Brevet FR2714231A1 — publié le 19950623

Dispositif de protection contre des surtensions La présente invention concerne de manière générale un dispositif pour protéger un circuit électrique ou électronique contre des perturbations telles que rayonnements électromagnétiques ou surtensions qui induisent un signal perturbateur dans une ligne reliée au circuit et qui sont susceptibles d'endommager le circuit. Plus particulièrement l'invention a trait à un tel dispositif de protection contre des surtensions de niveau élevé qui sont les plus difficiles, sinon à éliminer, du moins à limiter à des niveaux tolérables par le circuit. Le phénomène physique le plus connu et le plus destructeur à l'origine de ces surtensions est la foudre. Egalement les impulsions électromagnétiques d'origine nucléaire (I.E.M.N) résultant de l'explosion en haute altitude d'une bombe nucléaire engendrent des surtensions très élevées dans les circuits et lignes électriques. Le dispositif de protection est connecté en entrée du circuit électrique à protéger et l'invention vise plus précisément à fournir un tel dispositif n'affectant pas le signal utile reçu. Par exemple, le dispositif protège un équipement de transmission numérique recevant un signal numérique à 2,048 Mbit/s et est conçu pour ne pas dégrader le gabarit du signal numérique, tel que défini dans la Recommandation G703 du CCITT. La technique antérieure prévoit plusieurs circuits de base assurant une protection des circuits électriques contre des surtensions de niveau élevé. On distingue les éclateurs, les résistances non linéaires et les diodes de Zener. Ces circuits de base sont typiquement combinés avec des filtres visant à réduire le niveau des surtensions. Un éclateur est défini par une tension disruptive dépendant de plusieurs variables telles que le gaz utilisé, la pression, la température, la géométrie et l'écartement des électrodes. I1 est typiquement placé en parallèle avec le circuit à protéger. Lorsque la tension aux bornes de l'éclateur dépasse un seuil prédéterminé, dénommé tension d'amorçage, une décharge se produit entre les électrodes de l'éclateur. L'inconvénient de tels éclateurs réside dans les difficultés techniques d'obtenir une tension d'amorçage inférieure à une centaine de volts, tension qui est plus que suffisante pour détruire des circuits intégrés modernes. Les résistances non-linéaires ont une impédance qui diminue très rapidement avec la tension à leurs bornes selon une caractéristique non-linéaire de la tension en fonction du courant. Sous l'effet d'une tension importante, leur valeur ohmique est à peine de quelques ohms tandis qu'en l'absence de surtension, elle atteint plusieurs centaines de kiloohms. Une résistance non-linéaire présente deux inconvénients. D'une part l'énergie que peut dissiper une telle résistance est proportionnelle au volume de la résistance, ce qui peut donc entraîner des difficultés d'intégration du dispositif de protection. D'autre part, le circuit équivalent d'une telle résistance non-linéaire est composé d'un élément non-linéaire idéal en parallèle avec une résistance et un condensateur. Ce condensateur possède une capacité parasite qui affecte le gabarit d'un signal numérique, notamment à des fréquences élevées. Les diodes de Zener utilisées en polarisation inverse mettent à profil l'effet d'avalanche pour maintenir une tension sensiblement à une tension de coude d'avalanche prédéterminée. Les diodes de Zener présentent également, en régime à haute fréquence, une capacité parasite élevée contribuant à dégrader le gabarit du signal reçu. Tous les circuits de base précités utilisés individuellement ne garantissent pas une protection fiable du circuit à protéger et dégradent le gabarit du signal utile. L'invention vise à remédier à cet inconvénient en fournissant un dispositif de protection satisfaisant aux conditions de protection du circuit et de maintien du gabarit du signal utile reçu par ce circuit. A cette fin, un dispositif pour protéger un circuit électrique contre des surtensions, ledit dispositif ayant une entrée connectée à une ligne électrique sujette à des surtensions, une sortie reliée à une entrée du circuit à protéger, et une borne de référence, est caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un moyen éclateur connecté entre ladite entrée et la borne de référence, un moyen de découplage dont une première borne est connectée à ladite entrée, un moyen d'écrêtage connecté entre la borne de référence et une seconde borne du moyen de découplage, et un moyen de filtrage reliant la seconde borne du moyen de découplage à ladite sortie du dispositif. Afin d'éviter toute dégradation en tension d'un signal utile en entrée des moyens de filtrage, le moyen d'écrêtage comprend en série un couple de deux diodes de Zener montées en série et en inverse l'une de l'autre et un couple de deux diodes rapides en antiparallèle. Les diodes de Zener protègent le circuit indépendamment de la polarité des surtensions, qu'elles soient positives ou négatives relativement à la tension de la borne de référence. Les diodes rapides sont associées chacune avec l'une respective des deux diodes de Zener afin de conférer une capacité à l'ensemble diode de Zener et diode rapide inférieure à la capacité parasite de la diode de Zener. Dans un souci de simplification des opérations de maintenance relatives à des changement ou test des composants de dispositif de protection pour de grandes installations électriques, l'invention prévoit un coffret de protection de circuit électrique incluant plusieurs dispositifs de protection selon l'invention pour protéger plusieurs circuits électriques respectifs. Chacun de ces dispositifs de protection comprend un module incluant ledit moyen de découplage, ledit moyen éclateur et ledit moyen d'écrêtage, et étant enfiché sur un circuit imprimé, une broche supportée par le circuit imprimé, constituant une borne commune auxdits moyen de découplage et d'écrêtage, et un enroulement et un condensateur constituant le moyen de filtrage, une borne filaire de l'enroulement étant enroulée autour de la broche. Fréquemment les circuits électriques à protéger sont inclus dans un local constitué par une première cage de Faraday. Dans ce cas, selon l'invention, le coffret est lui-même inclus dans une cage une seconde cage de Faraday interne à la première cage de Faraday. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention, en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels - la figure 1 montre un dispositif de protection contre des surtensions selon l'invention; - la figure 2 montre une vue de dessus, partiellement arrachée, d'un coffret ouvert concluant I = 32 dispositifs de protection selon l'invention; et - la figure 3 montre une réalisation particulière de la mise en oeuvre de l'invention dans une cage de Faraday contenant des circuits électriques. En référence à la figure 1, une entrée E d'un dispositif de protection contre des surtensions selon l'invention reçoit un signal utile, éventuellement perturbé par un signal perturbateur induisant des surtensions. Une sortie S du dispositif est connectée à une entrée d'un circuit à protéger. Entre l'entrée E et la sortie S du dispositif sont connectés en cascade, un moyen éclateur EC, un moyen de découplage R, un moyen d'écrêtage D et un moyen de filtrage F. Des première et seconde bornes du moyen de découplage R sont portées à une tension de référence, dite masse M, respectivement à travers le moyen éclateur EC et le moyen d'écrêtage D. Lorsqu'une surtension apparaît à l'entrée E du dispositif, le moyen de découplage R, constitué ici d'une résistance, agit comme un circuit d'isolation du moyen d'écrêtage D et une grande partie de la puissance de surtension est dissipée à travers le moyen éclateur EC. On notera que l'éclateur EC a un fonctionnement bipolaire, c'est-à-dire est capable de dissiper des surtensions aussi bien positives que négatives relativement à la tension de masse M. Un résiduel de surtension, non dissipé à travers l'éclateur EC, est appliqué à travers le moyen de découplage R au moyen d'écrêtage D. Le moyen d'écrêtage D comprend deux diodes de Zener montées en série et en inverse l'une de l'autre DZ1 et DZ2 en série avec deux diodes rapides montées en antiparallèle D1 et D2. Les deux diodes de Zener DZ1 et DZ2 garantissent un fonctionnement à polarités opposées et limitent la tension appliquée au moyen de filtrage F à leur tension d'avalanche, respectivement pour des surtensions positives et négatives. Chaque diode rapide D1, D2 est associée avec l'une respective des deux diodes de Zener d'écrêtage DZ1, DZ2, pour diminuer la capacité d'ensemble de ces deux diodes D1 et DZ1, respectivement D2 et DZ2, sensiblement à la capacité de la diode rapide D1, D2 fonctionnant elle en polarisation directe. Les diodes de Zener DZ1 et DZ2, en fonctionnement à débit élevé, sont en effet sensiblement équivalentes à un élément idéal en parallèle avec une capacité parasite de valeur élevée. La mise en série de ces diodes de Zener DZ1 et DZ2 respectivement avec les diodes rapides D1 et D2, à capacité beaucoup plus faible, diminue la capacité d'ensemble des couples de diodes DZ1 et D1, et DZ2 et D2. Cette diminution de l'influence de la capacité parasite de chaque diode de Zener évite toute déformation du signal utile, tel que signal numérique à 2,048 Mbit/s, lorsqu'aucun signal perturbateur de surtension n'apparaît en entrée du dispositif selon l'invention. Le signal écrêté issu du moyen d'écrêtage D est appliqué au moyen de filtrage F de type passe bas constitué d'une inductance L et d'une capacité C en série. Le moyen de filtrage F atténue les composantes fréquentielles de valeur élevée contenues dans le signal écrêté et présente une fréquence de coupure supérieure à la fréquence d'horloge du signal utile, telle que 1,024 MHZ pour un signal numérique à 2,048 Mbit/s. Bien que le dispositif de protection selon l'invention montré à la figure 1 puisse être utilisé individuellement pour protéger un circuit électrique, il est également mis en oeuvre notamment pour la protection d'une pluralité de circuits de transmission ou commutation dans un réseau de télécommunications. Dans ce cas, des considérations d'intégration et de maintenance guident la réalisation d'un coffret intégrant une pluralité de dispositifs de protection destinés à protéger une pluralité de circuits. La figure 2 montre un tel coffret 1 pouvant être fixé sur une paroi au moyen de vis la, lb, lc et ld. Ce coffret inclut I = 32 dispositifs de protection et comprend deux barrettes de connexion B1 et B2, une carte à circuit imprimé 2 supportant des modules 201 à 20I , et 32 moyens de filtrage constitués chacun d'une inductance L1 à LI et d'une capacité C1 à CI. Les deux barrettes B1 et B2 comprennent I = 32 éléments de support de broche d'entrée 101 à lOI. Chaque élément de support de broche loi, l'indice entier i étant compris entre 1 et l'entier I, supporte une broche conductrice externe (non représentée) traversant le fond du coffret sur lequel sont fixées les barrettes B1 et B2. Un fil conducteur de liaison 100i relie, à travers l'élément de support de broche d'entrée loi, la broche à une entrée de l'un respectif 20i de I modules 201 à 20I enfichés sur la carte 2. La liaison entre le fil de liaison 100i et le module associé 20i est réalisée par enroulement de l'extrémité du fil de liaison 100i autour de l'une associée 200i de 32 broches d'entrée 2001 à 200I disposées sur la carte 2. La carte 2 est fixée dans le coffret dans un plan supérieur au plan des barrettes B1 et B2 au moyen de vis 2a et 2b. Comparativement à la figure 1, chacun des modules 201 à 20I est un circuit enfichable et au moins partiellement intégré et forme une partie d'un dispositif de protection selon l'invention. Le module comprend un moyen éclateur EC, un moyen de découplage R et un moyen d'écrêtage D. Les sorties des modules 201 à 20I sont respectivement connectées via des rubans conducteurs imprimés de la carte 2 à des broches conductrices de sortie 2011 à 201I de la carte 2. Le moyen de filtrage F de chaque dispositif de protection est sous la forme d'un enroulement Li et d'un condensateur Ci. Le condensateur Ci est fixé sur le fond du coffret 1. Une armature du condensateur C. constitue une broche de sortie du dispositif de protection et traverse le fond du coffret 1. L'autre armature du condensateur Ci est reliée à une borne filaire 202i de l'inductance associée L. Une autre borne filaire de l'inductance Li est enroulée autour de la broche de sortie 201i, de la carte 2. L'agencement des différents moyens des dispositifs de protection dans le coffret illustrée à la figure 2 facilite d'une part le changement des modules défectueux qui incluent les composants les plus fragiles et, d'autre part les opérations de connexion fil par fil des fils de liaison 1001 à 100I et moyens de filtrage L et C. Selon la réalisation particulière montrée à la figure 3, plusieurs de circuits 301 à 30NxM à protéger sont disposés à l'intérieur d'une cage de Faraday principale 3 afin d'être isolés d'agressions électromagnétiques extérieures. Cet arrangement est typiquement employé dans la technique antérieure pour protéger des centres de commutation dans un réseau de télécommunications. Selon la technique antérieure les circuits 301 à 30NxM sont protégés contre des surtensions propagées par des fils provenant de l'extérieur en disposant des circuits de protection à l'extérieur de la cage de Faraday principale 3 contenant les circuits à protéger. Cette solution n'apparaît pas optimale eu égard à la surface supplémentaire requise à l'intérieur de ces centres pour installer les dispositifs de protection en grand nombre. Selon l'invention N câbles CA1 à CAN ayant M fils chacun, dits câbles pollués en ce qu'ils sont sujets à des surtensions, sont enveloppés dans des buses métalliques souples B1 à BN qui traversent en continuité électrique une paroi latérale de la cage de Faraday 3, évitant ainsi un rayonnement électromagnétique des câbles à l'intérieur de la cage 3. N x M dispositifs de protection, montés comme dans la figure 2 en modules de circuit 201 à 20NM et moyens de filtrage L1 - C1 à LNM - C séparés, sont liés respectivement au NM fils des câbles pollués CA1 à CAN et sont montés eux-mêmes dans une cage de Faraday 31 interne à la cage principale 3. En sortie de la cage interne 31 sont issus (N x M) fils, dits "fils propres" en ce qu'ils sont exempts de toute surtension, qui sont appliqués respectivement à des entrées des circuits 301 à 30NM. Ainsi un gain de surface est obtenu par introduction des dispositifs de protection dans la cage de Faraday principale 3, et d'éventuels rayonnements électromagnétiques émanant des dispositifs de protection sont supprimés au moyen de la cage de Faraday interne 31. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour protéger un circuit électrique contre des surtensions, ledit dispositif ayant une entrée (E) connectée à une ligne électrique sujette à des surtensions, une sortie (S) reliée à une entrée du circuit à protéger et une borne de référence (M), caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un moyen éclateur (EC) connecté entre ladite entrée et la borne de référence, un moyen de découplage (R) dont une première borne est connectée à ladite entrée (E) un moyen d'écrêtage (D) connecté entre la borne de référence (M) et une seconde borne du moyen de découplage (R), et un moyen de filtrage (F) reliant la seconde borne du moyen de découplage (R) à ladite sortie (S) du dispositif. 2 - Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen d'écrêtage (D) comprend en série un couple de deux diodes de Zener (DZ1, DZ2) montées en série et en inverse l'une de l'autre et un couple de deux diodes rapides en antiparallèle (D1, D2). 3 - Coffret de protection de circuit électrique (1) incluant plusieurs dispositifs de protection pour protéger respectivement plusieurs circuits électriques conformes à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chacun desdits dispositifs de protection comprend un module (20i) incluant ledit moyen de découplage, ledit moyen éclateur et ledit moyen d'écrêtage, et étant enfiché sur un circuit imprimé (2), une broche (201i) supportée par le circuit imprimé, constituant une borne commune auxdits moyen de découplage et d'écrêtage, et un enroulement (Li) et un condensateur (Ci) constituant le moyen de filtrage, une borne filaire de l'enroulement (Li) étant enroulée autour de la broche. 4 - Coffret conforme à la revendication 3, selon lequel lesdits circuits électriques à protéger (301, 30N) sont inclus dans une première cage de Faraday (3), caractérisé en ce que le coffret est lui-même inclus dans une seconde cage de Faraday (31) interne à la première cage de Faraday. 5 - Coffret conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que chacune de lignes sujettes à des surtensions et connectées à des entrées des dispositifs de protection est enveloppé d'une buse métallique souple (B1, BN) traversant en continuité électrique la première cage de Faraday (3).