Brevet FR2990322A1 — publié le 20131108

Dispositif et procédé pour détecter l'amorçage d'un arc électrique L'invention concerne la détection de l'amorçage des arcs électrique. Les circuits électriques tels que ceux employés dans les systèmes de vol des aéronefs peuvent utiliser des tensions relativement hautes et sont aptes à fournir des courants de forte intensité. Des incidents électriques tels que l'amorçage d'un arc peuvent y survenir et permettent ordinairement à un courant de traverser un milieu conducteur ou de sauter d'un conducteur à un autre en franchissant un milieu non-conducteur. Il importe de pouvoir détecter de tels amorçages d'arcs électriques car, s'ils ne sont pas rapidement détectés, des arcs risquent de provoquer des courts-circuits, des anomalies de fonctionnement et d'autres problèmes dans les équipements alimentés par les circuits électriques. L'invention a donc pour objet, selon une première forme de réalisation, une carte de circuit imprimé (CCI) comportant une pluralité de composants électriques, un conducteur électrique conçu pour se connecter à une source d'électricité extérieure à la CCI et fournir de l'électricité à la pluralité de composants électriques, et un détecteur d'amorçage d'arc comprenant un premier transformateur sec situé à proximité du conducteur électrique et produisant une tension de sortie, notée Vout, proportionnelle à la vitesse de changement du courant, notée dI/dt, passant dans le conducteur d'électricité. L'invention a également pour objet, selon une autre forme de réalisation, un procédé de détection d'amorçage d'arc dans un conducteur électrique sur une CCI comportant la détection d'une valeur indiquant la vitesse de changement du courant passant dans le conducteur d'électricité, à l'aide d'un transformateur sec situé sur la carte de circuit imprimé, et la détermination d'un état d'amorçage d'arc d'après la valeur détectée. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 et 2 sont des illustrations schématiques d'une CCI selon une forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2A est une illustration schématique d'exemples de bobines utilisables avec la CCI de la Figure 1 ; - la figure 2B est une vue schématique simplifiée équivalente de la Figure 2A permettant l'évaluation des paramètres de couplage électromagnétique de la bobine ; - la figure 3 est une vue schématique d'un exemple de configuration de circuit de test selon une forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 4A représente un tracé du courant passant par un amorçage d'arc série dans le circuit illustré sur la Figure 3 et la Figure 4B représente un tracé de la réponse de la tension de sortie amplifiée d'une bobine sèche. Des formes de réalisation de l'invention impliquent l'utilisation d'un transformateur sec, créé sur une CCI, pour détecter la grande vitesse du changement du courant (dI/dt), qui peut être créée dans des réseaux d'alimentation en électricité de l' aéronef, à titre d'exemple nullement limitatif pendant des phénomènes d'amorçage d'arc parallèles. Dans des systèmes de détection d'amorçage d'arc selon la technique antérieure, on a utilisé des différenciateurs matériels à résistance-condensateur qui ont servi à déterminer dI/dt à partir de circuits de mesure de l'intensité de sortie d'un régulateur de puissance à semi-conducteur (SSPC). Les SSPC sont ordinairement conçus pour lire environ 600 % de leur intensité nominale afin de fonctionner dans leur environnement prévu. Les amorçages d'arcs créent, à de hautes tensions, des perturbations de courant de l'ordre de seulement 5 % de l'intensité nominale. Ainsi, la perturbation due à un amorçage d'arc peut être difficile à séparer du bruit général du circuit. Souvent, les SSPC utilisent des résistances en dérivation comme moyen pour mesurer le courant passant par leurs bornes et les dimensions des résistances en dérivation sont établies en fonction de l'amplitude indiquée plus haut, ce qui signifie que le rapport signal/bruit disponible pour la détection d'amorçage d'arc est limité. Les résistances en dérivation fonctionnement bien dans des applications aux basses tensions, mais, à mesure que la tension augmente, perdent l'aptitude à distinguer la perturbation due à un amorçage d'arc d'avec le bruit général du circuit. On peut illustrer cette difficulté en considérant des exemples spécifiques. Dans des systèmes à haute tension, le changement de l'intensité de sortie dû à un amorçage d'arc série vient à diminuer suivant l'équation : deltaI = (VARC) /VLIGNE) * ICHARGE (1) dans laquelle deltaI désigne le changement d'intensité, VARC la tension résultant d'un amorçage d'arc, VLIGNE la tension d'alimentation et ICHARGE le courant circulant à travers la charge. Dans l'environnement envisagé, un phénomène d'amorçage d'arc typique provoque un signal de 20 volts. Dans un système à courant continu de 28 volts, la réduction de l'intensité pendant un phénomène d'amorçage d'arc série de 20 volts donne la relation suivante : deltaI / ICHARGE = 20 / 28 = 0,711 = 71,4 %. Cependant, dans un système à courant continu de 270 volts, la réduction de l'intensité pendant un phénomène similaire d'amorçage d'arc série de 20 volts donne la relation suivante : deltaI/ICHARGE = 20 / 270 = 0,074 = 7,4 %. Dans un système classique de contrôle d'intensité dans un SSPC, la plage de mesure couvre ordinairement de 0 % à 600 % de l'intensité nominale. Les charges habituelles appliquées aux SSPC sont détarées à environ 75 % de la valeur nominale de l'intensité, aussi le changement d'intensité dû à un amorçage d'arc série, dans l'hypothèse d'une tension continue de ligne de 270 volts est-elle de 7,4 % de l'intensité de charge de 75 % et seulement de 5,6 % de la valeur instantanée de la plage totale de lecture de 600 %. En revanche, dans le système à courant continu de 28 volts, l'intensité de la charge détarée est de 53,6 %, soit près de 10 fois plus. La valeur instantanée de 5,6 % en proportion de la plage de 600 % ne représente que 0,93 % de la plage totale de 600 %, en comparaison de 8,9 % pour le système à 28 volts. Un tel changement d'intensité de 0,93 % dû à l'amorçage d'arc série est du même ordre que celui de la précision du système de contrôle d'intensité dans le SSPC. Le changement pour le système à 28 volts est supérieur d'un ordre de grandeur. Ainsi, alors de le phénomène d'amorçage d'arc dans un système à courant continu de 28 volts est facilement déterminé par la résistance en dérivation, il n'en va pas de même pour le phénomène d'amorçage d'arc dans le système à courant continu de 270 volts. Les informations nécessaires à la détection de l'amorçage d'un arc sont uniquement la quantité de courant alternatif dans le signal de courant continu fournissant de l'électricité à la charge donnée. Par conséquent, on peut négliger la quantité de courant continu dans le signal et utiliser la caractéristique de couplage de courant alternatif du transformateur. Du fait des fortes intensités du courant continu dans le système, on ne peut pas utiliser de transformateur classique à noyau de fer, à cause des problèmes de saturation du noyau. Le transformateur sec créé sur la CCI ne sature pas et résout donc ce problème en ne tenant compte d'aucune des composantes du courant continu et en produisant directement dI/dt. L'invention apporte une solution pour déterminer des phénomènes d'amorçage d'arc dans des environnements à haute tension. Une forme de réalisation de l'invention est illustrée sur la Figure lA dans le contexte d'une CCI 10, laquelle peut comprendre une carte 12 ayant une pluralité de composants électriques (non représentés pour plus de clarté), un conducteur électrique 14 et un détecteur 16 d'amorçage d'arc. La carte 12 peut être faite de n'importe quelle matière appropriée telle qu'un substrat ou un stratifié, qui est globalement non conducteur de la chaleur. Divers organes dont une mémoire, un microprocesseur 11, et d'autres composants électriques 13 (p. ex. des résistances, des diodes et des condensateurs) peuvent être montés sur la carte 12. Le conducteur électrique 14 peut être une barre omnibus ou n'importe quel autre type de conducteur placé sur la carte 12. A titre illustratif, le conducteur électrique 14 a été représenté sous la forme d'une barre omnibus. Le conducteur électrique 14 peut être conçu pour se connecter à une source d'alimentation électrique (non représentée) extérieure à la CCI 10 afin de fournir de l'électricité à la pluralité de composants électriques situés sur la carte 12. La source extérieure d'alimentation électrique peut produire une tension d'au moins 60 volts et il est envisagé qu'elle puisse produire une plus forte tension, dont au moins 220 volts. Tel qu'il est illustré, le détecteur 16 d'amorçage d'arc comporte un premier transformateur sec 20 situé à proximité du conducteur électrique 14 et un second transformateur sec 22 câblé en série avec le premier transformateur sec 20. Le détecteur 16 d'amorçage d'arc peut également comporter un circuit de traitement de signal ou un circuit de détection 21 d'allumage d'arc. Il est envisagé que le circuit de détection 21 d'allumage d'arc puisse délivrer un signal au microprocesseur 11 et que le microprocesseur puisse utiliser le signal appliqué pour déterminer l'existence d'un phénomène d'amorçage d'arc. Selon une autre possibilité, le circuit de détection 21 d'allumage d'arc peut être couplé au microprocesseur 11 ou peut faire partie du microprocesseur 11 et peut exécuter un algorithme afin de détecter le début de la survenance d'un amorçage d'arc et de déterminer un état d'amorçage d'arc d'après la valeur détectée. Les premier et second transformateurs secs 20 et 22 peuvent être situés tout près du conducteur électrique 14 pour additionner, à des fins de construction, des composantes positive et négative d'un champ magnétique généré par le courant passant dans le conducteur électrique 14. Les premier et second transformateurs secs 20 et 22 peuvent comprendre chacun une bobine créée sur la carte. Comme on peut le voir plus clairement sur la Figure 1B, le premier transformateur sec 20, tel qu'il est représenté, comprend une première bobine constituée par un enroulement 24, et le second transformateur sec 22, tel qu'il est représenté, comprend une seconde bobine constituée par un enroulement 26 bobiné dans le même sens de rotation que l'enroulement 24. Les premier et second transformateurs secs 20 et 22 sont ainsi câblés en opposition de phase pour contribuer à additionner, à des fins de construction, en marche, les composantes positive et négative du champ magnétique. Les enroulements 24 et 26 sont représentés sous la forme de pistes en spirale sur la carte 12, la meilleure illustration en étant fournie par la Figure 2A. Les enroulements formant la spirale rectangulaire à diminution constante peuvent être équivalents à la somme de nombreux rectangles géométriquement semblables, de dimensions différentes, comme représenté par la bobine 30 de la Figure 2B. Selon une autre possibilité, chaque bobine peut comprendre de multiples spirales disposées sur des couches différentes de la carte 12 de la CCI 10. Pour simplifier, une seule bobine est représentée sur les figures décrites ci-dessus. Les ouvertures 32 indiquent l'endroit où plusieurs spirales sur plusieurs couches de la CCI 10 peuvent être câblées en série. Le détecteur 16 d'amorçage d'arc peut également comporter un relais ou un SSPC (non représenté) qui répond au détecteur 16 d'amorçage d'arc. Le détecteur 16 d'amorçage d'arc peut comporter des circuits (non représentés) qui commandent un relais ou un SSPC (non représenté) pour déconnecter le conducteur électrique 14 d'avec la source d'alimentation électrique quand un amorçage d'arc est détecté. Un tel relais peut comprendre un disjoncteur ou tout autre mécanisme approprié pour déconnecter le conducteur électrique 14 d'avec la source d'alimentation électrique quand un amorçage d'arc se produit et la manière spécifique dont l'action du relais est obtenue n'affecte pas le système décrit ici. En fonctionnement, un amorçage d'arc peut être détecté dans le conducteur électrique 14 par le détecteur 16 d'amorçage d'arc. La survenance de l'amorçage d'arc est détectée par le détecteur 16 d'amorçage d'arc, lequel, de préférence, mesure la vitesse de changement du courant électrique I dans le conducteur électrique 14 en fonction du temps, soit dI/dt. En fonctionnement, le transformateur sec peut se coupler à un champ magnétique (illustré par des flèches B sur la Figure 1A) généré par un courant, illustré schématiquement par la flèche 28, passant dans le conducteur électrique 14 et produisant une tension de sortie, Vout, proportionnelle à la vitesse de changement du courant, dI/dt, passant dans le conducteur électrique 14. Dans la forme de réalisation illustrée, la tension dans les premier et second transformateurs secs 20 et 22 peut être Vout. Le détecteur 16 d'amorçage d'arc peut recevoir Vout et peut, d'après celle-ci, déterminer une présence d'amorçage d'arc. Plus particulièrement, le détecteur 16 d'amorçage d'arc peut détecter une valeur indiquant la vitesse de changement du courant passant dans le conducteur électrique 14 et déterminer un état d'amorçage d'arc d'après la valeur détectée. La détermination d'un amorçage d'arc peut se faire en fonction de ce que, oui ou non, la valeur détectée dépasse une valeur maximale admissible de vitesse de changement. Une telle détermination peut facilement être modifiée pour être satisfaite par une comparaison positive/négative ou une comparaison vraie/fausse. Par exemple, une valeur en deçà d'un seuil peut facilement être satisfaite en appliquant une valeur supérieure à une valeur d'essai quand les données sont inversées numériquement. La valeur maximale admissible de la vitesse de changement peut être déterminée expérimentalement. Pour déterminer un amorçage d'action, le détecteur 16 d'amorçage d'arc détecte la valeur fournie par les premier et second transformateurs secs 20 et 22 et additionner, à des fins de construction, les composantes positive et négative d'un champ magnétique généré par le courant passant dans le conducteur électrique 14. La fonction de transfert peut être dérivée entre le rapport différentiel dI/dt du courant de la barre omnibus et la tension de sortie Vout des bobines, compte tenu des paramètres indiqués. La tension des bobines peut être calculée à l'aide des équations : Vcou = KM (2) (2) = v,N-1 Jra+w-rs . Lr=0 a+rs 2nx (1 - 2r s)dx = Y.N-1 [P.° -r=0 2n (1 - 2r s)ln (a+141-rs)1 a+rs (3) où Vout = tension dans les deux bobines câblées en série ; dl = vitesse de changement du courant dans la bus d'alimentation K = nombre de bobines; N = nombre de spires; a = distance du centre de la barre omnibus au bord de la bobine ; w = largeur de la bobine; / = longueur de la bobine; et s = espacement entre les spires dans chaque bobine. Dans l'exemple de forme de réalisation à deux bobines de cinq spires représenté sur les figures lA et 1B, la série peut être évaluée sous la forme : Vout = 2M (4)(4) ra+w-2s ra+w (1)dx(1 - 2s) dx J -- ra+w-s a+2s 27rx M = 2nx J a+s 2nx (1 - 4s) dx._ turnl turn2 turn3 a+w-3s g a+w-4s + - (1 - 6s) dx + l a+4s --go (, - 8s) dx a+3s 2nx 2nx , turn4 turn5 (5) Le signal de tension indique la vitesse de changement du courant avec le temps et, de la sorte, le détecteur 16 d'amorçage d'arc peut déterminer si la vitesse de changement dépasse une vitesse de changement maximale admissible. Plus il y a de spires par bobine et plus le nombre de couches utilisées par bobine est élevé, plus le couplage est grand entre le rapport dI/dt et la tension de sortie Vout de la bobine. La relation entre la longueur d'une bobine et la tension de sortie est linéaire, pourtant la relation de Vout à la largeur de la bobine est proportionnelle à celle du rapport ln(b/a), aussi une plus forte augmentation de 142 ou b (Figure 1B) nécessaire pour donner un accroissement notable du couplage, portant donc à un maximum la longueur de la bobine, est-elle souhaitable, si possible. La figure 3 illustre un exemple de circuit de configuration de test 100 ayant une tension de sortie Vout, selon une forme de réalisation de l'invention. Dans le circuit de configuration de test 100 ont été testées des doubles bobines de transformateurs secs pourvues de dimensions / = 38mm, w = 5 mm, a = 10 mm, par conséquent b = 15 mm. L'amorçage d'arc série a été créé sur une table vibrante à configuration à bornes lâches, soumise à des vibrations aléatoires conformément aux normes SAE AS 5692. Les tests ont été menés avec une tension continue de ligne de 270 volts. Le tracé de la Figure 4A illustre le passage de courant par un amorçage d'arc série dans le circuit 100 représenté sur la Figure 3 à mesure qu'une borne lâche est secouée tout en étant mise sous tension. Le tracé de la Figure 4B illustre la réponse de la tension de sortie amplifiée de bobine de transformateur sec qui présente une impulsion négative pendant le phénomène à dI/dt négatif provoqué par l'amorçage d'un arc série. L'amplitude de l'impulsion est décuplée pendant l'amorçage d'arc. Les formes de réalisation décrites plus haut apportent divers avantages, dont la possibilité de détecter des amorçages d'arcs série et/ou parallèle dans les systèmes à courant alternatif et courant continu et servent particulièrement à détecter des amorçages d'arcs série dans des systèmes à haute tension. Les formes de réalisation décrites plus haut peuvent servir à détecter des amorçages d'arcs aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur de la CCI. Le transformateur sec constitue un moyen de déterminer le signal dI/dt dans un réseau de distribution d'électricité sans devoir mesurer l'intensité absolue puis avoir la tâche supplémentaire consistant à différencier ce signal. Les formes de réalisation ci-dessus assurent en outre une meilleure dynamique du signal dI/dt en comparaison de la différenciation d'un signal d'intensité absolue. Les formes de formation décrites plus haut autorisent aussi un isolement galvanique du système de mesure d'intensité, ce qui permet de la souplesse dans n'importe quels circuits de traitement de signaux nécessaires. Dans des systèmes à haute tension, l'amplificateur de détection de courant pour le détecteur utilisé n'a pas à flotter sur la tension de ligne comme devrait le faire un amplificateur de détection de courant pour un détecteur de courant de dérivation du côté à haut potentiel. Les formes de réalisation décrites plus haut peuvent détecter, sans saturer, des composantes alternatives de courant continu à haute intensité et assurent un bon rejet l'encontre de sources de perturbations en champ lointain existant dans l'environnement des aéronefs. La solution exige très peu de périphériques et sa mise en oeuvre est peu onéreuse en comparaison d'autres solutions possibles.20 Liste des repères 10 CCI 11 Microprocesseur 12 Carte 13 Composants électriques 14 Conducteur électrique 16 Détecteur d'amorçage d'arc 20 Premier transformateur sec 22 Second transformateur sec 24 Enroulement 26 Enroulement 28 Flèche 30 Bobine 32 Ouvertures 100 Circuit de configuration REVENDICATIONS1. Carte de circuit imprimé (CCI) (10) comportant : une pluralité de composants électriques (13) ; un conducteur électrique (14) conçu pour se connecter à une source d'alimentation électrique extérieure à la CCI (10) et fournir de l'électricité à la pluralité de composants électriques (13) ; et un détecteur (16) d'amorçage d'arc comportant un premier transformateur sec (20) situé à proximité du conducteur électrique (14) pour être couplé à un champ magnétique généré par le courant passant dans le conducteur électrique (14) et produisant une tension de sortie, Vout, proportionnelle à la vitesse de changement du courant, dI/dt, passant dans le conducteur électrique (14). 2. CCI (10) selon la revendication 1, dans laquelle le détecteur (16) d'amorçage d'arc comporte en outre un circuit de traitement de signal qui reçoit Vout et détermine une présence d'amorçage d'arc. 3. CCI (10) selon la revendication 2, comportant en outre un relais et/ou un SSPC déconnectant le conducteur électrique (15) d'avec la source d'alimentation électrique quand un amorçage d'arc est déterminé. 4. CCI (10) selon la revendication 1, dans laquelle le détecteur (16) d'amorçage d'arc comporte en outre un second transformateur sec (22) câblé en série et en opposition de phase par rapport au premier transformateur sec (20) et la tension dans les premier et second transformateurs secs (20, 22) est Vout. 5. CCI (10) selon la revendication 4, dans laquelle les premier et second transformateurs secs (20, 22) sont situés tout près du conducteur électrique (14) pour additionner, à des fins de construction, des composantes positive et négative du champmagnétique généré par le courant passant dans le conducteur électrique (14). 6. CCI (10) selon la revendication 5, dans laquelle les premier et second transformateurs secs (20, 22) sont câblés en opposition de phase pour réaliser l'addition, à des fins de construction, des composantes positive et négative du champ magnétique. 7. CCI (10) selon la revendication 6, dans laquelle les premier et second transformateurs secs (20, 22) comprennent respectivement une première et une seconde bobines (30). 8. CCI (10) selon la revendication 7, dans laquelle chacune des première et seconde bobines (30) est constituée par un enroulement (26) bobiné dans le même sens de rotation. 9. CCI (10) selon la revendication 8, dans laquelle chaque bobine (30) comprend au moins une spirale. 10. CCI (10) selon la revendication 9, dans laquelle chaque bobine (30) comprend de multiples spirales disposées sur différentes couches sur la CCI (10). 11. CCI (10) selon la revendication 8, dans laquelle l'enroulement (26) comprend une piste sur la CCI (10). 12. CCI (10) selon la revendication 1, dans laquelle le premier transformateur sec (20) comprend une première bobine (30). 13. CCI (10) selon la revendication 12, dans laquelle la première bobine (30) est constituée par un enroulement (26) bobiné dans un même sens de rotation. 14. CCI (10) selon la revendication 13, dans laquelle la bobine (30) comprend au moins une spirale. 15. CCI (10) selon la revendication 14, dans laquelle la bobine (30) comprend de multiples spirales disposées sur différentes couches sur la CCI (10). 16. CCI (10) selon la revendication 15, dans laquelle l'enroulement (26) comprend une piste sur la CCI (10). 17. CCI (10) selon la revendication 1, dans laquelle le conducteur électrique (14) comprend une barre omnibus. 18. Procédé pour détecter un amorçage d'arc à l'aide d'un conducteur électrique (14) sur une carte de circuit imprimé (CCI) (10), qui fournit de l'électricité d'une source extérieure d'alimentation électrique à des composants électriques (13) sur la CCI (10), le procédé comportant : la détection d'une valeur indiquant la vitesse de changement d'un courant passant dans le conducteur électrique à l'aide d'un transformateur sec (20, 22) situé sur la carte de circuit imprimé (10) ; et la détermination d'un état d'amorçage d'arc d'après la valeur détectée. 19. Procédé selon la revendication 18, comportant la détection de la valeur à l'aide d'au moins deux transformateurs secs (20, 22) situés tout près du conducteur électrique (14) pour additionner, à des fins de construction, des composantes positive et négative d'un champ magnétique généré par le courant passant dans le conducteur électrique. 20. Procédé selon la revendication 18, comportant en outre la déconnexion du conducteur électrique (14) d'avec la source extérieure d'alimentation électrique. 21. Procédé selon la revendication 20, dans lequel la source extérieure d'alimentation électrique délivre une tension d'au moins 60 volts. 22. Procédé selon la revendication 21, dans lequel la source extérieure d'alimentation électrique délivre une tension d'au moins 220 volts.