Brevet FR2105230A1 — publié le 19720428

i. 2105230 La présente invention se rapporte à des amplificateurs à transistors et a pour objet de prévoir des amplificateurs à transistors comportant des moyens de protection perfectionnés et très simples qui protégeront les transistors de tout dommage causé par 5 des tensions excessivement élevées qui pourraient se produire, sans la prévision de tels moyens de protection, comme résultat de la production d'harmoniques par les transistors utilisés. Afin que la présente invention soit mieux comprise, la manière selcax laquelle des tensions possibles provoquant des domraa-10 ges peuvent se produire à cause de la production d'harmoniques dans les amplificateurs à transistors connus sera tout d'abord décrite en se référant aux figures 1, 2 et 3 des dessins ci-joints. La figure 1 est un diagramme représentant un amplificateur à large bande, du type push-pull de classe A-B,sensiblement liné-15 air$ comme on l'emploie communément pour le fonctionnement en haute fréquence par exemple dans la bande 1,5 à 30 mégacycles/seconde. Le diagramme de circuit de la figure 1 est simplifié pour montrer les éléments essentiels, la polarisation au repos et les condensateurs employés pour donner une bande large s'adaptant au transfor-20 mateur non représenté. Les éléments actifs de l'amplificateur sont deux transistors 1 et 2. Le transformateur d'entrée référencé en 3 comporte le secondaire habituel à prise centrale, et le transformateur de sortie, comportant le primaire habituel à prise centrale référencé en 4. Bien que l'amplificateur soit un amplificateur sen-25 siblement linéaire, les transistors couramment disponibles produisent, comme cela est bien connu, tin niveau d'harmoniques impaires comparativement élevé, principalement en ce qui concerne la troisième harmonique. Pour simplifier l'explication et du fait que le niveau de la troisième harmonique est normalement le niveau de 30 l'harmonique la plus élevée produite à considérer, ceci sera la seule harmonique considérée par la suite. Dans un cas pratique typique, la puissance de la troisième harmonique peut être aux alentours de -13 dB par rapport à la puissance de la fréquence fondamentale. En conséquence, il s'en suit que si l'impédance de charge 35. à la troisième fréquence harmonique est la même que celle à la fréquence fondamentale la tension de la troisième fréquence harmonique sera approximativement 20 de la tension de la fréquence fondamentale. Si la charge présente les caractéristiques d'un circuit accordé, l'impédance de charge à la troisième harmonique peut dif-40 férer matériellement de celle à la fréquence fondamentale d'une ma 71 31982 2105230 nière telle qu'elle amène .la tension à la .troisième harmonique à être même supérieure de 20 $ à la tension à la fréquence fondamentale. . Afin d'éliminer la puissance de sortie à la fréquence har-5 monique, un filtre de fréquence harmonique est prévu comme indiqué en. 5. Celui-ci est communément relié à la: sortie de l'amplificateur-propre (le secondaire du transformateur de sortie 4) par l'in-• termédiaire d'un câble coaxial 6:qui: peut être d'une longueur quelconque en fonction des exigences. 10 La sortie finale est prise à la charge (non représentée) -par exemple une charge de 50 ohms- à partir de la borne de sortie finale 7. . Comme cela est bien connu, un transistor peut facilement être endommagé ou même détruit si une tension excessive lui est ap-15 pliquée. Ainsi, par exemple, les transistors couramment disponibles, comme on les emploie communément pour un fonctionnement à partir d'une alimentation à 28 volts ont une tension appliquée maximum permise située dans une gamme d'environ 65 volts et si cette tension est dépassée, même momentanément, un dommage ou une destruc-20- tion peut en résulter. Dans la figure 1, une tension d'alimentation de +28 volts est indiquée comme appliquée à la borne 8. En supposant qu'une tension de 28 volts est appliquée, alors, si le transformateur de sortie 4 de la figure 1 avait un couplage parfait, la tension sur les transistors ne devrait jamais excéder 56 volts. En 25 pratique, un couplage parfait ne peut pas être obtenu, et, comme on le verra par la suite, la production dé la troisième harmonique peut se traduire par des niveaux de tension qui peuvent endommager ou détruire les transistors. La figure 2(b) représente, par la courbe en trait plein A, 30 la forme d'onde de tension théoriquement produite au collecteur des transistors 1 et 2 si la forme d'onde de tension à la fréquence fondamentale est*comme représenté par la courbe B en pointillés de la figure 2(a) et la forme d'ondë de:tension à la troisième fréquence harmonique est comme représenté par : la courbe en pointillés 35 C de la figure 2(a). La courbe A est la résultante- composée des courbes B et C et cette figure est tracée en supposant-que-la ten-. sion appliquée est dé 28 volts, que la tension à la troisième harmonique est d'environ 20 $ de la valeur de" la tension à la fréquence fondamentale et que le câble 6 est déconnecté du secondaire du 40 transformateur 4 et remplacé par une charge résistive. En d'autres M 31982 3- 2105230 termes, la figure 2 est tracée pour représenter les formes d'ondes si les effets du câble et du filtre 5 à harmoniques ne sont pas considérés. Comme cela apparaîtra d'après la figure 2, si la relation de phase entre l'onde B à la fréquence fondamentale et la troi-5 sième onde harmonique c est comme représenté dans la figure 2(a), c'est-à-dire si les courbes C et B ont toutes les deux des pentes positives après passage simultané à travers la droite représentant une tension de 28 volts (on supposera une alimentation en tension de 28 volts) l'effet de la troisième onde harmonique par rapport à 10 la tension sur les transistors, est bénéfique, car il réduit l'oscillation de tension (on comparera les pics positifs de la courbe A avec ceux de la courbe B). Cependant, quand le câble 6 est relié au secondaire du transformateur 4, la relation de phase souhaitable représentée 15 dans la figure 2 peut très bien ne plus exister : en fait les probabilités montrent qu'il en sera ainsi. La relation de phase qui existe dépend de la longueur du câble, le cas le plus défavorable étant celui représenté dans la figure 3, qui est une figure de même nature que la figure 2. Si le câble a une certaine longueur, la 20 relation de phase entre l'onde de fréquence fondamentale, référencée B' dans la figure 3(a) et la troisième onde harmonique, référencée C' dans cette figure sera telle que la phase de la courbe C* (par rapport à la courbe B') diffère de 180° de celle de la courbe C (figure 2(a)) par rapport à la courbe B (figure 2(a)). Le 25 résultat est que la troisième onde harmonique n'a plus pour effet de réduire l'oscillation de tension dans l'onde de tension réelle du collecteur (onde A' de la figure 3) mais, au contraire, elle l'augmente. La présente invention cherche à prévoir des moyens simples pour protéger les transistors et les empêcher d'être endomma-30 gés comme décrit précédemment. Selon la présente invention, l'amplificateur à transistors perfectionné comprenant au moins un transistor qui, en fonctionneraient, produit au moins la troisième harmonique de la fréquence fondamentale à un niveau sensible, comprend des moyens pour modifier 35 la phase d'au moins la composante de la tension à la troisième fréquence harmonique présente au collecteur de ce transistor en relation avec la composante de la tension à la fréquence fondamentale présente en cet endroit, sensiblement sans changer l'amplitude de cette composante à la fréquence fondamentale, de sorte que l'appli-40 cation d'une tension excessive au transistor comme conséquence de 11 31982 ••• »• 2105230 la production de la -troisième harmonique est ainsi empêchée. Le câblage nécessaire pour mettre en oeuvre la présente invention est extrêmement simple et, dans les exemples de réalisation préférés de la présente invention, les moyens pour modifier 5 la phase de la composante de la tension à la troisième fréquence harmonique comprennent un écrêteur à diodes adapté pour limiter l'onde de tension présente au collecteur du transistor de façon à produire une tension de sommet plat limitée à un niveau maximum tel que la composante à la fréquence fondamentale soit sensiblement non 10 affectée par l'action d'écrêtage. Une forme préférée d'amplificateur à transistors sensiblement linéaire de classe A-B conformément à la présente invention comprend une paire de transistors reliés en push-pull et comportant un circuit d'entrée divisé et un circuit de sortie divisé, des 15 moyens pour appliquer une tension continue de fonctionnement prédéterminée au collecteur des transistors par l'intermédiaire du point central de ce circuit de sortie divisé, et une paire de diodes reliée chacune entre le collecteur de l'un ou l'autre des transistors et un point commun de potentiel prédéterminé choisi, le sens 20 de connexion des diodes étant tel qu'aucun des collecteurs ne peut excéder le potentiel de ce point commun et ce point commun étant relié par l'intermédiaire d'un condensateur de blocage en continu au point central (qui est à un potentiel ancré -la terre ou liaison d'alimentation négative) du circuit d'entrée divisé. 25 La présente invention sera maintenant décrite plus en dé tails en relation avec les figures 4 et 5, la figure 4 représentant de la même manière que la figure 1, un exemple de réalisation préféré de la présente invention et la figure 5 étant vin graphique explicatif du fonctionnement de l'amplificateur de la figure 4. Les 30 mêmes références indiquent des parties similaires dans les figures 1 et 4. Dans la figure 4 comme dans la figure 1, les transistors sont supposés être tels qu'ils nécessitent me tension de fonctionnement appliquée continue de +28 volts et celle-ci est indiquée, 35 comme dans la figure 1, comme étant appliquée à la borne 8. La comparaison des figures 1 et 4 montrera que la seule différence entre elles réside dans la prévision dans la figure 4, de diodes 9 et 10, du condensateur de blocage en continu 11 et de l'application aux diodes d'une tension continue prédéterminée choisie de 60 volts 40 appliquée à la borne 12. Ce câblage supplémentaire amène la forme 5H.3W82 5. 2105230 d'onde de tension produite au collecteur des transistors à présenter tin sommet plat limité à +60 volts comme représenté par la courbe en traits pleins X de la figure 5(b).Ce circuit à diodes, considéré simplement comme un circuit, se présente comme celui d'un 5 écrêteur d'amplitude ordinaire mais, en fait, il ne l'est pas car il fonctionne, conformément à la présente invention, pour écrêter à un niveau d'écrêtage tel'que son action est simplement de modifier la phase de la composante de la tension à la troisième fréquence harmonique sans affecter l'amplitude de la composante à la 10 fréquence fondamentale. Ceci sera clair, d'après la figure 5(a) qui représente la composante Y à -la fréquence fondamentale et la composante Z à la troisième fréquence harmonique qui peuvent être représentées, par une analyse de Fourier de la courbe X comme réalisant, cette courbe X. -En comparant la figure 5(a) à la figure 3(a) 15 on verra que la composante à la fréquence fondamentale (B dans la figure 3(a) et Y dans la figure 5(a)) est la même dans les deux figures, 1'écrêteur à diodes fonctionnant uniquement pour changer la phase relative de la composante à la troisième fréquence harmonique par rapport à la composante à la fréquence fondamentale. Du 20 fait que la composante à la fréquence fondamentale n'est pas affectée par l'écrêtage, aucune distorsion à la fréquence fondamentale ne se produit et le procédé d'écrêtage lui-même est linéaire. En conséquence, il est possible, selon la présente invention, d'obtenir une pleine puissance de sortie dans une charge adaptée, en dé-25 pit de la phase de la puissance harmonique et sans risque de dommages pour les transistors par surtension.. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à 30 l'homme de l'art. >.1 31982 2105230 REVENDICATIONS 1 - Amplificateur à transistors comprenant au moins un transistor qui, en fonctionnement, produit au moins la troisième harmonique de la fréquence fondamentale à un niveau sensible, ca- 5 ractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour modifier la phase d'au moins la composante de tension à la troisième fréquence harmonique présente au collecteur de ce transistor en relation avec la composante de tension à la fréquence fondamentale-.présente à cet endroit, sensiblement sans changer 1'amplitude de cette composante 10 à la fréquence fondamentale, l'application d'une tension excessive au transistor comme résultat de.la production de la troisième harmonique étant de ce fait empêchée. 2 - Amplificateur selon là revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour modifier la phase de la composante à la 15 troisième fréquence harmonique comprennent un écrêteur à diodes adapté pour limiter l'onde de tension présente au collecteur du transistor de manière à produire une onde de tension à sommet plat limitée à un niveau maximum tel que la composante à la fréquence fondamentale de cette onde soit sensiblement non affectée par l'ac-20 tion d'écrêtage. 3 - Amplificateur à transistor sensiblement linéaire de classe A-B, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de transistors reliés en push-pull et ayant un circuit d'entrée divisé et un circuit de sortie divisé, des moyens pour appliquer une tension de 25 fonctionnement continue prédéterminée au collecteur des transistors par l'intermédiaire du point central du circuit de sortie divisé, et une paire de diodes reliées chacune entre le collecteur de l'un ou l'autre des transistors et un point commun de potentiel prédéterminé choisi, le sens de connexion des diodes étant tel qu'aucun 30 des collecteurs ne peut excéder le potentiel de ce point commun et ce point commun étant connecté par l'intermédiaire d'un condensateur de blocage en continu au point central (qui est à un potentiel ancré -la terre ou liaison d'alimentation négative) du circuit d'entrée divisé. ... - *