Brevet FR2012018A1 — publié le 19700313

' 1 2012018 - ' * ? r - • w' " "r La présente invention concerne un amplificateur à large bande particulièrement adapté à l'alimentation de charges capacitives. Dans certains cas, notamment déns un ensemble de dévia-5 tion de faisceau lumineux, une haute tension, par exemple de 10.000 voltSj doit être appliquée à-une charge capacitive. Le signal d'entrée peut varier en fréquence de 0 à 100 kHz bu plus. Four obtenir une sortie à haute tension, le signal d'entrée ou de commande peut être appliquée à un convertisseur continu-continu 10 dans lequel la tension de sortie voulue peut être obtenue par un choix judicieux du rapport de spires du transformateur faisant partie du convertisseur. Lorsque la sortie du convertisseur est appliquée à une charge capacitive, la tension de cette dernière suit la 15 sortie du convertisseur dans le sens de l'augmentation de tension. Cependant, dans le sens de la diminution de tension, la tension de la charge capacitive est en retard sur la tension qui lui est appliquée par le convertisseur et par conséquent la tension aux bornes de la charge ne suit plus la tension 20 initiale. Dans le cas de l'emploi de deux convertisseurs continu-continu, l'un alimentant la charge capacitive en tension dans un sens, l'autre alimentant en tension la charge capacitive dans le sens opposé, la connexion des deux convertisseurs à la 25 charge peut provoquer un court-circuit de ces derniers. La présente invention a pour objet un amplificateur de ce type à deux convertisseurs continu-continu éliminant les risques de court-circuit lorsqu'il est associé aux charges capacitives. 30 Selon une particularité.de 17invention, un amplifica teur comprend deux convertisseurs continu-continu dont chacun convertit le signal d'entrée en une tension supérieure, les deux convertisseurs étant disposés de manière que leurs sorties soient appliquées à la même borne cl'une charge, et un dispositif 35 permet d'éviter la mise en court-circuit des deux convertisseurs du fait de leur connexion à la charge. Les convertisseurs sont polarisés par une alimentation et peuvent être pilotés par le \ qrisinal 69 09924 2 2012018 signal d'entrée amplifié. Le dispositif évitant la mise en court-circuit des deux convertisseurs peut comporter un troisième convertisseur continu-continu. s. .... . . • — • - D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-5 tion seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui suit et de la figure unique annexée représentant un schéma électrique partiellement synoptique d'une forme de réalisation de l'invention.' Sur la figure unique, une alimentation 10 fournit 10 la puissance au système de l'invention qui comporte un amplificateur de signal de commutation représenté à l'intérieur d'un rectangle en traits discontinus 12. L'alimentation 10 alimente trois convertisseurs continu-continu sensiblement identiques, respectivement contenus dans les rectangles discontinus 14, 16 15 et 18. Un amplificateur de signal 20 permet de faire varier ou de moduler 18entrée et par conséquent la sortie des convertisseurs 14 et 18. Les sorties des convertisseurs 14 et 18 sont connectées à la même borne d'une charge capacitive 22 par 20 l'intermédiaire de liaiteurs 24 et 26. Un circuit de filtrage 28 est connecté entre les bornes de sortie du convertisseur 16. L'alimentation 10 peut être de type classique avec une borne de sortie 30 â la masse, une borne d'entrée positive 32 et une borne d'entrée négative. 34, les tensions des bornes posi-25 tiv® et négative 32 et' 34 étant de' préférence égales de part et' d'autre de le. borne à la osasse 30, et d1une amplitude appropriée. L®araplif icate-isr de signal de commutation 12 est connecté aux trois bornes 30, 32 et 34 de l'alimentation 10. Un fusible 36 pouvait être incorporé dans l'amplificateur 12 est 30 connecté entre la "borne 32 et 1 'émetteur d'un transistor PNP 38. Une résistance 4-0 est connectée "d'une part, entre, le fusible-36 et l'émetteur du transistor 38 et, d'autre part," entre îà base du transistor 38 et le collecteur "d'un transistor NPN 42. L'épatteuF du transistor 42 est relié au collecteur 35 du transistor 38 à travers un© résistance 44. Deux résistances 46 et 48,dont la jonction est à la Hi&sste, relient l'émetteur du transistor 42 à sa base. De aêsie la "borne 34 de la source ©AD Ûfti&ifiÀL 69 09924 3 2012018 d'alimentation 10 est reliée à travers un fusible 50 à l'émetteur d'un transistor NPN 52, dont la base et l'émetteur sont reliés par une résistance 54. La base du transistor 52 est reliée au collecteur d'un transistor PNP 56 dont l'émetteur est connecté 5 à l'émetteur du transistor 42 et dont la base est connectés à la base du transistor 42. Une forme d'onde rectangulaire est appliquée à la borne 58 qui est reliée aux bases des transistors'42 et 56 à,, travers un condensateur 60 et une résistance 62 en série. La 10 sortie de l'amplificateur 12 est prise sur les collecteurs des transistors 38 et 52 par une résistance 64, un fusible 66" et le primaire d'un transformateur de signal de commutation 68, connectés en série avec la masse. Le transformateur de signal de commutation 68 comporte 15 6 secondaires, 70, 72, 74, 76, 78 et 80. L'amplificateur 12 applique une forme d'onde rectangulaire, similaire à celle appliquée à sa borne d'entrée 58, aux appareils (dans ce cas les convertisseurs continu-continu 14, 16 et 18) auxquels sont connectés les secondaires 70, 72, 74, 76, 78 et 80 du transfor-20 mateur. L'ensemble du système décrit ci-après est protégé par les fusibles 36 et 50 qui, comme on le verra par la suite, commandent toute l'alimentation du système. Les résistances 44 et 46 assurent la contre-réaction dè l'amplificateur 12 de ma-25 nière que la forme d'onde de sortie soit une réplique précisé de la forme d'onde d'entrée. La connexion des transistors 38 et 42 d'une part et des transistors 52 et 56 d'autre part, permet de réduire le courant d'attaque que doit fournir la source de signal de com-30 mutation. Le transformateur 68 fournit à partir d'une même source de signal les différents signaux de commutation nécessaires avec l'isolation voulue. Les trois convertisseurs continu-continu 14, 16 et 18 sont sensiblement identiques et seul le convertisseur 14 35 sera décrit ci-après étant entendu que les mêmes références s'appliquent aux trois convertisseurs. \ 69 09924 4 2012018 Le convertisseur continu-continu 14 comporte une borne d'entrée positive de polarisation 8l connectéeauscollecteurs de deux transistors NPN 82 et 84. La base du transistor 84 est reliée à son propre émetteur par une résistance 86 et également 5 à l'émetteur du transistor 82. La base du transistor 82 est reliée à une borne d'entrée de signal de commutation 90 par une résistance 88. L'anode et la cathode d'une diode de protection 89 sont respectivement connectées à l'émetteur et au collecteur du transistor 84. La 10 diode 89 permet d'éviter que le potentiel d'émetteur du transistor 84 devienne notablement positif par rapport à son potentiel de collecteur. L'émetteur du transistor 84 est connecté à une autre borne d'entrée de signal de commutation 92 et également à l'une 15 des extrémité du primaire d'un traasformateur.de sortie 94. La prise centrale du primaire du transformateur 94.est connectée à une borne d'entrée de polarisation négative 96 à travers une résistance 98 shuntée par un condensateur 100» La résistance 98 et le condensateur 100 permettent l'amortissement du conver-20 tisseur 14 aux fréquences critiques pour éviter une oscillation parasite. L'autre extrémité du primaire du transformateur de sortie 94 est connecté à une autre borne d'entrée de commutation 102, un émetteur d'un transistor NPN 104 et à l'anode d'une 25 diode de protection 106. La diode 106 empêche que le potentiel d'émetteur du transistor 104 devienne notablement plus positif que son potentiel de collecteur. La base du transistor 104 est reliée à son propre émetteur par une résistance 108 et également à 1'émetteur d'un transistor NPN 110. 30 Les collecteurs des transistors 104 et 110 et la cathode de la diode 106 sont interconnectés et reliés à la borne d'entrée de polarisation positive 8l. La base du transistor 110 est reliée par une résistance 112 à une autre borne d'entrée de commutation 114. 35 Le secondaire du transformateur 94 est connecté entre les bornes d'entrée d'un pont redresseur 116. La borne de sortie négative I-18 et la borne de sortie positive 120 du convertisseur 69 09924 5 2012018 continu-continu 14 sont respectivement reliées aux bornes négative et positive du pont 116. Les convertisseurs continu-continu 16 et 18 sont sensiblement identiques au convertisseur 14. La priée centrale 5 du secondaire du transformateur de sortie 94 du convertisseur 16 est à la masse, alors que les prises centrales des secondaires des transformateurs de sortie des convertisseurs 14 et 18, si elles existent, sont inutilisées. La borne positive 32 de la source d'alimentation 10 10 est reliée à la borne de polarisation positive 81 du convertisseur 14 par Intermédiaire du fusible 36. La borne négative" 34 de l'âli-mentation 10 est reliée à la borne de polarisation négative 96 du convertisseur 18 par 1'intermédiaire du fusible 50 = La borne de polarisation négative 96 du convertisseur 14 est" reliée à la 15 borne de polarisation positive 8l du convertisseur-18 dé sorte que les convertisseurs 14 et 18 sont polarisés en série par l'alimentation 10. La borne de polarisation positive 8l du convertisseur 16 est reliée par l'intermédiaire du fusible 36,à la borne posi-20 tive 32 de l'alimentation 10 et la borne dé polarisation négative 96 du convertisseur 16 est reliée par l'intermédiaire du fusible 50 à la borne négative 34- de l'alimentation 10, grâce à quoi, comme on le verra par la suite, le convertisseur 16 sert de source de polarisation à haute tension.'La disposition des fusibles 36 25 et 50 permet de protéger totalement le système décrit * - La borne de sortis positive 120 du convertisseur 14 est reliée à la borne de sortie positive 120 du convertisseur 16 et la borne de sortie négative 118 du convertisseur 16 est reliée à la borne de sortie négative 118 du convertisseur 18. De plus, 30 le filtre 28 qui comprend deux résistances en série 122 et 124, la résistance 124 étant shuntée par un condensateur 126, et connectée entre les-bornes de sortie 118 et 120 du convertisseur 16.• - .• • Le secondaire J0 du transformateur .de signal- de 35- commutation est connecté entre les bornes, d'entrée de commutation 90: et 92 alors que le secondaire 72 de. ee même traasformateur BAD ORIGINAL 69 ^ /r» « U V 7 Z H 6 2012018 est connecté entre les bornes d'entrée de commutation 102 et 114 du convertisseur 14 afin d'appliquer des formes d'ondes rectangulaires déphasées aux transistors 82 et 110. Le courant passe donc par la borne 8l et circule alternativement dans les deux 5 moitiés du primaire du transformateur de sortie 94 pour revenir par la borne 96 du convertisseur 14. La tension induite dans le secondaire du transformateur de sortie 94 dépend du rapport de spires du transformateur et de la tension appliquée aux bornes 8l et 96. Le courant 10 alternatif circulant dans le secondaire du transformateur de sortie 94 est redressé par le pont 116 et une tension constante apparaît entre les bornes 120 et 118 du convertisseur 14. Cette constante est déterminée par le produit du rapport de spires du transformateur de sortie 94 et de la différence de potentiel 15 entre les bornes 8l et 96» De même, le secondaire 74 du transformateur de signal de commutation est connecté aux bornes de commutation 90 et 92 et le secondaire 76 est connecté aux bornes de commutation 102 et 114 du convertisseur 16. De plus, le secondaire 20 78 du transformateur de signal de commutation est connecté aux bornes de commutation 90 et 92 et le secondaire 80 du même transformateur est connecté aux bornes de commutation 102 et 114 du convertisseur 18. L'araplific&teur de signal 20 peut être d'un type 25 classique quelconque capable d1amplifier sans distorsion excessive sur une bande passante allant par exemple de 0 à 100 kHz avec \me puissance de sortie suffisante pour alimenter la charge qui lui est connectés/par exemple environ 75 watts sous une tension adéquate,, La bande de .sortie de l'amplificateur 20 est 30 connectée à la jonction de la borne de polarisation négative 96 du convertisseur 14 et de la borne de polarisation positive "8l du convertisseur 1.3 „ La fcor-0/s âe sortis négative 118 du convertisseur 14 sst reliée par le liœiteur de courant 24 à l'une" des bornes'de 35 la. charge 22 qui, dans 1s Illustré, est capacitive, ta. borne ob sortis positive. XK0 du soïrrer'cisfeuy Ï8 est reliée à travers le limiteur 26 à la aiâme .bor-ne de Itx charge 22 que la borne de 5BAD ORîgin^ 69 G9924 i 2012018 sortie négative du convertisseur 14. Comme illustré, les limi-teurs 24 et 26 peuvent être dans certains cas de simples résistances. Pour décrire le fonctionnement de 1 *amplificateur 5 de la présente invention, on supposera tout d'abord que le convertisseur 16 n'existe pas et que la borne de sortie positive 120 du convertisseur 14 est reliée à la masse, de même que la borne de sortie négative 118 du convertisseur iS.Dans ce cas, les deux convertisseurs 14 et 18 sont momentanément 10 court-circuités et le courant excessif qui les traverse risque de les mettre hors d'usage. On voit donc qu'en connectant simplement les deux convertisseurs 14 et 18 à la charge, l'un amplifiant la tension appliquée à la charge 22 dans le sens de la montée et l'autre dans le sens de la descente, on 15 n'obtient pas le résultat recherché. Par contre, dans le circuit illustré, la tension continue, positive, fixe apparaissant à la borne de sortie 120 du convertisseur 16 est appliquée à la borne de sortie positive 120 du convertisseur 14 et la tension continue négative fixe 20 apparaissant à la borne 118 du convertisseur 16 est appliquée à la borne de sortie négative 118 du convertisseur 18, évitant un court-circuit entre les sorties des convertisseurs 14 et 18 qui peuvent alors alimenter la charge 22 de la manière voulue. Par exemple, chaque convertisseur peut être 25 conçu pour fournir 10.000 volts continusentre ses bornes de sortie lorsqu'une tension de 40 volts continus est appliquée à ses bornes d'entrée, et 5000 volts continus en sortie pour 20 volts continusen entrée. L'alimentation 10 fournissant +20 volts continus à la borne 32 et -20 volts continus à la borne 34, une 350 différence de potentiel de 40 volts existe entre les bornes d'entrée 8l et 96 du convertisseur 16. La tension de sortie entre les bornes 120 et 118 du convertisseur 16 est donc de 10.000 volts continus, c'est-à-dire que la borne 120 est à + 5.000 volts et la borne 11.8 à -5.000 volts. 35 En l'absence de signal d'entrée appliqué à l'am plificateur 20, la borne de sortie du signal 11 de ce dernier est au potentiel de la masse, de sorte qu'une différence de \ 69 09924 8 2012018 potentiel de 20 volts apparaît entre les bornes d'entrée 8l et 96 de chacun des convertisseurs 14 et 18. La tension engendrée entre les bornes de sortie 120 et 118 de chacun de ces convertisseurs est donc de 5.000 volts continus. 5 Les différents ponts redresseurs 116 étant polarisés comme indiqué sur la figure, la borne 118 du convertisseur 14 et la borne 120 du convertisseur 18 sont donc maintenu au potentiel de la masse en l'absence d'un signal d'entrée sur l'amplificateur 20. 10 De même, le signal d'entrée de l'amplificateur 20 étant maximal dans un sens, un potentiel de + 20 volts apparaît à la borne de sortie de signal 11, produisant une différence de potentiel nulle entre les bornes d'entrée 8l et 96 du convertisseur 14 et une différence de potentiel de 40 volts continus 15 entre les bornes d'entrée 8l et 96 du convertisseur 18. Une différence dé potentiel nulle apparaît donc entre les bornes de sortie 118 et 120 du convertisseur 14 alors que la différence de potentiel entre.les bornes 118 et 120 du convertisseur 18 est de 10.000 volts. La borne 118 du convertisseur 14 est donc portée à un potentiel de +5.000 volts de même que la borne 120 du convertisseur 18, ces deux potentiels étant mesurés par rapport à la masse. De même, le signal d'entrée appliqué à l'amplificateur 20 étant maximal dans l'autre sens, la bande de sortie 11 est porté à un potentiel de -20 volts continus, entraînant une différence de potentiel de 40 volts entre les bornes d'entrée 8l et 96 du convertisseur 14 et une différence de potentiel nulle entre les bornes d'entrée 8l et 96 du convertisseur 18. Une tension de 10.000 volts continus apparaît donc entre les bornes 118 et 120 du convertisseur 14 alors que la tension est nulle entre les bornes 118 et 120 du convertisseur 18. La borne de sortie 118 du convertisseur 14 et la borne de sortie 120 du convertisseur 18 sont donc toutes deux portées à un potentiel de -5.OOO volts par rapport à la masse. Comme on-l'a vu ci-dessus, le rôle du convertisseur 16 est de fournir une source de tensions stables positive et négative présentant la même amplitude (par rapport à la masse) 69 09924 9 2012018 que celle apparaissant entre les bornes dé sortie des convertisseurs 14 et 18 lorsque la Jonction de la borne de polarisation négative 96 du convertisseur 14 et de la borne de polarisation positive 8l du convertisseur l8'est au potentiel de lamasse. 5 Le filtre 28 permet la charge et la décharge•de la charge d'utilisation pour les deux polarités. Il est possible de remplacer lé convertisseur 16 par une autre alimentation fournissant la tension et la puissance voulues sans affecter matériellement le fonctionnement du système. 10 L'emploi du convertisseur 16 présente cependant l'avantage d'économiser un# source séparée de haute tension dont la réalisation est coûteuse. En outre, la tension de sortie du convertisseur 16 suit la somme des tensions de sortie des convertisseurs 14 et 18 lorsque la tension de lfalimentation 10 varie, 15 ce qui permet de réduire le travail des limiteurs de courant au changement de tension de l'alimentation. Les limiteurs 24 et 26 permettent de limiter toutes circulations de courant résultant d'une amplification inégale des convertisseurs 14, 16 et 18. Les tensions de sortie des convertisseurs 14 et 18 20 varient en sens inverse du fait de ia connexion dé la sortie de l'amplificateur 20 à la jonction de la borne d'entrée de polarisation négative 96 du convertisseur 14 et de la borne d'entrée de polarisation positive 81 du convertisseur 18. C'est-à-dire que lorsque la tension de sortie de l'amplificateur 20 croît 25 ou devient plus positive, la tension appliquée aux bornes d'entrée 8l et 96 âu convertisseur 14 décroît et la tension appliquée aux bornes d'entrée 8l et 96 du convertisseur 18 croît, de manière que la variation de tension ainsi obtenue soit multipliée par la constante (mentionnée précédemment) des 30 convertisseurs 14 et 18 afin de transformer le signal à faible puissance appliqué à l'entrée de l'amplificateur 20, sous forme d'un signal à haute puissance appliqué à la charge d'utilisation sous une tension différente. Les composants de fréquence du signal d'entrée à faible puissance et à basse tension appliqués 35 à l'amplificateur 20 apparaissent donc à une tension beaucoup plus élevée avec la même amplitude relative à la sortie' des convertisseurs 14 et 18 pour être appliqués à la charge 22. Il va de soi que 1'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou applications sans sortie de son cadre. ■ ** ^RIGINAI? 69 09924 10 2012018 REVENDICATIONS 1 - Dispositif permettant d'appliquer un signal à une charge,caractérisé en ce qu'il comporte une paire de 5 convertisseurs continu-continu présentant chacun des bornes d'entrée de polarisation positive et négative et des bornes de sortie positive et négative, un dispositif reliant la borne positive d'une source de tension à la borne d'entrée de polarisation positive de l'un desdits convertisseurs, un dispositif 10 reliant la borne négative d'une source de tension à la borne d'entrée de polarisation négative de 1'autre convertisseur, un dispositif reliant entre elles les autres bornes d'entrée de polarisation et en circuit avec ladite source de tension, un dispositif réunissant la borne de sortie positive de l'un des 15 convertisseurs et la borne de sortie négative de l'autre convertisseur à la même borne d'une charge et enfin un dispositif capable d'appliquer une tension de polarisation négative à la borne de sortie négative dudit premier convertisseur et d'appliquer une tension de polarisation positive à l'autre borne 20 de sortie positive dudit second convertisseur, les tensions de polarisation étant mesurées par rapport à un point au potentiel de référence qui est connecté à l'autre borne de la charge. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dernier dispositif mentionné est un troisième 25 convertisseur continu-continu dont les bornes d'entrée sont - reliées à cel3.es de la source de tension. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un signal est appliqué à la Jonction entre la borne positive d'entrée du second convertisseur et la borne 30 négative d'entrée du premier convertisseur. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que, lorsque ledit signal est à sa valeur de repos, la différence de potentiel entre les bornes de sortie de chaque convertisseur égale à la tension de polarisation appliquée 35 à leurs autres bornes de rùaniër-e que leurs bornes connectées à la charge soient'portées audit potentiel de référence. BAD ORlQjNAl 69 09924 ii 2012018 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tensions de polarisation et les tensions entre les bornes de sortie de la paire de convertisseurs sont maintenues à des valeurs telles 5 que pratiquement aucun courant ne circule entre les bornes de sortie de la paire de convertisseurs qui sont connectées à la charge. 6 - Amplificateur caractérisé en ce qu'il comporte deux convertisseurs continu-continu dont chacun convertit un 10 signal d'entrée en un signal à haute tension, les convertisseurs étant disposés de manière que leur sortie soit appliquée à la même borne d'une charge et un circuit de potentiel de polarisation évitant la mise en court-circuit des deux convertisseurs du fait de leur connexion commune à la charge.