Brevet FR3061813A1 — publié le 20180713

Domaine technique L'invention se rapporte au domaine des composants intégrés de protection contre les surtensions pour les systèmes électriques, en particulier pour un système de transmission de données radiofréquences par câble coaxial. Arrière-Plan technologique Pour la protection d'un équipement électrique, il est d'usage d'utiliser, entre les deux lignes d'un secteur alternatif, une varistance à oxyde métallique, notamment à oxyde de zinc, montée en série avec un éclateur à gaz. Un tel dispositif fonctionne théoriquement de la manière suivante : l'éclateur à gaz supporte pratiquement toute la tension alternative du secteur. En effet, la capacité parasite de l'éclateur est de quelques picofarads alors que la capacité parasite de la varistance est de quelques nanofarads. Lorsque survient une surtension, elle provoque l'amorçage de l'éclateur à gaz, qui ne peut s'éteindre que si le courant, dit de suite, qui le traverse ultérieurement devient suffisamment faible. C'est la résistance de la varistance qui assure la limitation du courant de suite et permet l'extinction de l'éclateur à gaz. Cependant, les dispositifs de protection associant des varistances et des éclateurs sont volumineux et encombrants. Résumé de l'invention Une idée à la base de l'invention est d'associer les deux fonctions varistance et éclateur à gaz pour en faire un seul composant intégré, discret, apte à protéger un équipement électrique. Une autre idée à la base de l'invention est de faire un composant miniaturisé. Il existe de nombreux équipements susceptibles d'être protégés par le composant intégré. Par exemple, des systèmes de transmission de données et/ou de puissance par câble coaxial, des équipements électroniques, des systèmes téléphoniques et informatiques, des équipements photovoltaïques, des équipements d'éclairage à LEDs et autres. 3061813 2 Un des avantages de l'invention est de faciliter l'installation des deux fonctions sur un équipement à protéger contre les surtensions provisoires. Pour cela, l'invention fournit un composant intégré de protection contre les surtensions, comportant : 5 une varistance et un éclateur à gaz connectés en série entre une première et une deuxième bornes de connexion électrique, et un enrobage périphérique comportant une résine étanche et électriquement isolante, l'enrobage périphérique étant agencé autour de la varistance et de l'éclateur à gaz de sorte à former une barrière étanche et électriquement isolante ne 10 laissant accessible que la première et la deuxième bornes de connexion électrique au niveau de deux extrémités opposées de l'enrobage périphérique. Selon des modes de réalisation, un tel composant intégré peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. Dans un mode de réalisation, l'éclateur à gaz présente une forme 15 cylindrique, la varistance présente une forme cylindrique et est agencée de manière coaxiale avec l'éclateur à gaz et l'enrobage périphérique présente une forme extérieure cylindrique coaxiale avec l'éclateur à gaz et la varistance. La forme en section de l'enrobage périphérique peut être diverse, par exemple rectangulaire, carrée, circulaire, ovale ou polygonale. Dans des modes de 20 réalisation, la forme en section de l'enrobage périphérique est circulaire, rectangulaire ou carrée. Ainsi, le composant intégré peut présenter différentes formes extérieure, par exemple une forme cylindrique à section circulaire, une forme cylindrique à section rectangulaire ou une forme cylindrique à section carrée. Les bornes de connexion électrique peuvent être réalisées sous différentes 25 forme, en métal conducteur. Dans des modes de réalisation, les bornes de connexion électrique présentent la forme de pattes conductrices ou de plaques conductrice. Dans un mode de réalisation, l'éclateur à gaz comporte une première électrode d'éclateur, une deuxième électrode d'éclateur et un corps d'éclateur disposé entre la première et la deuxième électrodes d'éclateur, le corps de l'éclateur 3061813 3 étant cylindrique à section circulaire, la première et la deuxième électrodes d'éclateur étant deux plaques conductrices parallèles de même section que le corps d'éclateur. Dans un mode de réalisation, la varistance comporte un corps de varistance 5 en oxyde métallique, une première électrode de varistance et une deuxième électrode de varistance placées de part et d'autre du corps de varistance, les électrode de varistance étant des plaques métalliques. Selon un mode de réalisation, la varistance est une varistance à oxyde de zinc (ZnO). Selon un mode de réalisation, la varistance est une varistance 10 multicouche. Selon un mode de réalisation, la varistance est constituée de deux varistances élémentaires agencées en parallèle. Agencer en parallèle plusieurs varistances élémentaires permet d'augmenter la capacité de tenue aux courants impulsionnels sans augmenter le diamètre des varistances, ce qui présente un 15 avantage en termes de miniaturisation. La varistance peut présenter différentes dimensions, par exemple de l'ordre de 5x5x5mm. Ces dimensions sont particulièrement adaptées à un composant à placer sur une carte. L'épaisseur de la varistance peut être sélectionnée en fonction de la tension de fonctionnement nominale maximale. Cette tension nominale de 20 fonctionnement peut varier de quelques dizaines de volts à plusieurs centaine de volts. Dans un mode de réalisation, une électrode d'éclateur et une électrode de varistance sont fixées parallèlement l'une sur l'autre et en contact électrique l'une avec l'autre par une soudure métallique. Alternativement, un élément intermédiaire, 25 par exemple une plaque métallique, peut être employée pour réaliser la liaison électrique entre l'éclateur à gaz et la varistance. Dans un mode de réalisation, la résine étanche et électriquement isolante est une résine époxy. L'invention fournit également un connecteur terminal pour câble coaxial, 30 comportant une portion conductrice périphérique destinée à être reliée au blindage 3061813 4 d'un câble coaxial et une portion conductrice centrale destinée à être reliée au conducteur de coeur d'un câble coaxial, dans lequel le composant intégré de protection précité est agencé électriquement entre la portion conductrice périphérique du connecteur terminal et la portion conductrice centrale du 5 connecteur terminal, les deux bornes de connexion du composant intégré de protection étant en contact électrique avec respectivement la portion conductrice périphérique et la portion conductrice centrale du connecteur terminal. Selon des modes de réalisation, le connecteur terminal peut être réalisé dans un type standardisé choisi dans la liste consistant en KS, BNC, TNC, N et 7/16. 10 Un tel connecteur terminal peut être réalisé sous la forme d'un connecteur mâle ou d'un connecteur femelle. Selon un mode de réalisation, l'invention fournit également un système de transmission de données radiofréquences par câble coaxial comportant le connecteur terminal précité pour réaliser une liaison entre deux sections de câble 15 coaxial. Description brève des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description 20 suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. Sur ces dessins : La figure 1 est une vue en perspective d'un composant de protection électrique selon un premier mode de réalisation, lorsqu'il n'est pas enrobé. 25 La figure 2 est une vue du composant de protection électrique de la figure 1 lorsqu'il est enrobé. La figure 3 est une vue en perspective d'un composant intégré de protection électrique selon un deuxième mode de réalisation. La figure 4 est un est une vue en perspective d'un composant intégré de 30 protection électrique selon un troisième mode de réalisation. 3061813 5 La figure 5 est une vue coupe longitudinale d'un connecteur terminal pour câble coaxial dans laquelle des composants intégrés de protection électrique peuvent être utilisés. La figure 6 est une vue en perspective éclatée du connecteur terminal pour 5 câble coaxial de la figure 5. La figure 7 est une représentation schématique d'un système de distribution par câble coaxial dans lequel le connecteur terminal des figures 5 et 6 est utilisé. 10 Description détaillée de l'invention Un composant de protection 1 destiné à être monté dans un système électrique et permettant de protéger le système électrique contre les surtensions va maintenant être présenté en référence aux figures 1 à 4. Trois modes de réalisation du composant de protection 1 vont être 15 présentés. Le premier mode de réalisation est représenté sur les figures 1 et 2. Le deuxième mode de réalisation est représenté sur la figure 3. Le troisième mode de réalisation est représenté sur la figure 4. La figure 1 représente un composant de protection 1 intégrant un éclateur à gaz 4 et une varistance 2 reliés en série. 20 La varistance 2 comporte de préférence deux varistances élémentaires 21 et 22 en forme de parallélépipèdes rectangles branchées en parallèle. Chaque varistance élémentaire 21, 22 comporte une structure de varistance multicouche 9 à base d'oxyde de zinc et deux électrodes 10 et 11 planes rectangulaires placées de part et d'autre de la structure de varistance multicouche 9. La structure de varistance 25 multicouche 9 des varistances élémentaires 21 et 22 est un parallélépipède rectangle. Les électrodes 10 et 11 sont de même dimension que la section de la structure de varistance multicouche 9 et sont disposées aux deux extrémités longitudinales de celle-ci. 3061813 6 Les électrodes 10 et 11 comportent chacune une surface interne au contact de la structure de varistance multicouche 9 et une surface externe orientée vers l'extérieur de la structure de varistance multicouche 9. Les deux varistances élémentaires 21 et 22 sont disposées l'une contre 5 l'autre par un côté des structures de varistance multicouches 9 perpendiculaire aux électrodes 10 et 11. Ainsi, les électrodes 10 des deux varistances élémentaires 21 et 22 sont disposées dans un même plan et les électrodes 11 également. Optionnellement pour faciliter la manutention de la varistance 2, la varistance 2 comporte deux électrodes planes rectangulaires 12 et 13 présentant 10 chacune une surface interne et une surface externe. Les électrodes rectangulaires 12 et 13 ont des superficies doubles de la superficie des électrodes 10 et 11. Les surfaces externes des électrodes 10 des varistances élémentaires 21 et 22 sont fixées sur la surface interne de l'électrode 12. Les surfaces externes des électrodes 11 des varistances élémentaires 21 et 22 sont fixées sur la surface interne de l'électrode 13. 15 Alternativement, les électrodes rectangulaires 12 et 13 peuvent être omises. L'éclateur à gaz 4 est également appelé gas discharge tube (GDT) en anglais. L'éclateur à gaz 4 comporte deux électrodes 7 et 8 et un corps d'éclateur 5 de forme cylindrique d'axe X en matière isolante, par exemple céramique. Les électrodes 7 et 8 de l'éclateur à gaz 4 sont des électrodes planes 20 circulaires disposées de part et d'autre du corps d'éclateur 5 perpendiculairement à l'axe X du cylindre. Le diamètre des électrodes 7 et 8 est égal à celui du corps d'éclateur 5. L'électrode 7 de l'éclateur à gaz 4 est disposée sur la surface externe de l'électrode 12 de la varistance 2. Ainsi, les électrodes 10 des varistances 21 et 22 sont 25 en contact électrique avec l'électrode 7, par l'intermédiaire de l'électrode 12 ou directement si celle-ci est omise. Toutes les électrodes 7, 8, 10, 11, 12 et 13 sont des plaques métalliques disposées dans des plans perpendiculaires à l'axe X. 3061813 7 Le composant de protection 1 comporte aussi deux pattes de connexion 15 et 16. La patte de connexion 15 est fixée sur l'électrode 8 et la patte de connexion 16 sur la surface externe de l'électrode 13. Enfin, pour protéger le composant de protection 1 ainsi obtenu, il est 5 avantageux de recouvrir la varistance 2 et l'éclateur à gaz 4 ensemble par un enrobage de résine 20 tel que représenté sur la figure 2. L'enrobage en résine 20 est un enrobage cylindrique d'axe X. Par exemple, la résine protectrice comporte une résine époxy. L'enrobage en résine 20 est agencé autour de la varistance 2 et de l'éclateur de sorte à former une barrière protectrice 10 isolante électriquement. Seule une extrémité des pattes de connexion 15 et 16 fait saillie hors de l'enrobage en résine 20 pour la liaison à un système électrique. De préférence, le composant de protection 1 présente des dimensions réduites, par exemple 5,5x11mm. Pour cela, l'éclateur à gaz 4 est par exemple un éclateur à gaz de référence BA, BB, BH ou BG commercialisé par la société 15 déposante. Grâce à ces caractéristiques, le composant 1 peut être utilisé comme parasurtenseur sur un circuit électrique, une carte électronique, un circuit imprimé ou dans un appareil électrique par un simple branchement électrique de chacune des pattes de connexion 15 et 16. 20 La fabrication du composant de protection 1 est aisée et peut être industrialisée et effectuée en série. La fabrication du composant de protection 1 comporte notamment les étapes suivantes : Empilage des différents éléments constituant le composant dans un outillage (plaque en graphite percé de trous ayant le diamètre du 25 composant assemblé sans résine.) - Les éléments sont les électrodes 12 et 13 (si présentes), des performes de soudure (alliage d'étain entre chaque partie à assembler), l'éclateur à gaz 4 et les varistances élémentaires 21 et 22. 3061813 8 - Passage au four à re-fusion, avec emploi d'un système de maintien des éléments, tel que plateau vibrant ou ressords, pour garantir le dimensionnement. - Refroidissement. 5 - Contrôle visuel. - Soudage des pattes de connexion 15 et 16 (optionnel). e Surmoulage de l'enrobage en résine 20. e Marquage. Deux variantes du composant de protection 101 sont représentées sur les 10 figures 3 et 4. Les éléments analogues ou identiques à ceux des figures 1 et 2 portent le même chiffre de référence augmenté de 100. Sur la variante de la figure 3, l'enrobage en résine 120 présente une forme extérieure cylindrique à section carrée et des contacts électriques sous la forme de plaques métalliques 116 et 115 remplacent les pattes de connexion 15 et 16. La 15 mode de réalisation de la figure 4 est similaire, mais avec une section circulaire. En référence aux figures 5 et 6, on décrit maintenant une utilisation du composant de protection 101 dans un connecteur terminal pour câble coaxial 30. Plus particulièrement, le composant de protection est agencé électriquement entre une portion conductrice périphérique du connecteur terminal, qui est destinée à être 20 reliée au blindage d'un câble coaxial et une portion conductrice centrale du connecteur terminal, qui est destinée à être reliée au conducteur de coeur du câble coaxial. Sur les figures 5 et 6, le connecteur terminal 30 pour câble coaxial est un connecteur du type standardisé KS. Toutefois, un agencement similaire du 25 composant de protection peut être réalisé dans des connecteurs de différents types, par exemple types BNC, TNC, N, 7/16 et autres. Le connecteur terminal 30 est un connecteur mâle comportant une portion conductrice périphérique destinée à être reliée au blindage d'un câble coaxial (non représenté) et une portion conductrice centrale destinée à être reliée au conducteur 30 de coeur d'un câble coaxial. 3061813 9 La portion conductrice périphérique est constituée de trois écrous métalliques vissés les uns aux autres, faits par exemple en aluminium ou en acier : un écrou médian 31, un écrou côté câble 32 et un écrou terminal 33. L'écrou médian 31 présente une douille tubulaire 34 qui s'étend vers l'écrou côté câble 32 dans un 5 alésage central 35 de celui-ci. En usage, l'extrémité du blindage du câble coaxial est logée dans l'espace annulaire entre la surface extérieure de la douille tubulaire 34 et la surface intérieure de l'alésage central 35 de manière à être en contact électrique avec celles-ci. L'extrémité du conducteur de coeur et de la gaine diélectrique du câble coaxial est engagée dans la douille tubulaire 34. 10 Une tige de contact 36, par exemple en cuivre ou cuivre argenté, est montée dans l'écrou terminal 33 au moyen de plusieurs pièces de support en matière isolante 37 à 40, par exemple en matière plastique. En usage, l'extrémité du conducteur de coeur du câble coaxial est engagée dans une douille 41 à l'extrémité de la tige de contact 36 pour réaliser le contact électrique avec celle-ci. La gaine 15 diélectrique du câble coaxial est interrompue en amont de la tige de contact 36, par exemple contre la pièce de support 37. Le composant de protection 101 est logé dans un alésage transversal 42 de l'écrou terminal 33 et retenu dans celui-ci au moyen d'une vis de fermeture 43, également métallique. Ainsi, une extrémité du composant de protection 101 est en 20 contact électrique contre une surface latérale de la tige de contact 36 tandis que l'autre extrémité du composant de protection 101 est en contact électrique contre la vis de fermeture 43, qui réalise une liaison électrique avec l'écrou terminal 33. Comme le connecteur terminal 30 est destiné à être utilisé dans un réseau de câble coaxial pouvant être disposé en plein air, notamment pour un réseau de 25 télévision par câble, des joints d'étanchéité toriques 45 sont agencés entre les différents éléments vissés. Le connecteur terminal 30 est un connecteur mâle apte à être insérée dans un connecteur femelle associé (Fig. 7), afin d'assurer un contact électrique entre respectivement la tige de contact 36 et un conducteur central du connecteur femelle 30 et entre l'écrou terminal 33 et un conducteur périphérique du connecteur femelle. 3061813 10 Alternativement le composant de protection 101 pourrait être agencé dans le connecteur femelle. Dans le connecteur terminal 30, le composant de protection 101 est le seul circuit électrique reliant la portion conductrice périphérique à la portion conductrice 5 centrale. Le composant de protection 101 est de préférence agencé avec l'éclateur à gaz du côté de la portion conductrice périphérique et la varistance du côté de la portion conductrice centrale. Cet agencement permet de minimiser l'influence des propriétés individuelles de l'éclateur à gaz (céramique, gaz de remplissage et fine coupelle), qui ont nécessairement une certaine dispersion statistique. Il en résulte un 10 meilleur contrôle de l'impédance totale de l'assemblage. Le connecteur terminal 30 peut être employé dans tout système de transmission par câble coaxial, notamment dans un système de distribution de données et de puissance, dans lequel la puissance est fournie sous la forme d'une tension continue ou alternative et les données sont fournies sous la forme d'une 15 modulation à haute fréquence, par exemple de l'ordre d'un MHz à 100 GHz. La figure 7 représente partiellement un système de transmission par câble coaxial 50. Une première section de câble coaxial 46 présente une extrémité terminée par le connecteur terminal 30 de type mâle. Une deuxième section de câble coaxial 47 présente une extrémité terminée par un connecteur terminal femelle 20 48 connectable au connecteur terminal 30. Chaque section de câble coaxial 46 et 47 comporte un conducteur de coeur 49, un blindage périphérique 51 et un isolant diélectrique agencé entre eux. Selon un mode de réalisation, le blindage périphérique 51 est un tube métallique semi-rigide. En fonctionnement, lors d'une surtension provisoire, par exemple 25 provoquée par la foudre, le composant de protection 101 permet de dériver la décharge induite dans le conducteur de coeur du câble coaxial vers le blindage périphérique tenant lieu de circuit de masse, de sorte que la surtension n'atteigne pas des composants sensibles du système de transmission. La surtension amorce l'éclateur à gaz. L'éclateur à gaz passe d'un état de très haute impédance à un état 3061813 11 de quasi court-circuit lors de l'application d'une tension supérieure à sa tension d'amorçage. Exernp!e numenqie Dans un mode de réalisation convenant pour un système de distribution de 5 données et de puissance par câble coaxial, le dimensionnement de l'éclateur à gaz et de la varistance sont réalisés avec les paramètres suivants : Varistance élémentaire (chacune) : Imax : 4,5kA (8/20 ps) (2 fois) - Uc : 65V 10 Eclateur à gaz (référence BA120 de CITEL) : - Amorçage statique min : 120V - Imax : 25kA (8/20 ps) (1 fois) - In : 10kA (8/20ps) Composant de protection résultant : 15 - Imax : 10kA (8/20 ps) (meilleur maintien mécanique) - In : 8kA (8/20 ps) (15 fois) - Uc : 90V - Niveau de protection : REVENDICATIONS1. Composant intégré (1, 101) de protection contre les surtensions, comportant : une varistance (2, 102) et un éclateur à gaz (4, 104) connectés en série entre une première et une deuxième bornes de connexion électrique (15, 16 ; 115, 116), et un enrobage périphérique (20, 120) comportant une résine étanche et électriquement isolante, l'enrobage périphérique étant agencé autour de la varistance et de l'éclateur à gaz de sorte à former une barrière étanche et électriquement isolante ne laissant accessible que la première et la deuxième bornes de connexion électrique au niveau de deux extrémités opposées de l'enrobage périphérique. 2. Composant intégré selon la revendication 1, dans lequel l'éclateur à gaz (4, 104) présente une forme cylindrique, la varistance (2, 102) présente une forme cylindrique et est agencée de manière coaxiale avec l'éclateur à gaz et l'enrobage périphérique (20, 120) présente une forme extérieure cylindrique coaxiale avec l'éclateur à gaz et la varistance. 3. Composant intégré selon la revendication 2, dans lequel la forme en section de l'enrobage périphérique est circulaire. 4. Composant intégré selon la revendication 2, dans lequel la forme en section de l'enrobage périphérique est rectangulaire ou carrée. 5. Composant intégré selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les bornes de connexion électrique présentent la forme de pattes conductrices (15, 16). 6. Composant intégré selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les bornes de connexion électrique présentent la forme de plaques conductrices (115, 116). 7. Composant intégré selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'éclateur à gaz (4, 104) comporte une première électrode d'éclateur, une deuxième électrode d'éclateur et un corps d'éclateur (5) disposé entre la première et la deuxième électrodes d'éclateur, le corps de l'éclateur (5) étant cylindrique à 3061813 13 section circulaire, la première et la deuxième électrodes d'éclateur étant deux plaques conductrices (7, 8) parallèles de même section que le corps d'éclateur. 8. Composant intégré selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la varistance comporte un corps de varistance (9) en oxyde métallique, une 5 première électrode de varistance et une deuxième électrode de varistance placées de part et d'autre du corps de varistance, les électrode de varistance étant des plaques métalliques (10, 11). 9. Composant intégré de protection selon la revendication 8 prise en combinaison avec la revendication 7, dans lequel une électrode d'éclateur et une 10 électrode de varistance sont fixées parallèlement l'une sur l'autre et en contact électrique l'une avec l'autre par une soudure métallique. 10. Composant intégré de protection selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la varistance est constituée de deux varistances élémentaires agencées en parallèle. 15 11. Composant intégré de protection selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la résine étanche et électriquement isolante est une résine époxy. 12. Connecteur terminal (30) pour câble coaxial, comportant une portion conductrice périphérique (31, 32, 33) destinée à être reliée au blindage d'un câble coaxial et une portion conductrice centrale (36) destinée à être reliée au 20 conducteur de coeur d'un câble coaxial, dans lequel un composant intégré de protection (101) selon l'une des revendications 1 à 11 est agencé électriquement entre la portion conductrice périphérique du connecteur terminal et la portion conductrice centrale du connecteur terminal, les deux bornes de connexion (115, 116) du composant intégré de protection étant en contact électrique avec 25 respectivement la portion conductrice périphérique et la portion conductrice centrale du connecteur terminal.