Brevet FR2664759A1 — publié le 19920117

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE DES SURTENSIONS La présente invention conoerne un dispositif de protec- tion contre des surtensions. La figure 1 représente le montage habituel d'un dispo- sitif de protection 1 Etant donné une tension d'alimentation disponible entre des bornes d'entrée A et B, et un circuit élec- tronique à protéger 2, le dispositif de protection est disposé entre les bornes d'entrée A et B. Deux types principaux de dispositifs de protection sont couramment utilisés. Un premier type de dispositif de protection, par exemple une diode zenar, est destirné à écrêter des impulsions de surtension survenant entre les bornes A et B Ce comxposant présente une caractéristique du type illustré en figure 2 A, à savoir que, dès que la tension à ses bornes dépasse une certaine valeur, appelée tension de claquage ou tension d'avalanche V 1 R de la diode, le courant croit à tension sensiblement constante. Ainsi, comme le représente la figure 2 B, des impulsions Pl et P 2 venant se rajouter à une tension d'alimentation telle qu'une tension alternative redressée double alternance sont écrêtées et, dès la fin de l'impulsion, l'alimentation normale continue à être présente aux bornes du dispositif 2 à protéger. Un deuxième type de dispositif de protection, tel qu'un thyristor à drclench N-nt par avalanche présente la caractéris- tique illustrée en figure 3 A Dès que la tension appliquée à ce dispositif dépasse une valeur VBO, dite tension de retourne- ment, le dispositif devient conducteur et la tension à ses bornes chute à une valeur très fahible Le dispositif reste ensuite à l'état conducteur tant que le courant d'alimentation n'est pas réduit à une valeur inférieure à un courant de maintien IH A titre d'exemple, la tension VBO peut être de l'ordre de quelques oentaines de volts et la tension VH de l'ordre de la dizaine de volts L'effet d'un tel dispositif de protection sur une tension alternative redressée double alternance est illustre en figure 3 B On voit qu'à partir de l'impulsion Pl, l'alimen- tation du dispositif 2 est coupée pour ne remonter que lors de 1 'alternanoce suivante. Chacun des dispositifs de protection décrits précédem- ment présente des avantages et des inronvénients. L'inconvénient principal des dispositifs de type diode zener est que, quand les impulsions deviennent de longue durée, un courant notable circule pendant la durée de l'impulsion dans la diode qui présente une tension élevée à ses bornes (de l'ordre de 400 volts par exaemple pour un dispositif de protection du réseau) et qu'en ccnséquerce la diode s'échauffe Il faut alors prévoir des diodes de grande dimension et donc d'un coût élevé. L' ixxn énient principal des dispositifs de type thyristor à avalanche est que, après chaque surtension, 1 ' alimen- tation est interranpue jusqu'à remise à zéro de la tension d'ali- mentation Il en résulte des disfcnctionnements pour le disposi- tif à protéger qui ne reçoit plus d'alimantation ou qui doit comprendre une capacité réservoir d'entrée importante pour pallier ces chutes de tension Malgré oet inconvénient, on est amené à utiliser des dispositifs de protection de ce type dès que les surtensions sont susceptibles d'être d'énergie (amplitude ou durée) importante. Or en pratique, le problème se pose de façon quelque peu différente En effet, la figure 4 illustre le résultat d'une étude statistique effectuée sur des lignes d'abonnés en Europe. Cette étude correspond à l'observation pendant 112 jours d'une ligne d'abonn et révèle l'apparition de 1009 surtensions Plus particulièrement, la figure 4 est un diagramme montrant la probabilité d'apparition de surtensions d'amplitude et de durée données Le diagramme de la figure 4 montre que 29,44 % des surtensions observées cnt uns valeur comprise entre 200 et 300 volts au-dessus de la tension normale du réseau et une durée entre 1 et 3 microserondes alors que 0,42 % des surtensions observées seulement ont une valeur comprise entre 600 et 700 V et une durée comprise entre 3 et 10 micrsecondes. On peut classer les surtensions observées en deux caté- gories, celles à forte énergie et oelles à faible énergie Les surtensions à forte énergie sont caractérisées soit par une lorngue durée (par exemple supérieure à 10 microseoxndes) même si leur amplitude est relativement faible (par exemple inférieure à 300 volts), soit par une forte amplitude (par exemple supérieure à 600 volts) mêmne si leur durée est relativement oeurte (par exemple inférieure à une micirosecnde) Les surtensions à faible énergie présentent les caractéristiques complémentaires Dans l'exemple ci-dessus, oe sont oelles qui ont une amplitude infé- rieure à 600 volts et une durée inférieure à 10 microsecondes. En se reportant au diagramme de la figure 4, on voit que les impulsions de faible énergie apparaissent dans 96,38 % des cas observés tandis que les surtensions de forte énergie ne représentent que 3,62 % des cas Néarnmoins, classiquement, et pour tenir compte des surtensions à forte énergie, on ns peut se contenter d'un dispositif de protection à écrétage tel qu'une diode zener et il convient d'avoir recours à un dispositif coupe- circuit du type thyristor à avalanche. Un objet de la présente invention est de prévoir un dispositif de protection fonctionnant en écrêtage pour des impulsicns de surtension de faibhle énergie et en ooupe-circuit seulement pour des impulsions de forte énergie. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un dispositif de protection contre des surtensions susceptibles d'rintervenir entre deux bornes d'ali- mentation (A, B), ccprenant, entre ces bornes, d'une part, un thyristor (Th), d'autre part, des première et deuxième diodes zener en série, l'anode de la première diode (D 1) étant onectée à la catlhode du thyristor et la cathode de la deuxième diode (D 2) étant reliée à l'anode du thyristor, et une troisième diode zener (D 3) disposée entre la gâchette du thyristor et le point de oenoexion ( 10) des première et deuxième diodes, la troisième diode présentant une tension d'avalarnche supérieure à oelle de la première diode. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 4 destirnées à illustrer l'état de la technique et le problème que vise à résoudre la présente inven- tion ont été décrites précédent; la figure 5 représente un schéma de circuit d'un dispo- sitif de protection selon la présente invention; et Les figures 6 A et 6 B illustrent deux types de focmtion- nement particuliers du dispositif de protection selon la présente invention. C_,e le représente la figure 5, le dispositif selon la présente invention comprend, entre les bornes A et B sur lesquel- les est susceptible de survenir une impulsion de surtension, le mcntage en série de deux diodes D 2 et D 1, la cathode de la diode D 2 étant coet à la borne A et l'arode de la diode D 1 à la borne B Entre les bornes A et B, est également disposé un thyristor T Ih dont l'anode est connectée à la borne A et la catho- de à la borne B Ce thyristor comprend une gâchette de cathode reliée par l'interndiaire d'une troisième diode zener D 3 au point de c Onnexion 10 des diodes Dl et D 2 Le thyristor Th est choisi pour que sa tension VB O de mise en conduction par ava- lanche résultant d'une surtension à ses bornes soit très nette- ment supérieure à la smome des tensions d' avalanche des diodes Dl et D 2 Ainsi, dans le cadre de la présente invention, le thyristor Th est susceptible d'être mis en conduction uniquement par coenaide par sa gâchette. Les diodes Dl, D 2 et D 3 ont respectivement des tensions de mise en avalanche égales à VER,, VBR 2 et VER 3 Selon la présente invention, V Bp 3 est choisi supérieur à VBR 1 Etant donr les valeurs des tensions envisagées par les dispositifs de protection, de l'ordre de quelques centaines de volts, la chute de tension gâchette/cathode du thyristor, de 1 'ordre du volt, est négligeable et l'on n'en tiendra pas comtue dans les explications ci-après. La figure 6 A illustre par un diagramme courant/tension (I/V) le foncticouenent du dispositif de protection selon la présente invention pour des surtensions de faible énergie Quand la valeur de la surtension devient supérieure à VER 1 + VBR 2, les deux diodes D 2 et Dl entrent en avalanche et maintiennent la tension à leurs bornes sensibleient aux valeurs respectives VBR 1 et VER 2 Néanmoins, omnre le représentent les courbes en pointillés 21 et 22, la tension à leurs bornes croit légèrement tandis qu'un courant les traverse La tension VAB résultante est représentée par une courbe en trait plein. La figure 6 B représente le mnte diagranoe oeurant/ten- sion dans le cas d'une surtension de forte énergie ou de longue durée Une fois que les diodes rentrent en avalanche, elles sont traversées par un courant relativement important et, si la sur- tension est de forte amplitude ou de lconue durée, la tension aux bornes de chacune des diodes s'élève notamnent par suite de leur échauffennt calme cela est représente par les ourbes en poin- tillés 31 et 32, la tension VAB résultante étant illustrée par la courbe 33 Dès que la tension aux bornes de la diode Dl atteint la tension d'avalanche VBR 3 de la diode D 3, le thy- ristor Th rentre en conduction et la tension VAB résultante suit le cheminin 34-35 Ensuite, le thyristor reste conducteur jusqu'à ce que le courant devienne inférieur au courant de maintien IH de oe thyristor. On obtient ainsi un dispositif fonctionnant en écréteur pour des impulsions de faible énergie et en coupe-circuit pour des impulsions de forte énergie. L'hinne de l'art pourra, en fornction des caractéris- tiques qu'il souhaite c Inférer au dispositif de protection pour une application particulière, choisir l'écart entre les tensions d'avalanche des diodes Dl et D 3 qui détermine le passage du fcnctionoent en dispositif écréteur au fnctionnenent en dispo- sitif du type court-circuit. D'autre part, on notera que les pentes et les allures des diagrammes courant/tension sont tracées arbitrairement pour simplifier l'illustration et l'exposé de l'invention L'homme de l'art pourra se référer aux caractéristiques habituelles des diodes zener et des thyristors pour traoer des diagrammes précis. Dans la pratique, la somme des tensions d'avalanche des diodes Dl et D 2 pourra être choisie de l'ordre de 400 volts, les deux diodes étant identiques, et la diode D 3 pourra être choisie avec une tension d'avalanche de l'ordre de 250 volts De sorte que le dispositif fonctione en écrêteur sensiblement entre 400 et 450 volts puis en coupe-circuit au-delà de 450 volts. La présente invention a été exposée de façon générale et dans le cadre de modes de réalisation particuliers L'hyme de l'art pourra y apporter diverses variantes et modifications. Notamment, il pourra utiliser des omposants autres que des diodes zener et des thyristors mais ayant les mêmes fonctions. D'autre part, on a decrit ici un dispositif de protection unidirectionnel La présente invention s'applique de même à des composants de protection bidirectionnels, les transformations et5 montages destinés à former des dispositifs de protection bidirectionnels à partir de dispositifs de protection unidirectionnels étant bien connus de l'homme de l'art. REVENDICATION Dispositif de protection contre des surtensions susoeptibles d'intervenir entre deux bornes d'alimentation (A, B), caractérisé en ce qu'il comnprend, entre ces bornes, d'une part, un thyristor (Th), d'autre part, des première et deuxième diodes zener en série, l'anorde de la première diode (Dl) étant connectée à la cathode du thyristor et la cathode de la deuxième diode (D 2) étant reliée à l'ainode du thyristor, et une troisième diode zerner (D 3) disposée entre la gâchette du thyristor et le point de connexion ( 10) des première et deuxième diodes, la troi- si'me diode présentant une tension d'avalanche supérieure à celle de la première diode.