Brevet FR2193283A1 — publié le 19740215

La présente invention concerne les convertisseurs de ùou- rant électrique, et plus pécisément, les convertisseurs de courant a transistors synchronisables. I1 existe un convertisseur de courant à transistors synchronisable utilisant quatre transistors montés en pont, la résistance de charge étant insérée dans la diagonale. Les transistors sont commandés par les bases à l'aide de moyens de commande autonomes dont l'un est attaqué par l'impulsion de synchronisation. Dans ce convertisseur de coursant, les moyens autonomes destinés à commander les transistors synchronisables montés en pont sont réalisés sous la forme de dispositifs interdépendants qui comportent des capacités de charge, des éléments à semi-conducteurs et des transformateurs contrôlant la charge des capacités, l'un desdits dispositifs étant attaqué par des impulsions de commande convenablement déphasées fournies par une source extérieure. Le convertisseur de courant, dont les moyens de commande autonomes sont réalisés de cette façon, présente un certain nombre d'inconvénients tels que : les circuits de synchronisation sont trop complexes, la fréquence de conversion dépend des constantes de temps des circuits de capacités de charge, la fréquence de conversion ne peut pas être réglée dans de larges limites lors du fonctionnement du convertisseur. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients énumérés. La présente invention a pour tache de réaliser un convertisseur de courant transistors synchronisable dont les circuits de commande permettent d'obtenir une fréquence de conversion indépendante des valeurs des éléments constitutifs du montage et la possibilité d'un réglage continu et dans de larges limites de cette fréquence de conversion au cours du fonctionnement du convertisseur, permettant aussi d'améliorer la stabilité de l'amplitude du courant converti. Le problème posé est résolu du fait que, dans le convertisseur de courant à transistors synchronisable comportant quatre transistors montés en pont, avec la charge insérée dans la diagonale, les transistors étant commandés par les bases à l'aide de moyens de commande autonomes en faisant agir une impulsion de synchronisation sur l'un d'eux, selon l'invention, les cir cuits autonomes servant à commander les transistors montés en pont sont réalisés sous la forme de trois bascules d-transistors dont deux bascules commandent deux transistors utilisés dans le montage en pont et couplés-par leurs collecteurs, de manière- que l'émetteur d'un des transistors constituant les-bascules soit relié à la base du transistor correspondant utilisé dans le montage en pont, tandis que le collecteur de l'autre transistor des bascules est relié aux sources autonomes alimentant ces bascules la troisième bascule alimentée depuis une source autonome commande les deux autres transistors du montage en pont reliés par leurs émetteurs et dont les bases sont réunies aux émetteurs des transistors correspondants de la bascule tandis que les collecteurs sont reliés, par l'intermédiaire des condensateurs, aux bases des transistors correspondants des deux autres bascules, ces derniers transistors ayant leurs collecteurs branches aux sources d'alimentation autonomes de ces bascules. Le convertisseur de courant à transistors synchronisable proposé est destiné à la conversion de courant continu en courant alternatif et inversement. I1 est caractérisé par la stabilité de la fréquence de conversion en fonction des variations du courant de charge et de la nature de la charge, par une plus large gamme de fréquence de conversion et par la possibilité de régler dans de larges limites la fréquence de conversion au cours de son fonctionnement. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description de versions concrètes de réalisation et par les dessins annexés qui représentent - la figure 1, le schéma synoptique du convertisseur de courant à transistors synchronisable, conforme à l'invention; - la figure 2, le schéma de principe électrique du convertisseur de courant à transistors synchronisable proposé - la figure 3, le schéma synoptique du convertisseur de courant proposé, utilisé comme générateur de précision de courant et de tension rectangulaires - la figure 4, les diagrammes des impulsions de synchronisation de commande et des courants de charge pour le cas d'utilisation du convertisseur proposé comme générateur de précision de courant et de tension rectangulaires - la figure 5, le même diagramme pour le cas d'utilisation du convertisseur proposé comme redresseur à deux alternances à angle de passage réglable - la figure 6, le même pour le cas où la charge est insérée dans la diagonale CD du montage en pont et une tension alternative à la fréquence des impulsions de synchronisation, très grande par rapport à la fréquence du courant de charge redressé, est appliquée à la diagonale AB - la figure 7, le même pour le cas où la charge est insérée dans la diagonale AB et la tension alternative est appliquée à la diagonale CD - la figure 8, le même pour le cas où la fréquence des impulsions de synchronisation est très grande par rapport à la fréquence du courant alternatif de la charge. Le convertisseur de courant à transistors synchronisable comporte une résistance de charge 1 (fig. 1) insérée dans la diagonale AB d'un montage en pont constitué de quatre transistors I, II, III et IV commandés par des bascules 2, 3 et 4 avec des sources d'alimentation autonomes 5, 6 et 7 en courant continu (dans le but de clarification de l'exposé les sources 5, 6 et 7 sont représentées sur le dessin sous forme de blocs distincts). Lorsque les transistors I et III sont dans l'état conducteur et les transistors II et IV sont dans l'état bloqué, le courant I parcourant la charge 1 branchée dans la diagonale AB du montage en pont et circulant dans le circuit DABC, sous l'effet de la batterie 8 dont le pôle positif est relié au point NC n et le pôle négatif au point "D", change son sens par rapport au cas où les transistors I et III sont bloqués et les transistors II et IV sont conducteurs. Pour assurer la commande et la synchronisation du déblocage et du blocage des transistors I, II, III et IV, on fait agir, sur la bascule 4 qui commande le couple de transistors III et IV, des impulsions de synchronisation provenant d'une source (non représentée sur la figure) et ayant une amplitude et une durée appropriées. La fréquence de ces impulsions de synchronisation est réglable dans de larges limites. Pour permettre la synchronisation par paires et simultanée des transistors I, II, III et IV montés en pont, la bascule 4 est reliée à travers des condensateurs 9 et 10 aux bascules 2 et 3. Une telle connexion permet le blocage et le déblocage alternatifs des couples de transistors I, III et II, IV tout en assurant un découplage électrique en courant continu entre les bas cules de commande 2, 3 et 4 entre leurs sources d'alimentation 5, 6 et 7. Le schéma de principe électrique du convertisseur de courants à transistors synchronisable proposé qui est construit conformément à son schéma synoptique comporte les transistors III et IV (fig. 2) couplés par émetteurs et commandés par la bascule 4 mettant en oeuvre des transistors 11 et 12. Les collecteurs des transistors 11 et 12 sont reliés par l'intermédiaire des résistances 13 et 14 au pôle négatif de la source d'alimentation des collecteurs faisant partie de la source autonome 7 alimentant la bascule 4. Les bases des transistors 11 et 12 sont reliées par l'intermédiaire des résistances 15 et 16 au pôle positif de la source de polarisation des bases qui fait aussi partie de la source 7 autonome d'alimentation. Les émetteurs des transistors 11 et 12 sont reliés au pôle positif de la source de polarisation des bases. Le collecteur du transistor 11 est relié par la résistance 17 à la base du transistor 12, tandis que le collecteur du transistor 12 est couplé, par l'intermédiaire de la résistance 18, à la base du transistor 11. Le point commun à la source d'alimentation des collecteurs et à la source de polarisation des bases est relié au point C de la diagonale du montage en pont. Le couplage entre les transistors III et IV utilisés dans le montage en pont et la bascule 4 est obtenu grâce à la connexion des bases des transistors III et IV aux émetteurs des transistors 12 et 11 de la bascule 4. La commande de la bascule 4 est effectuée à l'aide d'une impulsion de synchronisation qui est appliquée à travers des diodes semi-conductrices 19 et 20 dont les cathodes sont reliées respectivement aux bases des transistors 12 et 11. Les transistors I et II montés en pont et couplés par collecteurs sont commandés par les bascules 2 et 3. La bascule 2 est constituée de transistors 21 et 22. L'émetteur du transistor 22 est relié à la base du transistor I du montage en pont tandis que l'émetteur du transistor 21 est connecté au point commun à la source d'alimentation des collecteurs et à la source de polarisation des bases qui font partie de la Source autonome 5 alimentant la bascule 2. Le montage de la bascule 2 comporte aussi des résistances 23, 24, 25, 26, 27 et 28. La bascule 3 utilise des transistors 29 et 30 et comporte des résistances 31, 32, 33, 34, 35 et 36 montées dans les circuits de collecteurs et de bases desdits transistors 29 et 30,de la même façon que dans les circuits des transistors des bascules 2 et 4. L'émetteur du transistor 29 est relié à la base du transistor II du montage en pont, tandis que l'émetteur du transistor 30 est connecté au point commun de la source d'alimentation des collecteurs et de la source de polarisation de bases constituant la source autonome 6 alimentant la bascule 3. Une particularité caractéristique du convertisseur considéré réside dans l'emploi des condensateurs de blocage 9 et 10 qui excluent la possibilité d'un déblocage simultané des transistors constituant la même branche du montage en pont. Ces condensateurs de blocage 9 et 10 assurent la fiabilité de fonctionnement du convertisseur. Ils sont montés entre les collecteurs des transistors 11 et 12 de la bascule 4 et les bases des transistors 21 et 30 utilisés dans les bascules 2 et 3. Le convertisseur de courant à transistors synchronisable proposé peut remplir différentes fonctions suivant la nature de la tension (continue ou alternative), appliquée aux diagonales du pont suivant la diagonale à laquelle est appliquée cette tension et suivant la fréquence des impulsions de synchronisation utilisées pour la commande des transistors I, II, III et IV. Lorsque la diagonale CD du pont est alimentée sous une tension continue et la charge 1 est insérée dans la diagonale AB, il est avantageux d'employer le convertisseur proposé en qualité de générateur de précision de courant et de tension rectangulaires. Pour assurer une haute précision et une haute stabilité de la période du courant rectangulaire obtenu dans la charge 1 lors de la commutation des transistorsI, II, III et IV constituant le montage en pont à l'aide des impulsions de synchronisation, on utilise comme source de ces dernières un oscillateur à quartz 37 (fig.9) relié à la bascule 4 par l'intermédiaire d'un diviseur de fréquence 38. La précision de la période du courant de forme rectangulaire obtenu dans la charge 1 est déterminée dans ce cas par la stabilité de fréquence de l'oscillateur à quartz 37. Pour pouvoir régler et mesurer l'amplitude du courant dans la charge 1 on a introduit dans le générateur un circuit comprenant une résistance étalon 39 mise en série avec la résistance variable 40 et une pile normalisée 41 montée en dérivation avec ce circuit et ayant son pâle positif relié au pâle positif de la batterie 8. Le point milieu des résistances 39 et 40 est relié à travers un galvanomètre indicateur de zéro 42 au pâle positif de la vile normalisée 41 dont le pâle négatif est connecté au point C de la diagonale du pont. Le principe de fonctionnement du convertisseur proposé est le suivant. Considérons, par exemple, l'état lorsque les transistors II et IV (fig.2) sont conducteurs et les transistors I et III sont bloqués. Lorsqu'une impulsion positive de synchronisation injectée à travers les diodes 19 et 20 dans les bases des transistors 11 et 12 de la bascule 4, qui est débloquée en même temps que l'est le transistor IV, assure le blocage du transistor 11 et, en même temps, le déblocage du transistor 12 (et du transistor III), une impulsion négative provenant du collecteur du transistor 11 est appliquée par l'intermédiaire du condensateur 11 à la base du transistor 30, en le débloquant et, par conséquent, en bloquant le transistor 29 et le transistor II. L'impulsion positive du collecteur du transistor 12 attaque, à travers le condensateur 9, la base du transistor 21 en provoquant son blocage et, par conséquent, le déblocage du transistor 22 et du transistor I. Un saut de potentiel négatif qui se produit au point A et dans l'émetteur du transistor 21 lors du blocage du transistor IV, étant donné que la base du transistor 21 continue à être à travers le condensateur 9, à un potentiel "zéro" pendant l'impulsion, favorise aussi le blocage du transistor 21 et le déblocage du transistor 22 et du transistor I, en rendant plus stable le nouvel état du montage en pont. De la même façon, un saut de potentiel positif, qui se produit au point B et dans l'émetteur du transistor 30 lors du déblocage du transistor III, provoque le blocage du transistor II. Lorsqu'une impulsion de synchronisation suivante arrive, toutes les étapes de fonctionnement du convertisseur se répètent à cette différence près que les bascules 2,3 et 4 fonctionnent en sens inverse et la polarité des impulsions de blocage se trouve inversée. Pour assurer une égalité rigoureuse des courants direct et inverse |+I \+I -1\ dans la diagonale AB du pont, les transis- tors I, II, III et IV sont choisis de manière à présenter la même résistance directe. En même temps, le régime de fonctionne ment des transistors I, II, III et IV et des bascules de commande 2, 3 et 4 est réglé de façon que il .J3 I i2 où i1 est le courant de base du transistor, i2 est le courant de collecteur etp est le gain en courant. Un tel régime permet d'avoir un courant dans le montage en pont qui ne varie que très peu en cas de fluctuations de la tension de polarisation de bases. Le fonctionnement du convertisseur de courant qui vient d'être décrit est analogue à son fonctionnement comme générateur de précision de courant et de tension. La seule différence tient à ce que pour assurer une haute précision et une stabilité élevée de la période de courant de forme rectangulaire obtenu dans la charge 1 (fig.3), on emploie un oscillateur à quartz 37 branché à la bascule 4 par l'intermédiaire d'un diviseur de fréquence 38 et on introduit un circuit constitué par une résistance étalon 39, une résistance variable 40, un galvanomètre indicateur de zéro 42 et une pile normalisée 41. Lorsque la tension aux bornes de la pile normalisée 41 est égale à la chute de tension développée par le courant I dans la résistance 39, le galvanomètre 42 accusera une déviation nulle. Ainsi, en utilisant la résistance variable 40, on peut régler l'intensité du courant parcourant la charge 1 avec une précision avec laquelle est définie la tension de la pile normalisée 41, ce qui constitue une valeur de l'ordre de 0,01%. Dans le cas où les résistances 1, 39 et 40 sont représentées par des résistances de précision et où l'on réalise la condition pour laquelle la résistance directe de chacun des transistors I, II, III et IV à l'état conducteur est inférieure à la somme des résistances 1, 39 et 40, une telle précision de réglage de l'amplitude du courant rectangulaire I dans la charge 1 est pratiquement réalisable. Lorsque le générateur schématisé à la figure 3 est utilisé comme générateur de tension, il y a intérêt à réaliser sa charge 1 sous la forme d'un atténuateur à décades de façon que la tension de sortie soit réglable par gradins dans les limites de zéro jusqu'à une valeur égale au produit du courant I par la résistance de charge 1. Comme il a été déjà dit, le convertisseur de courant à transistors synchronisable proposé peut remplir différentes fonctions suivant la nature de la tension (continue ou alternative) appliquée aux diagonales du montage en pont, la diagonale à laquelle cette tension est appliquée et la fréquence des impulsions de synchronisation utilisées pour commander le fonctionnement des transistors I, II, III et IV. Lorsqu'une tension continue est appliquée à la diagonale CD du montage en pont du convertisseur schématisé à la figure 3 et qu'une charge est insérée dans la diagonale AB, on prélève à cette dernière des impulsions de courant rectangulaires dont le diagramme ainsi que celui des impulsions de synchronisation servant à la commande des transistors est donné à la figure 4 (les impulsions sont représentées suivant l'axe de temps t). Le fonctionnement du convertisseur dans cette variante a été décrit plus haut. Si l'on applique à la diagonale AB du montage en pont une tension alternative, une charge étant montée dans la diagonale CD, l'alternance positive de cette tension pourra passer pendant l'un des états des transistors et I'alternance négative pendant l'autre état. Si les transistors sont permutés à la fréquence de la tension alternative alimentant la diagonale AB du pont et si le déphasage est nul, les deux alternances passeront vers la résistance de charge. Si le déphasage est égal à 1800, le courant dans la charge sera nul. On voit donc que dans cette variante de branchement le convertisseur proposé fonctionne en redresseur à deux alternances à angle de passage réglable. Les diagrammes des impulsions de synchronisation servant à la commande des transistors et les diagrammes du courant de charge obtenu avec un tel convertisseur sont représentés à la figure 5. Comparé à des montages à thyristors généralement employés à cette fin, le convertisseur proposé aura un rendement plus élevé puisque la résistance directe d'un transistor est inférieure à la résistance directe d'un thyristor équivalent en courant. Une autre version de fonctionnement du convertisseur est possible, quand la charge est placée dans la diagonale CD du pont et que la tension alternative est appliquée à la diagonale AB, mais la fréquence des impulsions de synchronisation étant beaucoup plus grande que la fréquence du courant redressé obtenu dans la résistance de charge. Dans ce cas, on obtient aux bornes de la charge de courtes impulsions de courant modulées par la tension alternative agissant sur la diagonale AB. Le diagramme de ces impulsions et le diagramme des impulsions de synchronisation sont représentés à la figure 6. Lorsque la tension alternative est appliquée à la diagonale CD du montage en pont et que la charge est branchée dans la diagonale AB, la charge ne sera parcourue que par une seule alternance du courant redressé, indépendamment de l'état dans lequel se trouvent les transistors montés en pont. Le sens du courant dans la charge (les diagrammes correspondants sont représentés à la figure 7) dépendra alors du couple de transistors se trouvant dans l'état conducteur. Si la fréquence de permutation des transistors est nulle ou très basse, le convertisseur fonctionnera comme un redresseur à une alternance et la polarité du courant dans la résistance de charge changera avec l'arrivée des impulsions de synchronisation suivantes (fonctionnement en redresseur inverseur). Si, dans la variante de branchement décrit plus haut, la fréquence des impulsions de synchronisation est beaucoup plus grande que la fréquence du courant alternatif, le convertisseur fournira à la charge des "trains" d'ondes sinusoidales comme montré par les diagrammes du courant de charge et des impulsions de synchronisation sur la figure 8. Le convertisseur de courants à transistors synchronisable proposé peut être également utilisé en qualité d'onduleur permettant d'obtenir à partir d'un courant continu des courants alternatifs de fréquence réglable dans de larges limites, pour trouver des emplois dans les dispositifs de mesure de courants, dans les installations de chauffage à haute fréquence et dans les installations électriques de puissance. Le convertisseur peut être aussi utilisé comme redresseur à deux alternances à angle de passage réglable, pour le réglage sans contact de la puissance des appareils de chauffage électriques et des moteurs électriques à collecteur ; comme redresseur inverseur à une alternance, dans la commande électrique et dans l'automatique ; comme générateur de trains d'ondes modulées, dans la technique des mesures radioélectriques et dans la radiotélégraphie ; comme générateur de précision de courant et de tension rectangulaires pour l'étalonnage d'équipements radio-électriques d'usages spéciaux. Grâce à ces particularités, le convertisseur de courants à transistors synchronisable proposé offre, par rapport aux dispositifs connus adoptés pour des applications analogues, les avantages suivants : la stabilité de la fréquence de conversion vis-à-vis des variations du courant de charge et de la nature de charge, une gamme de fréquences d'utilisation plus large, la possibilité de régler continuellement la fréquence dans de larges limites lors du fonctionnement du convertisseur comme convertisseur continu-alternatif, un réglage séparé aussi bien de l'angle d'allumage que de l'angle d'extinction, un rendement en énergie plus élevé lors du fonctionnement en redresseur à deux alternances ; une puissance utile plus élevée (un haut rendement) en cas de fonctionnement comme générateur de trains d'ondes modulées une plus haute précision (d'un ordre de grandeur) des paramètres de la tension de sortie lors du fonctionnement comme générateur de précision de tension rectangulaire. Un prototype du convertisseur de courants à transistors synchronisable utilisé comme générateur de précision de tension rectangulaire présente les performances suivantes : la précision en durée de la période de la tension rectangulaire : 0,012 ; la précision en amplitude de la tension rectangulaire : 0,01% ; le rendement en régime de générateur de courant alternatif : 80%. En outre, il permet d'obtenir des impulsions de tension rectangulaires à frcnts plus raides, une plus forte amplitude du courant de chargF et une gamme considérablement plus large des fréquences engendrées. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATION Convertisseur de courant à transistors synchronisable, comportant quatre transistors montés en pont avec une charge dans la diagonale du pont, les transistors étant commandés suivant les bases à l'aide de moyens de commande autonomes dont l'un est actionné par une impulsion de synchronisation, caractérisé par le fait que les moyens autonomes destinés à commander les transistors montés en pont sont réalisés sous forme de trois bascules à transistors dont deux bascules commandent deux transistors liés par collecteurs dans le montage en pont, l'émetteur d'un des transistors de bascules étant relié à la base du transistor correspondant du pont, le collecteur de l'autre transistor de bascules étant branché aux sources autonomes d'alimentation desdites bascules, tandis que la troisième bascule alimentée par une source autonome commande les deux autres transistors du pont reliés par émetteurs et ayant leurs bases reliées aux émetteurs des transistors correspondants de la bascule dont les collecteurs sont reliés, par l'intermédiaire de condensateurs, aux bases des transistors correspondants des deux autres bascules, dont les collecteurs sont connectés aux sources autonomes d'alimentation de ces bascules.