Brevet FR2135581A1 — publié le 19721222

La présente invention concerne un circuit de commutation ultra-rapide pour charges capacitives. Plus précisément, cette charge capacitive peut être un tube d1affichage en couleurs à . rayons cathodiques à grille, ou "chromoscope"à grille . Dans un cliromoscope du type ci-dessus, la vitesse de sélection de la couleur est limitée par la vitesse de commutation de la tension anodique du tiibe. Etant donné que ce tube se comporte comme une charge capacitive, les durées de charge et de décharge limitent en général la vitesse de commutation. Dans les circuits de commutation normaux, on intercale un commutateur ou un interrupteur, désigné par le terme générique de "commutateur", directement entre une charge capacitive et une source de courant; ces circuits provoquent une forte dissipation de puissance dans ce commutateur. Etant doimé que le courant de charge du condensateur passe par ce commutateur, il apparaît en même temps une tension élevée aux bornes de ce dernier. La présente invention fait disparaître cet inconvénient en ouvrant et fermant complètement tous les commutateurs, quand aucun courant de circulation ne passe pax" eux ou quand aucune tension n'est appliquée à leurs bornes, La présente invention a pour objet un circuit de commutation ultra-rapide pour charge capacitive qui convient particulièrement pour présenter des figures compliquées sur un cliromoscope à grille, avec une dissipation minimale de puissance dans les éléments du commutateur, afin que ledit circuit puisse fonctionner à une fréquence de récurrence élevée sans dissipation exagérée d'énergie. Un circuit-de commutation ultra-rapide selon l'invention pour charge capacitive comprend deux sources de tension unidirectionnelles de valeurs absolues égales. Deux interrupteurs sont destinés à coupler sélectivement ladite charge capacitive à l'une ou l'autre des sources de tension. Une source est reliée à cette charge avec une polarité opposée à celle de l'autre. Un circuit électrique est établi entre la charge capacitive et les sources de tension par des inductances réagissant au courant passant dans ledit circuit pour la production d'une tension de polarité opposée à la charge électrique accumulée dans la charge capacitive. Des commutateurs complètent ce circuit électrique et sont commandés par des groupes de deux cor.ir.vutateurs ouverts. L'invention sera décrite plus on détail en regard aes des— 72 15562 2135581 sins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels : - la figure 1A est un schéma simplifié d'un circuit selon 1'invention - la figure 1B est un circuit semblable à celui de la figure 1A; - la figure 2 représente des formes d'une onde facilitant la compréhension du comportement des circuits de la figure 1A ; - la figure 3 est un schéma fonctionnel représentant la mi- un se en o.euvre des circuits de la figure 1A dans / chromoscope; et - la figure h est un schéma détaillé d'une partie des circuits de la figure 1A. Un schéma simplifié du circuit de commutation selon l'invention est représenté en 10 sur la figure 1A sur laqtielle on voit la charge capacitive, constituée par un condensateur 11 commandé par ce circuit. Deux sources de tension continue 12 et 13 d'amplitudes absolues égales sont reliées à la masse respectivement par leurs bornes négative et positive. La source 12 a une tension nominale de + 21cV et la source 13 une tension nominale de - 2 lcV. Cependant, la présente invention est applicable chaque fois que la dissipation d'énergie dans les commutateurs occasionne des difficultés. Les bornes positive et négative des sources 12 et 13 sont couplées sélectivement au condensateur 11. par des commutateurs A et B. Etant donné que l'autre borne du condensateur 11 est reliée à la masse, la tension aux bornes du condensateur varie entre + 2kV et - 2kV. Ceci est représenté sur la figure 2 où la forme d'onde en trait continu est la tension aux bornes du condensateur 11. La manière particulière dont cette tension varie entre + et -2 kV est expliquée ci-après. Un circuit électrique est établi entre le condensateur 11 et les sources de courant continu 12 et 13 par une inductance 14 et des commutateurs B et C branchés en série qui sont par ailleurs branchés entre le condensateur 11 et la masse, entre les bornes + et - des sources 12 et 13. Les commutateurs B et C sont shuntés par des diodes 16 et 17 qui sont branchées~dans des sens opposés, si bien que chaque diode laisse passer seulement un courant ayant un sens déterminé. Le courant passant par le circuit formé par les commutateurs B et C et le condensateur 11 est repré senté sur la figure 2 par la forme d'onde en pointillé T . 72 15562 2135581 10 En service, le circuit de la figure 1 peut donner lieu à la succession d'événements représentés ci-après, sur la figure 2, entre l'instant t^ et le temps t . On a par ailleurs représenté sur l'axe des temps de la figux^e 2 les divers états des commutateurs A, B, C et D, c'est-à-dire s'ils sont fermés ou ouverts. On admet que le commutateur A est fermé avant l'instant tQ et applique ainsi + 2kV au condensateur 11 et que les commutateurs B, C et D sont ouverts. Si l'on désire, par exemple, faire passer la tension aux bornes du condensateur 11 de + 21cV à -2kV, le commutateur A est ouvert et le commutateur B est fermé. Le courant revient alors du condensateur 11 à la masse, par la diode 17 et le commutateur B. La variation initiale de courant est suffisamment importante pour que la tension engendrée par l'inductance 14 en réponse à cette variation soit égale à la tension appliquée au la tension 15 condensateur 11. En d'autres termes, à l'instant tg / aux bornes de l'inductance 14 est de + 2kV. Si la tension aux bornes du condensateur passe par la valeur 0, le courant X est maximal comme l'indique la figure' 2 mais, étant donné que sa dérivée est nulle, aucune tension n'apparaît aux bornes de l'inductance 14. A partir 20 de cet instant, le courant I diminue jusqu'à zéro et sa dérivée devient négative et fait apparaître aux bornes de l'inductance l4 une tension de signe opposé en réponse à cette variation du courant. Ceci est représenté par Vc qui devient négatif et tend vers -2kV. Quand cette valeur est atteinte, le condensateur 11 25 est maintenant chargé à -21cV et le commutateur D est fermé et applique en permanence une tension de cette valeur, par la source 13, au condensateur 11, sans aucune perte d'énergie dans ledit commutateur. A cet instant t^, le commutateur B s'ouvre. Le passage de la tension de -21cV à +2kV est réalisé de ma-30 nière semblable comme l'indique la figure 2, sauf que le commutateur D s'ouvre et le commutateur C se ferme et, ensuite, le courant circule en sens inverse à travers un circuit comportant un commutateur C et mie diode 16 et la tension V aux bornes du conden- c sateur 11 passe par 0 et atteint ensuite + 2kV. A cet instant t^j 35 le commutât enr C s'ouvre et le commutateur A se ferme pour main-toni:i>21:V aux bornes du condensateur 11. La commutation ci-dessus peut évidemment Ôtre mise en oeuvre périodiquement avec un intervalle de temps de quelques microsecondes seulement entre t ^ et t^ pour atteindre le régime penna- 72 15562 4 2135581 10 rient. En pratique l'intervalle de temps ^g-t es"t d'environ 10 microsecondes. Il va de soi, d'après l'étude ci-dessus du comportement du circuit de la figure 1, qu'on tire parti de la résonance en courant alternatif entre le condensateur 11 et l'inductance ik pour réaliser un transfert rapide d'énergie entre les deux composants, qui conduit à une inversion effective de la tension ap^-pliquée aux bornes du condensateur 11. Si les résistances dans ce circuit sont maintenues à une valeur minimale, ceci peut être réalisé rapidement et conduit aux grandes vitesses de commutation de l'appareil selon l'invention. La figure 1B est semblable à la figure 1A et représente une charge induciiive 11' sur laquelle agit un circuit comportant un é-lément 14' capacitif d'accumulation et des sources de courant 12' et 13'• Les formes d'onde de la figure 2 représentent son c.ompor-15 tement, sauf que I représente la tension aux bornes du condensateur 14' et Vc représente le courant passant par l'inductance 11'. La présente invention est appliquée de préférence en liaison avec un chromoscope à grille représenté sur la figure ~3« Ce tube est désigné par 21 et comporte des éléments 22 et 23 de dé-20 viation électromagnétique X et Y et un circuit d'attaque 2k des canons à électrons. Le tube 21 existe dans le commerce et comporte en général un écran luminescent avec des couches de luminophore rouge et vert séparées par une barrière. La dernière anode ou grille de ce tube à rayon cathodique est portée à une tension 25 suffisamment basse, selon un de ses modes de fonctionnement, pour que les électrons ne traversent pas cette barrière et excitent l'autre couche de luminophore. Selon un autre mode de fonctionnement, la tension de l'anode est suffisamment élevée pour faire passer les électrons à travers le premier luminophore, et la bar-30 rière, et exciter la seconde couche luminophore. Ceci produit une seconde couleur primaire. Lorsque l'anode est portée à une tension intermédiaire, les luminophores sont excités proportionnellement de manière à produire des couleurs intermédiaires. D'autres caractéristiques des luminophores peuvent intervenir aussi, par exemple 35 leur persistance. Pour simplifier, selon l'invention, le fonctionnement du tube 21, la cathode 26 de ce tube fonctionne avec une tension ~9kV. Cette tension est modulée avec une amplitude de + 1lcV par lui commutateur 27 qui équivaut au commutateur de la figure 1A. ? 8 40 Un second commutateur/semblable applique +2kV au plot 29 anodique 72 15562 2135581 du tube 21. La capacité parasite Cy est représentée reliée au plot anodique 29. Par conséquent, lors de la commutation de l'anode d'un tube à rayons cathodiques, celui-ci doit ôtre considéré con-ine une charge capacitive réelle. De même, le conducteur de sortie 30 à + 1kV du commutateur 27 module une source de tension 31 de -9kV qui a une capacité effective C par rapport à la masse. Le principal avantage de ctte source de haute tension modulée est sa grande vitesse de commutation. Elle comprend un bloc d'alimentation basse tension 32, qui est relié par exemple au secteur ou à une source de basse tension. Sa tension d'alimentation alternative par le secteur est transformée en des tensions d'alimentation nécessaires aux circuits associés qui comportent des commutateurs 27 et 28 et les circuits 2k d'excitation des canons. Etant donné que les circuits 2k fonctionnent à-9kV, leur isolement par rapport au bloc d'alimentation basse tension est réalisé par le dispositif 25 de commande de l'alimentation et le transformateur associé 25a. La puissance de la source 32 d'alimentation basse tension est transmise par le transformateur 33 à un bloc d'alimentation haute tension 3^. Ce bloc comporte un conducteur de sortie 35 porté à la tension de -9kV, La tension du conducteur 35 est régulée par un circuit à réaction 36 intercalé entre le bloc 3^- haute tension et le bloc 32 basse tension. Une diode photo—émissiv^lOI fait apparaître une tension d'erreur aux bornes d'un photodétecrteur qui est couplé à un dispositif de commande afin de réguler le bloc basse tension 32. Pour isoler suffisamment le bloc jk d'alimentation haute tension, \in blindage électrostatique 37 constitué par exemple par une boîte en fils de cuivre tressés, entoure complètement tous les composants du bloc d'alimentation haute tension, y compris le transformateur 33• Un second blindage également en fils de cuivre tressés, réalise un découplage additionnel et est relié à la masse. Le blindage 37 est relié au conducteur commun haute tension 103 en 39 en môme temps que le conducteur 30 transmettant la tension de modulation de + 1kV, en provenance du commutateur 27. En service, lorsque les tensions de commutation provenant des commutateurs 27 et 28 sont convenablement combinées, les différences de potentiel effectives entre la cathode 26 et l'anode 29 du tube 21 sont de 6, 8, 10 et 12 kV. La figure k représente un circuit; de commande simplifié k2 des commutateurs A à D des figures 1A et 1B en meme temps que les 72 15562 2135581 éléments de commutation à semi-conducteurs pour les commutateurs C et D. Une instruction de commande 10(^6estinée à faire passer la tension de commutation d'une limite à l'autre est reçue par des basculeurs haut 43 et bas 44. Ils jouent essentiellement le rô-5 le d'éléments de mémoire pour indiquer au circuit de commutation s'il a atteint la valeur extrême positive ou négative de la tension de commutation à l'instant où l'ordre de changement est reçu. Un multivibrateur monostable est couplé a,ux sorties des basculeurs 43 et 44 et enclenche, par les circuits intersection 47 ou 48, le 10 commutateur C ou le commutateur B, suivant qu'il est parcouru par un courant Iq positif ou négatif. Les entrées à coïncidence des circuits intersection 47 et 48 reçoivent les signaux de sortie complémentaires des basculeurs haut 43 ot bas 44. La sortie du circuit intersection 47 est couplée par un 15 transformateur d'impulsions 49 aux circuits inverseurs 51 et 52. Le circuit inverseur 51 est couplé à un transistor 53 qui est ren- , (.figure 2) , du conducteur par exemple a l'instant tJ qui amorce (rend conducteur) à son tour un transistor 54 qui accélère l'amorçage des transistors 55a à 55e1 branchés en série. Le transistor 55d est 20 couplé à la charge capacitive qu'il module et le transistor 55a est couplé à l'inductance 14. L'amorçage des transistors 55a à 55 Lorsque le commutateur C est ouvert et que le commutateur B laisse passer le courant, les diodes 56a à 56d branchées en parai-25 lèles sur les bornes collecteur-émetteur des transistors 55a à 55^, respectivement, laissent passer le courant qui passe par l'autre commutateur, et les transistors associés sont évidemment désamorcés ( noneonducteurs). Quand aucun des commutateurs B ou C n'est fermé, une forte 30 chute de tension apparaît aux bornes desdits commutateurs.Pour créer des chutes de tension égales aux bornes de chaque étage de commutation, une file de résistances 57a a 57^ sont branchées entre le collecteur et la base de chaque transistor. La valeur ohini-que de ces résistances est de l'ordre de plusieurs centaines de 35 milliers d'ohms. Quand les transistors 55a à 55d sont désamorcés mais que les diodes 56a à 5 Lorsque le multivibrateur monostable 'l 6 cesse d'émettre une 40 impulsion de sortie à la fin de l'intervalle de temps déterminé 72 15562 2135581 par la constante de temps LXC du circuit de commutation de base, le circuit inverseur 52 amorce le transistor 59 de manière à désamorcer les transistors 55a à 55d. Ce désamorçage est accentué par le circuit de verrouillage branché en parallèle qui comporte des résistances 61a à 61c branchées entre les bases et les émetteurs des transistors correspondants 62a à 62c. Après que la tension appliquée à la charge capacitive a été commutée, le commutateur B ou C est ouvert et le commutateur principal A ou D est fermé. L'intervalle de temps pendant lequel le changement dé polarité aux bornes de la charge capacitive se produit est défini, comme l'indique la figure 4, par un dispositif à retard 63. Le commutateur D est semblable au commutateur C et comporte une file de transistors 65a à 65c branchés en série en même temps que des résistances 67a à 67c entre les bases et les collecteurs de ces transistors pour créer des chutes égales de tension aux bornes de ces transistors.. On peut associer au commutateur D des circuits semblables à ceux du commutateur C, pour augmenter les vitesses d'amorçage et de désamorçage. La séparation des blocs d'alimentation haute tension des deux commutateurs 27 et 28 du bloc d'alimentation basse tension est réalisée par des transformateurs comportant des redresseurs en pont dans leur secondaire afin d'obtenir les tensions d'alimentation continues nécessaires. Par conséquent, l'invention concerne un ensemble de commutation iiltra-rapide spécialement adapté aux charges capacitives pour lesquelles la durée de la commutation est déterminée essentiellement par la constante de temps LXC du circuit de commutation. Par ailleurs, ce dispositif de commutation égalise les durées de commutation dans les deux sens de commutation." Etant d.on-né sa grande rapidité, ce dispositif de commutation convient particulièrement pour les chromoscopes. Etant donné que tous ces commutateurs fonctionnent alors qu'ils sont traversés par un courant nul, la dissipation de puissance (haute tension) est réduite au minimumjce qui autorise des fréquences de commutation élevées . 72 15562 8 2135581 Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre purement indicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra lui apporter toutes modifications de détail conformes à son esprit sans sortir de son cadre. 72 15562 2135581 KEVEXDIC ATX ONS . 1.- Cii'cuit cle commutation ultra-rapide pour charge capacitive, caractérisé en ce qu'il comprend deux sources unidirectionnelles de tension, égales en valeurs absolues; deux interrupteurs ou commutateurs, dénommés ci-après "commutateurs", destinés à coupler sélectivement ladite charge capacitive à l'une ou l'autre desdites sources de tension, l'une desdites sources étant couplée à ladite charge avec une polarité opposée à celle de ladite autre source, des éléments établissant un circuit électrique entre ladite charge capacitive et lesdites sources de tension, ces éléments comprenant une inductance réagissant au courant passant dans ledit circuit pour engendrer une tension de signe opposé à celle emmagasinée dans ladite charge capacitive et deux commutateurs qui ferment ledit circuit électrique et sont commandés par l'ouverture des deux commutateurs de ladite paire. 2.- Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites paires de commutateurs comporte plusieurs transistors branchés en série entre lesdites sources de tension et la charge. 3.- Circuit selon la revendication 2j caractérisé en ce que chacun desdits transistors est associé à une résistance branchée entre le collecteur et la base pour répartir également les tensions aux bornes de ces ti'ansistors, k.- Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits transistors de commutation destinés à fermer ledit circuit électrique comportent un premier et un second groupe de transistors brasichés en série, destinés à laisser passer respectivement des courants de sens opposés^ et une première et une se- S'wtî? S conde diode parallèles /leedits transistors sont destinées à. lais ser passer respectivement un courant avec un sens de passage opposé à celui des ti^ansistors associés branchés en série. 5.- Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite charge capacitive est un tube à rayons cathodiques. 6.- Circuit de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commutation additionnel identique, et les deux circuits agissent sur un dispositif d'affichage à tube à l'ayons cathodiques à grille, dans lequel le tube est d'un modèle qui modifie les caractéristiques des luminophores par variation de sa tension anodique, la charge capacitive d'un desdits circuits de commutation étant l'anode dudit tube, 72 15562 10 2135581 et ledit dispositif comprend une source de haute tension modulée et régulée qui est raccordée à la cathode dudit tube et est modulée par l'autre circuit de corunutation pour lequel il assume la fonction de charge capacitive.