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ETAT DE L’ART SUR LES DECHARGES A BARRIERE DIELECTRIQUE (DBD)
Ce chapitre consacré à l’état de l’art vise à introduire les notions essentielles permet-tant de comprendre les phénomènes de décharge se produisant dans le gaz d’un dis-positif de décharge à barrière diélectrique.
Les développements physiques restent limités, car l’objectif est de permettre la com-préhension des phénomènes complexes, tout en restant au niveau de relations aussi simples que possible. Nous commençons d’abord par expliquer les différents régimes de décharge pouvant se développer dans un gaz. Une classification des plasmas, en fonction de la tempéra-ture du gaz est également proposée.
Nous expliquons ensuite quels sont les éléments qui particularisent les Décharges à Barrière Diélectrique (DBDs), quel sont les domaines d’applications dans lequel ce dispositif est adapté. Certaines applications des DBDs, aussi bien dans l’industrie que dans la vie quoti-dienne sont présentées. La lampe UV à excimères obtenus grâce à une décharge à barrière diélectrique, qui constitue le support de nos expérimentations, est présentée en détail.
Définition et introduction des décharges dans un gaz
Pour présenter le comportement du gaz et identifier les différents régimes de dé-charges, on s’appuie sur le dispositif étudié par Townsend, montré sur la Figure 1.1.
L’application d’une tension continue entre deux électrodes et l’utilisation d’un tube à gaz reste une méthode classique pour réaliser une décharge. On utilise, par exemple un tube de verre de quelques centimètres de diamètre, muni d’électrodes à ses deux extrémités et rempli d’un gaz sous une pression moyenne, de l’ordre de 1 torr.
Une différence de potentiel continue V est appliquée aux bornes du tube au travers d’une résistance de charge R par un générateur. En agissant sur R et V, on peut faire varier le courant I traversant le gaz, depuis des valeurs très faibles, de l’ordre de1018 A , jusqu’à quelque dizaine d’ampères.
A chaque valeur du courant I correspond une valeur de la tension entre les électrodes, ce qui définit la caractéristique courant-tension de la décharge, dont l’allure est présen-tée sur la Figure 1.2. Cette courbe fait apparaître plusieurs domaines correspondant aux différents régimes de décharges [1.16] , que nous nous proposons de décrire dans les paragraphes sui-vants.
Régime d’ionisation de fond (Zone I)
Appelé aussi décharge non autonome sans multiplication électronique. Ce régime est caractérisé par une très faible valeur de tension gaz, dont l’anode collecte les élec-trons libres. Ces électrons libres et ions sont crées par crées par des rayons cos-miques et autres formes de rayonnement d’ionisation de fond.
Régime de saturation (Zone II)
Appelé également décharge non autonome avec multiplication électronique, c’est un régime dans lequel tous les ions et électrons produits dans le régime précédent dispa-raissent dans le volume de décharge, car ils sont collectés par la cathode et l’anode respectivement. Dans ce régime, les électrons ne possèdent pas assez d’énergie pour créer de nouvelles ionisations.
Régime de Townsend (Zone III)
Dans ce régime, les électrons se trouvant dans le volume de décharge acquièrent suf-fisamment d’énergie, grâce au champ électrique, pour créer de nouvelles ionisations. La multiplication des électrons est principalement gouvernée :
par l’ionisation par impact d’électrons sur les molécules neutres du gaz ;
par l’augmentation du flux d’électrons extraits par bombardement ionique de la cathode.
Ces nouvelles ionisations conduisent à un accroissement exponentiel du courant en fonction de la tension.
Les trois régimes de décharge qui viennent d’être présentés (zones I, II, III), sont dé-nommés « décharge sombre » car, excepté les décharges corona, toutes ces dé-charges restent invisibles à l’œil nu.
Régime de transition entre le régime de Townsend et le régime luminescent – décharge subnormale (Zone IV)
L’augmentation du champ électrique accélère la vitesse de bombardement des ions sur la cathode. Ce mouvement génère des électrons supplémentaires qui a leur tour font augmenter le courant.
La tension de décharge chute, suite à l’augmentation de la quantité d’électrons, provo-quant une transition discontinue vers le régime luminescent. Ce champ électrique peut être désigné comme le champ électrique de claquage.
La tension correspondant au champ électrique de claquage est appelée « tension de claquage » ou « potentiel disruptif ». La loi1 de Paschen (1. 1) donne l’expression de la tension de claquage pour un gaz donné et elle est seulement une fonction du produit pression gaz et de la distance inter-électrodes.
Chaque gaz présente une tension minimale de claquageVb min , qui correspond à une valeur du produit pression distance minimum p dmin .
La Figure 1.3 donne la tension de claquage en fonction du produit pression distance p.d (courbes de Paschen), pour différents types de gaz [1.13].
Figure 1.3 Courbe de Paschen
Nous avons également récapitulé dans le Tableau 1, les valeurs minimales du produit pdminet de la tension Vb min correspondante. On constate pour chaque gaz donné, les valeurs de ces deux constantes sont différentes.
Tableau 1 valeur minimum des constantes pour différents types de gaz [1.13]
Régime de décharge normal (Zone V)
Apres avoir franchi la zone de transition discontinue, il vient ensuite le régime normal dans lequel la tension aux bornes de la décharge est quasiment indépendante du cou-rant.
Ce sont des décharges auto-entretenues, caractérisées par des densités de courant encore relativement faibles (typiquement inférieures à 1 A/cm2), pour des pressions de l’ordre du torr.
La grande différence qu’elles présentent avec les décharges dites de Townsend réside dans le fait que c’est le champ de charge d’espace et non pas le champ Laplacien2 qui gouverne la dynamique des espèces chargées dans la décharge.
Ce champ de charge d’espace provient de la différence de mobilité entre électrons et ions : ceci induit une localisation du champ électrique lorsque la densité des porteurs devient suffisante. C’est notamment pour cette raison que ces décharges peuvent être maintenues à des tensions beaucoup plus faibles que les décharges de Townsend [1.11].
La densité de courant reste à peu près constante dans ce régime, ce qui signifie que la décharge n’occupe pas entièrement la surface des électrodes.
Ce régime de décharge présente un intérêt tout particulier, car on pourra moduler la valeur du courant sans pour autant qu’il y ait de variation de la tension. C’est dans ce régime de décharge que fonctionnent les DBDs.
Régime de décharge anormal (Zone VI)
Le courant continuant à augmenter, la partie de la cathode occupée par le plasma augmente, jusqu’à la couvrir entièrement (tant que la cathode n’est pas entièrement couverte, on est dans le régime normal (zone III).
Quand la cathode est entièrement couverte, le régime de décharge anormale caracté-risé par un accroissement de la tension suivant le courant est atteint.
2 Si on applique une tension ‘V’ entre les deux électrodes on obtient un champ électrique ‘E’ qui est uniforme en absence d’ionisation et de construction de charges d’espace. Ce champ est appelé champ Laplacien
Régime d’arc non thermique (Zone VII)
Avec l’augmentation de la densité de courant, la cathode chauffe jusqu’à l’incandescence, générant des électrons supplémentaires par effet thermoïonique. L’augmentation du nombre des électrons crée un phénomène d’avalanche qui fait chu-ter la tension de décharge, alors que le courant augmente jusqu’à des valeurs très éle-vées. On est dans un régime d’arc non thermique dans lequel les électrons, les ions et le gaz n’ont pas la même température.
Régime d’arc thermique (Zone VIII)
Ce dernier régime est caractérisé par une pente positive de la caractéristique et est appelé régime d’arc thermique.
C’est un régime dans lequel le plasma est proche de l’équilibre thermodynamique et la température de toutes les espèces est quasi égale [1.12], [1.16].
Généralités sur le plasma
Définition
Le terme de « plasma » (du grec « matière informe ») a été introduit la première fois en 1923 par les physiciens américains I. Langmuir et L. Tonks pour désigner, dans les tubes à décharge, certaines régions équipotentielles contenant un gaz ionisé électri-quement neutre [1.16].
Les plasmas en équilibre thermodynamique sont désignés comme étant le quatrième état de la matière faisant suite dans l’échelle des températures aux trois états clas-siques : solide, liquide et gaz.
La Figure 1.4 montre les différents états de la matière sur une échelle de température.
Un plasma est un gaz ionisé qui reste macroscopiquement neutre.
Degré d’ionisation
Le degré d’ionisation appelé également taux d’ionisation i représente le rapport du nombre d’électrons libres ne sur le nombre de particules totales ne N ; N est le nombre de particules neutres par unité de volume. Le taux d’ionisation est alors donné par la relation de définition (1. 2).
On utilise également le rapport ne / N , qui traduit l’importance des collisions entre parti-cules chargées par rapport aux collisions entre particules chargées et neutres.
Grâce à la grandeur i , on peut classifier les plasmas en deux grandes catégories : les plasmas chauds et plasmas froids [1.16].
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
1.ETAT DE L’ART SUR LES DECHARGES A BARRIERE DIELECTRIQUE (DBD)
1.1. Définition et introduction des décharges dans un gaz
1.1.1. Régime d’ionisation de fond (Zone I)
1.1.2. Régime de saturation (Zone II)
1.1.3. Régime de Townsend (Zone III)
1.1.4. Régime de transition entre le régime de Townsend et le régime luminescent – décharge subnormale (Zo
1.1.5. Régime de décharge normal (Zone V)
1.1.6. Régime de décharge anormal (Zone VI)
1.1.7. Régime d’arc non thermique (Zone VII)
1.1.8. Régime d’arc thermique (Zone VIII)
1.2. Généralités sur le plasma
1.2.1. Définition
1.2.2. Degré d’ionisation
1.2.3. Plasmas non thermiques
1.3. Décharges à barrière diélectrique (DBD)
1.3.1. Historique des DBDs
1.3.2. Généralités sur les décharges à barrière diélectrique
1.3.3. Configuration usuelle des DBDs
1.3.4. Principe de fonctionnement
1.3.5. Géométries courantes des DBDs
1.3.6. Caractéristiques physiques et électriques d’un dispositif DBD
1.4. Applications des décharges à barrière diélectrique
1.4.1. Génération d’Ozone
1.4.2. Traitements de surface
1.4.3. Les écrans plasmas (PDP : Plasma Display Panels)
1.4.4. Applications des excilampes
Conclusion
Bibliographie
2.MODELISATION ET CONCEPTION D’UNE L’ALIMENTATION DBD
2.1. Modèle électrique de la lampe DBD
2.2. Identification des paramètres du modèle
2.2.1. Description de l’espace d’état
2.2.2. Algorithme d’identification
2.2.3. Validation du modèle électrique
2.3. Différents types d’alimentations des DBDs
2.3.1. Alimentation en tension sinusoïdale
2.3.2. Alimentation en tension impulsionnelle
2.3.3. Alimentation à résonance
2.4. Pourquoi le choix d’une alimentation en courant ?
2.5. Alimentation en courant pulsé
2.6. Amélioration des performances-vers une alimentation en courant rectangulaire
2.6.1. Caractéristique du convertisseur CVS
2.6.2. Source de courant J
2.7. Rôle du transformateur (perturbation sur le fonctionnement de la lampe)
2.7.1. Influence de l’inductance magnétisante
2.7.2. Influence de l’inductance de fuite
2.7.3. Influence de la capacité parasite
Conclusion
Bibliographie
3.CONCEPTION ET OPTIMISATION DU TRANSFORMATEUR
3.1. Méthode de dimensionnement du transformateur
3.1.1. Aperçu global sur le transformateur
3.1.2. Cahier des charges
3.1.3. Enjeux du contrôle des éléments parasites du transformateur
3.1.4. Grandeurs électriques et premiers éléments de dimensionnement
3.1.5. Choix des nombres de spires
3.1.6. Algorithme de dimensionnement
3.1.7. Domaine de fonctionnement du transformateur conçu
3.2. Modélisation du transformateur
3.2.1. Modèle inductif (Basse fréquence)
3.2.2. Modèle électrostatique (Haute fréquence)
3.2.3. Modèle du transformateur alimentant la lampe DBD
3.2.4. Modèle du transformateur
3.2.5. L’hypothèse de travail :
3.3. Techniques de minimisation des éléments parasites
3.3.1. Minimisation des inductances de fuite
3.3.2. Minimisation des capacités parasites
3.4. Méthode d’identification expérimentale des paramètres
3.4.1. Méthode d’extraction des inductances du transformateur
3.4.2. Méthode de détermination des capacités parasites
Conclusion
Bibliographie
4.ETUDE DES INTERACTIONS SOURCE-RAYONNEMENT
4.1. Étude du rayonnement avec l’alimentation en courant rectangulaire
4.1.1. Dispositif expérimental
4.1.2. Corrélation entre courant d’alimentation et conductance
4.1.3. Corrélation courant gaz / rayonnement UV
4.1.4. Impact de la fréquence sur le rayonnement UV
4.1.5. Relation entre l’amplitude du courant gaz et l’amplitude du rayonnement UV.
4.1.6. Conclusion sur les degrés de liberté pour le réglage du rayonnement
4.1.7. Calcul du rendement pour différents points de fonctionnement
4.2. Etude du rayonnement avec l’alimentation pulsée
4.2.1. Impact de la pression totale du gaz
4.2.2. Impact de la fréquence de la lampe
4.2.3. Impact du taux de mélange du gaz
Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE
BIBLIOGRAPHIE
