Pourquoi la résonance assure un niveau de bruit très faible

La technologie brevetée de découpage d’Iseg minimise le niveau du bruit

Pourquoi la résonance assure un niveau de bruit très faible ? Tous les modules haute tension multivoies d’ISEG sont conçus avec une technologie brevetée de découpage à résonance appelée ‘soft switching’ (modules MMS, MME, MMC, VME et NIM…). Ce mode de commutation douce à transistors garantie un niveau d’onde résiduelle et un niveau de bruit très faible et ultra faible dans les électroniques haute tension. Cette technologie brevetée est particulièrement adaptée aux applications haute tension car elle est la seule à offrir la caractéristique suivante qui agit sur la maîtrise du niveau global de bruit :

  • l’onde de courant sinusoïdale – ou quasi sinusoïdale – circulant dans les composants électroniques étant proche de la fondamentale de la fréquence de découpage, les harmoniques de rangs élevés sont faibles, contribuant au final à une diminution très significative du niveau d’ondulation résiduelle à la sortie haute tension. C’est ce qui fait la différence de performance avec les autres technologies d’alimentation et représente un avantage important par rapport aux topologies de découpages classiques de types forward ou flyback ou, cette fois, les ondes découpées sont de natures rectangulaires et donc très riches en harmoniques de rangs élevés (décomposition en série de Fourier).

Sur le plan de la fiabilité en usage, cette technologie brevetée apporte également les avantages suivants :

  • Son onde de courant dans les transistors et dans le primaire du transformateur élévateur est sinusoïdale. Lors de son retour par ‘0’, l’onde de courant provoque une extinction naturelle et sans stress des éléments de commutation.
  • La structure L-C de son circuit résonant s’oppose à la variation brutale du courant (dI / dt) pouvant apparaître sur la sortie haute tension, lors d’un court-circuit ou d’un arc électrique par exemple. Ainsi les crêtes de courant dans les transistors et dans le primaire sont atténuées, assurant ainsi un mode de protection naturel qui ne nécessite pas des composants électroniques supplémentaires d’aide à la commutation (circuit CALC).

Les modules haute tension ISEG sont ainsi optimisés pour générer une amplitude d’ondulation résiduelle et de bruit aussi faibles que possible.

D’où vient le bruit : composition fréquentielle de l’ondulation résiduelle et du bruit

L’ondulation de sortie est constituée de trois composantes avec des fréquences différentes :

a) L’oscillation fondamentale du convertisseur, qui se trouve dans le spectre fréquentiel de 40 kHz à 120 kHz. Pour les modules ISEG, les filtres sont conçus pour garder cette composante au dessous de 5 mV, à pleine tension et à pleine charge (courant max). Elle est même en dessous de 1 – 2 mV pour un grand nombre de modules. L’oscillation fondamentale dépendant de la charge, celle-ci diminue de manière significative si la charge est réduite.

b) Le bruit causé par des parties électroniques non idéales dans le circuit de commande (constantes de temps finie, amplification finie, le bruit de terre). La fréquence de cette composante de bruit est dans la plage de 10 Hz à quelques kHz. Généralement, cette composante est inférieure à 10 mV. Pour les modules haute tension ISEG Standard et Haute Précision avec une tension de sortie maximale jusqu’à 4 kV, elle est inférieure à 3 mV. Ceci est rendu possible grâce à une double commande de la tension de sortie, garantissant une très bonne stabilité de la tension de sortie et sous toutes conditions de charge.

c) L’intervalle de fréquence de 0,01 Hz à 10 Hz, souvent sous-estimé.

  • Dans cette gamme de fréquences, un bruit de fond provenant des circuits analogiques de contrôle de tension de référence, typiquement de l’ordre du nano ou microvolts, peut se traduire par un bruit de plusieurs dizaines de millivolts de la tension de sortie en raison du grand facteur d’amplification (> 1000). Dans le cas où ces composants à faible bruit de fréquence peuvent interférer avec une application, par exemple pour les applications d’électrons-optique, l’utilisation de modules ISEG de haute précision à bruit ultra faible est recommandée. En effet, ils permettent de garder cette composante de bruit en dessous de 5 mV.
  • Dans certains cas, des physiciens ont reporté que le bruit de basse fréquence généré par la haute tension rend difficile la restauration de la ligne de base (base line shifting) qui est un élément important dans la mesure de pics d’énergies des particules interagissant avec le détecteur. Le phénomène d’accumulation de charge (pile-up) altère cette mesure d’énergie.

Deux exemples de mesures à très basse fréquence

Les mesures sont faites dans les mêmes conditions, sur charge résistive pure de 500 MOhms, sans filtrage capacitif additionnel.

Cas du module NIM ISEG NHQ226L 6 kV / 1 mA

Ripple & noise : 3,84 mV crête à crête

Cas d’un module NIM équivalent d’une autre marque

Ripple & noise : 31,8 mV crête à crête

Classification de l’ondulation résiduelle et du bruit

Faible Bruit

Très Faible Bruit

Ultra Faible Bruit

Vp-p < 5 mV [f > 1 kHz]     | Vp-p typ. < 20 mV / Vp-p max. 30 mV       [10 Hz < f < 1 kHz]

Vp-p < 1 mV [f > 1 kHz]     | Vp-p typ. < 3 mV / Vp-p max. 5 mV           [10 Hz < f < 1 kHz]

VP-P <1 mV [f > 1 kHz]      | Vp-p typ. < 3 mV / VP-P max. 5 mV          [0,1 Hz < f < 1 kHz]