Brevet FR2090101A1 — publié le 19720114

L'invention a trait en général aux circuits oscillateurs et plus particulièrement à un perfectionnement apporté à un oscillateur à transistors, à onde carrée et à noyau saturable. L'invention peut s'appliquer plus spécialement à un système d'allumage, 5 destiné à assurer le fonctionnement d'un moteur à combustion interne. En ce qui concerne les systèmes d'allumage de moteurs à combustion interne, il existe de nombreuses variantes ayant trait à un type continu d'alimentation en énergie électrique pour engendrer 10 l'étincelle. L'un de ces systèmes décrit dans un brevet américain N° 3 407 795 du 29 Octobre 1968, utilise un oscillateur à noyau saturable et à onde carrée pour fournir l'énergie à un circuit générateur d'étincelles. Un inconvénient caractéristique d'un tel système et aussi d'autres systèmes utilisant une alimentation con-15 tinue en énergie pendant toute la durée de l'étincelle est que, une fois 1'étincelle amorcée, l'énergie fournie devient excessive en raison de la forte diminution de la résistance dans l'éclateur, par suite de l'ionisation du gaz. Cet excédent d'énergie se traduit par une détérioration rapide des électrodes dans le cas d'une 20 bougie d'allumage, ce qui en diminue sensiblement la durée utile. En raison de ces difficultés, l'un des buts de la présente invention consiste à prévoir un réglage automatique, ou décalage, de l'alimentation en courant. Ce décalage se produit après qu'à eu lieu une émission de tension pratiquement à vide ou sous charge 25 nulle, c'est-à-dire avant la rupture ou le claquage produisant l'étincelle. Par conséquent, il y a diminution de la tension (au moment où l'étincelle se produit), ce qui maintient l'amplitude de la décharge par étincelle après 1'ionisation des gaz entre les électrodes. 30 En bref, la présente invention consiste en un perfectionnement apporté à un circuit oscillateur à transistors, à onde carrée et à noyau saturable. Un tel circuit comporte un transformateur à noyau saturable et un transformateur de sortie, ce dernier possédant un rapport élevé de spires. De même, ce système possède une 35 charge dynamique avec un effet de résistance négative. Dans le circuit précité, l'invention apporte le perfectionnement qui consiste à prévoir des moyens propres à accorder ce transformateur de sortie à la fréquence de résonance sous charge nulle. L'invention comprend également des moyens pour déterminer les propriétés ma-40 gnétiques dudit transformateur à noyau saturable pour produire un 71 17754 2 2090101 accroissement de la fréquence dudit oscillateur, au fur et à mesure qu'augmente la charge appliquée au transformateur de sortie. L'ensemble ainsi réalisé est tel que ladite charge reçoit une tension dfamorçage très élevée qui est ensuite réduite à une valeur 5 relativement faible pour entretenir la charge à un niveau relativement bas. Toujours en résumé, l'invention a trait à ma circuit oscillateur à noyau saturable et à onde carrée qui comprend en combinaison deux transistors et un transformateur à noyau saturable. Elle com-10 prend en outre un transformateur de sortie à rapport élevé de spires, ainsi que des éléments de circuit propres à relier ces transistors audit transformateur à noyaca saturable et audit transformateur de sortie. Ces éléments de circuit comportent an enroulement de réaction sur ledit transformateur à noyau saturable, et 15 ledit transformateur de sortie est propre à résoner à un multiple entier de la fréquence fondamentale dudit oscillateur. Ledit transformateur à noyau saturable reste non saturé lorsque la charge appliquée audit transformateur de sortie augmente, afin d'accroître ladite fréquence fondamentale. 20 L'invention peut s'appliquer à un système d'allumage conçu pour un moteur à combustion interne comportant des contacts de rupteur pour déterminer mécaniquement l'instant d'amorçage ou la synchronisation d'une étincelle d'allumage dans un cylindre dudit moteur. Ce système comprend un oscillateur à onde carrée et à noyau satu-25 rable utilisant un couplage réactif électro-magnétique et qui fournit de l'énergie électrique à une fréquence relativement élevée d'une durée continue pendant l'oscillation dudit circuit. Il comprend en outre des moyens propres, sous la commande des contacts de rupteur précités, à assurer la saturation dudit couplage 30 réactif avec un flux magnétique à régime permanent pour stopper cet oscillateur et couper ce flux afin de produire un amorçage rapide de ladite énergie à haute fréquence. Il comprend enfin un transformateur de sortie ayant un rapport élevé de spires pour fournir de l'énergie à ladite étincelle d'allumage, ainsi que deux 35 transistors et des éléments de circuit pour relier ces transistors audit couplage réactif électromagnétique et audit transformateur de sortie. Dans la disposition indiquée ci-dessus, l'invention a trait au perfectionnement qui comprend les moyens propres à accorder le transformateur de sortie à la fréquence de résonance 40 sous charge nulle, ainsi que d'autres moyens pour déterminer les 71 17754 3 2090101 propriétés magnétiques dudit couplage réactif électromagnétique afin de produire un accroissement de la fréquence dudit oscillateur au fur et à mesure qu'augmente la charge appliquée audit transformateur de sortie. 5 Ces divers aspects de l'invention ainsi que d'autres avantages et caractéristiques qui en découlent ressortiront davantage au cours de la description ci-après faite en se référant au dessin annexé qui montre schématiquement un mode préféré de réalisation de l'invention. Sur le dessin : 10 la figure 1 est un schéma de circuit relatif à un système auquel s'applique l'invention, et la figure 2 montre schématiquement le type de transformateur utilisé dans le circuit de sortie de la figure 1. La présente invention peut présenter un intérêt d'ordre général 15 dans d'autres applications, mais elle s'applique plus spécialement à un système d'allumage pour moteurs à combustion interne, par exemple un système du type décrit dans le brevet américain n° 3 407 795 du 29 Octobre 19&8, déjà cité, dont le Demandeur était le co-inventeur. Ce brevet décrit l'un parmi les multiples systè-20 mes d'allumage qui assurent une alimentation continue de courant pendant toute la durée d'une étincelle donnée. La durée de l'étincelle est fonction de la valeur en degrés de l'angle de came du moteur, plutôt que du simple temps. De tels systèmes présentent cependant l'inconvénient, lorsqu'on 25 compare au système classique, d'absorber une quantité exces sive d'énergie du circuit d'alimentation en étincelles. Cela a tendance à produire deux effets nuisibles. L'un de ces effets est le surchauffage et le M grillage "des éléments utilisés dans le circuit générateur d'étincelles (en général des transistors dans 30 un système oscillant). L'autre inconvénient est le débit excessif de courant créé dans l'éclateur formé par l'intervalle entre les électrodes de la bougie, dès que la décharge produisant l'étincelle a été amorcée. Cela détermine une érosion rapide des électrodes et raccourcit singulièrement la durée utile des bougies 35 d'allumage. Pour résoudre les problèmes évoqués ci-dessus, la présente in-' vention .prévoit un système propre à produire initialement un débit à haute tension (sous charge nulle) afin que l'étincelle puisse être engendrée d'une façon positive. En même temps, l'inven-40 tion prévoit une diminution automatique de la tension de sortie, 71 17754 k 2090101 jusqu'à une amplitude sensiblement inférieure, au fur et à mesure que la charge s'établit par suite de la production de l'étincelle. Les deux aspects du système ressortent du schéma de circuit de la figure 1, considéré conjointement à la disposition schématique que 5 montre la figure 2. Il y a lieu de souligner que, fondamentalement, le système que montre la figure 1 est semblable à celui représenté et décilt dans le brevet américain précité N° 3 407 795. Ainsi, le système représenté sur les figures 1 et 2 utilise un oscillateur 10 à 10 transistors, à onde carrée et à noyau saturable. Un tel oscillateur comprend un transformateur 11 à noyau saturable comportant deux énroulements 12 et 13. Ces enroulements fournissent respectivement le courant de base à chacun des transistors 16 et 17. Les émetteurs de ces transistors sont reliés à un point commun 18 du 15 circuit qui est relié à son tour directement par des conducteurs 19 et 20 à la masse, comme l'indique la figure. Une source 23 de courant continu alimente l'oscillateur 10. Cette source peut être de tout genre adéquat, propre à fournir un courant basse tension, et sera de préférence une batterie ou au-20 tre source utilisée pour un système d'allumage fonctionnant par courant continu, par exemple une batterie de 24 Volts. Le négatif de la batterie 23 est mis à la masse, comme l'indique le schéma. Lorsque le système est sous tension la borne positive est branchée par l'intermédiaire d'un conducteur 24 à la prise centrale 25 d'un enroulement primaire 25 d'un transformateur de éo"""'le 26. Une partie du circuit oscillateur est complétée en reliant les extrémités de l'enroulement 25 directement aux bornes formant collecteur dès deux transistors 16 et 17. Ces collecteurs sont reliés à leur tour aux bornes tenninales d'un circuit de réaction, 30 en utilisant à cet effet les connexions 29 et 30. Le courant de réaction est pris directement sur l'enroulement primaire 25 aux bornes duquel est également branché un enroulement de réaction 31 placé sur le transformateur 11 et comportant une résistance 33 en série. 35 Ainsi qu'il a été souligné plus haut, en se rapportant au brevet américain N° 3 407 795, cette disposition d'oscillateur est en principe bien connue. Il s'agit du type connu sous le nom d'oscillateur de Jensen. Pour adapter un tel oscillateur du type Jensen à un système d'allumage, on utilise un enroulement 32 de commande 40 de saturation, également prévu sur le transformateur 11. La com 71 17754 5 2090101 mande de saturation constitue le facteur déterminant pour fixer la synchronisation ou l'instant et la durée du courant d'amorçage de l'étincelle. On réalise cette condition en branchant un interrupteur ou un rupteur à contacts 35 (ainsi qu'un condensateur 5 shunt 36) en série avec la source de courant, par exemple la batterie 23, afin de faire passer le courant à travers l'enroulement de saturation 32. Un tel circuit peut être repéré en partant de la connexion de masse 39 et en passant successivement par la connexion 40 sur un coté du rupteur 35, et le condensateur 36 branché 10 en parallèle. Ce circuit se poursuit de l'autre côté des contacts du rupteur et passe par un conducteur 4L qui aboutit à l'une des bornes d'une résistance 42. Celle-ci, bien entendu, sert à déterminer l'écoulement du courant dans le circuit. Ce circuit continue par l'autre borne de la résistance 42 en passant par le con-15 ducteur 45 qui aboutit à son tour à une borne de l'enroulement de saturation 32. L'autre borne de cet enroulement 32 est reliée par un conducteur ou autre connexion 46 à l'un des côtés d'un contac-teur d'allumage ou interrupteur à clé de contact 47 dont l'autre côté est relié par un conducteur 48 à la borne positive de la sour-20 ce de courant continu, c'est-à-dire la batterie 23. Le circuit est complété, bien entendu, par la mise à la masse de la borne négative de la batterie (comme l'indique le schéma), à l'aide d'une connexion de masse 51» Naturellement, toute référence dans cette description à un con-r 25 ducteur ou à plusieurs conducteurs, en ce qui concerne les circuits mis en cause, peut également désigner d'autres formes d'éléments de circuit, par exemple des circuits imprimés, etc. H convient également de noter que le transformateur de sortie 26 est utilisé pour élever la tension continue fournie par la bat-30 terie 23 ou autre source jusqu'à la valeur nécessaire pour alimenter les bougies d'allumage, soit dans la gamme comprise entre environ 20 000 et environ 30 000 Volts. Par conséquent, ce transformateur peut comporter un rapport élevé de spires avec un nombre important de spires secondaires. Cela se traduit par une grande 35 capacité entre les enroulements du secondaire. Un transformateur de sortie du type utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention a été représenté schématiquement sur la figure 2. Il est réalisé à dessein de façon à avoir une forte inductance de fuite, afin que cette inductance de fuite puisse limiter 40 le courant que l'on peut tirer du transformateur, attendu que 71 17754 6 2090101 l'inductance de fuite est effectivement en série avec la charge. Une telle inductance de fuite de valeur élevée s'obtient en formant 1'enroulement primaire, c'est-à-dire l'enroulement 25 de la figure 2, autour d'une branche du transformateur, tandis que l'en-5 roulement secondaire, c'est-à-dire l'enroulement 54, est enroulé autour d'une autre branche dudit transformateur, par exemple de la façon représentée sur la figure 2. Or, à une certaine fréquence, la réactance de la capacité entre les enroulements et l'inductance de fuite deviennent égales. C'est là la condition requise 10 pour réaliser la résonance, et l'on dit que le transformateur est auto-résonant à cette fréquence. A une telle fréquence, la tension de sortie sous charge nulle sera bien plus élevée que ce que l'on pourrait déduire du rapport de spires du transformateur. Une caractéristique originale de l'invention consiste à tirer parti du fait 15 que, pour créer la condition de résonance pour une fréquence donnée, il est possible de déterminer d'avance les paramètres de la structure physique. Par exemple, dans le mode de réalisation de l'invention que montre le dessin, les paramètres relatifs à la forme physique du noyau du transformateur et à l'emplacement des 20 enroulements sur ce noyau sont réglés à des valeurs bien définies, et il est prévu un entrefer 55 (figure 2) pour contribuer à créer une inductance de fuite ayant une valeur déterminée. Le nombre de spires du secondaire que constitue l'enroulement 54 et la façon dont elles sont formées déterminent la capacité entre entoulements 25 du transformateur 26. Dans la mise en oeuvre pratique de la présente invention, on règle les paramètres précités, y compris l'inductance entre enroulements et l'inductance de fuite, de façon à obtenir la résonance à une fréquence qui est le double de la fréquence fondamentale de 30 l'oscillateur du type Jensen utilisé. Par conséquent, alors que les transistors 16 et 17 commutent à la fréquence fondamentale 1'enroulement secondaire 54 du transformateur de sortie 26 oscille ou résonne à une fréquence égale au double de cette fréquence fondamentale. Grâce à une telle disposition, la tension de crête du 35 secondaire du transformateur peut facilement atteindre le double, voire davantage, de la tension de crête de la sortie en onde cai>-rée lorsque les conditions sont celles d'un oscillateur classique à onde carrée dans lequel la fréquence fondamentale d'oscillation est bien au-dessous de la fréquence de résonance de l'enroulement 40 secondaire. Par exemple, si le circuit est du type utilisant une 71 17754 7 2090101 tension de batterie de 24 Volts et si le rapport réel de spires (soit le nombre de spires du secondaire divisé par la moitié du nombre de spires du primaire) est de 530, on a constaté que la tension de crête peut être de 30 000 Volts au lieu des 12 720 Volts 5 que l'on obtiendrait avec un système conventionnel. Une telle tension de crête à la sortie du transformateur 26 convient parfaitement pour amorcer la rupture initiale de l'éclateur de la bougie d'allumage. Un autre aspect de l'invention concerne la diminution de l'am-10 plitude de la tension de sortie du transformateur 26, diminution qu'accompagne celle de la demande de courant créée dans le système. Une telle diminution de la demande de courant se produit au fur et à mesure qu'augmente la charge du transformateur lorsque se produit la décharge par étincelle. Cette diminution contribue à évi-15 ter une érosion rapide des électrodes de la bougie d'allumage sans réduire la tension au-dessous de la valeur requise pour entretenir 1'étincelle. On comprendra plus aisément la façon dont cette caractéristique de l'invention est réalisée si l'on se reporte à un rapport pré-20 senté le 16 Mai 1956 à la Conférence Nationale sur l'Electronique dans l'Aéronautique, par Donald C. Mogen, intitulé " Opération of a Saturable-Core Square Wave Oscillator 11 (n Fonctionnement d'un oscillateur à noyau saturable et à onde carrée "). H est clair que le transformateur 11 est un transformateur 25 saturable dont le point de saturation détermine la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur 10 sous charge nulle et sous faible charge. En déterminant et/ou en réglant opportunément les paramètres qui interviennent dans la construction du transformateur 11, on parvient à faire en sorte qu'au moment où la charge appli-30 quée au circuit de sortie atteint un certain niveau, le transformateur ne se sature plus, en raison de la faible réaction. Lorsque cela se produit, les commutations d'oscillation du circuit sont précipitées par la saturation des seuls transistors 16 et 17» et par conséquent ces commutations se produiront à une valeur de 35 flux inférieure, ce qui augmente la fréquence des oscillations. Lorsque la fréquence d'oscillation change, elle n'est plus une fonction harmonique de la fréquence de résonance du transformateur de sortie 26. Par conséquent, l'amplitude de la tension de sortie fournie par l'enroulement secondaire 54 tombe à la valeur 40 de celle qui est fonction de la tension de la batterie et du rap 71 17754 8 2090101 port réel des spires, ainsi qu'il a été exposé plus haut. Il convient également de noter que la fréquence de fonctionnement plus élevée (qui est créée dans les conditions sus-indiquées, à savoir un accroissement de la charge dans le circuit oscillant) 5 se traduit par une augmentation de l'impédance du transformateur de sortie 26. Cela se vérifie du fait que l'impédance est égale à 2 If fL, où f désigne la fréquence et L l'inductance de fuite. Par conséquent, l'accroissement de la fréquence aura également tendance à diminuer la tension de sortie, pour cette raison, en plus de 10 l'effet dû au fait que l'on s'écarte de la fréquence résonante du transformateur de sortie. Le résultat combiné sera une limitation, à une valeur fiable, de l'écoulement du courant à travers les bougies d'allumage par étincelle. En résumé, les effets combinés produits par les réglages par-15 ticuliers de paramètres, tels qu'ils ont été décrits plus haut, permettent au système de fonctionner en auto-régulateur. Ainsi, après une forte tension de crête pour amorcer l'étincelle, le courant qui suit l'ionisation dans l'éclateur ne risque pas d'atteindre une valeur excessive. 20 Pour éviter que des crêtes transitoires de tension, qui accompagnent la commutation de l'oscillateur, puissent endommager les transistors 16 et 17, il est prévu un jeu de deux diodes Zener 56 et 57. Ces diodes sont branchées respectivement sur les transistors 16 et 17, ainsi que le montre clairement la figure 1. En rai-25 son de la nature particulière d'une diode Zener, la tension appliquée aux bornes de cette diode atteint une amplitude déterminée au-dessus de laquelle la diode devient conductrice. Par conséquent, le transistor aux bornes duquel la diode est branchée est protégé des surtensions grâce à l'effet de shunt produit par la diode, et 30 par conséquent tout risque d'endommagement découlant de crêtes supérieures de tension se trouve écarté. On notera que le système de base sans diode Zener pourrait fonctionner de la façon décrite plus haut. Toutefois, l'adjonction de ces diodes assure avantageusement la suppression de tout risque d'effets nuisibles résultant de la commutation de courants transitoires qui ont tendance à se produire aux bornes des transistors. Le système précité a été décrit en se référant plus particuliè-35 rement à son utilisation dans un système d'allumage de moteur à combustion interne. Cependant, il est à souligner que ce système fondamental peut se prêter à d'autres applications, par exemple à des systèmes d'éclairage fluorescent, ou à des circuits de tubes à éclats, ou à des dispositifs similaires. Ainsi, d'une façon générale, le système suivant l'invention peut s'appliquer a de nombreuses utilisations comportant une alimentation par batterie, 40 destinée à fournir une haute tension. 71 17754 9 2090101 REVENDICATIONS 1 - Un circuit oscillateur à transistors, à onde carrée et à noyau saturable, destiné à être utilisé avec une charge dynamique produisant un effet de résistance négative, ce circuit comprenant . 5 un transformateur à noyau saturable et un transformateur de sortie ayant un rapport de spires élevé, et étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens propres à accorder ce transformateur de sortie à la fréquence de résonance sous charge nulle, ainsi que d'autres moyens peur déterminer les propriétés magnétiques dudit trans-10 formateur à noyau saturable et tels qu'ils produisent un accroissement de la fréquence dudit oscillateur au fur et à mesure qu'augmente la charge appliquée audit transformateur de sortie, afin d'appliquer une tension d'amorçage très élevée à ladite charge et de faire tomber cette tension à une valeur relativement très faible 15 pour la maintenir ensuite à une puissance relativement basse. 2 - Un circuit selon la revendication 1, caractérisé en outre par la présence de deux transistors branehés de façon à former un oscillateur du type Jensen. 3 - Un circuit selon la revendication 2, caractérisé par des 20 dispositifs branchés aux bornes desdits transistors afin de shun- ter les tensions transitoires de commutation à haute tension. 4 - Un circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que les dispositifs branchés aux bornes des transistors se composent de deux diodes Zener. 25 5 - Un circuit selon 1'une ou plusieurs des revendications 1 à 4, utilisé en combinaison avec une charge dynamique constituée par un circuit d'allumage par étincelle d'un moteur à combustion interne. 6 - La combinaison selon la revendication 5, caractérisée par 30 la présence d'un enroulement de saturation sur ledit transformateur à noyau saturable et par un circuit d'excitation à courant continu pour ledit enroulement, ce circuit d'excitation comprenant des contacts d'un rupteur de synchronisation d'allumage. 7 - Un circuit oscillateur à onde carrée et à noyau saturable, 35 caractérisé en ce qu'il comprend deux transistors, un transformateur à noyau saturable, un transformateur de sortie à rapport de spires élevé, et des éléments de circuit reliant ces transistors audit transformateur à noyau saturable et audit transformateur de sortie, ces éléments de circuit comprenant un enroulement de 40 réaction prévu sur ledit transformateur à noyau saturable, le 71 17754 10 2090101 transformateur de sortie étant auto-résonant suivant un multiple entier de la fréquence fondamentale dudit oscillateur, tandis que ledit transformateur à noyau saturable n'est pas saturé pour des charges croissantes appliquées audit transformateur de sortie, de 5 telle sorte que ladite fréquence fondamentale augmente» 8 - Un circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux diodes de Zener branchées aux bornes desdits transistors afin de limiter les tensions transitoires de commutation. 10 9 - Un système d'allumage destiné à être utilisé dans un moteur à combustion interne et comportant des contacts de rupteur pour déterminer mécaniquement la synchronisation du moment d'amorçage d'une étincelle d'allumage pour un cylindre dudit moteur, ce système d'allumage étant caractérisé en ce qu'il comprend un oscil-15 lateur à onde carrée et à noyau saturable utilisant un couplage réactif électromagnétique et fournit une énergie électrique de fréquence relativement élevée ayant une durée continue pendant son oscillation, des dispositifs susceptibles d'itre commandés par lesdits contacts de rupteur pour saturer ce couplage réactif avec 20 un flux magnétique en régime permanent afin de stopper ledit oscillateur et de couper ce flux magnétique pour produire un démarrage rapide de ladite énergie à haute fréquence, un transformateur de sortie ayant Tin rapport de spires élevé, pour fournir de l'énergie à ladite étincelle d'allumage, deux transistors, des 25 éléments de circuit reliant ces transistors audit couplage réactif électromagnétique et audit transformateur de sortie, des moyens propres à accorder ce transformateur de sortie à la fréquence de résonance sous charge nulle, et d'autres moyens pour déteiminer les propriétés magnétiques dudit couplage réactif électromagné-30 tique afin de déterminer un accroissement de la fréquence dudit oscillateur au fur et à mesure que croît la charge appliquée audit transformateur de sortie. 10 - Un système d'allumage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte deux diodes Zener branchées aux bornes 35 desdits transistors pour limiter les tensions de crête transitoires pendant la commutation cyclique dudit oscillateur. 11 - Un système d'allumage selon l'une ou l'autre des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que ledit couplage réactif électromagnétique comprend un transformateur à noyau saturable. 71 17754 ii 2090101 12 - Un système d'allumage selon l'une ou l'autre des revendications 9# 10 et 11, caractérisé en ce que ledit oscillateur constitue un oscillateur du type Jensen.