Brevet FR2019269A1 — publié le 19700703

La présente invention concerne les circuits électroniques sus ceptibles d'erre mis en oeuvre dans des systèmes de régulation. Dans tout système de régulation il s'agit de maintenir un paramè tre donné à une valeur aussi proche que possible d'une valeur don née dite valeur de consigne. La difficulté rencontrée dans la réa lisation de systèmes de régulation réside le plus souvent dans l'inertie de l'appareil à réguler. Dans le cas d'un four par exem ple, un appareil de régulation sert à ajuster la valeur du courant passant dans la résistance de chauffage de manière à compenser toute perte normale ou accidentelle de calorie mais aussi de ma nière que la température du four reste aussi proche que possible d'une température de consigne Tc, 5000C par exemple. On peut utiliser un système de régulation tel que l'alimenta tion de la résistance de chauffage soit coupée si la température T T du four est supérieure à la température de consigne T c et bran- chée si T Si la température du four est inférieure à 50000, la résistance de puissance est alimentée et sa température doit 4tre supérieure à celle du four car l'écoulement de calories ne peut steffectuer de la résistance au four que s'il existe une différence de poten tiel thermique entre les deux éléments.Par conséquent, lorsque le four atteint la température de consigne (50000), la résistance au moment de la coupure du courant, est encore à une température supérieure à 5000C, par exemple 6000C, Le courant électrique est coupé par l'intermédiaire d'un régulateur, mais l'échange thermi que entre la résistance et le four continue quelques instants, la température du four augmentant, celle de la résistance baissant et ce jusqu'à ltégalité de ces deux valeurs. Dans l'autre sens, lorsque le four atteint par derive négative la température de consigne, la résistance se remet sous tension grtce au régulateur. Rois, le four continue à se refroidir par échange extérieur de calories, jusqutà ce que la résistance qui était à 5000C (mime valeur que le four) atteigne une température suffisante pour compenser les pertes. La courbe de variation de la température en fonction du temps prend alors un aspect sinusoldal dont l'amplitude dépend de la capacité calorifique des éléments du four et dont la fréquence dé pend de la constante thermique de ce four. Pour diminuer l'amplitude des oscillations- c'est-à-dire ltécart moyen de la température par rapport à la température de consigne on a recours en pratique à des systèmes de régulation qui tienent compte de deux valeurs de consigne auxiliaires TA et TB de part et d'autre de la valeur de consigne principale T c Le système de régulation comporte-alors une bascule bistable qui a pour rôle de bloquer l'alimentation de la résistance chauffante lorsque la température du four passe par la valeur de consigne supérieure TB par valeurs inférieures et branche le chauffage lorsque la température du four passe par la valeur de consigne inférieure Th par valeurs supérieures. Lorsque la température du four est comprise entre les valeurs TA et TB, la bascule utilisée étant une bascule bistable, se trouve dans l'un ou l'autre de ses états possibles et suivant le cas, la résistance chauffe ou non, que la température soit près ou non de la température de consigne Tc. Dans ce cas donc l'écart de la température du four par rapport à la-température de consigne dépend non seulement du four (capacité calorifique, inertie) mais aussi des paramètres du système de régulation (différence entre les valeurs TA et TB).On a proposé d'améliorer encore la régulation en inversant la valeur des points-de consigne auxiliaires TA et TB, TA devenant - TB, et en modulant la valeur du courant d'alimentation de la résistance de chauffage lorsque la température T du four est comprise entre les valeurs Th et TB, le taux de modulation étant, dans l'intervalle TATA, fonction de l'écart entre T et Tc. La présente invention a pour objet un circuit de régulation capable de maintenir un paramètre déterminé aussi près que possible d'une valeur de consigne donnée, la courbe de variation de la valeur de ce paramètre présentant des ondulations de faible amplitude et de faible fréquence. Le circuit selon la présente- invention est remarquable notamment par le fait qu'il comporte au moins un amplificateur opérationnel muni d'un circuit de réaction à coefficient de valeur et de signe variables, déterminant des caractéristiques de fonctionnement d'une bascule ou d'un amplificateur selon la valeur de la tension appliquée aux bornes du circuit. I1 est possible de réaliser plusieurs variantes d'un circuit de régulation selon l'invention. Une première variante est remarquable par le fait qu'un amplificateur opérationnel comporte une liaison de réaction positive et une liaison réaction négative, la liaison de--réaction néga tive comportant un condensateur de découplage qui permet le fonctionnement du circuit avec des caractéristiques d'amplificateur avec une alimentation en courant continu sous une tension comprise à l'extérieur d'un intervalle de tension donné à une valeur de seuil et un fonctionnement avec des caractéristiques de multivibrateurs pour une alimentation sous une tension comprise dans ledit intervalle, la durée des impulsions émises étant fonction de l'écart algébrique de ladite tension par rapport à une valeur donnée dudit intervalle. Cette variante du circuit de régulation, comportant une borne d'entrée positive reliée à une borne d'entrée positive d'un amplificateur opérationnel par une première résistance, une borne d'entrée négative reliée à une borne d'entrée négative dudit amplificateur opérationnel par une seconde résistance, lesdites bornes d'entrée négative et positive dudit amplificateur étant reliées respectivementparune troisième et une quatrième résistance à la borne de sortie dudit amplificateur, est caractérisée par le fait qu'unie capacité est branchée entre la borne d'entrée négative de l'amplificateur et la borne d'entrée négative du circuit. Une autre variante dtlln circuit selon l'irvention ne se distingue de la première que par le fait que ladite capacité est branchée entre la masse et un point milieu de ladite troisième résistance. Une troisième variante d'un circuit selon l'invention est remarquable par le fait qutelle comporte un circuit amplificateur d'entrée formé par un amplificateur opérationnel dont la sortie est reliée à une bascule- formée par un amplificateur opérationnel muni d'un circuit de réaction positive, la sortie du. circuit amplificateur d'entrée étant reliée d'une part à ltentrée positive de la bascule par l'intermédiaire d'un circuit double seuil de tension, d'autre part à la borne d'entrée négative de. la bascule par l'intermédiaire d'un-circuit dérivateur de tension. Le circuit de régulation selon l'invention permet l'obtention de courbes de régulation se rapprochant de près des courbes de régulation idéales en donnant la possibilité de tenir compte ou de compenser au maximum les caractéristiques d'iertie des appareils à réguler. Ces circuits sont d'autre--part très avantageux par le fait qu'ils ne font appel qu'à des composants très fiables, peu coûteux, précis et courants dans le marché. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaî tront au cours de la description détaillée ci-dessous se référant aux dessins annexés à titre d'exemple illustratif et nullement limitatif parmi lesquels la figure 1 représente la courbe d'amplification d'un amplli- cateur opérationnel idéal; la figure 2 représente schématiquement une bascule bistable r-- alisée avec un amplificateur opérationnel; la figure 3 représente la courbe de fonctionnement de la basic le représentée par la figure 2; la figure 4 représente un circuit pouvant travailler en ampli ficateur ou en.bascule suivant la valeur de certains des élément composants; la figure 5 représente une première variante dgun circuit de régulation selon 1'invention;; la figure 6 représente la forme de la courbe de régulation ot tenue par un circuit selon l'invention; la figure 7 représente une seconde variante d'un circuit de régulation selon l'invention; et la figure 8 représente une troisième variante d'un circuit de régulation selon l'invention. On sait qu'un amplificateur opérationnel est un circuit amplf- ficateur dont la tension de sortie varie en fonction de la tension d'entrée comme représenté par la courbe de la figure 1. Pour une tension d'entrée Ve inférieure à une valeur donné VA l'amplifie teur est bloqué et ne délivre aucune tension.Pour des valeurs e tensions comprises entre V & et VB l'amplificateur présente une amplification h -iSyS tandis que pour des tensions Ve > VE Ve l'amplificateur est saturé et délivre une tension constante VOfi La figure 2 représente schématiquement un circuit selon l'in- vention comportant un amplificateur opérationnel 1 dont la sortie 2 est reliée à l'entrée positive 3 par l'intermédiaire d'une ré- sistance R2, la borne d'entrée 4 du circuit étant reliée à l'en- trée positive 3 par une résistance R1.Les résistances R1 et permettent d'obtenir une réaction positive0 le coefficient d'am plification de l'ensemble devenant étant la pente du segment VÀF de la figure 1 définissant le coefficient d'amplification de l'amplificateur 1. La courbe d'amplification définissant le fonctionnement du cir cuit selon la figure 2 est représentée dans la figure 3; dans cette figure le segment M3MO correspond à l'étant bloqué, le segment ffi correspond à l'état saturé tandis que le segment MOM2 correspond à un état instable du circuit de la figure 2. Lorsque la tension Ve dépasse la valeur VB, le circuit bascule à l'état saturé (point Ml) et ne revient à l'état bloqué que lorsque la tension Ve diminue et dépasse la valeur VA. L'adjonction des résistances R3 et R4 (figure 4) se traduit par l'addition d'une réaction négative : le coefficient d'amplification du circuit de la figure 4 devient alors L'adjonction d'une réaction négative a pour effet de faire pivoter le segment % de la courbe de la figure 3 dans le sens indiqué par la flèche 5 et suivant la valeur des résistances RIR2 R3 et R4 on peut obtenir des courbes analogues à celles de la figure 1. En Kn d'autres termes l'adjonction d'une réaction négative a pour effet de permettre si nécessaire le rapprochement des points VA et VBO Dans le cas où la courbe a la forme de celle de la figure 3 il a été montré que le circuit fonctionne comme une bascule. On voit donc que l'adjonction de la réaction négative permet de transformer le circuit et le faisant passer du fonctionnement en bascule au fonctionnement en amplificateur. Ceci est mis en oeuvre par la présente invention pour réaliser un circuit de régu latin. Selon une première variante de l'invention, illustrée par la figure 5, on branche un condensateur 7 en parallèle avec la résis tancer. Supposons qu'il stagisse de réaliser la régulation d'un four comportant un capteur 8 délivrant une tension Ve proportionnelle à la température T mesurée à l'intérieur de ce four. Lorsque la tension Ve est inférieure à une valeur V (correspondant à une température TA inférieure à une température de consigne T0 > le circuit de la figure 5 est bloqué, un relais 10 commandant l'arrêt du chauffage du four n'est pas excité et le four chauffe. La température du four monte donc. Au moment ou la température T dépasse la valeur TA, le circuit est en fonctionnement d'amplificateur. Une augmentation de température AT crée une augmentation de ten sion2SVe qui est considérablement amplifiée par le circuit. L'augmentation A VS de la tension de sortie est transmise par w condensateur 7, ce qui a pouieffet de supprimer la réaction négative. Le circuit devient alors une bascule et passe brutalement à llétat saturé, ce qui a pour effet d'arrêter le chauffage du fours Pendant ce temps le condensateur se décharge ramenant la réaction négative : le circuit devient alors amplificateur, la tension de sortie revient à une valeur inférieure à la tension de saturation, le relais 10 n'est plus excité et le chauffage du four reprend, bu bout de quelques instants, le condensateur se recharge de nouveau et le cycle décrit recommence0 Ainsi tant que la température T est inférieure à TA le circuit reste bloqué, le chauffage marche dès que la température TÂ est dépassée, le circuit se met à osciller à une fréquence déterminée par la valeur des paramètres R3 R4 et la capacité C du condensateur 70 La courbe de température en fonction du temps, obtenue avec le circuit de régulation selon la figure 5, est illustrée par la figure 6. Pour une valeur de T Lorsque la température est comprise entre TÂ et TB, le circuit fonctionne comme une bascule, la tension de sortie est délivrée sous la forme d'impulsions, la fréquence donnée, la durée de chacune des impulsions dépendant de la position du point V e dans l'intervalle VAVB. Pour une certaine tension VC, la durée de chacune des impulsions est égale à la moitié de la période de basculement pour Ve ( Vc, l'intervalle de temps entre deux impulsions est plus court que la durée de chaque impulsion et l'inverse se produit pour Ve > VcO On obtient par conséquent une régulation telle que la courbe de la figure 6 est automatiquement ramenée vers une droite correspondant à une température de consigne T0. La fréquence de la courbe est déterminée par la valeur de la capacité du condensateur 7 et des résistances R3 et R4, l'intervalle TATB étant réglé en agis- sant sur la valeur des résistances R1R2 et R4; on voit donc que le présent circuit de régulation permet d'atténuer les effets de l'inertie de l'appareil régulé, Un résultat absolument semblable peut titre obtenu avec la va riante de circuit illustrée par la figure 7 dans laquelle le condensateur ssa est branché entre la masse et un point milieu de la résistance R4 ainsi formée par deux résistances R4 et R4. La figure 8 représente une autre variante du circuit selon l'invention permettant d 'obtenir une régulation conforme à la courbe de la figure 6. Le circuit comporte un premier ensemble formé par un amplificateur opérationnel 10 muni d'une résistance fixe li et d'une résistance variable 12 branchée de manière à créer une réaction négative. Ce premier ensemble forme un amplificateur opérationnel dont l'entrée eSt reliée à un capteur 13 capable de délivrer par exemple une tension proportionnelle à la température d'un four. La tension recueillie à la sortie de l'amplificateur 10 peut donc prendre toute valeur entre deux valeurs limites, par exemple -5v et +10v, définissant la zone de régulation (valeur de consigne TA et TB). La sortie de l'amplificateur 10 est reliée à l'entrée positive d'une bascule (formée par un amplificateur opérationnel 20 comportant des résistances 21 et 22 définissant une réaction positive), nar deux diodes Zener 23 et 24 branchées tête-bêche en série, une résistance 25 reliant l'entrée 26 de la bascule à la masse. La sortie de l'amplificateur 10 est reliée à l'entrée négative de la bascule formée par l'amplificateur 20 par l'intermédiaire d'un condensateur 27 en série avec une résistance 28. La borne négative 29 de la bascule est reliée en outre à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 30 et de diodes en parallèle mais des sens inverse 31 et 32. Cette variante de circuit selon l'invention fonctionne comme suit Lorsque la température du four est au-dessous de la température de consigne inférieure TA, l'amplificateur est bloqué et délivre par exemple une tension constante -5v qui est supérieure à la tension de claquage (4v par exemple) de l'ensemble des diodes Zener 23 et 24. Une tension -4v est donc appliquée à l'entrée positive de la bascule 20 qui est bloquée ce qui provoque le chauffage du four. Si la tension appliquée par l'amplificateur 10 correspond à une température T > TB (par exemple V = +5V), l'ensemble des diodes Zener 23-24 applique à la borne 26 une tension +4V, l'amplificateur 20 est alors saturé et le chauffage est arrenté. Lorsque la température du four est comprise entre TA et TB, la tension fournie par l'amplificateur 10 est insuffisante pour faire claquer l'ensemble 23 et 24, et est appliquée au circuit dérivateur formé par le condensateur 27 et la résistance 30. Par conséquent si la tension appliquée par l'amplificateur 10 augmente, la tension du point 33 est positive : cette tension, appliquée à la borne négative de la bascule 20, sature cette dernière et le chauffage est arrêté. Inversement, lorsque la température descend, sa dérivée est négative, la tension appliquée à la borne négative de la bascule 20 a pour effet de bloquer cette dernière et par conséquent de brancher le chauffage. On voit donc que l'inertie du four créera forcément une courbe de température qui aura la mtme forme que celle illustrée par la figure 6. Dans ce cas cependant- la fréquence des ondulations est imposée par la constante de temps thermique du four tandis que dans le premier cas (circuit de la figure 5 ou 7) la fréquence des ondulations était déterminée par la valeur des éléments RC du circuit de régulation. Le réglage de la valeur RC du dérivateur définit la valeur absolue de la tension de sortie de celui-ci, pour une dérivée donnée0 Ceci permet dtimposer au système une faible vréquervce de batte- ment. En effet, c'est le four qui, en principe, règle sa fréquence. Et comme son asservissement est parfait, cette dernière devrait avoir une valeur infinie. Donc le réglage du circuit dérivateur, associé à la sensibilité de la bascule, permet de limiter cette frequence à une valeur inférieure à la limite que l'on désire stimposer. Par ce principe, dès que l'information d'entrée atteint la première valeur de consigne, ctest le four, par son inertie, qui impose les conditions de chauffe. La température est modulée. L'amplitude de cette modulation est imposée par le four lui-mEme et la valeur des éléments du circuit dérivateur. Ainsi, il est possible de resserrer les points de consigne définis par l'amplificateur, simplement par réglage de sa contre-réaction(Résistance 12 - figure 8 > o Le circuit de régulation selon la présente invention, basé sur la mise en oeuvre d'un amplificateur opérationnel fonctionnant alternativement en amplificateur ou en bascule (dans le cas des premières variantes décrites ci-dessous) et le circuit basé sur la mise en oeuvre de deux amplificateurs opérationnels, l'un travaillant en amplificateur, l'autre en bascule (deuxième variante) ont été plus particulièrement décrits avec référence à la régulation d'un four. I1 est évident que l'application des circuits selon l'invention n'est nullement limitée à ce domaine car il est possible de réguler de la mdme manière n'importe quel paramètre d'un appareil quelconque en utilisant un capteur d'entrée donnant une information convenable sur la valeur de ce paramètre, et des relais de sortie adaptés à commander le fonctionnement de l'appareil dont un paramètre doit etre régulé. FEVE-NDICATIONSo 1 - Circuit de régulation caractérisé par le fait qu'il compor- te un amplificateur opérationnel à réaction positive ayant une courbe d'amplification caractériatique d'une bascule et un condensateur pour commander le basculement dudit amplificateur à l'intérieur d'un intervalle donné de tension appliqué aux bornes dudit a;plificateur opérationnel. 2 - Circuit de régulation caractérisé par le fait fusil comporte un amplificateur opérationnel à contre-réaction positive ayant une courbe d'amplification caractéristique d'une bascule et un condensateur dont une borne est branchée à la borne d'entrée négative dudit amplificateur opérationnel par l'intermédiaire d'une réqistance, pour commander le basculement dudit amplificateur à l'intérieur d'un intervalle donné de tension appliqué aux bornes dudit amplificateur opérationnel. 3 - Circuit de régulation selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'autre borne dudit condensateur est branchée d'une part directement à ladite borne d'entrée négative de l'amplificateur et d'autre part par l'intermédiaire d'une résistance à la sortie dur dit amplificateur, lesdites résistances définissant un circuit de réaction négative dont la valeur est au moins suffisante pour annuler la réaction positive dudit amplificateur, un signal d'entrée étant appliqué en amont de la première borne. 4 - Circuit de régulation selon la revendication I caractérisé par le fait que ledit amplificateur comporte un circuit de réaction négative, ledit condensateur étant branché entre un point dudit cirW cuit de réaction négative et la masse. 5-- Circuit de régulation selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'autre borne dudit condensateur est reliée à la borne d'entrée positive dudit amplificateur par l'intermédiaire d'un circuit série comportant une première diode Zener branchée dans le sens inverse, une féconde diode Zener branchée dans le sens direct et une résMiance, le signal de commande de régulation étant appliqué à ladite autre borne du condensateur, la première borne du condensateur et la cathode de la seconde diode étant découplées par rapport à la masse par I'intermédiaire de résistances. 6 - Circuit de régulation selon la revendication 5 caractérisé par le fait que la tension de la seconde borne dudit condensateur est stabilisée par deux diodes branchées à la masse en parallèle et en sens inverse. 7 - Circuit de régulation selon les revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'il comporte un second amplificateur opérationnel dont la sortie est branchée à ladite autre borne dudit condensateur, la signal de commande de régulation étant appliqué entre les entrées dudit second amplificateur0 8 - Circuit de régulation selon la revendication 7 caractérisé par le fait que ledit second amplificateur comporte un circuit de réaction négative réglable 9 - Circuit de régulation selon les revendications 5,6,7 ou 8 caractérisé parle fait que l'intervalle de tension défini par lesdites diodes Zener est inférieur à l'intervalle de tension défini par les points de blocage et de saturation dudit secondamplifica- teur opérationael. 10 - Circuit de régulation selon l'une quelconque des revendica tions précédentes caractérisé par le fait que l'entrée circuit est reliée à une sonde thermique délivrant un signal fonction d'une température à régler, la sortie du circuit étant reliée ç un circuit de commande d'un moyen de chauffage capable de modifier la valeur de la température à réguler.