Brevet FR2179666A1 — publié le 19731123

L'invention se rapporte à un capteur linéaire à isolement galvanique pour la mesure de grandeurs électriques. Les mesures de grandeurs électriques en courant continu ou à faible fréquence, et en particulier les mesures de différence de potentiel , ont toujours posé de gros problèmes de potentiel commun entre le point de mesure et l'appareil de mesure, celui-ci s' alimentant bien souvent à la même source d'énergie que le circuit à mesurer On connaft actuellement plusieurs sortes de dispositifs permettant d'obte nit un isolement adéquat pour de telles mesures. L'isolement recherché entre le capteur et l'appareil de mesure se réalise fréquemment actuellement, par des dé coupeurs électroniques, mieux connus sous le nom de "chopperr'. a obtient une bonne isolation de la tension d'entrée par rapport à la tension de sortie à l'aide du découpage permanent de la tension d'entrée à une fréquence fixe déterminée appelée "fréquence de découpage La fréquence de découpage, en général de quelques kilohertz, impose la bande passante, donc le temps de réponse. La valeur de ce dernier, tout-àfait moyenne, peut s'avérer parfaitement insuffisante pour des usages parti cuviers. la gamme de tensions de ce genre de capteur, s'étend de leur seuil à quelques dizaines de volts. Ce seuil, de part et d'autre du zéro, dont la valeur de tension est égale à quelques cent aines de millivolts, donne à ce genre de dispositifs une zone autour de son zéro trop grande et extrêmement gênante pour la mesure de tension faible, telle que celle apparaissant aux bornes d'un shunt. n est évidemment possible de réduire ce seuil en amplifiant les très faibles tensions d'une valeur constante avant de les traiter par le découpeur, mais ceci conduit vite à un schéma assez complexe eifrafnant des règlages supplémentaires et augmentant notablement le prix de revient de l'ensemble. D'une manière générale, ces découpeurs, de par leur structure, entravent une construction difficile ainsi qu'une mise au point délicate. De plus, des problèmes techniques de réassemblage de la tension après découpage et de suppression de résiduelle par filtrage après passage en tension continue, lui feront préférer d'autres transducteurs de conception et de réalisation très simples. Une récente réalisation existante utilise un capteur à effet Hall. Les résul tats obtenus prouvent que l'ensemble est bien linéaire. Toutefois, l'utilisation de ce genre de dispositifs montre que les règlages pour l'obtention d'un bon t'zéro ' sont extrêmement délicats. Il s'agit, en particulier, de trouver la ligne neutre de la plaquette constituant le capteur. Le capteur de la présente invention vise à pallier les inconvénients des différentes réalisations existantes. A cet effet, l'invention se rapporte à un capteur linéaire pour la mesure de grandeurs électriques caractérisé en ce qu'il comporte deux voies, d'une part, une chaire d'amplification et d'autre part, une boucle de contre-réactinn entre la sortie de la chaise d'amplification, et un amplificateur-sommateur admettant au moins à son entrée le signal du capteur et celui de la boucle de contre-réaction, chaque voie possédant en série un dispositif d'isolement optoélectronique. Pour un prix de revient, pratiquement égal à celui des dispositifs existants, le capteur, selon l'invention, présente le maximum d'avantages quant à l'usage particulier pour lequel il est destiné. Tout d'abord, ce capteur présente l'isolation galvanique recherchée. C'est en changeant de forme d'énergie le long d'une chaise véhiculant une informas tion que 1' on peut le mieux se protéger contre les réactions et inter-réactions d'une partie aval sur une partie amont d'un circuit et inversement. Ensemble présente une grande stabilité du t'zéro" électrique. Au cours des essais, aucune dérive de 'zéro' n'a pu être constatée à température normale d'utilisation, ce qui laisse entrevoir une grande sécurité quant à la fidélité des mesures. Les variations éventuelles de temps sont autocompensées exactement dans les gammes de températures habituellement rencontrées. Ce capteur permet de mesurer des tensions dans une large gamme de valeurs depuis des tensions de l'ordre du millivolt jusqu'à des valeurs de quelques centaines de volts. La limitation de la bande passante ne provient que de la compensation en fréquence des amplificateurs opérationnels utilisés, et on peut augmenter cette dite bande passante en agissant sur cette compensation en fréquence. Les dispositifs d'isolement galvanique en eux-memes peuvent passer des foré~ quences relativement élevées. De plus, et il s'agit là d'un avantage important, le capteur présente une linéarité pratiquement totale sur toute l'étendue de la gamme des tensions mesurables à l'aide de celui-ci. Cette dernière qualité est particulièrement appréciable, car elle permet d'effectuer des mesures avec une meme bonne précision quel que soit l'ordre de grandeur de la tension à l'intérieur de la gamme couverte. L'invention sera bien comprise en se référant à la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma synoptique du capteur selon l'invention - la figure 2 est un schéma électrique illustrant un mode de réalisation du capteur selon l'invention. Gi se réfèrera aux deux figures simultanément. Les ensembles importants sont encadrés en pointillé -dans la figure 1. Le circuit de la figure 2 est donné ici à titre d'exemple. Le capteur selon l'invention comporte deux bornes d'entrée 1 et 2 respectivement supérieure et inférieure sur lesquelles se branche le circuit d'entrée d'un amplificateur-sommateur 3 à trois entrées. Cet amplificateur-sommateur 3 comprend un amplificateur opérationnel différentiel 4 compensé en fréquence à deux entrées. La première entrée 5 ou entrée positive de cet amplificateur est reliée à la borne 2 elle-meme reliée au zéro d'une première alimentation continue 6 à travers une résistance 7.La deuxième entrée 8 de cet amplificateur opérationnel ou entrée négative, est reliée, à un point commun 9, connecté respectivement à la borne 1 à travers une résistance 10, à un dispositif écrêter 11, constitué par exemple de deux diodes 12 et 13 montées tete bêche reliées toutes deux à la borne 2 et à une boucle de contre-réaction globale 14 comportant en série une résistance 14a et un montage d'isolement. A ce point commun 9 aboutissent également une boucle de contre-réaction partielle formée d'un condensateur 15 et finalement une boucle résistive de contre-réaction de l'amplificateur opérationnel 4 lui-même, constituée de la sortie vers l'entrée, de deux résistances fixes 16 et 17 et d'une résistance variable 18 montées en série. Cet amplificateur se trouve alimenté en tension continue aux pôles positif et négatif de la première alimentation continue 6, branché également à un premier circuit d'attaque 19 formé de deux transistors complémentaires 20 et 21 montés en montage push pull et reliés par leur base commune à la sortie de l'amplificateur opérationnel 4 à travers une résistance 22. Les émet- teurs reliés entre-eux de ces deux transistors complémentaires 20 et 21 constituent la sortie 23 de ce circuit d'attaque 19, Ceux-ci se trouvent reliés d'une part à une borne du condensateur 15 et d'autre part à deux photodiodes 24 et 25, montés en tête bêche et se refermant sur un point 26 relié au zéro de l'alimentation 6 par une résistance 27 et à la sortie de l'amplificateur opérationnel 4 à travers la résistance 16.Cet ensemble de diodes constitue un circuit émetteur 28 émettant soit par la photodiode 24, soit par la photodiode 25, selon le sens de la tension ou du courant d'entrée du capteur, vers un ensemble récepteur 29 constitué de deux phototransistors 30 et 31 reliés en sens inverse à travers deux résistances identiques 32 et 33 au zéro d'une deuxième alimentation 34 > leurs électrodes libres étant raccordées respectivement aux pôles positif et négatif de la deuxième alimentation 34. L'émetteur du phototransistor 30 et le collecteur du phototransistor 31 se trouvent reliés à un point commun 35 respectivement à travers une résistance fixe 36 d'une part, et une résistance fixe 37 montée en série avec une résistance variable 38 d'autre part. L'ensemble décrit précédemment depuis le circuit attaque jusqu'au circuit de réception constitue un ensemble 39 d'isolation galvanique que nous retrouverons en série dans la boucle de contre-réaction globale 14 dont on parlera plus loin. Le montage des résistances 32, 33, 36, 37 et 38 constitue l'ensemble sommateur - d'un amplificateur-sommateur 40 de même structure que le pré~ cèdent, son entrée négative n'étant pas reliée à l'extrémité de la chaine de contre-réaction globable 14. Ce montage est constitué d'un amplificateur opérationnel 4a de préférence identique à l'amplificateur 4. Les éléments homologues porteront le même numéro augmenté de l'indice a. Les potentiels continus positif et négatif et le 'zéro ' sont reliés aux différentes bornes de la deuxième alimentation 34. Un deuxième circuit d'attaque 19a se trouve relié de la même façon à un deuxième ensemble émetteur 2 8a semblable au premier et constituant avec le deuxième ensemble récepteur 29a un ensemble d'isolement galvanique 39a.Le circuit d'attaque et l'ensemble émetteur sont alimentés à la deuxième alimentation 34 tandis que l'ensemble récepteur 29a est alimenté à la première alimentation continue 6. La sortie du dernier montage amplificateur-sommateur 40 au niveau du point commun 26a se trouve conne c- tée à travers une résistance 41 à un amplificateur d'adaptation 42, compensé en fréquence, monté en amplificateur à gain variable par une chaine de contre- réaction 43 comprenant en série une résistance variable 44 et une résistance fixe 45. Cet amplificateur opérationnel 42 est alimenté en tension continue par la deuxième alimentation 34. Son entrée positive est connectée au "zéro" de cette alimentation 34 à travers une résistance 46. La sortie de cet amplifi cateur 42 constitue la sortie du capteur qui se fait sur une borne 47. On peut remarquer qu'aux différents étages de la voie principale les composants de celle-ci sont alimentés respectivement par la première alimentation 6 et par la deuxième alimentation 34. Ceci est vrai également pour l'alimentation des composants du second ensemble d'isolation galvanique 3 9a inclus dans la boucle de contre-réaction globale 14. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, il est bien entendu qu'elle n'y esttullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications de formes et de matériaux sans pour cela s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention. Revendications 1) Capteur linéaire pour la mesure de grandeurs électriques > caractérisé en ce qu'il comporte deux voies, d'une part, une chaine d'amplification comprenant en particulier un amplificateur-sommateur 3 à plusieurs entrées et, d'autre part, une boucle de contre-réaction 14 branchée entre la sortie 26a de la chaste d'amplification et une entrée de l'amplificateur-sommateur 3, chaque voie possédant en série un montage d'isolement optoélectronique 39 et 39a. 2) Capteur selon la revendication 1 > caractérisé en ce que les montages d'isolement optoélectroniques 39 et 39a se composent chacun d'un circuit d'attaque, formé par deux transistors complémentaires montés en push pull, d'un ensemble émetteur lumineux, constitué par exemple de deux photodiodes montées tête bêche > d'un ensemble récepteur lumineux réalise, par exemple à l'aide de phototransistors raccordés aux résistances d'entrée des amplificateurs-sommateurs 3 et 40. 3) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différents étages et montages sont alimentés en tension continue par deux alimentations 6 et 34 > chaque étage ou montage situé de part et d'autre de l'isolement galvanique, étant raccordé à une alimentation différente. 4) Capteur selon la revendication 1 > caractérisé en ce que le montage d'isolement optoélectronique 39 est placé entre deux étages amplificateurs dont les éléments actifs sont des amplificateurs opérationnels 4 et 4a et en ce que le montage d'isolement optoélectronique 39a est inséré en série dans la boucle de contre-réaction globale 14.