Brevet FR2175153A1 — publié le 19731019

L'invention concerne un appareil électrique, et plus particulièrement un appareil permettant d'obtenir une commande de gain précise d'un moyen de transfert de signaux. L'invention peut s'étendre à l'utilisation avec des signaux de fréquence faible, très faible ou nulle, et peut s'appliquer à des instruments. Il est difficile derealiser des étages de transfert de signaux permettant d'obtenir un transfert de signaux,ctest-à-dire un gain précis et stable. Un gain stable est obtenu par un amplificateur å contreréaction, et dépend généralement de la stabilité du rapport des résistances ou impédances de réaction, parmi d'autres facteurs, et l'expérience montre qu'une stabilité élevée de ces rapports est difficile d obtenir et à maintenir avec des signaux de fréquence faible ou très faible, ou des signaux comportant une composante en courant continu, le problème étant dans ce cas encore plus aigu. Des amplificateurs écrêteurs peuvent Etre utilisés pour ces signaux, mais l encore ltobtention de la stabilité est très difficile. L'invention propose un appareil de transfert de signaux dans lequel on utilise un élément d'équilibrage inductif. Le gain de l'appareil est commandé par le rapport des tours des enroulements de l'élément inductif qui est de préférence un transformateur. Le gain du système est commandé pour établir une condition d'équilibre, dépendant du rapport des tours. Les signaux sont connités dans les circuits de l'6lément inductif.La sortie eSt obtenue b partir du courant commandé dans un enroulement de l'élément inductif. Plus précisément, l'invention propose un étage de transfert de signaux donnant un transfert des signaux précis, comportant un transformateur avec un premier enroulement, un second enroulement et un troisième enroulement, un moyen pour appliquer un signal au premier enroulement, un amplificateur, un moyen pour appliquer un signal depuis le second enroulement A l'entrée de l'amplificateur, un moyen pour appliquer la sortie de l'amplificateur au troisième enroulement dans un sens tel qu'il a'oppose å l'effet du signal d'entrée applique au premier enroulement, un moyen de commutation synchronisé, associé au premier et au troisième enroulement, et un circuit de sortie alimenté å partir du troisième enroulement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, donnée uniquement a titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma de circuit d'un dispositif de commande du gain des signaux; - les figures 2 9 5 sont des schémas de circuits d'autres formes de dispositifs de commande de gain; - la figure 6 est un schéma de circuit plus complet d'un système à gain variable; - la figure 7 est un schéma de circuit plus détaillé de certaines parties du circuit de la figure 6; et - les figures 8, 9 et 10 sont des modifications du montage de la figure 7. - la figure Il est une modification ddla figure 10. Dans le montage de la figure 1, un signal d'entrée est appliqué d l'enroulement 10 d'un élément inductif, représenté par un transformateur 11. Le transformateur comporte deux autres enroulements couplés 12 et 13. L'élément inductif comportant des enroulements couplés, il est convenable de l'appeler transformateur. L'enroulement 13 est relié à un amplificateur 14, du type amplificateur opérationnel, dont la sortie est appliquée b un détecteur synchrone 15; la sortie du détecteur passe par ltenroulement 12.Deux interrupteurs 16 et 17, de préférence des interrupteurs électroniques tels que des transistors å effet de champ 9 gâchette isolée, actionnés de façon synchrone par le détecteur 15, sont placés respectivement dans les circuits rentrée et de sortie, pour commuter les signaux dans les enroulements IO et 12. Dans un cas pratique, le courant du signal d'entrée peut être un signal dont la fréquence est comprise entre O et 1 Hz; les interrup teurs 16 et 17 peuvent fonctionner 200 Hz. Cependant, le circuit peut être utilisé avec des signaux å des fréquences plus hautes, plus particulièrement dans le cas où les signaux comportent une composante de fréquence faible ou nulle. Si le courant d'entré est I1 et le courant de sortie I2, et si N1 et N2 sont les nombres de tours respectifs des enroulements 10 et 12, le système sera équilibré et le détecteur 15 ne comportera pas d'entrée si I1 X N1 = I2 xN2 (1) Cette condition s'applique uniquement si l'amplificateur a un gain infini, mais avecunanpifioeteurigsntrèsélevé, tel qu'un amplificateur, opérationnel, la condition peut être atteinte dans la pratique. Si cette condition d'équilibre n'est pas obtenue, il existera un signal d'entrée déséquilibré de l'amplificateur 14, pour lequel l'amplificateur et le détecteur seront sensibles et modifieront f2 jusqu'à ce que la condition d'équilibre soit obtenue. La figure 2 est un montage similaire celui de la figure 1, mais comportant des filtres passe-bas 18 et 19. Les filtres représentés sont similaires et sont des filtres actifs; le filtre 18 comporte des résistances 20 et 21, un amplificateur opérationnel 22 et des éléments de réaction constitués de condensateurs 23 et 24 et d'une résistance 25. De cette façon, le système de la figure 2 fonctionne avec un signal plus continu. La figure 3 représente une autre modification du montage de la figure 1, dans lequel les interrupteurs 16 et 17 sont accompagnés d'interrupteurs supplémentaires 26 et 27 qui shuntent périodiquement les enroulements 10 et 12; lorsque l'interrupteur 26 est fermé, l'interrupteur 16 est ouvert et vice versa; lorsque l'interrupteur 27 est fermé, l'interrupteur 17 est ouvert et vice versa. Si les interrupteurs de sortie sont inversés en phase par rapport aux interrupteurs d'entrée, le signal d'entrée I1 x N1 fera circuler un flux magnétique dans le noyau du transformateur, tandis que l'enroulement d'entrée 10 sera mis en circuit et l'enroulement de sortie 12 hors circuit. Lorsque l'enroulementd'entrée 10 est mishors circuit et l'enroulement de sortie 12 en circuit, le système amplificateur tente de maintenir la condition d'équilibre correspondant au maintien du flux magnétique dans le noyau du transformateur à son niveau précédent, et si l'on suppose que le noyau du transformateur n'a pas été saturé, I2 x N2 doit autre égal à la valeur précédente de I1 x N1. L'équation de la figure 3 reste I1 xN1 = I2 x N2 (2) Les relations pour la figure 2 sont les suivantes : I1 = 1e x (T1 + T2)/ 1 I2 = I8 x (T1 + T2)/T2 (4) I1 X N1 = I2 X (5) T1 étant le temps pendant lequel I1 traverse 10, et T2 étant le temps pendant lequel 12 traverse 12. Par conséquent e x (T1 + T2)/T1 x N1 = Is x (T1 t;T2)/T2 x de façon que I X N1 X T2 = xN X N2 X T1 (6) e 1.2 s 2 1 La figure 4 représente un autre montage similaire å celui de la figure 1, mais qui diffère en ce que le courant d'entrée I1 et le courant de sortie I2 sont continus. L'enroulement d'entrée 10 est séparé en deux parties lOn et lOb, et l'enroulement de sortie 12 est séparé de façon similaire en deux parties 12a et 12b. Les deux interrupteurs 16 et~l7 branchent alternativement les parties d'enroulementsdans le circuit. La figure 5 est un montage similaire à celui de la figure 4, mais dans lequel il n'est pas besoin d'utiliser de détecteur synchrone, car on utilise un enroulement séparé l3a -et 13b, ainsi qu'un autre interrupteur actionné de façon synchrone 28. Les diverses caractéristiques des figures 1 à 5 peuvent être interchangées, ou utilisées en combinaison.- -Ces caractéristiques comportent le montage d'un ou de plusieurs enroulements tels que l3, de~maniere à déterminer et à corriger le déséquilibre du -rapport de transformation; une source de gain,telle que 14,suivie par un moyen de détection synchrone,tel que 15,qui peut comporter un autre étage de gain ou un sélecteur de phase synchrone, tel que l'interrupteur 28,suivi par un étage de gain; un ou plusieurs enroulementsAtels que 10, et un-montage de commutation du courant d'entrée, de manière que le courant passe par-un enroulement pour une partie du cycle de fonctionnement, et pour l'autre partie du cycle, le courant soit discontinu comme dans le cas de la figure-l, ou shunté- comme dans le cas de la figure 3, ou inversé comme dans le cas de la figure 4; un ou plusieurs enroulements, tels que 12, et unmoyt-ende modulation du courant de sortie, de manière que le courant passe par l'enroulement pour une partie du cycle de fonctionnement, et pour l'autre partie du cycle de fonctionnement, le courant soit discontinu comme dans le cas- de la figure 1, shunté comme dans le cas de la figure 3, ou inversé comme dans le cas de la figure 4. Une forme de l'invention est représentée sur la figure 6. Le circuit d'entrée comporte un filtre 30, avec un interrupteur d'entrée constitué par un transistor à effet de champ 9 gâchette isolée 31. Le transformateur 32 comporte un enroulement primaire en circuit 33, un enroulement de détecteur d'équilibre en circuit 34 alimentant l'amplificateur 35 et le détecteur 36, et un enroulement secondaire en circuit 37. La sortie du détecteur est appliquée à travers le transistor 9 effet de champ gâchette isolée 38 à l'enroulement 37. Les interrupteurs 39 et 40 sont actionnés ensemble. La sortie des enroulements 37 est filtrée par le filtre 41 et appliquée å travers l'aiplificateur 42 la sortie en 43. La figure 7 représente des détails des étages 35, 36 et 38 de la figure 6. Pour assurer une stabilité dynamique du système å boucle fermée, la relation entre la sortie et l'entrée doit présenter une caractE- ristique gain/fréquence convenable. Par exemple, avec les valeurs des composants de la figure 7, il faut que le rapport de R1 à R4 soit tel qu'un courant égal å approximativement 47 fois le courant de déséquilibre du rapport de transformation soit appliqué i travers le détecteur synchrone constitué des interrupteurs SA et SB aux condensateurs C2 et C3 Il n'est pas nécessaire de décrire en détail le circuit de la figure 7, ni les fonctions des composants individuels, sauf l'amplificateur opérationnel 709 qui fonctionne comme un amplificateur courant continu; le transistor Ql constitue une charge z courant constant pour les transistors Q2 et Q3, de manière que rentrée des transistors de commutation SA et SB soit une réplique de l'entrée de l'amplificateur. Les transistors Q4 et Q5 aux bornes X et Y fournissent la réaction en courant continu à l'amplificateur, et appliquent le signal au transistor de sortie Q7, pour lequel Q6 constitue la charge de collecteur. Sur la figure 7, le détecteur synchrone a deux sorties différentielles X et Y, le courant de sortie I2 étant proportionnel å (X-Y), Il est préférable que le courant d'alimentation de polarisation continu, proportionnel à (X+Y), soit appliqué à travers R5. L'interrupteur de charge SL conduit lorsque S2 est hors circuit, tandis que SL est hors circuit lorsque S2 est en circuit. L'interrupteur SL évite un mauvais fonctionnement mineur, i à la saturation de l'un ou l'autre des transistors de sortie lorsque S2 est hors circuit. La figure 8 est similaire d la figure 7 mais dans cette figure, I2 est proportionnel å X, et non pas à (X-Y), et l'alimentation de polarisation est proportionnelle à Y, et non i (X+Y). La figure 9 est similaire aux figures 7 et 8, mais diffère en ce que, au lieu que R1 et C2 appliquent le courant de réaction proportionnel à l'entrée du détecteur synchrone, détecté aux bornes de R4, l'alimentation du courant de réaction proportionnel aux sorties du détecteur synchrone est appliquée par R21, C21, R31 et C31, comme détecté aux bornes de R2, C2, R3 et C3. La figure 10 est similaire aux figures 7 à 9, mais diffère en ce que C21, C22, C31 et C32 appliquent le courant de réaction proportionnel aux sorties du détecteur synchrone, tel que détecté aux bornes de C2 et C3. Sur la figure 10, les transistors Q8, Q9 et Q10 remplacent l'amplificateur opérationnel 709. La figure 11 est une modification de la figure 10, représentant la façon dont le courant 12 peut être modulé sans insérer ltinterrup- teur S2 en série avec l'enroulement N2, en utilisant un autre transistor, commandé par une entrée en C, pour commuter les deux transistors de sortie. La figure 7 représente les formes d'ondes de commande A, B et C pour les quatre schémas. Etant donné les conditions non idéales, la forme d'onde B ne peut pas stadapter parfaitement à la forme d'onde A. Idéalement, SA est en circuit lorsque SB est hors circuit et vice versa. Ceci ne peut pas être obtenu facilement pour les transitions des formes d'ondes. Les eweursqepauvent se produire dues i un maintien hors circuit de SA pendant quelques microsecondes, lorsque SB est hors circuit, et vice versa, sont moins importantes que celles qui pourraient se produire si les états de mise en circuit pouvaient se chevaucher mème pendant une petite fraction de microseconde. Dans ce cas, C2 et C3 seraient momentanément court circuit Sur la base du circuit de la figure 6, un système a été produit avec une sortie comprise entre +100/ut et -100/uA, des erreurs gain/ linéarité d'environ 10 nA, correspondant à une erreur de 0,01X, et avec des interrupteurs permettant de sélectionner des rapports sortie/entrée de + 16; +8 ; +4; +2; +1; - 16; -8 ; -4; -2; -1. I1 va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Etage de transfert de signaux pour donner un transfert de signaux précis, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur avec un premier enroulement, un second enroulement et un troisième enroulement, un moyen pour appliquer un signal au premier enroulement, un amplificateur, un moyen pour appliquer un signal depuis le second enroulement à l'entrée de l'amplificateur, un moyen pour appliquer la sortie de l'amplificateur au troisième enroulement dans un sens tel qu'il s'oppose à l'effet du signal d'entrée appliqué au premier enroulement, un moyen de commutation synchronisé associé au premier et au troisième enroulement, et un circuit de sortie alimenté à partir du troisième enroulement. 2. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comporte un premier moyen de commutation associé au premier enroulement, un second moyen de commutation associé au second enroulement et un troisième moyen de commutation associé au troisième enroulement, le premier, le second et le troisième moyen de commutation étant actionnés de façon synchrone. 3. Etage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le troisième moyen de commutation est un détecteur synchrone. 4. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les interrupteurs sont disposés périodiquement pour interrompre les signaux dans le premier et le troisième enroulement. 5. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs premiers enroulements et plusieurs seconds enroulements, et en ce que les interrupteurs sont disposés périodiquement pour choisir divers premiers et seconds enroulements. 6. Etage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs troisiemes enroulements et des moyens de commutation disposés périodiquement pour choisir divers troisièmes enroulements. 7. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs premiers et seconds enroulements et un moyen de sélection pour permettre le choix de différents rapports de tours du premier et du second enroulement. 8. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commutation associé au premier enroulement est disposé périodiquement et alternativement pour appliquer le signal d'entrée à l'enroulement et pour shunter le signal autour de l'enroulement, et le moyen de commutation associé au troisième enroulement est disposé périodiquement et alternativement pour appliquer la sortie de l'amplificateur à l'enroulement et pour shunter le troisième enroulement.