Brevet FR2007588A1 — publié le 19700109

-1- 2007588 La présente invention a trait à un amplificateur de puissance en classe B ayant un rendement élevé voisin de 100 % pour toutes les tensions, en courant continu ou alternatif. Un amplificateur habituel de classe B comporte deux tran-5 sistors ayant leurs "bases connectées aux extrémités opposées de l'enroulement secondaire à prise centrale d'un transformateur d'entrée. Les émetteurs des transistors sont connectés aux extrémités opposées d'un enroulement primaire à prise centrale d'un transformateur de sortie, les prises centrales de ces 10 deux enroulements étant connectées à une borne d'une source d'alimentation, tandis que l'autre borne de la même source est connectée aux collecteurs de ce transistor. De3 signaux d'entrée sont appliqués aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur d'entrée tandis que les signaux de sortie sont pris sur l'enroulement secondaire du transformateur de sortie. De tels amplificateurs sont peu efficaces et ils amplifient mal les courants continus. Leur peu de capacité pour amplifier des signaux à courant continu vient de l'existence des transformateurs d'entrée et de sortie, qui, évidemment, ne peuvent 20 pas transmettre des signaux continus. L'inefficacité d'un amplificateur habituel en classe B est due au fait que la tension indésirable (c'est-à-dire la différence entre la tension d'alimentation et la tension de charge) apparaît aux bornes des deux transistors à un instant quelcon-que. Ces transistors étant incapables d'emmagasiner de l'énergie, dissipent de la puissance en proportion du produit du courant de charge par la tension indésirable. La présente invention met en oeuvre un amplificateur de classe B nouveau et perfectionné capable d'amplifier à la fois 30 des signaux continus et alternatifs et ayant un rendement voisin de 100 %. Un autre but de l'invention consiste à mettre en oeuvre un amplificateur de classe B dans lequel un signal de référence d'entrée est utilisé pour engendrer un signal modulé en largeur 35 d'impulsions, dans lequel la largeur des impulsions est une fonction de l'amplitude du signal de référence. Ces impulsions sont alors utilisées dans un circuit de commutation à transistor de façon à reconstruire le signal de référence d'origine 69 13645 -2- 2007588 qui est maintenant tL'une amplitude plus grande et qui par conséquent est amplifié. Selon l'invention, un amplificateur de classe B est mis en oeuvre qui comprend un circuit modulé en largeur d'impulsions 5 répondant à un signal d'entrée en engendrant un signal pulsstoi« re dont la largeur des impulsions est proportionnelle à l'ampli-tude instantanée du signal d'entrée ou signal de référenceo Uns charge électrique, un commutateur tel qu'un transistor et ime inductance sont connectés entre les bornes d'une source d'ail-10 mentation. Un dispositif est prévu pour obliger les impuleio^n du signal pulsatoire à fermer périodiquement ce commutateur \ sorte que, quand ce commutateur est fermé, une partie de la ter»,-= sion provenant de l'alimentation apparaisse aux bornes de lrinductance. Quand le commutateur est ouvert, à la fin du passas : 15 d'une impulsion du signal pulsatoire, l'énergie emmagasinée dstvs l'inductance se décharge dans la charge. Ainsi, la tension, dans une autre construction, serait une tension indésirable aa'; emmagasinée dans l'inductance puis déchargée dans la charg' ?;>% lieu d'être dissipée dans des éléments de circuit à 1 'intér-*ot? 20 de l'amplificateur lui-même. Ces buts et caractéristiques de l'invention ainsi que d'autres seront mieux compris en se référant à la description démaillée qui va suivre et aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un signal illustrant la façon suivant la---25 quelle la puissance est dissipée dans un amplificateur classique de classe B ; - la figure 2 est un schéma sous forme de blocs de l'simplificateur en classe B selon la présente invention ; - les figures 3A, 3B et 30 représentent des signaux illtis-= 30 trant le fonctionnement du circuit de la figure 2 5 - la figure 4 est un schéma détaillé du commutateur de puissance de sortie et du dispositif d'emmagasinage d'énergie du cir= cuit de la figure 2 ; - la figure 5 est un schéma d'un circuit d'un type de -r-"; .. 55 lateur en largeur d'impulsions pouvant être utilisé dans le tème de la figure 2. Sur les figures, et particulièrement sur la figure 1, 121 ?. représenté un signal de sortie fourni par-un amplificateur classique de classe B. Le niveau de la tension d'alimentation est BAD C 69 13645 -3- 2007588 indiqué par la ligne 10 et on voit qu'il est supérieur à la plus grande amplitude du signal de sortie sinusoïdal. Evidemment, la seule exigence est que le niveau de la tension 10 soit aussi important que le maximum attendu du signal sinusoï-5 dal, mais, dans la plupart des cas, cette amplitude maximale n'est pas utilisée. En conséquence, il y a une tension indésirable même sur la crête du signal de sortie sinusoïdal et cette tension indésirable est d'habitude dissipée sous forme de chaleur engendrée dans les transistors de l'amplificateur 10 classique de classe B. Pour des amplitudes inférieures du signal sinusoïdal, même des tensions supérieures, telles que la tension Eg, sont dissipées dans l'amplificateur. L'amplificateur perfectionné de classe B selon l'invention est représenté sur la figure 2. Le signal d'entrée repré-15 senté sous forme d'un signal sinusoïdal est appliqué à la borne d'entrée 12 puis, par l'intermédiaire d'un circuit d'addition 14, à un modulateur 16 en largeur d'impulsions. En outre, deux signaux triangulaires transmis sur les conducteurs 20 et 22 et engendrés par un générateur de signaux triangulaires 18 20 sont appliqués aux modulateurs 16. Ces signaux sont déphasés de 180° l'un par rapport à l'autre comme on 1'éxpliquera ci-après. Le modulateur 16 engendre un signal pulsatoire sur le conducteur 24 ou le conducteur 26, suivant la polarité du si-25 gnal de référence appliqué. On supposera par exemple que des impulsions sont produites sur le conducteur 24 quand le signal d'entrée est positif et sur le conducteur 26 quand le signal d'entrée appliqué est négatif. Dans l'un ou l'autre cas, les impulsions rectangulaires à la sortie du modulateur 16 ont la 30 même fréquence que celles du signal d'entrée triangulaire, mais la largeur des impulsions de ce signal pulsatoire dépendent de l'amplitude du signal de référence appliqué. En d'autres termes, quand cette amplitude croît, les largeurs des impulsions de sortie du modulateur 16 croissent également. 35 Les impulsions transmises sur le conducteur 24 sont ap pliquées à un amplificateur d'impulsions 28, et, par l'intermédiaire de cet amplificateur 28, à un amplificateur d'impulsions 30, de façon à transmettre sur les conducteurs 32 et 34 69 13645 2007588 des signaux pulsatoires déphasés de 180° les uns par rapport aux autres. Ces signaux transmis sur les conducteurs 32 et 34 apparaissent seulement cependant quand le signal de référence a une polarité telle qu'il engendre un signal pulsatoire sur le 5 conducteur 24. D'une façon analogue, des impulsions, quand elles apparaissent sur le conducteur 26, sont appliquées à un amplificateur d'impulsions 36 puis par l'intermédiaire de cet amplificateur à un deuxième amplificateur d'impulsions 38, en engendrant 10 sur les conducteurs 40 et 42 des signaux pulsatoires déphasés de 180° l'un par rapport à l'autre, Suivant l'explication donnée ci-dessus, des impulsions apparaissent sur les conducteurs 32, 34 ou 40, 42. Cependant, elles n'apparaissent jamais à la fois sur ces deux séries de conducteurs et la série de conduc-15 teurs sur laquelle les impulsions apparaissent dépend de la polarité du signal d'entrée. Les impulsions transmises sur les conducteurs 32, 34 ou 40, 42 sont appliquées à un dispositif de commutation du signal de sortie et d'emmagasinage d'énergie 44, décrit ci-après plus 20 en détail, qui convertit le signal pulsatoire d'entrée appliqué aux conducteurs 32, 34- ou 40, 42 en un signal amplifié correspondant au signal de référence. En supposant donc que le signal de référence est un signal sinusoïdal, un signal sinusoïdal amplifié apparait aux bornes de sortie 46 et 48, Ce signal am-25 plifié est eû outre appliqué au circuit d'addition 14 en constituant un circuit de réaction. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention sera mieux compris en se référant aux figures 3A, 3B et 3C. Sur la figure 3A, le signal 50 représente par exemple le signal trian-30 gulaire sur le conducteur 20 à l'entrée du modulateur 16 tandis que le signal 52 représente le signal triangulaire transmis sur le conducteur 22. On remarquera que les signaux 50 et 52 sont déphasés de 180° l'un par rapport à l'autre et que les crêtes positives du signal 52 sont essentiellement au même niveau de 35 tension 54 que les crêtes négatives du signal triangulaire 50. Le signal de référence appliqué est représenté sous forme d'un signal sinusoïdal et identifié par la référence 5.6 à.e la figure 3V 69 13645 -5- 2007588 Le modulateur 16 peut prendre différentes formes "bien connues dans la technique et fonctionner sur le principe de la coïncidence de deux signaux d'entrées. En d'autres termes, quand un signal triangulaire transmis sur les conducteurs 20 ou 22 5 coïncide avec le signal de référence, une impulsion de sortie est engendrée. Oeci est représenté par les signaux de la figure 3A, pris en association avec le signal de la figure 3B qui est le signal de sortie pulsatoire du modulateur 16. Quand le signal de référence sinusoïdal 56 augmente d'amplitude, sa coïncidence 10 avec le signal triangulaire, représenté par les aires en traits hachurés, augmente. En conséquence les impulsions du signal de la figure 3B augmentent graduellement de largeur quand l'amplitude du signal de référence sinusoïdal 56 augmente. Après que le signal de référence 56 a atteint sa crête dans la direction 15 positive puis a diminué d'amplitude, les largeurs des impulsions du signal de la figure JB décroissent également. Sur le demi-cycle négatif du signal de référence 56, le signal triangulaire 52 transmis au conducteur 22 commence à entrer en jeu. Des impulsions sont de nouveau engendrées qui croissent 20 graduellement de largeur quand 1'amplitude du signal de référence croît dans la direction négative et qui diminuent de largeur quand le signal de référence approche de nouveau de l'axe des zéros. Bien que représentées sur la figure 3B comme ayant une polarité opposée, les impulsions du signal de la figure 3B peu-25 vent avoir la même polarité pour les deux demi-cycles du signal de référence appliqué. C'est une caractéristique du modulateur en largeur d'impulsion 16 cependant que, pour les demi-cycles positifs, les impulsions apparaissent sur le conducteur 24, tandis que pour le demi-cycle négatif, elles apparaissent sur le 30 conducteur 26. On supposera par exemple que, pendant le demi-cycle positif, les impulsions apparaissent sur le conducteur 24. Ces impulsions sont amplifiées par des amplificateurs d'impulsions 28 et 30 et appliquées par les conducteurs 32 et 34 au circuit 44. Dans ce 35 circuit, décrit ci-après plus en détail, le signal d'entrée est reconstruit comme représenté sur la figure 3C. Ceci s'effectue, en fait, en intégrant les impulsions du signal de la figure 3B, et, quand ces impulsions cômfflèxïceàt à croître en largeur, 69 13645 -6— 2007588 l'amplitude du signal de sortie croît également» Inversement, quand les largeurs des impulsions du signal de la figure 3B décroissent, le signal de sortie de la figure 3C décroît également. 5 Le circuit de commutation et d'emmagasinage d'énergie 44 est représenté plus en détail sur la figure 4 et il comprend deux bornes 58 et 60 auxquelles les bornes positives et négatives d'une source de potentiel continue non représentée sont reliées. Des impulsions rectangulaires de polarité opposée 10 transmises sur les conducteurs 32 et 34 qui se produisent quand le signal de référence est d'une certaine polarité, sont appliquées aux bornes d'entrée 62 et 64, tandis que les impulsions de polarité opposée transmises sur les conducteurs 40 et 42, qui se produisent quand le signal de référence est de polarité 15 opposée, sont appliquées aux bornes d'entrée 66 et 68. Une impédance de charge 70 est connectée aux bornes des conducteurs de sortie 46 et 48 comme représenté. On supposera que le signal de référence parcourt un demi-cycle positif. Dans ce cas, des impulsions correspondant à cel-20 les représentées sur la figure 3B, de polarités positives, sont appliquées à la borne d'entrée 64 tandis que des impulsions inversées de polarités négatives sont appliquées à la borne d'entrée 62. Les impulsions négatives transmises à la borne 62 sont appliquées à la base, d'un transistor 72 du .type ENP tan-25 dis que les impulsions positives appliquées à la borne 64 sont appliquées à la base d'un transistor 74 du type NEW. Dans les conditions qui viennent d'être indiquées, un courant circule depuis la borne positive d'alimentation 58 par le transistor 72 puis l'inductance 76 jusqu'à un côté de l'impédance de char-30 ge 70. L'autre côté de l'impédance de charge 70 est connecté par le conducteur 46; l'inductance 78 et le transistor"74 à la borne d'alimentation négative 60. Cette action continue aussi longtemps que les transistors restent conducteurs et, quand les transistors sont bloqués par 35 le front arrière de l'impulsion rectangulaire appliquée, l'énergie enregistrée dans les inductances 76 et 78 provoque encore la circulation d'un courant entre les bornes 58 et 60. Cependant, dans ce cas, le courant circule depuis la borne 60 dans 69 13645 -7- 2007588 la diode 82, l'inductance 76, l'impédance de charge 70, l'inductance 78 et la diode 80 jusqu'à la "borne d'alimentation positive 58. De cette fa^on, on voit qu'aucune énergie n'est dissipée aux "bornes des transistors 72 et 74. En d'autres termes 5 elle est emmagasinée dans les inductances 76 et 78 puis dissipée après que les transistors ont été "bloqués. En outre, l'amplitude instantanée du signal aux "bornes de l'impédance de charge 70 dépend de la durée pendant laquelle les transistors 72 et 74 restent conducteurs. En conséquence, quand la largeur 10 des impulsions du signal de la figure 3B augmente, l'amplitude du signal de sortie apparaissant aux bornes de l'impédance de cliarge 70 augmente également, et, de cette façon, le signal d'entrée d'origine est reconstruit. De même, quand des impulsions rectangulaires négatives 15 sont appliquées à la borne 66 et des impulsions positives à la borne 68 pendant le demi-cycle négatif du signal de référence, les impulsions négatives rendent le transistor 84 du type MP conducteur et les impulsions positives rendent le transistor 86 du type KEN" conducteur. Un courant circule maintenant depuis 20 la borne 58 dans le transistor 84, l'inductance 78, l'impédance de cliarge 70, l'inductance 76 et le transistor 86 jusqu'à la borne 60. Quand les transistors 8£ et 86 sont bloqués, l'énergie emmagasinée dans les inductances 76 et 78 provoque encore la circulation d'un courant dans un circuit partant de la bor-25 ne 58 et traversant la diode 88, l'inductance 76, l'impédance de cliarge 70, l'inductance 78 et la diode 90 jusqu'à la borne 60. Les condensateurs 92, 94, 96 et 98 agissent comme des dispositifs d'emmagasinage d'énergie dans ce circuit. Pendant la conduction des transistors 84 et 86, par exem-30 ple5 la tension aux bornes de l'inductance 78 est théoriquement égale à 18 volts pour une tension d'alimentation de puissance de 48 volts. De même, la tension aux bornes de l'inductance 76 est théoriquement égale à 18 volts. Une tension de 18 volts étant appliquée à l'inductance L pendant 12 1/2 micro-35 secondes, le courant dans cette in ductance augmente d'une quantité s microampères où L = henries. 69 13645 -8- 2007588 Pendant le blocage des transistors 84 et 86, la tension aux bornes de l'inductance 78 est théoriquement égale à -30 volts. De même, la tension aux "bornes de l'inductance 76 est égale à -30 volts. Quand une tension de -30 volts est appliquée 5 à l'inductance 1 pendant 7 microsecondes 1/2, le courant dans cette inductance, diminue d'une quantité. 30 volts x 7 1/2 x 10~5 225 * j- 1 sec = —jf- microampe- res Le courant variable dans l'inductance charge et décharge 10 les condensateurs d'amortissement 92, 94, 96 et 98. La valeur nominale des inductances 78 et 76 est de 0,0025 henrie pour chacune et la valeur nominale des condensateurs 92 à 98 est de 0,5 microfarads pour chacun. La charge élémentaire qui est alternativement ajoutée aux condensateurs et retranchée de ces 15 condensateurs est égale à 0,225 microcoulombs. En conséquence, la tension correspondante crête à crête sur le conducteur 46 est alors égale à 0,225 *J°-6 coulomb = 0)225 VQlt 1 x 10" farad Cependant, comme la tension de sortie est prise entre les 20 conducteurs 46 et 48, et comme le conducteur 48 reçoit une ondulation de tension correspondante crête à crête (déphasée de 180° par rapport à celle transmise sur le conducteur 46) de 0,225 volts, l'ondulation de sortie totale entre les conducteurs 46 et 48 est de 0,45 volts de crête à crête. La tension d'ondu-25 lation correspondante entre les conducteurs 46 et 48 est d'environ 0,16 volts. Ceci représente une dispersion d'environ 1,1/3 % sur une sortie à courant continu de 12 volts. En se référant maintenant à la figure 5» un type de modulateur en largeur d'impulsion pouvant être utilisé dans la présen-30 te invention a été représenté. Le signal triangulaire transmis sur le conducteur 20 en provenance du générateur 18 est appliqué à la borne d'entrée 92 tandis que le signal triangulaire transmis sur le conducteur 22 en provenance du générateur 18 est appliqué à la borne 94. Le signal de référence provenant du 35 circuit d'addition 14 est appliqué à la borne d'entrée 96. Finalement une source de potentiel de commande est appliquée entre les bornes d'entrée 98 et 100. 69 13645 -9- 2007588 Dans cet arrangement, le signal triangulaire sur la "borne 94 par exemple est appliqué à la base du transistor 102 tandis que le signal de référence est appliqué à la base du transistor 104. Les émetteurs des transistors 102 et 104 sont connec-5 tés par l'intermédiaire de la résistance 106 à la borne négative 100. Ainsi, ces transistors sont connectés l'un à l'autre avec un émetteur commun et ils travaillent ensemble comme un détecteur différentiel, les collecteurs de ces transistors étant 10 connectés par l'intermédiaire des résistances 108 et 110 à la borne positive 98. Les tensions de collecteurs des transistors 102 et 104 sont à leur tour transmises à un deuxième étage d'un détecteur différentiel comprenant les transistors 112 et 114 dont les 15 émetteurs sont connectés à la borne négative 100 par l'intermédiaire de la résistance 116. Le collecteur de transistor 112 est connecté directement à la borne positive 98 tandis que le collecteur de transistor 114 est connecté à la même borne positive 98 par l'intermédiaire de la résistance 116. 20 Avec la disposition représentée, un signal de sortie appa raissant aux bornes de la résistance 116 sera actif quand l'amplitude du signal de référence appliquée à la borne 96 dépasse celle du signal triangulaire appliqué à la borne 94. Donc, une série d'impulsions rectangulaires sont engendrées comme repré-25 senté par le signal de la figure 3B, en supposant que le signal de référence d'entrée soit un signal sinusoïdal. Evidemment, si le signal d'entrée est une tension continue, alors que les impulsions du signal de sortie ont une largeur constante, ainsi que le signal de sortie du circuit d'emmagasinage d'énergie 44. 30 Le circuit qui vient d'être décrit fonctionne de cette manière seulement quand le signal de référence est d'une certaine polarité. Quand ce signal de référence est de la polarité opposée, le signal appliqué à la borne d'entrée 92 commence à entrer en jeu et engendre un signal de sortie pulsatoire aux bornes de la 35 résistance 116', ce signal étant engendré par un détecteur différentiel dans lequel les éléments correspondants à ceux du détecteur inférieur sont identifiés par des numéros de référen 13645 10- 2007588 ce identiques mais munis de l'indice "primé". Bien que l'invention ait été décrite en se référant à un mode de réalisation caractéristique, il est clair que de nombreuses modifications peuvent lui être apportées sans sortir 5 du cadre de la présente invention. 69 1364S -11- 2007588 E_E_V_E_H_D_I_0_A_T_I_0_H_S 1.- Amplificateur comprenant un modulateur en largeur d'impulsion répondant à un signal d'entrée en engendrant un signal pulsatoire dans lequel la largeur des impulsions est pro-5 portionnelle à l'amplitude instantanée de ce signal d'entrée, des "bornes connectées à une source de potentiel, une cliarge électrique, un premier circuit comportant un commutateur, une inductance et une cliarge connectés en série entre les "bornes, les impulsions du signal pulsatoire étant appliquées à ce commu-10 tateur de façon à le fermer périodiquement, une partie 4e la tension entre lesdites bornes apparaissant aux bornes de l'inductance quand ledit commutateur est fermé, un deuxième circuit permettant de décharger l'énergie emmagasinée dans l'inductance dans la charge quand le commutateur est ouvert. 15 2.- Amplificateur selon revendication 1, dans lequel le commutateur comprend un transistor et dans lequel les impulsions sont appliquées à la base de ce transistor. 3«- Amplificateur selon revendication 2, dans lequel le deuxième circuit comporte une diode en shunt sur ledit transistor. 20 4.- Amplificateur selon revendication 3, dans lequel le transistor et l'inductance sont connectés en série entre une extrémité de la charge et une des bornes, un condensateur éteint connecté en shunt sur ce transistor et cette inductance. 5.- Amplificateur selon revendication 1, 2, 3 ou 4, renfer-25 mant un deuxième commutateur et une deuxième inductance en série avec la charge entre les bornes, dans lequel le générateur du signal pulsatoire engendre deux signaux de sortie de polarités opposées, le signal de sortie de l'une de ces polarités fermant périodiquement le premier commutateur et celui de polarité op-30 posée fermant périodiquement le deuxième commutateur. 6.- Amplificateur selon revendication 5» renfermant une deuxième diode en shunt sur le deuxième commutateur. 7«- Amplificateur selon revendication 5 ou 6, dans lequel le premier commutateur et la première inductance sont montées 35 en série entre une extrémité de la charge et une des bornes et dans lequel le deuxième commutateur et la deuxième inductance sont montés en série entre l'autre extrémité de la charge et l'autre borne. 69 13645 -12- 2007588 8.- Amplificateur selon; revendication 5> 6 ou 7» renfermant un premier condensateur monté en shunt sur le premier commutateur et la première inductance, et un deuxième condensateur monté en shunt sur le deuxième commutateur et la deuxième 5 inductance. 9.- Amplificateur selon revendication 8, comportant un troisième commutateur, line des inductances connectant une extrémité de la charge à une des bornes, un quatrième commutateur, une des inductances connectant l'autre extrémité de la charge à 10 l'autre borne, une troisième diode montée en shunt sur le troisième commutateur, une quatrième diode shuntant le quatrième commutateur, un troisième condensateur shuntant le troisième commutateur et une des inductances et un quatrième condensateur shuntant le quatrième commutateur et une des inductances, un 15 courant circulant dans la charge dans un sens quand les impulsions du signal pulsatoire ferment périodiquement le premier et le deuxième commutateur, et dans le sens opposé quand ces impulsions ferment périodiquement le troisième et le quatrième commutateur. 20 10.- Amplificateur selon revendication 9> dans lequel deux des commutateurs sont des transistors ENP et les deux autres des transistors OTN.