FR2948834A1 - Resistive dividing bridge for electronic system, has ceramic strip whose screen print is in form of conductive plane placed against another screen print, and common point connecting two resistors and connected to conductive plane - Google Patents
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Abstract
Le domaine général de l'invention est celui des ponts diviseurs résistifs (PR) comprenant une première résistance (R ) et une seconde résistance (R ) disposées en série. Le pont diviseur selon l'invention comporte une lame (L) de céramique à faces planes et parallèles, la première face (L1 ) de la lame comprenant une première sérigraphie et une seconde sérigraphie d'un matériau conducteur, la géométrie de la première sérigraphie et de la seconde sérigraphie étant agencées de façon à former la première et la seconde résistances, la seconde face (L2) de la lame comprenant une troisième sérigraphie en forme de plan conducteur (P) du même matériau conducteur, ledit plan conducteur étant disposé en regard de la première sérigraphie, le point commun (P ) reliant la première et la seconde résistance étant relié audit plan conducteur.The general field of the invention is that of resistive dividing bridges (PR) comprising a first resistor (R) and a second resistor (R) arranged in series. The divider bridge according to the invention comprises a blade (L) of ceramic with flat and parallel faces, the first face (L1) of the blade comprising a first screen printing and a second screen printing of a conductive material, the geometry of the first screen printing and the second screen printing being arranged to form the first and second resistors, the second face (L2) of the blade comprising a third conductive plane screen printing (P) of the same conductive material, said conductive plane being arranged in view of the first screen, the common point (P) connecting the first and the second resistance being connected to said conductive plane.
Description
Pont électronique d'asservissement sérigraphié compensé en fréquence Frequency compensated screen-printed servo electronic bridge
Le domaine de l'invention est celui des systèmes électroniques utilisant un pont diviseur résistif d'asservissement haute impédance. The field of the invention is that of electronic systems using a resistive divider bridge high impedance servocontrol.
Un circuit de ce type est représenté en figure 1. Il comporte essentiellement un pont résistif PR (zone entourée d'un rectangle en pointillés) alimenté en haute tension par les générateurs de tension continue VDC et de tension alternative VAC. Ce pont comporte deux résistances RH et RL disposées en série. La résistance RH a une valeur beaucoup plus élevée que la résistance RL. La tension utile S est prise aux bornes du pont résistif PR. La tension d'asservissement TA est prise aux bornes de la résistance RL. A circuit of this type is shown in FIG. 1. It essentially comprises a resistive bridge PR (zone surrounded by a dashed rectangle) supplied with high voltage by the DC voltage generators VDC and the AC voltage generator VAC. This bridge has two resistors RH and RL arranged in series. The RH resistance has a much higher value than the RL resistance. The useful voltage S is taken across the resistive bridge PR. The servo voltage TA is taken across the resistor RL.
Pour donner des ordres de grandeur, la tension utile S peut prendre des valeurs de plusieurs milliers de volts alors que la tension d'asservissement ou de contrôle TA est de l'ordre de quelques volts. Ce dispositif n'est malheureusement pas parfait. Comme indiqué sur la figure 1, il existe des capacités parasites CHP et CAP en parallèle des résistances RH et RL. Ces capacités provoquent une diminution ou une augmentation de l'atténuation du pont résistif, fonction de la fréquence comme indiqué sur la figure 2 qui représente l'atténuation du pont résistif en dB en fonction de la fréquence F du signal. Si le produit RH.CLP est égal au produit RL.CHP, l'atténuation du pont résistif reste constante, indépendante de la fréquence (courbe en trait continu de la figure 2). Si le produit RH.CLP est supérieur au produit RL.CHP, l'atténuation du pont résistif augmente et si, au contraire, le produit RH.CLP est inférieur au produit RL.CHP, l'atténuation du pont résistif diminue comme on le voit sur les courbes en pointillés de la figure 2. To give orders of magnitude, the useful voltage S may take values of several thousand volts while the control voltage or control voltage TA is of the order of a few volts. This device is unfortunately not perfect. As indicated in FIG. 1, there are stray capacitances CHP and CAP in parallel with resistors RH and RL. These capabilities cause a decrease or increase in attenuation of the resistive bridge, depending on the frequency as shown in Figure 2 which represents the attenuation of the resistive bridge in dB as a function of the frequency F of the signal. If the product RH.CLP is equal to the product RL.CHP, the attenuation of the resistive bridge remains constant, independent of the frequency (curve in solid line of Figure 2). If the product RH.CLP is greater than the product RL.CHP, the attenuation of the resistive bridge increases and if, on the contrary, the product RH.CLP is lower than the product RL.CHP, the attenuation of the resistive bridge decreases as it is see the dotted curves in Figure 2.
Il est donc nécessaire que le pont résistif soit compensé en fréquence de manière à s'affranchir de la coupure en fréquence liée aux éléments parasites. Cette compensation du pont résistif doit permettre de conserver un rapport d'atténuation constant quelle que soit la fréquence du signal à asservir. La difficulté consiste à réaliser une compensation répétitive et stable en température, permettant de rendre négligeables les éléments parasites, dans le minimum d'encombrement. Les solutions techniques pour réaliser cette fonction de compensation consistent essentiellement à câbler des condensateurs discrets en parallèle sur les résistances du pont diviseur. Cette solution est illustrée en figure 3 où deux condensateurs de compensation CHC et CLc sont câblés en parallèle des condensateurs CHP et CAP. On maîtrise ainsi les valeurs des capacités en parallèle des résistances RH et RL. Les principaux inconvénients de cette solution technique sont essentiellement : une tolérance étroite sur les valeurs de condensateurs, entraînant 10 des problèmes de répétitivité, une stabilité en température médiocre qui entraîne des variations sur les valeurs des condensateurs, la nécessite de choisir des valeurs de condensateurs relativement élevées par rapport aux éléments parasites et enfin, 15 un encombrement relativement élevé des capacités de compensation, lié au niveau du signal à asservir. It is therefore necessary that the resistive bridge is frequency-compensated so as to overcome the frequency cut-off related to the parasitic elements. This compensation of the resistive bridge must make it possible to maintain a constant attenuation ratio whatever the frequency of the signal to be enslaved. The difficulty consists in making a repetitive and stable compensation in temperature, making negligible the parasitic elements, in the minimum of space. The technical solutions for carrying out this compensation function consist essentially of wiring discrete capacitors in parallel with the resistors of the divider bridge. This solution is illustrated in FIG. 3 where two compensation capacitors CHC and CLc are wired in parallel with the capacitors CHP and CAP. We thus control the values of the capacities in parallel of the resistances RH and RL. The main drawbacks of this technical solution are essentially: a narrow tolerance on the capacitor values, leading to problems of repeatability, poor temperature stability which causes variations in the capacitor values, the need to choose relatively large capacitor values high relative to the parasitic elements and finally, a relatively large size of the compensation capabilities, related to the level of the signal to be enslaved.
Le pont résistif selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. En effet, il est réalisé par sérigraphie sur un matériau 20 céramique et intègre une capacité de compensation réalisée sur ce même matériau. L'association des techniques de sérigraphie et d'un substrat en céramique permet d'obtenir un composant parfaitement défini et très stable dans le temps, supprimant ainsi les principaux inconvénients des technologiques employées précédemment. 25 Plus précisément, l'invention a pour objet un pont diviseur résistif comprenant une première résistance et une seconde résistance disposées en série, caractérisé en ce que le pont comporte une lame de céramique à faces planes et parallèles, la première face de la lame comprenant une 30 première sérigraphie et une seconde sérigraphie d'un matériau conducteur, la géométrie de la première sérigraphie et de la seconde sérigraphie étant agencées de façon à former la première et la seconde résistances, la seconde face de la lame comprenant une troisième sérigraphie en forme de plan conducteur du même matériau conducteur, ledit plan conducteur étant disposé en regard de la première sérigraphie, le point commun reliant la première et la seconde résistance étant relié audit plan conducteur. Avantageusement, la première sérigraphie a la forme d'un serpentin dont la largeur vaut quelques centaines de microns et la longueur quelques décimètres, la lame est en alumine et le matériau conducteur est un mélange d'argent et de palladium. The resistive bridge according to the invention does not have these disadvantages. Indeed, it is made by screen printing on a ceramic material and incorporates a compensation capacity made on the same material. The combination of screen printing techniques and a ceramic substrate makes it possible to obtain a perfectly defined component that is very stable over time, thereby eliminating the main disadvantages of the technologies previously employed. More specifically, the subject of the invention is a resistive divider bridge comprising a first resistor and a second resistor arranged in series, characterized in that the bridge comprises a ceramic blade with flat and parallel faces, the first face of the blade comprising a first screen printing and a second screen printing of a conductive material, the geometry of the first screen printing and the second screen printing being arranged to form the first and second resistors, the second face of the plate comprising a third screen printing conductive plane of the same conductive material, said conductive plane being disposed opposite the first screen printing, the common point connecting the first and second resistance being connected to said conductive plane. Advantageously, the first serigraphy has the shape of a coil whose width is a few hundred microns and the length a few decimetres, the blade is made of alumina and the conductive material is a mixture of silver and palladium.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 10 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente le schéma de principe d'un pont diviseur résistif ; La figure 2 représente l'atténuation du pont résistif en dB en fonction de la fréquence du signal dans un pont diviseur selon l'art antérieur ; 15 La figure 3 représente une compensation des capacités parasites d'un pont diviseur résistif selon l'art antérieur ; La figure 4 représente une vue de face, une vue de profil et une vue de dos d'un pont diviseur résistif selon l'invention ; La figure 5 représente la surface utile de la capacité d'un pont 20 diviseur résistif selon l'invention ; La figure 6 représente la mise en oeuvre électronique d'un pont diviseur résistif selon l'invention. The invention will be better understood and other advantages will become apparent on reading the description which follows given by way of non-limiting example and with reference to the appended figures in which: FIG. 1 represents the block diagram of a resistive divider bridge; FIG. 2 represents the attenuation of the resistive bridge in dB as a function of the frequency of the signal in a divider bridge according to the prior art; FIG. 3 represents a compensation of parasitic capacitances of a resistive divider bridge according to the prior art; FIG. 4 represents a front view, a profile view and a back view of a resistive divider bridge according to the invention; Figure 5 shows the useful area of the capacitance of a resistive divider bridge according to the invention; FIG. 6 represents the electronic implementation of a resistive divider bridge according to the invention.
A titre d'exemple non limitatif, la figure 4 représente une vue de 25 face, une vue de profil et une vue de dos d'un pont diviseur résistif selon l'invention. La figure 5 représente une vue agrandie de la vue de face du pont diviseur de la figure 4. Celui-ci comprend essentiellement une lame L de céramique à faces planes et parallèles comme on le voit sur la vue de profil de la figure 4. 30 La première face LI de la lame L représentée sur la vue de face de la figure 4 comprend une première résistance sérigraphiée RH et une seconde résistance sérigraphiée RL disposées en série. Ces deux sérigraphies sont réalisées dans un matériau conducteur. La première résistance RH a une impédance très élevée, de l'ordre de plusieurs centaines 35 de Mégohms, la seconde résistance RL a une résistance beaucoup plus faible, de l'ordre de plusieurs centaines de Kiloohms. La tension utile S est prise aux bornes du pont résistif. La tension d'asservissement est prise aux bornes de la résistance RL. Comme on le voit sur la vue de dos de la figure 4, la seconde face de la lame comprend une troisième sérigraphie en forme de plan conducteur P représenté par une surface grise sur cette figure. Il est réalisé dans le même matériau conducteur, le plan conducteur étant disposé en regard de la première sérigraphie, le point commun Pc reliant la première et la seconde résistance étant relié au plan conducteur. On obtient ainsi une capacité par couplage sur la résistance haute impédance du pont diviseur résistif. La figure 5 représente une vue agrandie de la vue de face du pont diviseur de la figure 4. Sur cette figure, les parties grisées représentent la zone S de la résistance RH en regard du plan conducteur P. By way of non-limiting example, FIG. 4 represents a front view, a side view and a back view of a resistive divider bridge according to the invention. FIG. 5 represents an enlarged view of the front view of the divider bridge of FIG. 4. This essentially comprises a blade L of ceramic with flat and parallel faces as seen in the profile view of FIG. 4. The first face LI of the blade L shown in the front view of FIG. 4 comprises a first screen-printed resistor RH and a second serigraphed resistor RL arranged in series. These two screenprints are made of a conductive material. The first resistor RH has a very high impedance, of the order of several hundred megohms, the second resistance RL has a much lower resistance, of the order of several hundred kiloohms. The useful voltage S is taken across the resistive bridge. The servo voltage is taken across the resistor RL. As seen in the back view of FIG. 4, the second face of the blade comprises a third conductive plane screenprint P represented by a gray surface in this figure. It is made of the same conductive material, the conductive plane being disposed opposite the first screen printing, the common point Pc connecting the first and the second resistor being connected to the conductive plane. This provides a capacitance by coupling to the high impedance resistor of the resistive divider bridge. FIG. 5 represents an enlarged view of the front view of the divider bridge of FIG. 4. In this figure, the gray portions represent the zone S of the resistor RH facing the conductive plane P.
Comme indiqué sur les figures 4 et 5, la première sérigraphie a préférentiellement la forme d'un serpentin dont la largeur vaut quelques centaines de microns et la longueur quelques décimètres. La lame L peut être en alumine et le matériau conducteur nécessaire à la réalisation des différentes sérigraphies peut être classiquement un mélange d'argent et de palladium. As shown in Figures 4 and 5, the first screen printing preferably has the shape of a coil whose width is a few hundred microns and the length a few decimeters. The blade L can be made of alumina and the conductive material required for the production of the different screen printing can be conventionally a mixture of silver and palladium.
II est simple de déterminer les principaux paramètres du pont diviseur selon l'invention, c'est-à-dire la valeur des résistances, la valeur de la capacité de couplage, les dimensions et l'épaisseur de la lame de céramique. A titre d'exemple, si l'on souhaite asservir une alimentation Très Haute Tension (THT) délivrant une tension de sortie VOUT égale à 8500 VDC au moyen d'un pont résistif selon l'invention, on doit réaliser une image VIM de VOUT autour de 2,5 VDC en vue de son asservissement au moyen du pont diviseur résistif. Dans cet exemple, le substrat céramique utilisé est de l'alumine à 96%, son épaisseur e est de 1 millimètre. La permittivité sr de l'alumine est de 7.10"12 et sa variation thermique vaut 7ppm/°C. La sérigraphie des pistes et du plan est réalisée en argent / palladium.35 Les résistances du pont doivent vérifier : It is simple to determine the main parameters of the divider bridge according to the invention, that is to say the value of the resistors, the value of the coupling capacitance, the dimensions and the thickness of the ceramic blade. By way of example, if it is desired to slave a Very High Voltage supply (THT) delivering an output voltage VOUT equal to 8500 VDC by means of a resistive bridge according to the invention, a VIM image of VOUT must be produced. around 2.5 VDC for servocontrol using the resistive divider bridge. In this example, the ceramic substrate used is 96% alumina, its thickness e is 1 millimeter. The permittivity sr of the alumina is 7.10 "12 and its thermal variation is 7ppm / ° C. The screen printing of the tracks and the plane is made in silver / palladium.35 The resistances of the bridge must verify:
(RH+RL)/RL = VOUT/VIM (RH + RL) / RL = VOUT / VIM
Soit (RH+RL)/RL = 8500/2,5 = 3400, soit encore RH/RL = 3399 Let (RH + RL) / RL = 8500 / 2,5 = 3400, again RH / RL = 3399
Si la résistance RH vaut 800 MQ, alors la résistance RL vaut 235 5 kQ. If the resistance RH is 800 MΩ, then the resistance RL is 235 5 kΩ.
Compte-tenu de la résistivité électrique par unité de surface du dépôt sérigraphié, on peut obtenir la valeur de RH avec un dépôt dont la largeur vaut 300 pm et la longueur totale 350 mm. Ainsi fait, l'encombrement total du pont diviseur tient sur une lame de céramique rectangulaire d'un Given the electrical resistivity per unit area of the screen-printed deposit, the value of RH can be obtained with a deposit whose width is 300 μm and the total length 350 mm. Thus done, the total bulk of the divider bridge is on a rectangular ceramic blade of a
10 centimètre de large et de trois centimètres de long. On calcule la capacité CH au moyen de la formule classique donnant la capacité d'un condensateur plan : CH = Er.S/e, S correspond à la surface en regard du plan conducteur de la seconde face et de la résistance 10 centimeters wide and three centimeters long. The capacitance CH is calculated by means of the conventional formula giving the capacitance of a plane capacitor: CH = Er.S / e, S corresponds to the surface facing the conductive plane of the second face and the resistance
15 RH de la première face. Dans le cas présent, S vaut 106.10-6 m2. Par conséquent, on a : 15 RH of the first face. In the present case, S is 106.10-6 m2. Therefore, we have:
CH = (7.10-12.106.10-6)/1.10.3 = 0,75 pF à 7ppm/°C CH = (7.10-12.106.10-6) /1.10.3 = 0.75 pF at 7ppm / ° C
On sait que, pour que le pont diviseur ait un gain constant en fréquence, cette capacité doit être compensée par une capacité CL. La 20 compensation est optimale pour RH = CL , soit CL = 3399 CH. RL CH soit encore CL = 2,55 nF. De façon pratique, Il suffit de compenser cette capacité CH par un condensateur CL sur la partie basse impédance ou basse tension du circuit It is known that for the divider bridge to have a constant gain in frequency, this capacitance must be compensated by a capacitance CL. The compensation is optimal for RH = CL, ie CL = 3399 CH. RL CH is again CL = 2.55 nF. Practically, it is enough to compensate this capacitance CH by a capacitor CL on the low impedance or low voltage part of the circuit
25 d'asservissement haute impédance, ce qui ne pose alors aucun problème technique. En effet, dans cette partie du circuit, on fonctionne à faible tension, le condensateur peut avoir un faible volume et le choix de la valeur de la capacité (quelques nanoFarads) ne pose aucun problème. 25 of high impedance servo, which does not pose any technical problem. Indeed, in this part of the circuit, it operates at low voltage, the capacitor can have a low volume and the choice of the value of the capacity (some nanoFarads) poses no problem.
Le schéma électronique de la figure 6 montre un exemple The electronic diagram of Figure 6 shows an example
30 d'implantation du condensateur de compensation CL dans un circuit d'alimentation haute tension comportant un asservissement à pont diviseur. Pour la compensation en fréquence, on utilise: 30 of implantation of the compensation capacitor CL in a high voltage power supply circuit comprising a servocontrol divider bridge. For frequency compensation, we use:
- la capacité CH par couplage sur la résistance haute impédance (haute tension) RH du pont diviseur. - Un condensateur discret CL câblé, sur la partie basse tension, en parallèle sur la résistance basse impédance (basse tension). Sur ce schéma, les limites du pont diviseur PR sont représentées par un premier rectangle en pointillés, les limites de la partie haute tension du circuit de génération CHT du signal haute tension sont représentées par un second rectangle en pointillés, plus grand que le premier. Cette partie du circuit est généralement moulée de façon à assurer sa protection vis-à-vis de l'environnement extérieur. La tension d'asservissement TA est réinjectée à l'entrée d'un amplificateur de commande A du signal de sortie haute tension S. Les avantages du pont résistif selon l'invention sont nombreux. On citera La réalisation du pont diviseur par sérigraphie permet de pouvoir ajuster très finement son atténuation par les méthodes de trim 15 dynamique ; - Le matériau céramique utilisé comme diélectrique étant très stable en température et la sérigraphie très répétitive, l'atténuation du pont diviseur ainsi que la capacité obtenue par couplage sont également très stables et répétitives ; 20 L'encombrement de la capacité ainsi réalisée est quasi nul ; Le plan réalisé sur la "face 2" du substrat céramique fait office d'écran électronique par rapport à l'environnement extérieur ; Le fait de stabiliser et de maîtriser les éléments parasites permet de ne pas avoir besoin de s'en affranchir, mais, au contraire, de les 25 utiliser ; Enfin, la tenue en tension est assurée par la prise en compte des contraintes sur le pont résistif. - the CH capacitance by coupling on the high impedance resistor (high voltage) RH of the divider bridge. - A discrete capacitor CL wired, on the low voltage part, in parallel on the low impedance resistor (low voltage). In this diagram, the limits of the divider bridge PR are represented by a first dashed rectangle, the limits of the high voltage portion of the CHT generation circuit of the high voltage signal are represented by a second dotted rectangle, larger than the first. This part of the circuit is generally molded so as to ensure its protection vis-à-vis the external environment. The slaving voltage TA is fed back to the input of a control amplifier A of the high voltage output signal S. The advantages of the resistive bridge according to the invention are numerous. The embodiment of the splitter bridge by screen printing makes it possible to adjust its attenuation very finely by the dynamic trim methods; - The ceramic material used as dielectric being very stable in temperature and the very repetitive screen printing, attenuation of the divider bridge and the capacitance obtained by coupling are also very stable and repetitive; The size of the capacity thus produced is almost zero; The plane made on the "face 2" of the ceramic substrate acts as an electronic screen with respect to the external environment; The fact of stabilizing and controlling the parasitic elements makes it possible not to need to get rid of them, but, on the contrary, to use them; Finally, the voltage withstand is ensured by taking into account the constraints on the resistive bridge.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 7 |
|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20170331 |