Appareil de protection contre les tensions élevées pour un poste téléphonique d'abonné La présente invention a pour objet un appa reil de protection contre les tensions élevées pour un poste téléphonique d'abonné.
On sait que dans les installations télépho niques on branche entre le poste d'abonné et la ligne extérieure reliant le poste au central, un appareil pour protéger le poste d'abonné contre les tensions excessives qui pourraient se produire sur la ligne et qui risqueraient d'endommager l'installation et constitueraient un danger pour les usagers du poste. Ces ten sions élevées comprennent les surtensions pro voquées par des décharges atmosphériques au voisinage de la ligne ou sur celle-ci, les sur tensions transitoires ou encore les surtensions causées par les lignes de transmission à cou rant fort installées à proximité de la ligne té léphonique et pouvant venir accidentellement en contact avec elle.
L'appareil de protection du genre considéré doit, par conséquent, comprendre non seule ment un élément susceptible de régler la ten sion, afin d'éviter que les surtensions de la ligne extérieure soient transmises au poste d'abonné, mais encore un coupe-circuit pour empêcher que l'élément régulateur de la ten sion soit parcouru pendant un temps excessif par un courant qui pourrait le détériorer et mettre en danger l'usager du poste d'abonné.
Dans les appareils de protection de type usuel, l'élément qui sert à régler la tension est généralement constitué par un dispositif à char bon branché sur la ligne et servant à dévier vers la terre les surtensions. Ce dispositif com prend deux plaques de charbon qui sont sé parées entre elles par un mince intervalle d'air, de manière à présenter une grande im pédance vers la terre pour les tensions norma les de la ligne, tandis qu'une tension de valeur supérieure à celle de la tension normale pro voque -la rapide diminution de cette impé dance, de manière que les surtensions soient dérivées vers la terre.
Les appareils de ce genre exigent toute fois un entretien très onéreux. L'intervalle d'air entre les deux plaques de charbon doit avoir des dimensions si restreintes que les ca ractéristiques de décharge de l'appareil sont fortement influencées par la poussière et l'hu midité qui peuvent s'accumuler dans l'inter valle.
De plus, chaque décharge disruptive à travers l'intervalle d'air provoque la détériora tion des surfaces lisses des plaques de char bon et la formation de particules de charbon qui se déposent dans l'intervalle d'air, en occa sionnant des dérangements de l'appareil. Il s'ensuit la nécessité de prévoir des inspections et des remplacements fréquents de ces appareils et des plaques de charbon, et cela évidemment augmente les frais d'entretien. A titre d'exem ple, aux Etats-Unis d'Amérique, les frais d'en tretien des appareils de protection des postes d'abonnés se chiffrent à une somme supérieure à un million de dollars chaque année.
La présente invention a pour but de réaliser un appareil de protection contre les tensions élevées pour un poste téléphonique d'abonné branché sur une ligne de transmission télé phonique par deux conducteurs, caractérisé par un corps semi-conducteur de silicium destiné à être monté en série entre un desdits conduc teurs et la terre, ledit corps de silicium pré sentant une zone intermédiaire d'un type de conductibilité et deux zones terminales de type de conductibilité opposée formées par la dif fusion de bore dans ledit corps et des con nexions à basse résistance étant prévues sur chacune desdites zones terminales pour relier ledit conducteur à la terre.
Dans une forme d'exécution préférée de l'appareil selon l'invention, la zone intermé diaire du corps semi-conducteur de silicium a une conductibilité de type n, tandis que les deux zones terminales ont une conductibilité de type p. Le corps semi-conducteur ainsi formé remplace avantageusement les deux pla ques de charbon des appareils de protection usuels.
Il est connu que la conduction dans les semi-conducteurs électroniques dépend de deux transporteurs de charges, les électrons et les trous. Ces transporteurs peuvent être obtenus dans les semi-conducteurs de diffé rentes manières, par exemple en appliquant au semi-conducteur une énergie suffisante pour extraire un électron de l'atome semi-conducteur et créer ainsi un électron libre et un trou li bre, ou bien en injectant dans la structure cris talline du semi-conducteur certains éléments qui ont un excès ou un défaut d'électrons de valence. En général, les semi-conducteurs, dans lesquels la conduction est due essentiellement aux électrons, sont dits de type n, tandis que les semi-conducteurs dont la conduction a lieu essentiellement par les trous sont dits de type p.
Les régions dans lesquelles a lieu la transi tion de conductibilité entre des zones d'un semi-conducteur à conductibilité de types op posés, sont dénommées jonctions p-n.
L'élément de silicium de l'appareil selon l'invention peut comprendre une zone inter médiaire de type n à basse résistivité, disposée entre deux zones terminales de type p à basse résistivité comprenant des impuretés de bore comme impuretés déterminantes. Des con nexions ohmiques à basse résistance sont pré vues sur chacune de ces zones terminales de type p, une de ces connexions étant reliée à un des conducteurs reliant le poste à la ligne extérieure et l'autre connexion étant reliée à la terre.
L'appareil selon l'invention peut com prendre en outre un fusible dont la fonction est de protéger l'élément de silicium contre les surtensions permanentes qui se manifestent lorsqu'une ligne de transmission d'énergie vient accidentellement en contact avec la ligne télé phonique, en risquant de détériorer l'élément de silicium et mettant en danger le poste télé phonique d'abonné.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, une forme d'exécution de l'appareil selon l'invention.
La fig. 1 montre le schéma d'une installa tion téléphonique usuelle, avec les appareils de protection contre les surtensions pour le poste d'abonné ; la fig. 2 montre une coupe, à échelle agrandie, d'un élément de silicium monté dans l'appareil de protection selon l'invention, et la fig. 3 est la coupe de l'appareil de pro tection comprenant l'élément de silicium de la fig. 2.
A la fig. 1, 11 et 12 indiquent les deux fils d'une ligne téléphonique reliant les diffé rents abonnés à un central téléphonique C. Chaque abonné est branché sur cette ligne par une dérivation comprenant les deux conduc- teurs 14 et 15. Ainsi qu'il a été dit précédem ment, les appareils de protection sont montés en général sur la ligne de dérivation pour pro téger le poste d'abonné contre les surtensions qui peuvent se produire sur la ligne extérieure. Il importe de prévoir une protection sur cha cun des deux conducteurs 14 et 15 contre les surtensions des deux polarités, puisque le poste d'abonné doit être protégé contre les surten sions de n'importe quel signe, qui pourraient mettre en danger les usagers.
Sur chacun des conducteurs 14 et 15 est donc monté un appareil de protection, 16 et 17 respectivement, qui met à la terre le con ducteur respectif. Généralement, la terre est constituée par un tube de la canalisation de l'eau potable.
Chaque appareil de protection comprend un élément de protection contre les surtensions et un coupe-circuit pour protéger cet élément contre les tensions élevées qui persistent pen dant une longue période de temps. La fig. 3 montre l'appareil de protection complet 30. Il comprend un élément de silicium 20, qui, en conditions normales, présente une impédance élevée entre la ligne extérieure et la terre, mais qui, lorsque le potentiel de la ligne dépasse d'une valeur déterminée la tension normale, présente une basse impédance entre la ligne et la terre.
L'appareil 30 comprend en outre un fusible qui, lorsqu'un courant d'intensité éle vée passe pendant un certain temps dans l'élé ment de silicium, introduit dans le circuit une impédance encore plus basse entre la ligne et la terre, de manière à mettre pratiquement en court-circuit l'élément de silicium.
Avant de décrire, dans son ensemble, l'ap pareil de protection de la fig. 3, il convient d'examiner plus en détail l'élément de silicium représenté à la fig. 2.
L'élément de silicium 20 est un corps semi conducteur présentant deux jonctions p-n ados sées, de manière à former une structure p-n-p. Ainsi qu'il a été dit plus haut, une jonction p-n ou n-p est un corps unique composé d'une substance semi-conductrice et présentant deux parties contiguës de type de conductibilité op posé (une partie de type p et l'autre partie de type n), avec une mince couche de transition à la surface de séparation des deux parties.
Une telle jonction est polarisée dans la direc tion directe lorsque, au moyen de connexions ohmiques appropriées, un potentiel positif est appliqué à la zone de type p, tandis qu'elle est polarisée dans la direction inverse lorsqu'un potentiel négatif est appliqué à la zone de type n. Une telle jonction présente normale ment une haute résistance aux courants inver ses, mais, si une tension inverse appliquée à une jonction p-n subit un accroissement suffi sant, une tension critique de claquage est at teinte, pour laquelle la résistance de la jonc tion devient très basse. De plus, au-delà de cette tension de claquage, le courant s'accroît rapidement pour toute légère augmentation de la tension, de sorte que la jonction sert en réalité comme un régulateur de tension.
La ten sion qui provoque le claquage de la jonction et la résistance après le claquage dépendent de la concentration nette d'impuretés dans la couche de transition. Grâce à l'emploi de deux jonctions p-n, adossées l'une à l'autre dans un corps unique, de la manière indiquée à la fig. 2, on est as suré que l'élément semi-conducteur ainsi ob tenu présente une haute résistance aux ten sions des deux signes dont la valeur soit inférieure à la tension de claquage, et une basse résistance aux tensions des deux signes dont la valeur soit supérieure à la tension de claquage. La disposition représentée à la fig. 2 présente les avantages de la simplicité de cons truction et de l'encombrement réduit.
Les appareils du genre décrit doivent sa tisfaire à des conditions plutôt sévères. Il est désirable que l'élément de silicium présente une résistance d'au moins 100 000 ohms pour les tensions dont la valeur soit inférieure à une tension de claquage d'environ 175 volts, et que, après le claquage, il puisse débiter jus qu'à 5000 ampères pendant de courts inter valles de temps, avec une chute de tension inférieure à 500 volts, ce qui correspond à une résistance d'une fraction d'ohm. Il est en outre important que l'élément soit stable et solide, et surtout qu'il soit d'un fonctionnement sûr et efficace.
Plusieurs formes de corps semi-conducteurs ont été essayées, mais il a été trouvé que la forme la plus avantageuse est celle représentée à la fig. 2.
Le corps représenté est muni de deux zones terminales, 21 et 22, de type de con- ductibilité p, obtenues par une prédominance d'impuretés de bore. Une zone intermédiaire 23, de type n, est intercalée entre ces zones terminales.
A titre d'exemple, un élément du type dé crit, ayant une forme circulaire de 15,875 mm de diamètre, a deux zones terminales 21 et 22 de type p ayant une résistivité d'environ 0,001 ohm/cm et une épaisseur d'environ 0,0381 mm, et une zone intermédiaire 23 de type n ayant une résistivité d'environ 3 ohms/cm et une épaisseur d'environ 0,762 mm. Un tel élément a une résistance de plusieurs még- ohms pour les tensions inférieures à une ten sion de claquage d'environ 200 volts, et, après le claquage, il peut débiter pendant quelques microsecondes un courant de 5000 ampères sous une tension d'environ 325 volts.
Si l'on employait une zone intermédiaire de type n d'une résistivité d'environ 0,3 ohm, le cla quage pourrait être obtenu sous une tension d'environ 100 volts.
Un tel élément présente plusieurs avanta ges. Le choix du silicium comme semi-conduc teur permet de réaliser facilement une résis tance élevée pour les tensions inverses infé rieures à la tension de claquage. Après le cla quage, la caractéristique tension-courant du silicium est très aplatie et, enfin, le silicium est particulièrement insensible aux change ments de température et, par conséquent, il est susceptible de dissiper sans dommage des quantités d'énergie relativement importantes.
Le choix du bore comme impureté détermi nant le type de conductivité de la couche ter minale permet non seulement d'obtenir une résistance très basse après le claquage, mais facilite en outre l'exécution des connexions terminales à basse résistance. La formation des couches de bore de type <I>p</I> sur le corps semi-conducteur de type<I>n</I> peut être obtenue par un procédé de diffusion, dans lequel une pastille de silicium ayant une con ductibilité de type n de valeur désirée est chauffée à une température de 1250 C dans une atmosphère de trichlorure de bore sous une pression de 0,5 atmosphère, pendant 17 heu res.
La couche de type p se forme sur toute la surface de la pastille et ensuite les faces opposées de celle-ci sont meulées pour obtenir la structure p-n-p.
Il importe également d'exécuter de bonnes connexions ohmiques sur les zones terminales. A cet effet, il convient de plaquer les couches de type p avec un revêtement métallique, 24 et 25 respectivement. Pour ces revêtements, il convient de choisir une matière qui ne con tamine pas la zone de type p. Le rhodium, par exemple, se prête tout particulièrement pour le placage des zones terminales. Le dépôt mé tallique peut être effectué très facilement sur la zone de type p à diffusion de bore par un procédé galvanoplastique, de manière à former une connexion à basse résistance. Ce procédé est plus avantageux que l'autre, qui pourrait aussi être employé, et qui consiste à choisir un corps de silicium ayant une zone inter médiaire de type p, avec des zones terminales de type n.
Afin d'éviter le risque de la formation d'un arc entre les zones terminales, il convient de ne pas plaquer les bords de celles-ci. En outre, puisque dans l'appareil dans lequel doit être monté l'élément de silicium, les contacts sur les revêtements 24 et 25 sont effectués par pression et non par soudure, il convient de superposer à ces revêtements un autre métal léger, 26 et 27 respectivement, par exemple de l'étain, avec lequel on peut facilement ob tenir un contact par pression à basse résis tance.
Puisqu'il est nécessaire que le revêtement d'étain ne soit pas en contact direct avec les couches de type p, les bords des placages de rhodium ne sont pas revêtus d'étain. En outre, il importe d'éviter toute possibilité de forma tion d'un arc entre les deux zones terminales de type p. A cet effet, il convient de prévoir une couche de laque ou de vernis isolant 28 autour des bords des zones terminales de type p et le revêtement de rhodium, afin d'augmen ter la distance disruptive entre les deux cou ches de type p. Cette couche de laque ou de vernis 28 sert en outre efficacement comme protection contre l'humidité.
En revenant maintenant à l'appareil 30 de la fig. 3, les différents éléments sont montés dans un boîtier isolant 31, qui peut être formé par une matière céramique, et qui présente une cavité cylindrique intérieure 32. La partie supérieure de cette cavité est taraudée et un anneau en laiton 33 est vissé sur la cavité 32. Un écrou creux 34, également en laiton, est vissé dans l'anneau 33, et à l'intérieur de la creusure de l'écrou 34 est disposée une pastille de plomb 35, qui est pressée entre l'écrou 34 et la face supérieure d'un piston 36, dont la tige est supportée par la face supérieure de l'élément semi-conducteur 20, décrit précé demment. L'élément 20 à son tour est sup porté par une colonne 37, solidaire d'une bride 41.
Sur le fond de la cavité 32 est fixée une borne en laiton 38 et, entre cette borne et la bride 41, est monté un ressort 39 qui tend à pousser vers le haut l'ensemble formé par la bride 41, la colonne 37, l'élément semi-conduc teur 20 et le piston 36.
L'élément 20 est isolé des parois intérieu res de l'écrou 34 au moyen d'une douille d'écartement 40 en matière isolante, telle que la céramique.
Les dimensions des différentes parties de l'appareil et la tension du ressort 39 sont choi sies de manière que, lorsque l'appareil est branché sur un conducteur de la ligne télé phonique et que la tension de ce conducteur ne dépasse pas la valeur normale, la bride 41 est maintenue à une certaine distance du bord inférieur de l'écrou 34. Dans ces conditions, le seul chemin qui s'offre au courant entre l'an neau 33 et la borne 38 est celui qui est formé par la pastille de plomb 35, le piston 36 et sa tige, l'élément semi-conducteur 20, la bride 41 et le ressort 39.
Toutefois, si, à la suite d'une surtension de valeur supérieure à la tension de claquage, un courant d'intensité excessive parcourt l'appareil pendant un temps suffisam ment long, la pastille de plomb 35 s'échauffe et fond, de sorte que le ressort 39 pousse la bride 41 vers le haut, jusqu'à ce qu'elle vienne en contact avec le bord inférieur de l'écrou 34. Il s'ensuit que, entre l'anneau 33 et la borne 38, le courant peut passer par un autre chemin constitué par l'écrou 34, la bride 41 et le ressort 39, et dont la résistance est très basse par rapport à celle de l'élément semi conducteur 20. Ce dernier est donc pratique ment court-circuité.
Dans ces conditions, le conducteur de la ligne téléphonique est relié à la terre, et le poste d'abonné est mis hors service, jusqu'à ce que la pastille de plomb de l'appareil de pro tection soit remplacée.