|
(11) | EP 0 264 315 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||
| (54) | Structures à propagation d'onde pour la suppression de surtensions et l'absorption de transitoires |
| (57) Structures à propagation d'onde quadripôles/tri- pôles,telles que des lignes, câbles
et composants électroniques, comportant un diélectrique non-linéaire à pertes, absorbant
à la fois des surtensions (effet varistor dans le domaine temps) et des transitoires
rapides (effet filtre passe-bas, dans le domaine fréquence). Application aux protections
contre coup de foudre, impulsion électromagnétique nucléaire, décharges électrostatiques
et RFI en général. |
[0001] Aujourd'hui les composants électroniques, ayant un comportement électrique non linéaire sont bien connus : Ainsi les parafoudres au Carbure de Silicium (SiC) et les résistances à l'oxyde de zinc (ZnO) sont couramment utilisés pour absorber des surtensions parasites, le long de lignes haute-tension, ou encore dans les circuits électriques basse-tension et les circuits électroniques.
[0002] La caractéristique électrique d'un tel composant se décrit, approximativement, par une relation du type
[0003] où 1 est le courant la traversant, sous une tension appliquée U, n étant le coefficient de non-linéarité, décrivant "la pente" de la non-linéarité (variant typiquement de 3 à 10 pour une résistance au SiC, et de 20 à 70 pour une résistance au ZnO) et k une constante définissant la gamme de conductivité obtenue.
[0004] Il est important, en pratique, de pouvoir disposer de telles caractéristiques, non seulement avec des matériaux solides (SiC et ZnO frittés), mais aussi avec des matériaux composites, à base de plastiques, polymères etc. thermoplastiques et thermodurcissables, pour faciliter la réalisation par des techniques basse température (compression, injection, extrusion etc., laminage) de pièces au défilé et/ou en quantité, ou encore quand une flexibilité est nécessaire, telle que pour l'utilisation pour des fils et câbles électriques.
[0005] De tels composites ont été décrits dans la littérature, avec le SiC (Brevets France no 1.260.453 et 1.363.222), avec le ZnO (Brevet France no 2.547.451) et avec différents autres oxydes métalliques (Brevet US no 1.246.829). Les coefficients de non-linéarité obtenus sont dans la gamme de 3 à 5. Plus récemment, la Société Chomerics a commercialisé un composite flexible à base de carbure de Silicium et de Titane ("CHOTRAP") avec un coefficient de non-linéarité de l'ordre de 7, sur une gamme de courants de 3 à 4 décades.
[0006] Les applications des composites décrits ont été essentiellements pour la réalisation de manchons pour terminaisons de câbles isolés moyenne et haute-tension : en effet, un faible courant créé par les equipotentielles du champ électrique, provoque une distribution de gradient de ce champ, plus favorable, évitant des claquages aux embouts. (Brevets France no 1.194.221, 1.260.453, 1.363.222 ; Demande de Brevet France no 2.423.036). Il s'agit essentiellement d'une couche "localisée" dans laquelle il n'y a pas d'effet de propagation, et conduisant en permanence un faible courant, pour définir les nouvelles équipotentielles équiréparties. Il est un but de ce brevet, de décrire des structures à propagation d'onde (en opposition avec un composant dipôle, non-linéaire), dans laquelle le milieu non-linéaire est incorporé tout le long du sens de propagation d'une onde électromagnétique (caractérisant la perturbation par surtension), comme
[0011] qui du fait de sa distribution ne présente pas d'effets parasites (inductance parasite, capacité parasite), caractérisant les composants à structure dipolaire.
[0013] où le milieu non linéaire n'est pas sollicité quand la tension électrique appliquée est normale : en d'autres mots ce diélectrique agit normalement, comme isolant classique. Seulement en cas d'apparition de surtensions perturbatrices, ce diélectrique conduit et "court-circuite" ces surtensions (à la masse, ou vers un autre conducteur).
[0014] Il est un autre but de décrire une telle structure, dans laquelle la constante diélectrique, ainsi que les pertes diélectriques de ce diélectrique non-linéaire augmentent avec la surtension. Plus particulièrement la capacité (à pertes) distribuée croît de façon importante, introduisant un effet de filtre passe-bas (ligne RC), et un changement d'impédance caractéristique
[0016] Il est un autre but de décrire une telle structure, dans laquelle de tels effets non-linéaires, sont obtenus avec un composite diélectrique et magnétique, c'est à dire où l'on greffe sur les caractéristiques décrites ci-dessus, des effets magnétiques avec des pertes magnétiques, telles que décrites par exemple dans le brevet France no 78.33.385.
[0017] Il est un but final de décrire une telle structure, dans laquelle on combine les effets de suppression de surtensons (suppression dans le domaine temps) avec les effets de filtrage par absorption diélectrique et/ou magnétique et par réflexion (dans le domaine fréquence).
[0018] Une telle structure agit donc à la fois comme écrêteur de tension distribuée et comme filtre passe-bas distribué (dans la mesure où les pertes augmentent avec la fréquence).
[0019] L'intérêt pratique de l'invention réside dans le concept d'une suppression de surtension distribuée, rendant possible la distribution de la puissance dissipée (surtensions conduites à la masse ou à un autre conducteur) et de supprimer les inconvénients des composants (dipôles) non-linéaires classiques, tels que les réponses défavorables en régime transitoire rapide.
[0020] Finalement, la distribution des effets non-linéaires, dans des structures du type câbles, introduit le concept nouveau d'intégration de fonctions de protection dans les liaison électriques de puissance ou de transfert d'informations,c'est à dire dans les éléments où ces surtensions et transitoires
[0022] L'intérêt pour la protection des liaisons type distributions d'énergie ou distribution de signaux et d'informations, contre des coups de foudre, contre l'impulsion électromagnétique d'une explosion nucléaire (HEMP), contre les décharges électrostatiques, contre les surtensions engendrées dans un système (SEMP), réseau de distribution automobile, avec rupture de charges inductives, est évident. L'invention sera décrite en détail, utilisant un nombre d'exemples de réalisations, à l'aide d'un nombre de figures.
[0023] Ainsi la figure 1 représente le schéma bien connu d'une structure à propagation quadripôle (tripôle) classique, avec ses éléments distribués :
L représente l'inductance série distribuée, comportant la"self interne", due au conducteur et la "self externe", due à la présence éventuelle d'un milieu magnétique entourant le conducteur ;
R représente les pertes liées à cette inductance série L, telles que par exemple l'effet
peau du conducteur, et, le cas échéant, les pertes magnétiques
C représente la capacité shunt due au diélectrique séparant le conducteur "chaud" de la masse (ou autre conducteur) ;
r représente la résistance équivalent série des pertes du diélectrique, où l' angle
de pertes
[0024] Selon l'invention,le diélectrique utilisé est représenté par un composite non-linéaire, c'est à dire se comportant essentiellement comme un isolant aux tensions normales (appliquées au quadripôle (tripôle), mais devenant essentiellement conducteur, quand des surtensions apparaissent aux bornes du quadripôle (tripôle).
[0025]
La figure 2 représente le schéma élémentaire distribué, de la structure selon l'invention, dans lequel une conductivité variable G(U) est introduite par la conduction croissante avec la tension U appliquée, et dans lequel C(U) et r(U) décrivent la permittivité et les pertes diélectriques croissant avec cette même tension U.
La figure 3 représente le schéma élémentaire distribué, d'une autre structure selon l'invention, dans lequel un isolant classique (c'est à dire indépendant de la tension) est intercal entre le diélectrique non-linéaire et la masse (ou autre conducteur), introduisant une capacité C', considérée sans perte.
La figure 4 représente l'application des principes selon l'invention à une structure coaxiale (tel qu'un élément de ligne, un câble etc.), dans laquelle le diélectrique non-linéaire est placé entre le conducteur "chaud" et une gaine ou tresse externe.
La figure 5 représente l'application des principes selon l'invention à un câble multiconducteurs, avec la protection contre surtensions de mode commun et de mode symétrique.
La figure 6 représente l'application des principes selon l'invention à un élément de ligne plate ou un câble multiconducteurs en ruban.
La figure 7 représente l'application des principes, selon l'invention, à un câble moyenne ou haute-tension isolé, comportant une discontinuité dans une des électrodes.
La figure 8 représente l'application des principes selon l'invention à un câble moyenne ou haute-tension, avec la protection par répartition du gradient du champ électrique, combiné avec une fonction de filtre passe-bas.
La figure 9 représente l'application des principes, selon l'invention, à un cas de propagation d'onde libre (onde plane, guidée ou non-guidée).
La figure 10 représente l'application des principes, selon l'invention, à une capacité quadripôle (tripôle).
[0026] Afin d'expliquer l'invention, la description détaillée de ces différentes formes d'implémentation va suivre, avec, au fur et à mesure, la description des diélectriques non-linéaires utilisés : il va de soi, que ces exemples ne sont pas limitatifs, où, en particulier, les diélectriques non-linéaires décrits peuvent s'appliquer indistinctement aux différentes réalisations, comme les milieux diélectriques non-linéaires peuvent être compacts, ou en composites thermoplastiques ou thermodurcissables. Les exemples choisis sont typiques ; il va de soi aussi que les principes utilisés peuvent être appliqués à toutes autres structures à propagation d'onde libre ou guidée.
[0027] Dans la figure 4, qui décrit un câble coaxial typique, selon l'invention, 1 représente le conducteur central, réalisé en matériau conducteur (métal ou alliage), plein, en toron, ou en couches. Ce conducteur peut éventuellement être recouvert d'une couche mince conductrice, compatible chimiquement avec la couche diélectrique non-linéaire 2. Cette dernière couche, en effet, doit être en contact direct de bonne qualité, afin de na pas introduire des effets de conduction parasite (intervenant sur G).
[0028] Pour les mêmes raisons, le conducteur externe 4 doit être compatible, et assurer un bon contact avec le diélectrique 2 : Dans la figure, une couche 3 peut être prévue à cet effet, consistant, par exemple, en une métallisation du diélectrique 2 (Argenture, dépôt d'Indium, Polymère conducteur, Feuille mince métallique rubannée, Colaminé, etc.).
[0029] La couche 4 peut être une tresse métallique classique, une nappe de fils conducteurs, un tube métallique, etc., destinée à réaliser la connexion électrique. La couche 5 représente une protection mécanique de l'élément de ligne ou du câble, telle qu'une couche de plastique, de polymère, une armure, etc. Elle peut aussi, ou additionnellement représenter une couche de diélectrique plus ou moins conductrice, plus ou moins absorbante (suivant les techniques décrites dans le brevet France no 78.333.35), ou encore être réalisé avec un diélectrique non-linéaire du même genre que celui de la couche 2, pour supprimer des courants/sur- tensions de mode commun externe.
[0030] Le milieu 2 est réalisé, dans un premier exemple, par un diélectrique non-linéaire flexible, réalisé suivant les moyens connus, décrits dans les références en préambules.
[0031] Par exemple, un mélange d'une poudre de SiC frittée, à haute conductivité (type NORTON 254, de Carborundum) par dopage n ou p, concassée à une grosseur de grains (aggrégats multicristallisés, comportant des interfaces actifs multiples) dans la gamme de 30 à 200 µ, sélectionnés éventuellement en distribution de granulométrie, est intégré, par mélange, dans un matériau matrice flexible, tel qu'un plastique (PVC, etc.) ou polymère (Silicone, EPDM etc.) avec une concentration SiC en volume de 15 % à 75 %, équivalent à environ 20 0/0 à 94 % en poids, selon la densité du matériau matrice.
[0032] Le choix de la poudre exacte (dopage) et sa concentration dans le mélange sont directement liés à la tension de fonctionnement normale, pour une épaisseur de diélectrique donnée (tension pour laquelle le diélectrique est essentiellement isolant) et à ce qui est considéré "surtension" dans l'utilisation du câble (pour laquelle le diélectrique sera essentiellement conducteur par l'apparition d'effet Tunnel et/ou effet Schottky (2 diodes polarisées en sens inverse) "court-circuitant" la barrière de potention, due à l'interface isolant.
[0033] Le mélange est extrudé/injecté ensuite, et réticulé, le cas échéant, autour du conducteur central. Comme exemple numérique, on donnera ci-dessous les détails d'un tel mélange, permettant d'obtenir un coefficient de non-linéarité de 3 à 4, couvrant 3 à 4 décades de courant. Une charge à 73 % en poids de SiC dopé, avec une distribution de granulométrie régulière entre 50 et 150 µ, est extrudée sous le diamètre de 5 mm, autour d'un conducteur central de diamètre 2 mm, et ensuite l'électrode externe mise en place. Pour cette réalisation, pour une longueur de câble de 1 m, on relève sous une tension U de 100v un courant shunt de 0,72 uA, croissant à 2,68mA sous une tension U de 1000v. Ceci correspond à un coefficient de non-linéarité moyen de 3,57.
[0034] Pour la tension de 100v, on considère, dans ce contexte que le diélectrique du câble est essentiellement isolant ; tandis que sous 1000v (la surtension) le diélectrique est essentiellement conducteur. La permittivité relative ε de ce diélectrique (à faible tension) est de 12,2 (à 100 Hz), décroissant légèrement à fréquence croissante : s = 11,0 (à 1 MHz) et 9,1 (à 100 MHz). Son angle de pertes diélectriques (à faible tension) est de tgδe = 0,030 (à 1 kHz), 0,015 (à 10 kHz) croissant vers un maximum d'environ 0,021 (à 100 kHz), et descendant vers 0,011 (à 100 MHz), variations typiques pour un composite à phases intergranulaires.
[0035] A tension croissante, la permittivité ainsi que les pertes diélectriques croissent. Ainsi la constante diélectrique et l'angle des pertes tgδe (dû à r(U)) sont plus que décuplés, les pertes diélectriques équivalentes à la conduction non-linéaire (due à G(U)) croissant évidemment beaucoup plus vite. On reviendra en détail, ci-dessous, à ces effets inattendus, et caractéristiques de l'invention.
[0036] Une des caractéristiques de l'invention consiste en la distribution des effets Joule, dans le cas de surtensions importantes, de durée appréciables : de ce fait, des puissances beaucoup plus importantes peuvent être admises, comparées aux composants de protection SiC et ZnO classiques. Des effets particuliers peuvent apparaître dans le cas de diélectriques composites, selon l'invention.
[0037] Ainsi quand la puissance dissipée (par effet Joule) dans un tel diélectrique échauffe notablement le composite non-linéaire, celui-ci a tendance à se dilater, et les contacts entre particules ont tendance à diminuer, provoquant un effet additionel de résistance à coefficient de température positif (PTC).Cet effet, dans le cas d'une surtension de plus longue durée, provoque une autolimitation du courant, c'est à dire de protection automatique, au dépens évidemment de l'effet de suppression de surtension.
[0038] Il est aussi évident, que si la réalisation mécanique de la matrice du composite non-linéaire ne permet pas cette dilatation (par exemple gaine externe 4,5 très rigide, diélectrique non-linéaire compact, ou encore composite à matrice thermodurcissable) l'effet PTC ne peut jouer, ou même, un effet de coefficient de température négatif (NTC) peut apparaître, par l'augmentation de pression sur les particules dans la matrice. (Effet qui existe aussi en cas d'apparition de pression d'autres origines).
[0039] L'application d'une surtension à un tel type d'élément à propagation va évidemment faire apparaître la totalité de la surtension à l'entrée de la structure, forme d'onde dont l'amplitude se réduira (ainsi que la dissipation), au fur et à mesure de sa propagation le long. Afin de prévoir une meilleure répartition de la charge, ainsi que de la contrainte diélectrique, on peut augmenter l'épaisseur du diélectrique non-linéaire vers les bouts de la ligne, ou encore y appliquer un composite non linéaire moins conducteur.
[0040] Dans un deuxième exemple, appliqué à une structure analogue à celle de la figure 4, on considère un diélectrique non-linéaire à base d'agglomérats de cristaux d'oxyde de zinc, tels qu'utilisés dans les varistances (MOV's) (composants électroniques de protection). Ces agglomérats sont obtenus par concassage de pièces frittées, par exemple, et placés dans un matériau matrice tel que décrit plus haut, avec une charge massique d'au moins 30 % d'agglomérats, contenant au moins la moitié de grains de dimensions supérieures à 100 µ. Une faible charge (quelques %) de graphite conducteur est additionnée pour favoriser le nombre de contacts entre agglomérats.
[0041] L'exponant de non-linéarité obtenu est de 5,1 environ, avec des conductivités (coefficient k) d'un ordre de grandeur supérieur.
[0042] Ces deux exemples permettent de généraliser, en ce qui concerne le constituant de base, c'est à dire les agglomérats de cristaux conducteurs séparés par des interstices peu ou pas conducteurs (entre cristaux conducteurs), provoquant les effets non-linéaires.
[0043] De nombreuses autres structures polycristallines (que celles citées) sont utilisables et ont été décrites dans la littérature scientifique et technique : On cite ici d'autres oxydes tels que l'alumine, la magnésie, l'oxyde de titane et de bismuth et., d'autres carbures, tels que celui du titane, du bismuth, du bore etc. ; les titanates de barium (utilisés dans les thermistances), les sulfures, tels que le sulfure de Zinc (utilisé dans les panneaux électroluminescents), les composés ferroélectriques (utilisés dans les capacités à couche d'arrêt), le Silicium polycristallin,etc. On peut également synthétiser de telles structures, comme on verra par la suite.
[0044] Comme troisième exemple, adapté à des courants d'un ordre de grandeur encore au-delà (c'est à dire de tensions de fonctionnement encore plus basses) un diélectrique non-linéaire, utilisant des agglomérats de cristaux de SiC et de Carbure de titane, avec des additions de particules conductrices très fines, destinées à parfaire les contacts entre agglomérats. Ce composite est connu commercialement sous le nom de CHOTRAP (Chomerics), déjà mentionné. Il permet d'atteindre des exponants de non-linéarité n de l'ordre de 7.
[0045] La permittivité relative de ce composite est de 15 environ (100 Hz), décroissant à 13 (1 MHz), sous faible tension d'essai.
[0046] Le courant, pour 1 m de câble décrit, est de 3,7 A sous une tension U maximum de 120v (condition essentiellement conductrice). Sous la tension normale de fonctionnement de 24v, le courant est de 47 µA en condition isolante.
[0047] La constante diélectrique en cas de surtention est multipliée par un coefficient de 50 à 100, et il en est de même pour les pertes diélectriques intrinsèques (non dues à la conduction).
[0048] On arrive ainsi, par la variation très importante de la capacité distribuée de la structure à changer complètement la caractéristique de propagation, autre aspect important de l'invention. En effet, une ligne adaptée normalement (en cas de faible tension) devient fortement désadaptée et l'essentiel du signal correspondant à la surtension est réfléchi à l'entrée, troisième effet qui contribue à une protection contre surtensions. Des applications immédiates de ces phénomènes, par analogie avec les cellules TR et ATR des radars, sont envisageables. On mentionne encore le fait que l'augmentation très forte des pertes diélectriques (en cas de surtension) fait accroître l'absoption diélectrique, quatrième effet de protection.
[0049] Finalement, selon l'invention, apparaissent les effets de protection/absorption suivants, en cas de surtension :
- un shuntage résistif (diélectrique essentiellement conducteur) ;
- une augmentation importante de l'angle de pertes diélectriques (absorbant l'onde em) ;
- une multiplication importante de la capacité distribuée (accumulant l'énergie sous forme de charge) ;
- une désadaptation du quadripôle (s'il était adapté avant).
[0050] Comme quatrième exemple, on va indiquer un milieu diélectrique non-linéaire, avec additionnellement des caractéristiques magnétiques, ainsi que quelques exemples types de constitution d'un tel composite, décrivant une des caractéristiques importante de l'invention.
[0051] Le fait du fonctionnement en hautes fréquences, le milieu doit être traversé par les champs em, c'est à dire son effet de peau doit être réduit : cette condition appelle à l'utilisation des poudres fines ferromagnétiques ou des matériaux ferrimagnétiques.
[0052] Pour obtenir une absorption élevée aux fréquences HF, ces ferrites constituent un bon choix, en partant d'une perméabilité élevée, une conduction réduite (à l'etat compact) et divers autres critères définis en détail dans le Brevet France no 78.333.85. Constitués par des cristaux peu conducteurs (caractéristiques à la base des ferrites produits), ils comportent des interstices cristallins, avec des phases relativement conductrices : en d'autres mots les ferrites classiques ne conviennent pas a priori pour réaliser des effets non-linéaires.
[0053] Néanmoins on peut réaliser des ferrites ad hoc, dans lesquels les interstices sont optimisés pour l'application selon l'invention : il faut pour cela, d'abord introduire une certaine conductivité dans les cristaux mêmes, de façon à pouvoir obtenir une bonne conduction sous un champ électrique élevé (où l'effet Tunnel et/ou Schottky éliminent l'effet des interstices isolants).Il faut ensuite introduire, par de faibles additions de métaux ou de sels métalliques, qui ne s'intègrent pas dans la structure magnétique des cristaux (ou domaines), mais qui se ségrègent sous forme de composés peu ou pas conducteurs, dans les interstices entre cristaux. On créé de la sorte des zones "désertes" (depletion layers), analogues à celles du SiC et ZnO non-linéaires, par la formation de phases intergranulaires désertées, avec les sels seuls de ces additions, ou en combinaison avec des composants des sels métalliques (Fe, Mn, Zn, Ni, Mg etc.) des ferrites.
[0054] Une deuxième technique, selon l'invention consiste à réaliser après coup (après le frittage du ferrite) de tels interstices par un traitement ad hoc du ferrite, qui est mis en forme de poudre. L'application de telles couches minces essentiellement isolantes sous forme de dépôt en solution de primaire d'adhérence, de photo-polymérisation en phase vapeur de polymère, de traitement chimique des grains, dont l'oxydation à l'air etc, est connue en soi, dans les techniques du processing dans l'industrie chimique.
[0055] Un "ferrite artificiel" du premier type, combinant des effets magnétiques, et une forte absorption HF, avec les effets de conduction non-linéaire, a été réalisé, selon l'invention. Il est du type Mn-Zn (voir brevet cité), avec la formule générale Fe2O3(MnOx ZnOy) + (SnO, Ti02, CaO, Bi203, CuO, etc.)z
[0056] dans laquelle z correspond à des impuretés typiques (O à quelques olo), destinées à favoriser la formation des phases intergranulaires désertées contenant ces oxydes, (et d'autres, tels que les sels de Sb, Pr, Ba, Sr, Nd, Rb, Zr, Co, etc.) et des phase plus complexes,contenant également les constituants de base du ferrite (tels que le ZnO, par exemple). D'une façon générale ces additifs, composés d'oxydes conducteurs fortement basiques, avec des oxydes acides isolants favorisent la formation des couches intersticielles peu ou pas conductrices, et les facteurs connus intervenant sur la grosseur des cristaux de ferrites (tel que le CaO, par exemple) permettent de définir, le nombre de jonctions Schottky, c'est à dire la tension où les effets non linéaires ont lieu.
[0057] Dans cette formule générale x correspond à la quantité de Mno, typiquement dans la gamme d'un pourcentage en moles de 20 à 50 % et y à la quantité de Zno dans la gamme d'un pourcentage en moles de 0 à 40 %. (La somme des pourcentages x + y + z peut être différente de l'unité dans la mesure où la composition du ferrite n'est pas stoechrométique, plus particulièrement pour répondre à la condition de bonne conductivité des grains). L'excès de fer L'excès de fer (apparaissant dans les deux valences) est également un facteur favorisant les phénomènes non-linéaires.
[0058] Un tel ferrite artificiel typique servant d'exemple par la suite, contient un pourcentage en moles de 40 % de MnO et de 14 % de ZnO (soit 25 % et 10 0/0 en poids), avec 2 % en moles de Ti02 et 0,6 % en moles de Co, comme additifs, pour la formation des couches intersticielles désertes. Le ferrite permet d'obtenir une perméabilité élevée, avec des pertes magnétiques élevées, pour l'utilisation en tant qu'absorbant HF ; ses pertes diélectriques montrent un maximum dans les HF, caractéristique de l'effet Maxwell-Wagner, dû à une phase conductrice et une phase quasi-isolante.
[0059] Ce ferrite peut être utilisé sous forme compacte, ou en composite, selon l'invention. Comme exemple de cette dernière application, un composite réalisé, avec 85 % en poids de ferrite (concassé, avec une distribution de granulométrie linéaire, entre 50 et 200 µ de grosseur d'agglomérats), et 15 % en poids de Polychlorure de Vinyl (PVC), on obtient une conductivité proche de celle de l'exemple cité du composite au SiC, avec un exposant de non-linéarité n = 4 à 4,5 pour 4 décades de courant.
[0060] Le câble électrique, avec les dimensions indiquées, pour 1 m de longueur, conduit en shunt 0,6 mA sous 200v (condition essentiellement isolante) et 0,45 A sous 1000v (condition essentiellement conductrice).
[0061] Un"ferrite artificiel" du second type utilise par exemple, une poudre de ferrite de Mn-Zn du type classique, (sans couche interfaciale spéciale). Cette poudre est traitée en surface dans une solution aqueuse ou alcoolique de silane (telle que par exemple le Vinyl-tri (β-methoxy-etoxy-silane) ("A-172"), ensuite séchée à la chaleur, et recuite à 150" pendant 2 heures. Le matériau résultant est ensuite compacté sous presse ou moulu pour être intégré dans une matrice plastique ou polymère (composite).
[0062] Comme déjà mentionné, le nombre d'interstices actifs (zones déplétées) détermine la chute de tension globale (pour une épaisseur de matériau non-linéaire donnée), et l'utilisation de grains plus gros, et plus conducteurs, permet d'augmenter le courant non-linéaire, pour un champ électrique donné.
[0063] Un produit commercial, le ferrite de puissance H7C4 (TDK), utilisant des additions de Si02 et CaO dans les interstices, avec un traitement thermique adequat (en atmosphère contrôlée) pour avoir de gros cristaux, convient pour augmenter la conductivité d'un ordre de grandeur, par rapport à l'exemple ci-dessus.
[0064] Pour accroître encore la conductivité, finalement des mélanges utilisant ces types de ferrites (gros cristaux, cristaux conducteurs etc.) avec des additions d'agglomérats de SiC et/ou ZnO à gros grains, et des additions métalliques fines, éventuellement ferromagnétiques (fer carbonyl, alliages fer-nickel coprécipités, etc.) peuvent convenir.
[0065] De tels "ferrites artificiels" (compacts ou en composites) permettent de rajouter aux quatre effets plus haut
- une caractéristique magnétique (augmentant L, par l'augmentation de la selfinductance externe) ;
- des pertes magnétiques, permettant la réalisation de structures à propagation absorbantes.
[0066] De telles structures magnétiques, à conduction non-linéaires conviennent particulièrement pour la suppression de parasites,par écrêtage (dans le domaine temps) et par absorption HF (dans le domaine fréquence) : elles représentent une solution idéale pour l'antiparasitage et d'immunication EMC où des surtensions élevées peuvent apparaître (EMP, coup d'éclairs, coupure inductives sur réseau automobile), avec des fronts d'onde rapides (HEMP), avec d'éventuels transitoires de très courte durée (Corona, parasites d'allumage automobile, décharges électrostatiques).
[0067] Dans la figure 5, on décrit une des multiples variantes de câble électrique réalisables, avec les principes décrits à l'aide de la figure 4. Il s'agit d'un câble multiconducteurs, (typiquement un câble de distribution d'énergie électrique basse-tension), avec deux phases et terres, ou avec 3 phases.
[0068] La signification des références chiffrées est la même que pour la figure 4 : le diélectrique non-linéaire 2 intervient, entre phases, pour une épaisseur double, c'est à dire une tension double (tension entre phases), là où elle intervient en simple, par rapport à la terre : La couche métallique/ métallisée 3 définit le champ électrique, qui lui détermine le courant non-linéaire, dû aux surtensions différentielles. Ici, encore, une protection de mode commun peut être prévue par la couche externe 5.
[0069] Dans la figure 6, qui décrit une ligne plate, telle qu'elle peut être utilisée dans les câbles plats, des circuits hybrides, des structures à propagation sur des circuits imprimés, ou encore des composants montés en surface (SMD).
[0070] Les conducteurs 1 et 3 définissent les électrodes de la ligne ; le diélectrique non-linéaire 2 peut utiliser un quelconque des matériaux compacts ou composites, selon l'invention.
[0071] Il est évident, que les principes de l'invention sont applicables à d'autres structures encore, non décrites en détail, structures à propagation guidée et non guidée, utilisant des conducteurs en méandres, en hélice etc.
[0073] Dans la figure 7, représentant un câble isolé, 1 correspond au conducteur central nu, 2 au diélectrique "isolant", 3' et 3" à la présence localisée d'une masse.
[0074] Le gradient de champ, pour la masse 3' peut être élevé, avec l'effet de pointe existant au point 7 : ce point constitue un endroit fragilisé, où le claquage du diélectrique 2 (isolant normal) peut avoir lieu, préférentiellement.
[0075] Selon l'invention, le diélectrique 2 est constitué totalement (ou partiellement, dans le sens radial du câble) par un diélectrique non-linéaire : tout gradient de champ élevé local, donnera lieu à une faible conduction, et en conséquence, à un étalement des lignes de champs, évitant le claquage.
[0076] Un cas typique d'application correspond à celle du câble d'allumage de moteur automobile. Dans ce cas, le conducteur 1, peut être droit (constitué de métal conducteur ou résistant, ou encore d'un composite plus ou moins conducteur, tel qu'un composite au carbone) ou encore être constitué par une hélice autour d'un noyau non magnétique ou magnétique absorbant, selon les brevets France no78.333.85 et 86.000.617.
[0077] L'épaisseur du diélectrique 2, en isolant classique est limitée en pratique (par exemple, par des normes, ou encore par des questions de prix de revient), le point de fragilité de l'isolation se situe à l'endroit 7 où le câble d'allumage est proche de ou touche une pièce métallique, telle qu'un câble de commande d'accélérateur, une partie de moteur etc. : le fait de la réalisation, selon l'invention, permet de réduire la marge de sécurité de l'isolant.
[0078] De la même façon, pour le cas d'un conducteur 1 très fin (droit ou en hélice), l'effet de pointe propre à ce conducteur peut être "étalé" par un diélectrique non-linéaire suivant l'invention. Par exemple, un fil d'allumage absorbant classique, sur le marché, utilise une hélice de diamètre de 2,5 mm, réalisé en fil métallique de diamètre 0,10 mm, au pas d'environ 30 spires au centimètre. Une couche interne (ou la couche totale) en diélectrique non-linéaire, réduit cette fois-ci la contrainte électrique interne.
[0079] De tels câbles d'allumage comportent aux bouts des connexions électriques (rattachées au fil 1), avec par-dessus,des embouts isolants 6, en caoutchouc, plastique ou polymère, pour protéger la connexion avec la bougie ou avec le distributeur.
[0080] En présence d'une masse localisée 3", les mêmes phénomènes se présentent, accrus du fait que l'embout 6 peut former un minuscule espace d'air avec l'isolant 2, provoquant un gradient de potentiel élevé additionnel, tout cela favorisant le claquage des isolants.
[0081] Dans ce dernier cas, avec une partie ou la totalité de l'embout 6, réalisé avec le diélectrique non-linéaire, suivant l'invention, on peut protéger contre les claquages, sans avoir besoin de matériaux isolants très performants, ou des réalisations/as- semblages délicats.
[0082] Il est évident, comme démontré dans ces derniers exemples, que la fonction non-linéaire peut être combinée avec l'effet d'absorption magnétique (par l'utilisation d'un composé/composite non-linéaire magnétique), conférant à la structure l'effet de filtre passe-bas absorbant. Une combinaison typique consiste à utiliser une âme centrale (pour l'hélice) à diélectrique non-linéaire magnétique (protégeant contre les gradients du fil fin de l'hélice), et une couche "isolante" externe utilisant un des composites non-linéaires peu conducteurs décrits (magnétique ou non magnétique), convenant pour les tensions élevées en jeu.
[0083] Dans la figure 8, on indique un autre exemple, pour montrer la possibilité de combiner de tels effets de protection contre discontinuités (avec leurs gradients de potentiels élevés locaux), avec un effet de filtre passe-bas à absorption : dans ce cas, également, seulement une partie du câble est couverte par le diélectrique non-linéaire magnétique absorbant, cas correspondant au schéma de la figure 2.
[0084] Dans la partie gauche de la figure 8, le dilectrique magnétique non linéaire 2" est superposé concentriquement à un diélectrique classique 2'. Dans cette partie "coaxiale", l'effet absorbant passe-bas est joint à celui de la non-linéarité, mais il est aussi évident, que ses effets non-linéaires ne peuvent intervenir que pour des variations de la tension-surtension. (Schéma de la figure 3).
[0085] Dans la partie droite de la figure 8, le diélectrique non-linéaire magnétique 2" joue le rôle classique de "manchon équipotentiel" (références citées en préambule), il recouvrira la partie dénudée (de la connexion), avec donc une configuration analogue à celle de l'exemple précédent. Comme auparavant, également, le diélectrique non-linéaire magnétique peut remplir la totalité de la section du diélectrique, où l'on revient donc à une réalisation suivant le schéma de la figure 1.
[0086] Dans la figure 9, on montre l'application des principes de l'invention à une structure à propagation d'onde libre.
[0087] Une onde em plane 8 est incidente sur la surface métallique 3 d'une structure mécanique, tel qu'un avion, bâteau etc., cette onde provenant par exemple d'un faisceau Radar et la surface 4 étant un objet à détecter, ou encore représentant un leurre.
[0088] Dans les techniques connues RAM (matériaux absorbants Radar), on applique à la surface de l'objet 3, une couche diélectrique absorbante 2, dont les caractéristiques sont choisies pour absorber l'onde au mieux (dans sa traversée de la couche 2)et pour réfléchir cette onde le moins possible, directement. Les réalisations de telles couches diélectriques sont connues, et utilisent généralement des matériaux magnétiques absorbants.
[0089] Selon l'invention, la couche diélectrique 2 est réalisée en partie ou totalement en matériau magnétique absorbant non-linéaire, d'impédance caractéristique ad-hoc.
[0090] Sous l'incidence d'une puissance suffisante ou encore par l'application d'une tension (par une électrode 9, transparente pour les ondes), on peut commander la réflectivité de la structure entre une absorption totale (disparition de l'objet vis à vis du RADAR, c'est à RCS minimum) et la réflexion quasi-totale (RCS maximum), analogue aux effets de désadaptation pour les câbles, décrits plus haut.
[0091] Dans la figure 10, finalement, on montre une autre application de l'invention à un composant pour circuits électroniques, dans lequel la concentration des effets capacitifs,d'absorption et de non-linéarité permettent d'obtenir des composants-filtres pratiques intéressants.
[0092] Dans cette figure, le conducteur 1 peut être réalisé pour comporter les connexions de soudure terminales du conducteur chaud, de traversée. Il peut être représenté aussi, par une métallisation interne du passage dans le diélectrique 2, permettant le passage d'un fil, d'une fiche de connexion etc.
[0093] Le diélectrique 2 est réalisé en matériau non-linéaire absorbant magnétique, tel que décrit plus haut ("ferrite artificiel"). On obtient ainsi l'effet de filtre passe-bas à absorption, avec la protection par conduction shunt, sous l'effet d'une surtension. Une métallisation 3 éventuelle assure le contact, avec l'électrode de masse 4, formant le quadripôle/tri- pôle.
[0094] De tels composants, sans l'effet du filtre capacitif et du filtre absorbant passe-bas, ont été décrits récemment dans la littérature, réalisés en ZnO compact (10th International Aerospace and Ground Conference on Lightning and Static Electricity ; Wolff and Earle : "A new form of transient suppres- sor", p. 293ff).
[0095] Evidemment, le composant, selon l'invention, peut être réalisé sous une forme multiple, c'est à dire où les conducteurs parallèles 1 forment un connecteur- filtre ou encore où des trous métallisées 1, comme décrits, réalisent une embase-filtre pour des circuits intégrés, connecteurs, dont les connexions traversent alors l'embase-filtre.
1) Structure à propagation d'onde,
- dans laquelle l'onde électromagnétique traverse un diélectrique,
- dans laquelle ce diélectrique est distribué dans le sens de la propagation de l'onde
- dans laquelle ce diélectrique a un comportement ohmique non-linéaire, dans le sens qu'il est essentiellement non conducteur aux tensions normales d'utilisation de cette structure, et qu'il devient essentiellement conducteur pour des surtensions électriques anormales,
- dans laquelle ce diélectrique est un matériau polycristallin, comportant des couches minces intersticielles, provoquant un effet électrique du type tunnel ou Schottky, sous l'influence de la valeur élevée du champ électrique, provoquée par ces surtensions.
2) Structure selon 1) dans laquelle le matériau polycristallin est un corps solide,
non magnétique, à cristaux relativement conducteurs, séparés par des couches intergranulaires
minces, essentiellement isolantes, comme par exemple celles existantes dans le silicium
cristallin, les oxydes métalliques tels que l'oxyde de Zinc (utilisé dans les varistances),
l'oxyde d'aluminium, de magnésium, de titane, de Bismuth etc. ; le carbure de silicium
(utilisé dans les parafoudres), de titane, de bore etc. ; le titanate de barium, de
strontium (utilisés dans les thermostances) ; les composés ferroélectriques (à base
de Barium et de Strontium etc., utilisés dans les capacités à couche d'arrêt) et les
composés polythène-mica, sulfure de zinc (utilisés dans les panneaux électroluminescents,
etc., ou encore, par exemple, des poudres essentiellement conductrices traitées en
surface pour présenter de telles couches essentiellement isolantes.
3) Structure selon 1) et 2), dans laquelle le matériau polycristallin est placé sous
forme de grains (aggrégats multicristallins) à l'intérieur d'un matériau matrice isolant
ou peu conducteur, rigide ou flexible, avec une concentration suffisante pour assurer
un contact au moins partiel entre les différents grains dans ce composite, avec le
cas échéant, de faibles additions de grains conducteurs, pour optimiser la conductivité.
4) Structure selon 1) à 3) dans laquelle ce diélectrique à comportement non-linéaire
a une constante diélectrique et un angle de pertes diélectriques qui croissent avec
la tension appliquée et introduisent ainsi une capacité distribuée et une absorption
diélectrique croissante.
5) Structure selon 1) à 4) dans laquelle toute surtension se propageant dans la structure
est partiellement enlevée par conduction à la masse (action dans le domaine temps),
partiellement storée et absorbée par l'augmentation de la capacité à la masse, et
l'augmentation des pertes diélectriques (action dans le domaine fréquences),et partiellement
réfléchie vers la source, par la désadaptation de la structure, due à cette augmentation
de capacité distribuée.
6) Structure selon 1) à 5) dans laquelle ce diélectrique non-linéaire consiste en
un matériau polycristallin solide diélectromagnétique, consistant en des agglomérats
de cristaux magnétiques relativement conducteurs, comportant des couches minces intergranulaires
essentieilement isolantes, comme par exemple celles de certaines céramiques ferrimagnétiques,
comportant plus particulièrement des impuretés spécifiques favorisant la création
de telles couches intergranulaires, avec des phases essentiellement isolantes, et,
éventuellement de faibles additions, selon 2) pour optimiser la non-linéarité, ou
encore par exemple des poudre ferrimagnétiques essentiellement conductrices traitées
en surface pour présenter de telles couches essentiellement isolantes.
7) Structure selon 1), 3) à 6) dans laquelle le matériau polycristallin magnétique
est placé sous forme de grains (aggrégats multicristallins) à l'intérieur d'un matériau
matrice isolant ou peu conducteur, rigide ou flexible, avec une concentration suffisant
pour assurer un contact au moins partiel entre les différents grains dans ce composite,
avec le cas échéant, de faibles additions de grains conducteurs, pour optimiser la
conductivité.
8) Structure selon 1). 6) et 7) dans laquelle ce diélectrique non-linéaire a une constante
diélectrique et un angle de pertes diélectriques qui croissent avec la tension appliquée
et introduisent ainsi une capacité distribuée et une absorption diélectrique croissante,
ainsi qu'une perméabilité et un angle de pertes magnétiques indépendants de la tension,
mais ces dernières croissant avec la fréquence.
9) Structure selon 1), 6) à 8) dans laquelle toute surtension, se propageant, est
partiellement enlevée par conduction à la masse, partiellement storée et absorbée
par l'augmentation de la capacité à la masse et l'augmentation des pertes diélectriques,
partiellement réfléchie vers la source, par la désadaptation de la struc ture due
à cette augmentation de capacité distribuée, et partiellement absorbée par la perméabilité
magnétique et les pertes magnétiques (effet de filtre passe-bas).
10) Structure selon 1) à 9) dans laquelle toute propagation d'onde se trouve protégée,
par la suppression, à la fois, des tensions parasites dépassant un certain seuil d'amplitude,
ainsi que la suppression de formes d'onde rapides (transitoires), dépassant une certaine
fréquence, dans leur spectre, et ceci indépendamment de leur amplitude.
11) Structure selon 1) à 10) dans laquelle ce diélectrique non-linéaire, représente
un coefficient de non-linéarité égal ou supérieur à 2, pour pouvoir représenter, selon
les cas, une approximation ad-hoc du comportement essentiellement isolant pour des
tensions de fonctionnement nominales, et un comportement essentiellement conducteur
pour des surtensions gênantes.
12) Structure selon 1) à 11) dans laquelle au moins une couche isolante classique
(vide, air, plastique, polymère, céramique, etc.) est intercalée avec le diélectrique
non-linéaire.
13) Structure selon 1) à 12) représentée par une ligne, élément de ligne, ou câble
électrique, de forme concentrique, plate, en hélice etc., avec au moins deux conducteurs,
ou au moins un conducteur et une masse.
-' 14) Structure selon 1) à 12) dans laquelle le diélectrique non-linéaire est traversé
par une onde à propagation libre (onde plane) ou onde guidée (guide d'onde) et que
l'effet non-linéaire peut être commandé.
15) Structure selon 1) à 13) dans laquelle la ligne, élément de ligne ou câble électrique,
comporte un isolant normal à l'intérieur et le diélectrique non-linéaire magnétique
absorbant à l'extérieur, et dans lequel une certaine longueur de ce diélectrique est
utilisé comme manchon de répartition du gradient de champs, aux terminaisons de cette
structure.
16) Structure selon 1) à 15) dans laquelle le câble est un câble de faisceau d'allumage
pour moteurs à explosion, avec des embouts isolants, dans lequel partie ou totalité
de l'isolant du câble et/ou des embouts sont constitués par le diélectrique non-linéaire,
réduisant ainsi les contraintes diélectriques aux endroits de contact ou de proximité
d'une masse, ou encore entre spires du câble, dans le cas d'un conducteur en hélice.
17) Structure selon 1) à 16) dans laquelle la structure représente un composant électronique
de protection inductif ou capacitif, quadripôle (tripôle), ou encore un ensemble combinant
au moins une inductance et capacité, dont au moins l'une consiste en un composant
quadripôle (tripôle), pour la réalisation de filtres plus complexes.
18) Structure selon 1) à 17) dans laquelle le contrôle de la dilatation possible du
diélectrique non-linéaire, sous la charge thermique d'une surtension, permet d'obtenir
des effets de coefficients de température positifs, (avec un effet d'autoprotection),
nuls, ou négatifs.