Brevet FR2177440A1 — publié le 19731109

La présente invention concerne des perfectionnements aux dispositifs amplificateurs, utilisés pour compenser l'affaiblissement des lignes bifilaires aux fréquences téléphoniques, du type dit wquadripôles à impédances négatives et notamment aux systèmes d'alimentation de ceux-ci en énergie électrique. De tels amplificateurs sont connus dans l'art antérieur et sont utilisés couramment sur des lignes téléphoniques. L'une de leurs caractéristiques importantes est le mode selon lequel leur est fourni le courant d'alimentation. Principalement, deux méthodes se sont répandues l'une consiste à transporter, par câble séparé, le courant continu fourni par la source d'énergie. Cette méthode nécessite deux conducteurs distincts sur de grandes distances et son emploi a donc une forte incidence sur le prix de revient de l'installation. De plus, elle exige, pour certains élé- ments de l'amplificateur, ltemploi de composants spécifiques, assurant une séparation efficace entre les signaux téléphoniques et les courants d'alimentation.A cet effet, un moyen assez répandu consiste à utiliser un condensateur de liaison de forte capacité conjointement avec un transformateur. L'autre méthode peut s'appliquer aux cas où le courant continu peut circuler dans les conducteurs du circuit amplifié,par exemple une ligne d'abonne reliée à un central automatique, une partie de la puissance de ce courant étant alors prélevée pour les besoins de l'amplificateur. Un exemple d'une telle réalisation consiste à faire traverser un élément de l'amplificateur proprement dit par le courant d'alimentation, tandis que les courants téléphoniques amplifies empruntent un itinéraire séparé du précédent gracie à des inductances d'arrêt et à des condensateurs de liaison. En dehors du fait qu'ils compliquent et renchérissent les montages, les composants supplémentaires nécessaires selon ces deux méthodes sont d'un emploi souvent difficile car ils perturbent le passage à travers les amplificateurs de certains signaux, ceux de signalisation par exemple, dont les fréquences sont relativement basses.De plus, ces composants supplémentaires créent, la plupart du temps, des couplages électriques parasites, qui mettent en cause la stabilité de fonctionnement, d'où des risques dlauto-oscillation des circuits0 Enfin, il est fréquent que, par suite de la limitation nécessaire de leur nombre pour des raisons économiques, ces éléments entratnent des dissymétries longitudinales ou transversales sur les lignes de transmission, dissymétries nuisibles aux signaux téléphoniques, notamment en ce qui concerne l'influence des bruits et la diaphonie. La présente invention a pour objet un dispositif qui assure l'alimentation des éléments d'un quadripôle à impédances négatives à partir d'une source continue fournissant un courant à travers le circuit téléphonique amplifié, sans nécessiter de composants supple- mentaires tels quten particulier des bobines d'inductance d'arrêt ou des transformateurs de liaison, sans introduire de dissymétries longitudinale ou transversale du circuit téléphonique, et sans perturber la transmission des signaux de signalisation (par exemple signaux de commutation).Selon l'invention, un quadripôle à impédances négatives est caractérisé en ce qutil comporte un élément en dérivation ZB dont, d'une part les bornes d'utilisation sont confondues avec les bornes d'alimentation et qui, d'autre part, joue vis-a-vis du courant continu d'alimentation, dérivé entre les fils de la ligne amplifiée, le role de régulateur d'intensité de courant. Cet élément est donc placé en dérivation sur la ligne amplifiée et est constitué par un dispositif électronique dont la caractéristique de courant continu en fonction de la tension aux bornes présente une région où l'intensité du courant est peu sensible à la variation de la tension. De tels montages sont connus et réalisables par divers moyens, par exemple par des transistors ou bien à l'aide d'amplificateurs opérationnels. En dehors de la caractéristique ci-dessus mentionnée, le dispositif de régulation possède la propriété de fonctionner comme opposeur d'impédance, grâce à laquelle une impédance z, connectée entre des bornes particulières prévues à cet effet, fournit entre les bornes d'alimentation, qui sont aussi les bornes d'entrée du montage, une impédance Z = -Kz où K est un coefficient déterminé par les paramètres du montage et est, pour la bande des fréquences téléphoniques, et en première approximation, réel et plus grand que zéro. Indépendamment de ses propriétés de régulation, ce systome a été décrit par A.I. LÂRKY dans un article intitulé "Negative impedance Converters" publié dans la revue I.R.E. Transactions on Circuit Theory, Vol. CT-4, NO 3, septembre 1957 pages 124 à 131, ou dans l'article de L.P.HUELSMAN "A fundamental classification of negative immittance converters" paru dans IEEE International Convention Record, part. 7, mars 1965, pages 113-118. Les principes mis en oeuvre dans des réalisations conformes à l'invention permettent la constitution de quadripoles dégénérés, du genre dipôle à impédance négative du type dérivation, tels qu'une tension continue superposée à la tension des signaux téléphoniques reste utilisable pour l'alimentation du dipôle. L'élément z détermine les performances de l'amplificateur dans la bande téléphonique et, comme le courant consommé est sensiblement constant, quelle que soit, dans une large mesure, la tension d'alimentation à ses bornes, l'utilisation du dispositif, dont le fonctionnement et la consommation sont indépendants du choix de son point d'insertion sur la ligne, s'en trouve facilitée.La tension d'alimentation peut, sans inconvénients, & re appliquée au dispositif par 1'intermédiaire de moyens connus, tels qu'un pont d'alimentation à quatre redresseurs. --Le dispositif de l'invention permet aussi l'alimentation en courant continu régulé d'un dipôle du type série lorsqu'il n'est pas utile de profiter des qualités d'opposeur d'impédance de ce dispositif. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée donnée ci-après, faite avec l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la Fig. 1 montre le schéma d'un répéteur à impédances négatives de type connu; - la Fig. 2 montre le schéma d'un répéteur à impédance négative conforme à l'invention; - la Fig. 3 montre une réalisation préférée d'une partie du schéma de la Fig. 2; - la Fig. 4 montre la relation existant entre le courant et la tension d'alimentation aux bornes du dispositif de la Fig. 3 et - la Fig. 5 montre une variante améliorée du montage de la Fig. 2. Se référant d'abord à la Fig. 1, on voit sur celle-ci les bornes 1, 1' et 2, 2' qui forment deux paires d'accès qui aboutissent aux enroulements 12 et 13 d'un transformateur 10 dont le primaire il est bouclé sur un circuit 14, présentant l'impédance négative ZA Les lignes de transmission d'arrivée et de départ sont respectivement reliées aux paires de bornes (1,1') et (2,2'). De même, entre les points milieux des secondaires 12 et 13, est connectée une impédance -ZB réalisée par le circuit 16. Ces deux impédances négatives -ZA et -ZB sont obtenues par des moyens connus tels que des amplificateurs alimentés par des sources de courant continu 15 et 17. Dans une variante connue de ce dispositif, il n'y a plus de points milieux aux enroulements 12 et 13 et l'impédance négative -ZBobtenue par un circuit 18 et sa source 19, est connectée entre les bornes 2 et 2'. Par ailleurs, on sait qu'il est possible de construire des quadripôles "dégénérésW où ne subsiste plus qu'une seule impédance négative et qui, lorsque l'impédance -ZB (Fig. 1) est supprimée (circuit ouvert), se réduisent-à un dipôle à impédance négative du type série. Inversement, lorsque l'impédance ZA est mise en court-circuit et lorsque le transformateur 10 est supprimé, il ne subsiste que l'impédance -ZB et 1'on a alors affaire à un dipôle à impédance négative du type dérivation. Par extension du langage, ZA est dite "impédance négative série" tandis que -ZB est dite "impédance négative dérivation". Lorsque l'alimentation de l'un des amplificateurs nécessaires à la réalisation de l'impédance négative, ZA par exemple, est effectuée à partir de la ligne de transmission connectée en (1,1') et (2,2'), le montage constitué par le condensateur de liaison 8, l'inductance d'arrêt 7 et le condensateur de découplage 6 est utilisé pour remplacer la source 15, les bornes de celle-ci étant remplacées par les bornes 6', 6". Comme il est apparent, le matériel supplémentaire nécessaire est important, considérant que la liaison 6 doit être de faible impédance pour les courants vocaux et que l'ensemble inductance 7, condensateur 6 ne doit résonner qutà une fréquence très basse. La Fig. 2 donne le schéma d'une réalisation selon l'invention où se reconnaissent certains éléments de la Fig. 1, en particulier la ligne à deux fils interrompue en 1,2 et 1',2' pour permettre la mise en place de l'amplificateur à impédance négative entre un bureau central 100 et l'équipement du poste d'abonné 200 à alimentation par batterie centrale, Les courants d'alimentation du poste et de l'amplificateur circulent dans les fils de ligne et le dispositif 300 y prélève l'alimentation du circuit 14, qui crée l'impédance -ZA Ce dispositif 300 est un régulateur de courant placé en série àvec l'alimentation du circuit 14. Dans ce montage, la fonction de régulation obtenue par insertion des bornes 3, 3' en série avec le circuit 14 est seule utilisée, les bornes 4, 4' du dispositif n'étant fermées sur aucune impédance. Le répéteur ainsi constitué est alors du type dégénéré, car il ne comporte qutune impédance négative série ZA et les enroulements 12 et 13du transformateur 10 ntont pas de point milieu. Il est à remarquer que seul le condensateur de découplage 6 subsiste éventuellement du montage de la Fig. 1 de l'art antérieur, le dispositif 300 (Fig. 2) ayant permis la suppression des éléments 7 et 8 de la Fig. 1. La Fig. 3 montre une réalisation préférée du dispositif 300 où se reconnaissent les bornes d'accès 3, 3' et 4, 4' de la Fig. 2, ces dernières 4, 4' pouvant être reliées à l'impédance 37 de valeur z. Ce montage compte deux transistors de même type 35 et 36 (ici, le type NPN). L'émetteur du transistor 36 est relié à la borne 3'; son collecteur est relié à une résistance 31, de valeur R1, et sa base à la borne de sortie 4'. Le transistor 35 est monté avec son collecteur relié à la borne commune 3, 4, sa base étant réunie au collecteur de 36 et son émetteur à la borne commune 301 d'un tripAle 30, dont la borne d'entrée 302 est connectée à la borne 3 t et la borne de sortie 303 à la borne 4'. Dans le cas présent, ce tripôle 30 se réduit à un pont de résistances 32 et 33. Le fonctionnement du système peut être vu sous deux aspects, l'un de régulation de courant, l'autre de conversion d'impédance: 1'/ Lorsqu'une tension continue V3 > 3, est appliquée entre 3 et 3t, le potentiel positif étant en 3, un courant continu I3,3, circule et ses variations en fonction de V3 3, sont montrées par la Fig. 4 où, dans la partie comprise entre 0 et VO, le transistor 35 est seul conducteur, dans un état proche de la saturation, le transistor 36 étant bloqué; lorsque V3 32 est supérieur à VO, les deux transistors sont polarisés convenablement pour assurer l'amplification de courants alternatifs en régime linéaire jusqu'à ce que la tension V3,31 devienne égale à Vmax , valeur au-delà de laquelle le transistor 35 passe en régime d'avalanche. La zone comprise entre VO et V est donc seule utile et la pente de la courbe de maux. la Fig. 4 y est expriméepar un rapport (1/R1). Pratiquement, R1 est choisi suffisamment grand pour que ce rapport puisse astre considéré comme faible, et le courant 13,31 constant. 2 Le deuxième aspect de ce montage est plus connu; il a été décrit par A.I. LÀRKY dans l'article cité ci-dessus. On rappellera simplement ici sa propriété d'opposeur d'impédance par laquelle l'impédance z, connectée entre les bornes 4, 4', est vue des bornes d'accès 3, 31 avec une valeur égale, en première approximation, à:: R2 Z=- R3z R3 et cela dans la mesure où R1 est une résistance suffisamment élevée 1 1 pour que R soit négligeable devant Dans les cas où il statère nécessaire d'utiliser des réseaux passifs plus complexes, comprenant plus de deux résistances et éventuellement des éléments réactifs afin d'optimiser séparément les fonctionnements en courant continu et aux fréquences téléphoniques, le réseau 300 peut être complété par des réactances, en sorte que l'intensité du courant continu et la valeur de l'impédance négative ramenée soient fonctions des paramètres caractéristiques du réseau 300. Il est connu qu'un tel réseau peut être caractérisé à chaque fréquence par trois paramètres, comme ctest aussi le cas pour les réseaux passifs réciproques, et le choix des composants, donc des paramètres, est dicté par chaque application particulière. Les principes qui viennent d'trie exposés sont utilisés, comme il a été vu, dans le projet de quadripôles dégénérés du type dérivation lorsque la tension continue peut Autre superposée à la tension téléphonique. L'élément z détermine, seul ou compte tenu de la présence de R1, les performances de l'amplificateur à impédance négative. L'utilisation du dispositif est facilitée du fait que le courant continu consommé est sensiblement constant, son fonctionnement et sa consommation étant indépendants, dans certaines limites, de la distance séparant l'amplificateur du bureau central 100. Cependant, cet exemple n'est pas limitatif et les mêmes dispositions peuvent astre prises pour lsemploi d'un dipôle du type série lorsqu'il n'est pas utile de profiter des propriétés d'opposeur d'impédance du circuit 300 aucune impédance z tétant alors connectée aux bornes 4, 4' de la Fig. 3, l'impédance Z vue aux bornes 3, 3' est voisine de R1 et la résistance R2 peut astre nulle. Il existe encore, selon l'invention, une autre possibilité qui offre de meilleurs avantages et qui consiste à alimenter ZA (Fig. 5) par le transistor 36 tel qu'il apparaît dans le montage de la Fig. 5 où le dispositif décrit Fig. 3 est doté d'une borne supplémentaire 5, en séparant le collecteur du transistor 35 du reste du montage.La modification qui en résulte, dans le comportement de ce système, tant dans le rale qu'il joue dans la régulation du courant d'alimentation que dans celui d'opposeur dtimpédance, est peu sensible et présente un avantage; le schéma obtenu, tout en étant conforme à celui de la Fig. 1, alimente, selon l'invention, 1'amplificateur 14 par un courant mieux régulé et, dans une certaine mesure, rend plus indépendants, du point de vue des fréquences téléphoniques, les courants alternatifs transmis sur la ligne à deux fils reliée à (1,1') et (2,2'), de la valeur de capacité du condensateur 6. De ce fait, ce dernier condensateur peut astre de capacité réduite, dans ce montage, pour une efficacité aussi grande. Dans certains montages utilisés pour ZAw il peut même Autre supprimé. Lorsqu'il est nécessaire de s'affranchir de la polarité de la tension d'alimentation, on peut employer le schéma de la Fig. 6. Ce schéma est sensiblement celui de la Fig. 5, mais le bloc 300 est maintenant alimenté par un pont de diodes 60, 61, 62 et 63 dont la présence, qui influe sur le comportement de l'ensemble de la ligne à deux fils et de l'amplificateur à impédance négative, peut être efficacement compensée par le choix de la valeur de l'impédance 37, de manière à éviter toute action nuisible aux fréquences téléphoniques. Dans d'autres applications, ltalimentation d'un quadrip8le dégénéré ou non, peut autre déclenchée par l'apparition d'un courant continu suffisamment intense circulant dans la ligne amplifiée en employant un système d'interrupteurs à transistors tel que celui décrit dans le premier certificat d'addition au brevet français N 2 038 463 déposé au nom du premier nommé des actuels demandeurs sous le numéro provisoire PV 70-08380, le 9 mars 1970. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'alimentation en courant continu régulé pour élément amplificateur à impédance négative pour ligne de transmission téléphonique bifilaire, à partir d'une tension continue prise entre les deux fils de ligne, dans lequel les bornes d'alimentation dudit élément sont connectées en série avec une première paire de bornes d'un réseau régulateur à deux paires de bornes, caractérisé en ce que ledit réseau (300) présente entre ses première et seconde paires de bornes (3, 3') et (4, 4') des propriétés d'opposeur d'impédance. 2 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, dans lequel la seconde paire de bornes(4, 4') dudit réseau est en circuit ouvert. 3 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, dans lequel la seconde paire de bornes (4, 4') dudit réseau est reliée à une impédance (37) de valeur z, grâce à quoi une impédance égale au produit de (-z) par un coefficient constant est créée à ladite première paire de bornes. 4 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, dans lequel ledit réseau (300 - Fig. 3) comprend deux transistors de meme type, dont les collecteurs sont reliés, pour le second (35) desdits transistors, directement à l'une (3) des bornes de ladite première paire (3, 3') et pour le premier(36) desdits transistors, à cette mArne borne par une résistance (31), tandis que le collecteur dudit premier transistor (36) est également relié à la base du second transistor (35), et que l'émetteur dudit premier transistor (36) est relié à l'autre (3') des bornes de ladite première paire et que l'émetteur du second transistor (35) est relié par des résistances (33, 32), d'une part à ladite borne (3') et d'autre part à la base dudit premier transistor (36). 5 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 4, dans lequel la base du premier transistor (36), l'émetteur du second transistor (35) et l'émetteur du premier transistor (36) sont reliés par des résistances (32, 33 - Fig. 5), tandis que l'une des bornes (5) de ladite première paire est directement reliée au collecteur dudit second transistor. 6 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, dans lequel le courant continu régulé alimente un élément amplificateur de ligne (14 - -Fig. 2) placé en série dans ladite ligne vis-à-vis des courants téléphoniques, tandis qu'un condensateur de découplage 6 est connecté entre les bornes d'alimentation dudit élément amplificateur. 7 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 6, dans lequel le collecteur dudit second transistor (35 - Fig. 6) est relié directement à l'une des bornes d'alimentation dudit élément amplificateur.