d'un condensateur (21) et d'une inductance (23), connecté entre l'entrée de la cellule d'écrêtage principale et la terre, la gâchette du second éclateur étant reliée au point commun entre le condensateur (21) et l'inductance (23). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérise en ce qu'une varistance (18, 26) est en outre disposée entre chaque éclateur et la terre. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que Le filtre passe-bas (14A) de la cellule de filtrage est un filtre en L (28, 30). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la cellule de filtrage comporte en outre un moyen de commutation (14B) de la fréquence de coupure du filtre passe-bas (14A). 8. Dispositif selon la revendication 7, 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 L'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. Ç. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments à seuil sont des diodes (36, 38). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que Le premier écrêteur, L'ensemble constitué du filtre de la cellule d'écrêtage principale et du second écrêter, et la cellule de filtrage sont chacun contenus dans une enceinte radio-électriquement isolée.