Brevet FR2839810A1 — publié le 20031121

: La presente invention concerne un commutateur a ouverture de type a fils exploses et un procede de fabrication. Wile s'applique notamment aux commutateurs utilises dans les systemes de hautes puissances pulsees. Un tel commutateur est typiquement utilise dans un circuit electrique comprenant une charge haute impedance et une alimentation basse impedance. Le commutateur est initialement conducteur. En d'autres termes, sa resistance avant commutation est quasiment nulle. Le commutateur courtcircuite la charge. L'alimentation delivre un courant croissant qui circule a travers le commutateur. A un instant donne, le o commutateur s'ouvre. En d'autres termes, lors de la commutation sa resistance tend vers l'infini. A ce moment tout le courant circule dans la charge. Le commutateur permet ainsi de mettre en forme une impulsion de cou rant. Plus precisement, il permet de redu ire la duree d u front de montee et d'augmenter la tension a ses bornes. Un commutateur idealement a une resistance avant commutation la plus falble possible, une resistance apres commutation la plus elevee possible, et une duree de commutation la plus falble possible. II existe plusieurs families de commutateurs a ouverture: les commutateurs pyrotechniques, les commutateurs a plasma ( > dans la litterature anglo-saxonne), les commutateurs a fils exploses. Les commutateurs pyrotechniques utilisent un systeme pyrotechnique de type charge creuse diedrique afin de decouper un conducteur. Dans les commutateurs a plasma, la phase conductrice est due a un plasma que l'on interrompt pour ouvrir le commutateur. Les commutateurs a fils exploses comprennent des fils metalliques initialement conducteurs dans lesquels le passage du courant provoque une elevation de temperature qui fait fondre puis qui vaporise le conducteur. La resistivite des fils augmente considerablement ce qui permet d'assurer la fonction de commutation. Un probleme de ces commutateurs est qu'ils occupent un volume important. La presente invention vise a optimiser le volume occupe par les commutateurs a ouverture de type a fils exploses, le volume alloue a ces commutateurs etant un volume sensiblement cylindrique. L'invention consiste a distribuer le volume actif du commutateur (l ig nes cond uctrices) de man iere homogene dans le volu me alloue. Par ailleurs l'une des solutions proposees presente des avantages en terme d'industrialisation. A cet effet, le commutateur a ouverture comprend au moins: - un corps occupant sensiblement un volume delimite par un cylindre; - des lignes conductrices placees dans le corps, les lignes conductrices s'etendant dans une direction radiale vers l'enveloppe exterieure du corps, les lignes conductrices etant destinees a etre reliees a un o conducteur central sensiblement sur l'axe du cylindre d'une part, et a une masse au niveau de l'enveloppe exterieure du corps d'autre part, les lignes conductrices etant destinees a etre rompues lors du passage d'un courant electrique entre le conducteur central et la masse. Selon un premier mode de realisation avantageux, les lignes conductrices forment des ondulations axiales. Selon un seconde mode de realisation avantageux, les lignes conductrices decrivent des spires autour de l'axe du cylindre. Ces premiers et seconds modes de realisation peuvent etre mis en couvre independamment ou ensemble. L'invention concerne aussi un procede de fabrication d'un commutateur dans lequel: - on realise des pistes conductrices par gravure sur un film souple dont la surface est le developpement d'un cone, ce film etant a plat lors de la realisation de ces pistes; - on genere une forme conique a partir de cette surface; 2s - on realise des repliements du cone dans une direction axiale. D'autres caracteristiques et avantages de ['invention apparaA'tront a ['aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexes: - la figure 1, une vue de dessus, represente un commutateur a ouverture de type a fils exploses classique; - la figure 2, une vue de dessus, represente un exemple de commutateur selon ['invention; - la figure 3, une section, represente le commutateur de la figure 2; - la figure 4, une perspective eclatee, represente des elements formant le commutateur de la figure 2; - la figure 5, une vue en perspective, represente un film souple isolant formant un cone; - les figures 6 a 9, des vues en perspectives, representent des etapes de pliage du film souple isolant de la figure 5 pour obtenir un element de la figure 4; - la figure 1O, une vue de dessus, represente un mode de realisation avantageux dans loquel les lignes conductrices forment des spires; - la figure 11, une vue en perspective, represente un support isolant souple formant un cone, sur lequel vent deposees des pistes conductrices formant des spires; - la figure 12, une vue de dessus dans un plan muni d'un quadrillage regulier, represente un support isolant souple plan destine a former le cone represente sur la figure 11. On se refere maintenant a la figure 1. Un commutateur a fils exploses comprend generalement au moins un fil 4 tendu sur un cadre isolant plan 3. Une extremite de ce fil est destinee a etre reilee a une masse. L'autre extremite est destinee a etre reliee a un point chaud, c'est a dire a un point de haut potential. Plusieurs fils de meme longueur peuvent etre montes zo en parallele dans des plans paralleles au cadre isolant. Un tel commutateur n'est pas optimise pour occuper un volume sensiblement cylindrique. On se refere maintenant aux figures 2 et 3. Selon ['invention, le commutateur a un corps 6 qui occupe sensiblement un volume delimite par un cylindre d'axe 10. Selon un mode de realisation (non represente), le corps comprend un isolateur sur lequel vent deposees des lignes conductrices. Ces lignes conductrices peuvent etre formees par des filaments de quelques dizaines de micrometres de section par exemple. Dans les commutateurs utilises dans les systemes de haute puissance pulsee, on utilise preferentiellement un grand nombre de lignes conductrices (de ltordre d'une centaine) de falble section (de l'ordre d'une dizaine de micrometres). En effet, la duree de commutation est d'autant plus faible que la section est faible. Et, la quantite d'energie pouvant etre commutee est d'autant plus importante que la somme des sections des lignes conductrices est importante. Selon un mode de realisation avantageux particulierement adapte aux commutateurs utilises dans les systemes de haute puissance pulsee, les lignes conductrices vent formees par des pistes gravees sur un support isolant. Wiles peuvent etre gravees sur un support isolant intermediaire comme decrit en relation avec la figure 4 ou directement sur l'isolateur. Wiles peuvent etre realisees par exemple par photogravure. Selon un mode de realisation avantageux (non represente), le corps comprend plusieurs isolateurs entre lesquels vent situees les lignes conductrices. Cheque isolateur separe deux couches de lignes conductrices. o Les lignes conductrices peuvent etre paralleles entre les couches successives. Selon un autre mode de realisation (represente figures 2 et 3) le corps comprend une seule couche de lignes conductrices et deux isolateurs 6A, 6B entre lesquels vent situees les lignes conductrices. Les lignes conductrices vent placees dans le corps 6. Wiles s'etendent dans une direction radiale par rapport a l'axe 10 du cylindre vers l'enveloppe exterieure 6C du corps. Les lignes conductrices vent destinees a etre reliees a un conducteur central 1 sensiblement sur l'axe 10 du cylindre d'une part, et a une masse 2 au niveau de l'enveloppe exterieure 6C du corps d'autre part. L'invention conduit a une structure coaxiale au niveau du potentiel avec un haut potentiel sur l'axe 10 et la masse sur l'exterieur. Ce commutateur est ainsi adapte a une alimentation ou a une charge de geometric coaxiale. Le conducteur central peut etre un connecteur rigide tei qu'une tige metallique. Le corps 6 peut comprendre un evidemment 11 sensiblement sur l'axe 10 pour permettre de loger le conducteur central 1. L'evidemment 11 peut avoir une forme de cylindre d'axe 1 0. Selon une variante de realisation, le corps ne comprend pas d'evidemment mais comprend un point de contact sur sa surface externe, ce point de contact etant sensiblement positionne au niveau l'axe 10. Le conducteur central est alors de forme adaptee a ce point de contact. Ainsi, I'extremite des lignes conductrices reliee au conducteur central 1 est soit sensiblement sur l'axe 10 (corps sans evidemment), soit a proximite ce cet axe (corps avec evidemment). Selon un mode de realisation avantageux, illustre sur la figure 3, s les lignes conductrices 5 forment des ondulations axiales. Ces ondulations peuvent etre par exemple formees par une courbe sensiblement sinusordaie. Selon u n a utre mod e de real isation el les peuvent etre formees pa r d es segments de droite agences en W et relies par des arrondis. En d'autres termes, les lignes conductrices vent repliees dans une direction paralleie a I'axe 10. Ceci permet de generer des lignes conductrices plus longues tout en conservant un commutateur qui occupe un volume sensiblement delimite par un cylindre de meme rayon. Cette geometric presente deux avantages. Premierement, sachant que le potentiel se distribue lineairement le long des lignes conductrices, I'agencement decrit ci dessus permet o d'optimiser les niveaux champ electrique dans les volumes dielectriques et ainsi de minimiser les risques de claquage. Deuxiemement, on forme des ondulations et non des plis. On evite les effets de pointe et done d'avoir des champs electriques intenses. En d'autres termes, grace a cette geometric avantageuse des lignes conductrices, on limite les niveaux de champ electrique tout en conservant un commutateur compact. Avantageusement, le corps comprend au moins deux isolateurs encastres entre lesquels vent situees les lignes conductrices. On accro^'t ainsi la tenue dielectrique du commutateur. Les isolateurs 6A, 6B separent o comme illustre sur la figure 3 les ondulations successives. Grace a leurs formes ondulees, les isolateurs ont pour effet de limiter le claquage par rampage. Le claquage par rampage, propres aux dielectriques solides, est un claquage dans lequel le courant emprunte un chemin geometrique a la surface d'un dielectrique solide. On se refere maintenant a la figure 4. Le commutateur peut comprendre un film isolant souple 7 sur lequel vent gravees des pistes formant les lignes conductrices. Par exemple le film peut etre une feuille en matiere plastique telle qu'une feuille de polyimide (connu sous le nom commercial de Kapton), les lignes conductrices etant realisees par un depot de cuivre. Ce film isolant peut etre ainsi facilement replie, ce qui permet de generer les ondulations axiales des lignes conductrices sans risquer de ies rompre. Ce mode de realisation est particulierement adapte aux lignes conductrices de falble section. Avantageusement, le film isolant forme sensiblement un cone replie. Ceci permet de generer des ondulations en W comme decrit plus haut. On dispose en outre d'une structure avantageuse en termes d'industrialisation. Avantageusement, on peut proceder de la maniere suivante: - on realise les pistes conductrices 5 par gravure sur un film souple dont la surface est le developpement d'un cone, ce film etant a plat lors de la realisation de ces pistes; - on decoupe et on colle deux bords de ce film de maniere a generer une forme conique comme illustre sur la figure 5; - on realise des repliements du cone dans une direction axiale comme io illustre sur les figures 6 a 9, en veillant a conserver un arrondi au niveau des repliements; - on insere ce film grave et replie entre deux isolateurs 6A et 6B. Selon une variante de mise en osuvre, ies isolateurs 6A et 6B etant des isolateurs rigides, on peut generer les repliements du film (et par consequent des lignes conductrices) en encastrant les isolateurs l'un dans l'autre, le film souple se trouvant entre lesdits isolateurs. On se refere maintenant a la figure 10 qui presente un mode de realisation avantageux. Les lignes conductrices 5 decrivent des spires autour de l'axe 10 du cylindre. Les lignes conductrices 5 peuvent former en outre des ondulations axiales comme indique plus haut. Bien entendu, les lignes conductrices peuvent decrire simplement des spires dans un plan sans former d'ondulations axiales. Ceci permet d'augmenter la longueur des lignes sans augmenter le volume occupe par celles-ci. II est possible de regler leur longueur en modifiant le nombre de spires. On se refere maintenant a la figure 11 sur laquelle est represente un support isolant souple formant un cone. II est possible de combiner les modes de realisations avantageux de maniere a obtenir des ondulations axiales et des spires a ['aide d'un cone replie sur loquel vent gravees des spires. On peut ainsi atteindre une longueur typique de ligne de 4 metres dans un encombrement reduit. On se refere maintenant a la figure 12 sur laquelle est representee entre des bords 20,21,22,23 representes en pointilles une surface developpee d'un cone. Les bords 21 et 23 de cette surface vent destines a etre colles pour generer une surface conique. Le bord 20 est destine a former la base du cone (cercle), et le bord 21 le haut du cone (cercle). Les lignes conductrices 51, 52, 53, 54 dans cet exemple forment une demi spire. Le quadrillage de la figure 12 est un quadrillage unitaire: chaque case a un cote vertical de longueur 1 et un cote horizontal de largeur 1. On utilise un systeme de coordonnees cartesiennes en X (horizontal) et Y (vertical) pour se reperer dans ce quadrillage. Les courbes en trait plein et pointille ont pour equation: x 0 = ([' ' cos((2nNt - tp0)sin()) y = i2 '' sin((2Nt - (pO)sin()) x1 = ' cos((27rNt - (p,)sin()) Y1 = sin((2Nt (p1)sin()) x2 = Z ' cos((2Nt - (P2)Sin(lt)) y = tE? r1) sin((2nNt- p2)sin()) X5 = lt cos((21lNt-5)sin()) Y5 = sin((27ENt-5)sin()) X6 = j iq COS(((o - 5 t - p0)sin()) Y6 = r4() sin(((rpO - tp5 t - pO)sin() ) X7 = r2()COS((((po - (p5)t - tpO + 2N)sin()) y7 = r2()sin((((pO - (p5)t - tpO + 21lN)sin()) Dans lesquelles on utilise des parametres, dont les valeurs prises dans la figure 12 vent indiquees entre parentheses, qui representent: h: la hauteur du cone (3); r,: le rayon du cercle formant la partie superieure du cone (0,5); r2: le rayon du cercle formant la base (2); N: le nombre de spires (0,5); pO: la position angulaire du bord 23 ( -/4); 1 cp: la position angulaire de la ligne conductrice 51 ( 0); P2: la position angulaire de la ligne conductrice 52 (/2); (p3: la position angulaire de la ligne conductrice 53 (); (p4: la position angulaire de la ligne conductrice 54 (3/2); (p5: la position angulaire du bord 20 (2-/4). Dans lesquelles on utilise des variables qui representent: sin(): la quantite; l, t: une grandeur variant de O a 1 pour decrfre les courbes 20, 21, 22, 23, 51, 52, 53, 54; s xO et yO: les coordonnees des points decrivant la courbe 23; x, et y,: les coordonnees des points decrivant la courbe 51; x2 et Y2: les coordonnees des points decrivant la courbe 52; X3 et y3 les coordonnees des points decrivant la courbe 53; X4 et y4 les coordonnees des points decrivant la courbe 54; X5 et y5 les coordonnees des points decrivant la courbe 21; x6 et Y6: les coordonnees des points decrivant la courbe 22; X7 et y7 les coordonnees des points decrivant la courbe 20. 11 est possible d'augmenter ou de diminuer la longueur des lignes conductrices en augmentant ou en diminuant la valeur du parametre h, c'est a dire la hauteur du cone. En procedant de la sorte, on ne modifie pas l'encombrement radial du commutateur. On peut conserver l'epaisseur du commutateur constante en augmentant le nombre de repliements du cone (ce qui augmente la densite du commutateur) lorsqu'on augmente la valeur o du parametre h. Lorsque le parametre N est nul, les lignes conductrices ne decrivent plus des spires mais des droites. Ceci correspond au mode de realisation represente figures 2 a 5. Le nombre N peut prendre toute valeur positive (spires dans le sens illustre sur la figure 12) ou negative (spires dans I'autre sees). II est possible d'augmenter ou de diminuer la longueur des lignes conductrices en augmentant ou en diminuant la valeur absolue du parametre N. c'est a dire le nombre de spires. En procedant de la sorte, on ne modifie pas l'encombrement du commutateur. o Si le nombre de spires devient important, la self induite par la circulation du courant dans les lignes conductrices peut devenir genante. Avantageusement, on peut compenser cette self en effectuant des spires dans le sens inverses avec une autre couche de lignes conductrices. En d'autres termes, une partie des lignes conductrices decrivent des spires dans un sens et l'autre partie des lignes conductrices decrivent des lignes dans l'autre sees. De preference, on utilise autant de lignes conductrices pour decrire des spires dans un sens que dans l'autre sees. Les lignes conductrices qui decrivent des spires dans un sens peuvent etre deposees d'un cote d'un support isolant, les lignes conductrices decrivant des spires dans l'autre sens etant deposees de l'autre cote. Ce support isolant peut etre un film souple ou un isolateur rigide ou tout autre support. Si le cone est genere a partir d'un film souple sur lequel les pistes vent gravees a plat, on devra effectuer des jonctions solent pour les spires qui traversent les bords 21 et 23. Pour eviter d'avoir a effectuer des jonctions, on peut partir directement d'un cone en film souple sur lequel vent gravees les pistes. Les pistes ne vent alors plus gravees a plat, ce qui est plus difficile a realiser, mais il n'est pas necessaire d'effectuer de jonction. Selon un mode de realisation avantageux, les lignes conductrices decrivant des spires dans un sens vent deposees sur un premier support isolant, les lignes conductrices decrivant des spires dans l'autre sens vent deposees sur un second support isolant. Ce mode de realisation permet d'eviter d'avoir a effectuer des jonctions des lignes conductrices tout en gardant la possibilite de graver les piste a plat. Avantageusement, le premier o et le second support isolant vent embo^'tes l'un dans l'autre. REVENDICATIONS 1. Commutateur a ouverture caracterise en ce qu'il comprend au moins: - un corps (6) occupant sensiblement un volume delimite par un cylindre; - des lignes conductrices (5) placees dans le corps, les lignes conductrices s'etendant dans une direction radiale vers l'enveloppe exterieure (6C) du corps, les lignes conductrices etant destinees a etre reliees a un conducteur central (1) sensiblement sur l'axe (10) du cylindre d'une part, et a une masse (2) au niveau de l'enveloppe exterieure du corps d'autre part, les lignes conductrices etant destinees a etre rompues lors du passage diun courant electrique entre le conducteur central et la masse. 2. Commutateur selon la revendication precedente, caracterise en ce que les lignes conductrices forment des ondulations axiales. 3. Commutateur selon la revendication precedente, caracterise en ce que le corps comprend au moins deux isolateurs (6A, 6B) encastres entre lesquels vent situees les lignes conductrices, les isolateurs separant les ondulations successives des lignes conductrices. 4. Commutateur selon i'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que les lignes conductrices vent formees par des filaments. 5. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterise 2s en ce que les lignes conductrices vent formees par des pistes deposees sur un support isolant. 6. Commutateur selon la revendication precedente, caracterise en ce que le support isolant est un film souple (7). 7. Commutateur selon la revendication precedente, caracterise en ce que le film souple forme sensiblement un cOne replie. 8. Commutateur selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que les lignes conductrices decrivent des spires (51, 52, 53, 54) autour de l'axe du cylindre. 9. Commutateur selon la revendication precedente, caracterise en ce que une partie des lignes conductrices decrivent des spires dans un sens et l'autre partie des lignes conductrices decrivent des spires dans l'autre sees. 10. Commutateur selon la revendication 9, caracterise en ce que les lignes o conductrices decrivant des spires dans un sens vent deposees d'un cOte d'un support isolant, les lignes conductrices decrivant des spires dans l'autre sens vent deposees de l'autre cote du support isolant. 11. Commutateur selon la revendication 9, caracterise en ce que les lignes conductrices decrivant des spires dans un sens vent deposees sur un premier support isolant, les lignes conductrices decrivant des spires dans l'autre sens vent deposees sur un second support isolant. 12. Commutateur selon la revendication precedente, caracterise en ce que le premier et le second support isolant vent embo^'tes l'un dans l'autre. 1 3. Procede de fabrication d'un commutateur caracterise en ce que: - on realise des pistes conductrices (5) par gravure sur un film souple (7) dont la surface est le dbveloppement d'un cone, ce film etant a plat lors de la realisation de ces pistes; - on genere une forme conique a partir de cette surface; - on realise des repliements du cone dans une direction axiale (10).