Brevet FR2013160A1 — publié le 19700327

-i- 2013160 10 15 20 25 30 35 40 la présente invention concerne un convertisseur tension - req?ectivement courant - fréquence comprenant un amplificateur opérationnel dont l'entrée est couplée à la sortie par un condensateur et auquel on applique une impulsion de charge constante fournie par un générateur de courant au déclenchement d'un commutateur à seuil branché en aval de l'amplificateur opérationnel. On connaît de nombreuses façons de transformer une tension électrique ou un courant électrique ou une fréquence proportionnelle. Des solutions électroniques connues fonctionnent généralement suivant le principe de la charge d'un condensateur par un courant continu proportionnel à la valeur de mesure. A cet effet il est connu de décharger brièvement le condensateur lors du dépassement d'une valeur de seuil, ce qui peut être réalisé avec un montage relativement simple, la précision de ces convertisseurs est cependant limitée à cause de la durée finie de la décharge. Il est connu, en outre de compenser la charge du condensateur, lors du dépassement d'une valeur de seuil, avec des impulsions d« charge constante; à cet effet, on a utilisé jusqu'à présent un générateur de charge constitué par un générateur de courant et un multivibrateur astable, les limites de la précision de assure que l'on peut obtenir sont alors déterminées principalement par les cellules RC du multivibrateur astable, déterminant les durées. Même les cellules R0 les meilleurs du marché présentent pour de nombreuses utilisations une stabilité insuffisante sur de longues durées et sont coûteuses.. les inconvénients des dispositifs connus sont éliminés selon l'invention par le fait que le générateur de courant est connecté chaque fois à l'entrée de l'amplificateur opérationnel pendant la durée de période d'une suite d'impulsions délivrée par un générateur d'impulsions, période suivant le déclenchement du commutateur à seuil. Grâce à ce montage, on obtient une précision de mesure optimale avec les moyens les plus économiques. On peut réaliser des générateurs d'impulsions pour délivrer une suite d'impulsions avec une fréquence extrêmement constante de façon simple, particulièrement en élaborant la fréquence du gé 09297 -2- 2013160 nérateur d'impulsions à partir de la fréquence de la tension d'un réseau de distribution d'énergie électrique. D'autres particularités'ressortiront des exemples de réalisation décrits ci-après à l'aide des dessins 5 annexés sur lesquels : - la figure I représente un circuit de principe d'un convertisseur tension -fréquence; et - la figure 2 représente un circuit de principe d'un générateur d'impulsions. 10 Sur la figure I, une tension de mesure Uj est appliquée, à travers une résistance I, à l'entrée 2 d'un amplificateur opérationnel 3 dont la sortie 4 est reliée d'une part à l'entrée 2 à travers un condensateur 5 et d'autre part à l'entrée 6 d'un commutateur à seuil 7. Une ligne de masse 8 15 de l'amplificateur opérationnel 3 est mise au potentiel nul. Une sortie 9 du commutateur à seuil 7 est reliée à une entrée de préparation 10 d'une bascule bistâblè II dont la sortie 12 forme la sortie du montage. Une entrée de commutation 13 de la . bascule bistable II est reliée à une borne 14 d'un générateur 20 d'impulsions 15 dont la borne 16 se trouve au potentiel zéro, le générateur d'impulsions 15 fournit une suite d'impulsions avec une période de durée T0. Un générateur de courant 17 est constitué par exemple essentiellement par un circuit série formé par une dio-25 de Zéner de référence et une diode 19, ce circuit étant raccordé d'une part au potentiel zéro, d'autre part à une tension Ug par l'intermédiaire d'une résistance 20 et à une borne de sortie 22 par l'intermédiaire d'une autre résistance 21. la sortie 22 du générateur de courant 17 est 30 reliée au collecteur d'un transistor de commutation 23 dont l'émetteur est au potentiel zéro et dont la base est "reliée à la sortie 12 de la bascule bistable II. la borne de sortie 22 est connectée en outre à l'entrée 2 de l'amplificateur opérationnel 3 à travers une diode 23. la variation de la ten-35 sion directe de la diode 24 en fonction de la température est compensée par la diode 19. le convertisseur tension -fréquence fonctionne comme suit : dans la résistance I passe un courant 1^ proportionnel à la tension de mesure Uj, qui charge le con-40 densateur 5. la tension Ug à la sortie 4 de l'amplificateur 69 09297 -3- 2013160 opérationnel 3 croît positivement de façon linéaire. Pour de faibles valeurs de la tension Ug, le commutateur à seuil 7 se trouve uans l'état non excité et il existe un signal blocage sur l'entrée de préparation 10, qui empêche la bascule 5 bistable II d'être sensible aux impulsions dâL ivrées par le générateur d'impulsions 15. La bascule bistable II fournit au transistor de commutation un courant de base, ce qui sature le transistor 23 et "by-passe" le courant constant IQ du générateur de courant 17 vers le potentiel zéro. La diode 24 est 10 bloquée. Dès que la tension Ug dépasse la valeur de seuil du commutateur à seuil 7, ce dernier répond et la bascule bistable est libérée. A l'impulsion suivante qui apparaît sur l'entrée 13, la bascule bistable II bascule, le transistor de 15 commutation 23 se bloque et le courant IQ traverse la diode 24 vers l'entrée 2, ce qui décharge le condensateur 5. A l'impulsion suivante délivrée par le générateur d'impulsions 15, la bascule bistable II revient dans l'état initial du fait que le commutateur à seuil 7 a également rebasculé entre temps à la 20 suite de la décharge du condensateur 5. I>e transistor 23 redevient conducteur et le processus recommence à nouveau. Le générateur de courant 17 est ainsi branché chaque fois à l'entrée 2 de l'amplificateur opérationnel 3 au cours de la durée de période prochaine TQ suivant le déclen-25 chement ou l'amorçage du commutateur à seuil 7. Si on néglige d'abord le fait que les impulsions fournies à l'entrée 2 sont retardées d'une valeur fluctuant statistiquement entre les limites zéro et T0, par rapport à l'instant de réponse du commutateur à seuil 7, on a la relation connue pour la fréquence de 30 sortie f de la tension en dents de scie Ug. UI _ XI X — __ _ — 9 R. I . T ITn OO 0 0 où R désigne la valeur de la résistance I. 35 En raison du retard oscillant statistiquement des impulsions appliquées à l'entrée 2, la fréquence f fluctue autour d'une valeur moyenne constante, à grandeur de mesure Uj constante. Ces oscillations sont d'autant plus faibles que la condition est mieux remplie, T = I désignant la durée de o f 09297 -4- 2013160 période des impulsions de sortie du convertisseur tension-fréquence. Si la fréquence de sortie f doit être mesurée directement pendant un instant relativement court, il faut 5 que la condition T»T0 soit bien remplie. Dans la plupart des cas d'application, on n'exploite cependant que la valeur moyenne de la fréquence de sortie f, obtenue sur une grande période. C'est le cas par exemple pour la mesure électronique de l'énergie électrique, où la fréquence de sortie f est proportionnelle 10 à la puissance électrique consommée et l'énergie est obtenue par comptage des impulsions de sortie du convertisseur tension-fréquence. Dans de tels systèmes, on peut négliger les fluctuations statistiques de la fréquence de sortie f avec une précision suffisante, de sorte'que seule la condition 15 m _ï_ 0 Pour la durée de la période TQ, on tend avan-20 tageusement vers de grandes valeurs, car cela permet d'atteindre de petites valeurs pour IQ et d'autoriser une faible largeur de bande de l'amplificateur opérationnel 3. On a constaté qu'il existe des conditions optimales quand la fréquence des impulsions fournie par le générateur d'impulsions 15 est inférieure 25 au décuple de la fréquence maximale de sortie du convertisseur tension - fréquence. Les entrées préparatoires de bascules bistables connues possèdent en général des propriétés de seuil quand la valeur de seuil d'une telle bascule est suffisamment stable, 30 il est possible de supprimer le commutateur à seuil 7. Pour la bascule bistable II, le circuit connu en technique numérique sous le nom de "flip-flop" du type D" s'est révélé comme le plus adéquat. Une telle bascule possède outre l'entrée de déclenchement une entrée dite "entrée Dw. pour 35 une impulsion appliquée à l'entrée de déclenchement, la basucle emmagasine le signal logique apparaissant à l'entrée D. L'utilisation d'une telle bascule bistable dans le convertisseur tension - fréquence - l'entrée D sert d'entrée de préparation 10 - présente l'avantage que la bascule repiœnd l'état logique 40 exact après une fausse commutation due à une impulsion parasite, 69 09297 -5 - 2013160 dès que l'impulsion suivante appliquée par le générateur d'impulsions 15 sur l'entrée de déclenchement arrive. Comme générateur d'impulsions 15 on peut utiliser avantageusement un oscillateur stabilisé, au quartz, ce 5 qui permet d'obtenir une constance de la durée de période I avec des moyens simples. Un autre mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention consiste à déduire la fréquence du générateur d'impulsions de la fréquence du réseau d'Alimentation. On sait 10 que les centrales électriques de pays entiers ou de continents sont connectés entre elles. La fréquence du réseau subit certes de brèves fluctuations statistiques même en interconnection, mais moyennés sur une longue période elle est cependant très stable. Des mesures ont donné par exemple un écart moyen par 15 rapport à la valeur théorique de 0,1 pour mille. La fréquence du réseau peut donc être considérée comme un diapason suffisamment normal. Sur la figure 2, on a représenté un schéma de principe d'un générateur d'impulsions dont la fréquence est 20 élaborée à partir de la fréquence d'un réseau de distribution d'énergie 25. La fréquence du réseau est extraite du réseau électrique'25 par un filtre passe-bas 26 qui sert de protection contre les parasites et pour éliminer les harmoniques, et appliquée à un étage de mise en forme des impulsions 27, qui 25 transforme la tension sinusoïdale d'entrée en impulsions. A cet effet, on peut utiliser £ar exemple un trigger (déclencheur) de Schmitt. Pour doubler la fréquence des impulsions, on peut insérer en amont de l'étage de mise en forme 27 un redresseur double alternance. 30 La tension UB alimente un multivibrateur as table 36 comprenant essentiellement les transistors 28 et 29, les résistances de colleoteur 30 et 31» les condensateurs de couplage 32 et 33 et les résistances de base 34 et 35. Le circuit base - émetteur du transistor 28 est raccordé à la sortie 35 de l'étage de mise en forme 27 par l'intermédiaire d'une diode 37. Le collecteur du transistor 29 forme la borne du générateur d'impulsions 15, désignée par 14 sur la figure I, et l'émetteur la borne 16. On suppose maintenant par exemple que la fré-40 quence du réseau est de 50 Hz et que la période désirée 69 09297 -6- 2013160 Tq vaut 2 millisecondes respectivement la fréquence du générateur d'impulsions 500 Hz. Les éléments déterminant les durées 32 à 35 sont dimensionnées pour que le multivibrateur astable 36 oscille un peu lentement qu'avec 500 Hz. Après chaque di-5 xième oscillation, le transistor 28 est bloqué par l'intermédiaire de la diode 37, avant qu'il ne se bloquerait suivant la loi interne du circuit. Chaque dixième période est donc un peu plus brève que les autres; la durée de période moyenne TQ vaut cependant exactement 2 millisecondes en raison de la syn-10 chronisation avec la fréquence du réseau. Il est évident que l'on peut utiliser aussi un oscillateur synchronisé avec le réseau d'un autre type. Un multivibrateur astable présente cependant l'avantage d'une grande simplicité et peut être raccordé directement à l'entrée 15 de déclenchement 13 (figure I) du fait qu'il fournit des signaux rectangulaires avec un contenu d'énergie relativement grand. Les impulsions fournies par l'étage de mise en forme 27 peuvent être utilisées directement pour la eommu-20 tation de la bascule bistable II, quand la fréquence maximale de sortie du convertisseur tension - fréquence est inférieure à la fréquence du réseau. 69 09297 -7- 2013160 REVENDICATIONS 1°) - Convertisseur tension - (respectivement courant) fréquence, comprenant un amplificateur opérationnel dont l'entrée est couplée à la sortie par un condensateur et auquel on applique une impulsion de charge constante fournie par un générateur de courant au déclenchement d'un commutateur à seuil branché en aval de l'amplificateur opérationnel caractérisé en ce que le générateur de courant est branché chaque fois à l'entrée de l'amplificateur opérationnel pendant la période suivante, après le déclenchement du commutateur à seuil d'une suite d'impulsions fournie par un générateur d'impulsions . 2°) - Convertisseur selon la revendication I, caractérisé en ce que le générateur d'impulsion est relié à l'entrée d'une bascule bistable commandant le générateur de courant, et une entrée de préparation de ladite bascule est reliée directement ou par un commutateur à seuil à la sortie de l'amplificateur opérationnel. 3°) - Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bascule bistable est un flip-flop dii type D. 4°) - Convertisseur selon la revendication I, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions est un oscillateur stabilisé par un quartz. ^ 5°) - Convertisseur selon la revendication I, caractérisé en ce que la fréquence du générateur d'impulsions est déduite de la fréquence de la tension d'un réseau "de distribution d'énergie. 6°) - Convertisseur selon la revendication 5» caractérisé en ce que le générateur d'impulsions est constitué par un étage de mise en forme d'impulsions, commandé par la tension du réseau. 7°) - Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions est un oscil-^ lateur synchronisé avec la tension du réseau. 8°) - Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'oscillateur est un multivibrateur astable . 9°) - Convertisseur selon la revendication 7 20 30 69 09297 -8- 2013160 ou 8, caractérisé en ce qu'un étage de mise en forme des impulsions est branché en aval de l'oscillateur. 10°) - Convertisseur selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la tension du réseau est 5 extraite du réseau de distribution d'énergie par un filtre passe-bas. II0) - Convertisseur selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la fréquence de la tension du réseau est doublée à l'aide d'un redresseur. 10 12°) - Convertisseur selon la revendication I, ou une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions fournie par le générateur d'impulsions est inférieure au décuple de la valeur de la fréquence maximale de sortie du convertisseur.