FR2497024A1

FR2497024A1 - VERY HIGH VOLTAGE GENERATOR WITH HIGH EFFICIENCY

Info

Publication number: FR2497024A1
Application number: FR8027415A
Authority: FR
Inventors: Henri Courier De Mere; Jean-Marie Miche De Malleray
Original assignee: MERE MALLERAY ET CIE
Current assignee: MERE MALLERAY ET CIE
Priority date: 1980-12-24
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1982-06-25
Also published as: EP0067837A1; WO1982002296A1

Abstract

The invention relates to pulse generators of a very high voltage, supplied from a source. This device comprises a source A which provides low voltage energy to an oscillator B which is charged, at the output, by the set-up transformer C. The secondary of this transformer attacks the voltage multiplier D, which stores a given energy at a very high potential, said energy being released on the load F by the threshold switching element E. Amongst the most interesting applications of the invention, it may be mentioned an ignition generator for a combustion engine, an igniter for a lighter and a pulse generator for fences.

Description

La présente invention concerne les dispositifs du type convertisseur permettant de transformer une énergie électrique à basse tension en énergie à très haute tension. The present invention relates to converter type devices for transforming low voltage electrical energy into very high voltage energy.

Dans certains dispositifs connus de ce genre et illustrés par la figure 1 ci-annexée, la transformation de l'énergie à basse tension disponible aux bornes de la sourçe 1 en énergie à très haute tension est réalise par une décharge capacitive. In certain known devices of this kind and illustrated by FIG. 1 appended, the transformation of the low voltage energy available at the terminals of the source 1 into very high voltage energy is achieved by a capacitive discharge.

Ainsi, au repos, l'inverseur 3 repose sur le plot 2, permettant au condensateur 5 de se charger au potentiel de la sourçe 1.Thus, at rest, the inverter 3 rests on the pad 2, allowing the capacitor 5 to charge at the potential of the source 1.

Lorsque cet inverseur est manoeuvré sur sa position opposée, le condensateur 5 sedéchafge brusquement sur le plot 4 à travers le primaire 7 du transformateur élévateur 6. Aux bornes du secondaire 8 qui comporte environ mille fois plus de spires que le primaire 7, est alors induite une impulsion dont la tension de crête est à peu près mille fois plus élevée que la tension de la sourçe utilisée. Cette impulsion å très haute tension est utilisée, par exemple, pour générer un arc entre les électrodes de l'éclateur 9. De tels dispositifs alimentés par des piles miniatures de 15 volts sont toujours très utilisés comme moyen d'allumage du gaz des briquets dits "électriques". L'inconvénient majeur de tels dispositifs est d'offrir un rendement électrique déplorable, de l'ordre de 1 à 5%.When this inverter is maneuvered to its opposite position, the capacitor 5 suddenly dries up on the stud 4 through the primary 7 of the step-up transformer 6. At the terminals of the secondary 8 which has about a thousand times more turns than the primary 7, is then induced a pulse whose peak voltage is roughly a thousand times higher than the voltage of the source used. This very high voltage pulse is used, for example, to generate an arc between the electrodes of the spark gap 9. Such devices powered by miniature 15 volt batteries are still widely used as a means of igniting the gas of so-called lighters. "electric". The major drawback of such devices is to offer a deplorable electrical efficiency, of the order of 1 to 5%.

Dans d'autres dispositifs connus de ce genre et illustrés par la figure 2 ci-annexée, on a améliorée rendement-en réduisant le rapport de transformation du transformateur élévateur de tension, cause essentielle de mauvais rendement. Pour ce faire, les progrès de l'électronique ont permis de réaliser des dispositifs tels que celui que l'on décrit plus loin. Dans ce cas, la sourçe à basse tension peut titre un monoélement quel conque 30 qui alimente à travers l'interrupteur 11 un convertisseur de tension.Ce convertisseur de tension est constitué par un transistor de commutation 13 qui est commandé par le multivibrateur 12; en sortie, ce transistor est chargé par le primaire 14 du transformateur élévateur 15, un courant pulsé est ainsi entretenu dans ledit primaire, ce qui a pour conséquence d' induire dans le secondaire 16 un autre courant pulsé lequel développe entre les bornes dudit secondaire une tension élevée.In other known devices of this kind and illustrated by the attached FIG. 2, efficiency has been improved by reducing the transformation ratio of the step-up transformer, an essential cause of poor efficiency. To do this, advances in electronics have made it possible to produce devices such as the one described below. In this case, the low-voltage source can title a single element which conch 30 which feeds through the switch 11 a voltage converter. This voltage converter is constituted by a switching transistor 13 which is controlled by the multivibrator 12; at output, this transistor is charged by the primary 14 of the step-up transformer 15, a pulsed current is thus maintained in said primary, which has the consequence of inducing in secondary 16 another pulsed current which develops between the terminals of said secondary high voltage.

Cette tension éIvée,cde l'ordre de 100 volts, vermet de charger le condensateur 18 et d'y stocker l'énergie grâçe à la diode 17. This high voltage, of the order of 100 volts, makes it possible to charge the capacitor 18 and to store the energy therein thanks to the diode 17.

La diode Zener 19 déclenche la conduction du thyristor SC, ce qui assure.la décharge du condensateur 18 a' tension constante sur le primaire 21 du transformateur 22. Cette impulsion induit aux bornes du secondaire 23 une impulsion d'amplitude cent fois plus élevée, soit 10.000 volts. Comme précédemment, cette irpulsion peut servir à établir un arc entre les électrodes ae l'éclateur 24. De tels dispositifs alimentés par des piles à l'oxyde d'argent sont utilisés comme moyen d'allumage pour les briquets dits "électroniques". L'inconvénient majeur de tels dispositifs demeure le rendement énergétique, car ces dispositifs, bien que mettant en oeuvre une décharge capacitive à tension élevée, n'autorisent, au mieux, qu'un rendement de 1' ordre de 20%.The Zener diode 19 triggers the conduction of the SC thyristor, which ensures the discharge of the capacitor 18 at constant voltage on the primary 21 of the transformer 22. This pulse induces across the secondary 23 a pulse of amplitude a hundred times higher or 10,000 volts. As before, this pulse can be used to establish an arc between the electrodes at the spark gap 24. Such devices powered by silver oxide batteries are used as the ignition means for so-called "electronic" lighters. The major drawback of such devices remains energy efficiency, because these devices, although implementing a capacitive discharge at high voltage, only allow, at best, a yield of around 20%.

Le dispositif selon l'invention permet d'éviter cet in convenaient majeur. En effet, il ne necessite plus de décharge capacitive sur le primaire d'un transformateur élévateur de tension pour fournir la très haute tension recherchée, il délivre directement l'impulsion à très haute tension, sans perte notable d'énergie.Pour obtenir ce résultat, les moyens mis en oeuvre comprennent un convertisseur alimente par une sourçe à bassew.tension; ce convertisseur comporte un transformateur élévateur de sortie lequel çurnit=aux bornes de son secondaire tewunetension discontinue d'environ 1500 volts; cette tension est appliquée à un multiplicateur de tension à diodes lequel permet le stockage de l'énergie à très haute tension dans la chante des condensateurs de faible capacité qui le composent; un élément à seuil, à très haute tension, chaîne de thyristors montés en série, thyratron, éclateur, permet d'écouler l'énergie ainsi stockée sur la charge choisie; pour limiter l'amplitude du courant de décharge et augmenter la durée de cette décharge, une inductance est plaçée en série dans ce circuit. The device according to the invention makes it possible to avoid this major inconvenience. Indeed, it no longer requires a capacitive discharge on the primary of a step-up transformer to provide the very high voltage sought, it directly delivers the very high voltage pulse, without significant loss of energy. , the means used include a converter powered by a low-voltage source; this converter includes an output step-up transformer which çurnit = at the terminals of its secondary discontinuous tewunetension of approximately 1500 volts; this voltage is applied to a diode voltage multiplier which allows the storage of very high voltage energy in the edge of the low capacity capacitors which compose it; a threshold element, at very high voltage, chain of thyristors connected in series, thyratron, spark gap, allows the energy thus stored to flow on the chosen charge; to limit the amplitude of the discharge current and increase the duration of this discharge, an inductor is placed in series in this circuit.

Ce dispositif autorise un rendement supérieur à 80X, car la décharge de capacité se fait directement sur la charge sans avoir recours, comme dans les dispositifs classiques, à l'interfaçe que constitue l'énergie magnétique.This device allows a yield higher than 80X, because the discharge of capacity is done directly on the load without having recourse, as in the conventional devices, to the interface which constitutes the magnetic energy.

Dans ces conditions, avec le dispositif suivant l'invention, il devient possible de construire un générateur d'impulsions à très haute tension sans utiliser un transformateur élévateur gui dégrade le rendement et qui, de plus, est difficile à réaliser, car il doit supporter, sans risaues d'amorçages, des tensions très élevées, alors que le transformateur du dispositif suivant l'invention supporte des tensions dix fois inférieuree
Selon une variante du dispositif objet de l'invention, représentée sur la figure 3, la sourçe 25 alimente à travers l'interrupteur 26 le convertisseur de tension constitué par le transformateur 30 associé au transistor 28 et au circuit 27. Dans ce type de convertisseur, un courant pulsé est entretenu par le transistor de commutation 28 à travers l'enroulement primaire 29.Le pilotage du transistor de commutation est assuré par le circuit de commande 27 qui régit son cycle conduction/blocage. Le transformateur 30 possède un fort rapport de transformation entre son primaire et son secondaire ce qui permet d'obtenir aux bornes du secondaire 31 des pointes de tension. aussi élevées que la tension inverse des meilleures diodes standard. Ainsi, la channe des diodes 33, 35, 37, 39, 41 et 43 peut-elle charger la chaîne des condensateurs 32, 34, 36, 38, 40 et 42 lesquels supportent, chacun, la tension moyenne fournie par ledit secondaire.Under these conditions, with the device according to the invention, it becomes possible to build a very high voltage pulse generator without using a step-up transformer which degrades the efficiency and which, moreover, is difficult to achieve because it must withstand , without risk of initiation, very high voltages, while the transformer of the device according to the invention supports voltages ten times lower
According to a variant of the device which is the subject of the invention, represented in FIG. 3, the source 25 feeds through the switch 26 the voltage converter constituted by the transformer 30 associated with the transistor 28 and with the circuit 27. In this type of converter , a pulsed current is maintained by the switching transistor 28 through the primary winding 29. The switching transistor is controlled by the control circuit 27 which governs its conduction / blocking cycle. The transformer 30 has a high transformation ratio between its primary and its secondary which makes it possible to obtain at the terminals of the secondary 31 voltage spikes. as high as the reverse voltage of the best standard diodes. Thus, the channel of the diodes 33, 35, 37, 39, 41 and 43 can it charge the chain of the capacitors 32, 34, 36, 38, 40 and 42 which each support the average voltage supplied by said secondary.

Si cette tension est de tordre de 1500 volts elle se trouve donc multipliée par le nombre de diodes montées en série ; ainsi, leur nombre étant, ici, de 6, la tension moyenne disponible entre la cathode de la diode 45 et l'anode de la diode 33 atteint-elle, à peu près, 9000 volts. L'énergie à très haute tension disponible a pour valeur E = 1/2 C.V2 où C correspond à la somme algébrique des capacités 32, 34, 36, 38, 40 et 42 et où
V est égal à 9000 volts. Le thyratron 44 ou le moyen équivalent permet de commuter tension constante 1'énergie à très haute tension ainsi stockée; la tension d'amorçage dudit thyratron devra nécessairement être inférieure à la tension maximale disponible aux bornes du susdit circuit multiplicateur de tension.If this voltage is to twist 1500 volts it is therefore multiplied by the number of diodes connected in series; thus, their number being here 6, the average voltage available between the cathode of diode 45 and the anode of diode 33 reaches approximately 9000 volts. The very high voltage energy available has the value E = 1/2 C. V2 where C corresponds to the algebraic sum of the capacities 32, 34, 36, 38, 40 and 42 and where
V is equal to 9000 volts. The thyratron 44 or the equivalent means makes it possible to switch constant voltage to the very high voltage energy thus stored; the ignition voltage of said thyratron must necessarily be less than the maximum voltage available across the above voltage multiplier circuit.

Quand le thyratron 44 s'est amorçé, sa résistance interne devient négligeable et le courant de décharge pourrait alors prendre une valeur très élevée préjudiciable à la durée de vie de certains composants, aussi, l'inductance 45 est-elle montée en série dans ce circuit pour y limiter l'intensité maximale de décharge et permettre d'ajuster la durée de l'impulsion. Dans certaines applications du dispositif objet de l'invention, où l'on cherche à produire un arc électrique pour allumer, par exemple un gaz, le rôle du thyratron peut avantageusement être tenu par l'éclateur d'allumage lui-meme, ce qui simplifie grandement la fabrication dudit dispositif. Dans ces conditions, ce sera l'éclateur lui-meme oui tiendra lieu d'élément de commutation à seuil.Ainsi, dans les applications du dispositif qui concernent la production d'un arc électrique de faible énergie, peut-on simplifier la construction en supprimant l'élément de commutation à seuil 44 et l'inductance 45, la décharge de 1' energie à très haute tension étant directement provoquée par 1' ionisation de l'espace inter-électrode de l'éclateur associé.When the thyratron 44 is primed, its internal resistance becomes negligible and the discharge current could then take a very high value detrimental to the life of certain components, also, the inductor 45 is connected in series in this circuit to limit the maximum discharge intensity and allow the duration of the pulse to be adjusted. In certain applications of the device which is the subject of the invention, where it is sought to produce an electric arc to ignite, for example a gas, the role of the thyratron can advantageously be held by the spark gap itself, which greatly simplifies the manufacture of said device. Under these conditions, it will be the spark gap itself, yes, it will act as a threshold switching element. Thus, in the applications of the device which relate to the production of a low energy electric arc, can the construction be simplified by eliminating the threshold switching element 44 and the inductor 45, the discharge of energy at very high voltage being directly caused by ionization of the inter-electrode space of the associated spark gap.

Une réalisation suivant une telle variante du dispositif obiet de l'invention est illustrée par la figure 4. Cette variante ne diffère de la variante illustrée par la figure 3 que par 1' éclateur 50 lequel est directement connecté aux bornes du multiplicateur de tension et par la commande simplifiée du transistor de découpage 28. En effet, dans les applications ne requérant qu'une faible énergie par impulsion, l'inductance 45 n'est plus nécessaire car les différents composants peuvent supporter sans dommage la commutation et comme la puissance du convertisseur est suffisamment faible pour ne pas pouvoir entretenir l'arc établi aux bornes de l'éclateur 50, un tel organe de récupération n'est plus indispensable. Pour ce qui conçerne la commande du transistor 28, elle est réalisé par le transistor 48 monté en émetteur commun comme le transistor 28.Ces deux transitors réalisent un amplificateur comportant deux étages montés en série, or comme le.signal d'entrée est en opposition de phase dans un amplificateur à émetteur commun, l'entrée du transistor 48 est en phase avec la sortie du transistor 28; il suffit donc de rélier la base du transistor 48 au collecteur du transistor 28 au moyen de la résistance de forte valeur 49 pour constituer un oscillateur qui entretient des impulsions à cycle constant dans le primaire 29 du transformateur 30; la résistance 47 a pour rôle de polariser convenablement le transistor 48 de telle façon qu'il puisse, cycliquement, saturer le transistor de commutation 28. Un tel convertisseur peut, bien évidemment, etre remplaçé par un oscillateur bloqué à enroulement de base ou par tout autre dispositif convertisseur connu en soi.An embodiment according to such a variant of the object device of the invention is illustrated in FIG. 4. This variant differs from the variant illustrated in FIG. 3 only by the spark gap 50 which is directly connected to the terminals of the voltage multiplier and by the simplified control of the chopping transistor 28. In fact, in applications requiring only a low energy per pulse, the inductor 45 is no longer necessary because the various components can withstand the switching without damage and like the power of the converter is weak enough not to be able to maintain the arc established at the terminals of the spark gap 50, such a recovery member is no longer essential. As far as the control of transistor 28 is concerned, it is produced by transistor 48 mounted as a common emitter like transistor 28.These two transitors produce an amplifier comprising two stages connected in series, or as the input signal is in opposition phase in an amplifier with a common emitter, the input of transistor 48 is in phase with the output of transistor 28; it therefore suffices to link the base of the transistor 48 to the collector of the transistor 28 by means of the high-value resistor 49 to constitute an oscillator which maintains pulses with constant cycle in the primary 29 of the transformer 30; the resistor 47 has the role of properly biasing the transistor 48 so that it can, cyclically, saturate the switching transistor 28. Such a converter can, of course, be replaced by a blocked oscillator with basic winding or by any other converter device known per se.

Une autre variante du dispositif objet de l'invention est illustrée par la figure 5. Selon cette variante, le dispositif reste conforme à la variante illustrée par la figure 4, à quelques différences près. En effet, suivant celle-ci, l'élément de commutation n'est plus l'éclateur 50 ou l'élément à seuil 45 de la figure 3, mais un ou plusieurs semi-conducteurs à seuil abrupt montés en série lesquels déterminent le seuil de tension auquel va se décharger la channe de capacités constituant le susdit multiplicateur de tension. L'inductance 45 limite le courant de décharge1 évite de mettre, à ehaque décharge, en court-circuit la sortie du convertisseur et permet le reblocage des éléments de commutation à seuil.La résistance 54, capable de supporter de très hautes tensions, assure l'écoulement de l'énergie à haut potentiel, même si aucune charge ne se trouve connectée à la borne de sortie 56, car en l'absence de charge, la tension aux bornes du susdit multiplicateur de tension pourrait atteindre une valeur préjudiciable pour les composants. La lampe néon temoin 55 indique la présence d'une impulsion à très haute tension sur la borne 56. Cette variante du dispositif objet de 1' invention concern partculièrement les générateurs d'impulsions à très haute tension destines à électrifier une ligne de clôture, laquelle serait connectée à la borne de sortie 56.Another variant of the device which is the subject of the invention is illustrated in FIG. 5. According to this variant, the device remains in accordance with the variant illustrated in FIG. 4, with a few differences. In fact, according to this, the switching element is no longer the spark gap 50 or the threshold element 45 of FIG. 3, but one or more abrupt threshold semiconductors connected in series which determine the threshold of voltage to which the chain of capacities constituting the aforesaid voltage multiplier will be discharged. The inductor 45 limits the discharge current1 avoids short-circuiting the output of the converter at each discharge and allows re-blocking of the threshold switching elements. The resistor 54, capable of withstanding very high voltages, ensures the flow of high potential energy, even if no load is connected to the output terminal 56, because in the absence of load, the voltage across the above voltage multiplier could reach a detrimental value for the components . The neon indicator lamp 55 indicates the presence of a very high voltage pulse on terminal 56. This variant of the device which is the subject of the invention particularly relates to very high voltage pulse generators intended to electrify a fence line, which would be connected to the output terminal 56.

Le dispositif, objet de l'invention, peut être utilisé dans tous les cas où l'on désire produire des impulsions à très haute tension à partir d'une sourçe limitée en énergie. I1 permet de réaliser la transformation de l'énergie avec un rendement très superieur à ce qui est présentement connu. Il pourra être utilisé dans des applications domestiques ou industrielles. The device, object of the invention, can be used in all cases where it is desired to produce very high voltage pulses from a source limited in energy. I1 makes it possible to carry out the transformation of energy with a yield much higher than what is presently known. It can be used in domestic or industrial applications.

Des applications particulièrement intéressantes peuvent être l'allumage des moteurs à explosion, l'allumage d'un briquet, l'électrification des clôtures, l'alimentation directe d'une lampe à éclats, etc... Particularly interesting applications can be the ignition of internal combustion engines, the ignition of a lighter, the electrification of fences, the direct supply of a flashlight, etc.

Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement aux modes de réalisationayant été plus spécialement indiqués; elle embrasse, au contraire, toutes les variantes. As goes without saying, and as it follows from the above, the invention is in no way limited to the embodiments having been more particularly indicated; on the contrary, it embraces all variants.

Claims

1. Very high voltage pulse generator device, powered by a pri-ary source, characterized by the fact that it includes a voltage step-up transformer oscillator 30, the secondary of each of which is a multiplier circuit of the ension with diodes and capacitors comprising any number of stages electrical energy accumulated in said tanson multiplier circuit being cyclically switched to the load considered 46 by means of a commutator 44 with constant tripping threshold lower than the maximum voltage which can deliver Said voltage multiplier circuit.

2. Device according to claim 1, characterized in that the aforesaid secondary 31 provides a voltage lower than the maximum reverse voltage that the standard diodes support.

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the above switch 44 is a tu-be discharge or a semiconductor having an avalanche effect at high voltage.

4 Device according to claims 1 a characterized in that an inductor 45 is inserted into the discharge circuit of the above switch 44 *

5. Device according to claims L and 2, characterized in that the switch 14 to voltage bottle is replaced by the inter-electrodesd'um burstgur space which takes the place of both switch and t conductor electrical energy in calorific energy.

6. Device according to claim 5.

characterized by the fact that the spark gap 50 is replaced by a flash tube which takes the place of both a switch and a transducer of electrical energy into uminous energy.

7. Device according to>. All of the claims, 1 characterized in that the above-mentioned oscillator comprises a chopping transistor 28 whose output electrode controls the primary 29 of the transformer 30 and whose control electrodes is controlled by the electrode output of transistor 8, the control electrode of which, biased by the resistor 47, is connected by means of a reaction resistor 49 to the electrode so of the transistor 28.

output of the first transistor.

8. Device according to claims 1, 2, 3, 4 and 7, characterized in that the aforesaid threshold switch 44 is constituted by one or more thyristors connected in series which self-trigger at constant voltage on the resistance of preload 54 associated with the indicator 55, the energy being evacuated by the very high voltage terminal 56.

9. Device according to claims 1, 2, 3, 4, 7 and 8, characterized in that the said charge 46 is constituted by a piezoelectric cell, which performs the transformation of electrical energy into mechanical energy.