Brevet FR2233744A1 — publié le 19750110

La présente invention concerne un convertisseur qui fournit un courant sensiblement constant pour des conditions de charge variant beaucoup, et plus particulièrement un tel convertisseur qui peut être utilisé pour fournir une conversion de continu en continu de puissance d'alimentation pour des dispositifs de transmission par ligne longue de longueurs variables qui utilisent des amplif i- eateurs-répéteurs de ligne. Dans le domaine des communications téléphoniques, des développements considérables se sont récemment axés sur les dispositifs de transmission par câbles pour des transmissions entre bureaux et à longue distance, De façon classique, le cible comprend plusieurs chemins de transmission séparés, ou paire de conducteurs le long desquels sont situés les amplificateurs-répéteurs de ligne à des intervalles discrets qui sont alimentés en continu en série, à partir d'une extrémité du dispositif. En raison du nombre variable d1amplificateurs-répéteurs qui peuvent être utilisés dans chaque branche, il s'est avéré avantageux d'alimenter le dispositif de transmission à partir dtune source à courant constant. Ceci en traSne sensiblement la même chute de tension aux bornes de chaque amplificateur-répéteur. Mais, dans les dispositifs de téléphonie, l'alimentation primaire pour 11 équipement de communications est fournie par des batteries situées aux bornes. En conséquence, il est nécessaire de prévoir des convertisseurs tension-courant. Un dispositif pour réaliser cela utilise un convertisseur à commutation continu-continu qui transforme la tension de batterie en une série d'impulsions d' ondes carrées qui sont alors redressées et filtrées pour fournir une sortie à courant constant à la ligne de transmission. Une régulation de courant est fournie par un régulateur de commutation connecté en série avec ltonduleur. ta plupart des convertisseurs utilisent des onduleurs push-pull qui présentent une paire de transistors commandés par un petit transformateur-excitateur saturé, dont la sortie est prise à partir des transistors par un transformateur important de sortie non saturé. Les oscillations sont maintenues par une réaction de courant qui est prise à partir de la sortie du transformateur de contre-réaction. Avec cet ågencement, onduleur oscille et fournit une tension de sortie d'ondes carrées à une fréquence qui est essentiellement déterminée par les caractéristiques de noyau du transformateur-excitateur et par la tension appliquée aux bornes de l'onduleur.Pour maintenir un courant de sortie constant, la tension appliquée à l'onduleur doit varier avec la charge, c'est-àdire avec le nombre d'amplificateurs-répéteurs connectés le long des branches du dispositif. Pour des charges variant beaucoup, la fréquence -de ltonduleur variera sur une large gamme. Un inconvénient de cet agencement est que le filtre de sortie continu doit être choisi pour traiter la fréquence attendue la plus basse de l'onduleur. Un autre inconvénient qui se rencontre quand le convertisseur est utilisé pour alimenter un dispositif de transmission est la probabilité de présence de signaux parasites résultant d'harmoniques dans l'alimentation qui interfèrent avec la transmission de signal. I1 est, en conséquence, avantageux d'utiliser un onduleur dans lequel la fréquence reste sensiblement constante sur sa gamme de fonctionnement. I1 a été découvert par la demanderesse que, en prévoyant un convertisseur qui comprend un onduleur non commandé utilisant une contre-réaction en courant, la fréquence peut être maintenue sensiblement constante dans des conditions de charge variant beaucoup, pourvu que le courant de charge soit constant. Ainsi, selon la présente invention, il est prévu un-convertisseur pour produire un courant sensiblement constant pour des conditions de charge variant beaucoup, comprenant un onduleur non commandé utilisant une contre-réaction au courant. En outre, un régulateur de commutation, qui est entraîné et commandé par la sortie de l'onduleur non commandé, est utilisé pour commuter une tension d'alimentation de sorte que son cycle de travail tende à maintenir le courant de sortie de l'onduleur constant. La sortie du régulateur de commutation est alors filtrée pour fournir une tension d'alimentation continue variable de l'onduleur.Puisque l'onduleur utilise une contre-réaction en courant, la fréquence de fonctionnement est presque complètement dépendante du choix du transformateur de contreréaction et du courant de sortie qui est maintenu constant par l'intermédiaire de la commande du régulateur de commutation, En conséquence, la tension appliquée aux bornes de onduleur par le régulateur de commutation n' a sensiblement pas d'effet sur sa fréquence de fonctionnement et ainsi celle-ci reste sensiblement constante quelle que soit la charge appliquée à la sortie de onduleur sur sa gamme de fonctionnement. Pour fournir un courant continu sensiblement constant à partir de la sortie en forme d'ondes carrées de l'onduleur, un redressement et un filtrage classiques peuvent être utilisés. Dans un mode de réalisation de la présente invention, le régulateur de commutation est commandé en échantillonnant le courant d'entrée de l'onduleur pour fournir une tension de commande continue. En même temps, la sortie d'ondes carrées de l'onduleur est utilisée pour commander un générateur de tension en dents de scie dont la sortie est superposée à la tension de commande continue. Cette tension superposée est utilisée pour commander un commutateur de sorte que les variations dans la tension de commande continue modifient son point de fonctionnement et par-là son cycle de fonctionnement. Ceci, ensuite, est utilisé pour modifier le rapport des intervalles de conduction et de non conduction du régulateur de commutation salon la charge à la sortie du convertisseur. Après filtrage, la sortie du régulateur fournit une tension dépendant de la charge à l'onduleur, ce qui provoque un courant de sortie sensiblement constant de ce dernier. En outre, comme l'onduleur utilise une réaction en courant et non en tension, sa fréquence de fonctionnement reste sensiblement fixe. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détails dans la description suivante de modes de réalisation préférés faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels La figure I est un diagramme de circuit schématique et sous forme de blocs d'un convertisseur continu-continu selon la présente invention ; et La figure 2 représente des formes d'ondes de tension typiques en fonction du temps en divers points du convertisseur représenté en figure 1. Dans la description détaillée suivante, chacune des formes d'ondes de la figure 2 est identifiée par une lettre majuscule de référence, dont l'emplacement est identifié par une lettre de référence correspondante en figure 1. En se référant à la figure 1, le convertisseur continucontinu comprend fondamentalement un onduleur push-pull à deux transformateurs 10 qui utilise une contre-réaction en courant. Pour réguler l'onduleur, sa tension de sortie en forme d'ondes carrées est envoyée à un générateur de fonction triangle 11 qui fournit une tension en dents de scie à sa sortie. En outre, le courant dans 1' onduleur 10 est échantillonné dans un pont sensible au courant 12 pour fournir à sa sortie une tension de commande continue.La tension en dents de scie est superposée å la tension de commande continue et la tension résultante est envoyée à un dispositif de commande de commutation 13 qui produit à sa sortie une tension de commutation ayant un cycle de travail qui est inversement proportionnel au courant de sortie de l'onduleur 1P. Cette tension de commutation est alors utilisée pour commander un régulateur de commutation 14, L'entrée du régulateur de commutation 14 est fournie par une tension d'alimentation de -48 volts 15 qui est couplée par l'intermédiaire d'un filtre d'entrée 16. La sortie du régulateur de commutation 14 est connectée par l'intermédiaire d'un filtre de régulation 17 à l'entrée de l'onduleur 10.La sortie de l'onduleur 10 est connectée à un redresseur en pont 18 pour fournir par-là, par l'intermédiairq d'un filtre de sortie 19, un courant continu sensiblement constant à sa sortie pour des conditions de charge variant beaucoup. En outre, un détecteur de surtension 20 est prévu pour limiter la tension de sortie totale du convertisseur si sa charge devenait un circuit ouvert. La structure détaillée du convertisseur continu-continu sera exposée dans la description suivante de ses fonctions et de son fonctionnement. L'onduleur push-pull non commandé 10 comprend une paire de transistors 100 et 101 connectés en configuration push-pull, leur collecteur étant en série avec un enroulement séparé d'un transformateur-excitateur saturé 102 pour fournir une contre-réacton au courant. La partie de contre-réaction de 1'onduleur 10 comprend un enroulement à prise centrale du transformateur 102, dont les extrémités sont connectées aux bases des transistors 100 et 101. En outre, une combinaison en parallèle d'une diode 103 et d'une capacité 104 est reliée à la prise centrale de l'enroulement pour fournir une polarisation de démarrage de façon connue. Deux diodes Zener 105 et 106 sont utilisées pourZlimiter la tension appliquée aux bornes du transistor 100 et 101 respectivement.Un transformateur de sortie non saturé 107 est connecté entre les collecteurs des transistors 100 et 101. L'onduleur 10 comprend une résistance 108 qui est con nectée de façon bien connue pour lui fournir un circuit de démarrage. L'onduleur 10 est alimenté par une tension continue entre 0 et -48 volts en accord avec la charge appliquée à sa sortie. Cette tension d'alimentation est commandée de la façon suivante. En se référant à la fois aux figures 1 et 2, la tension de sortie d'ondes carrées A (qui, dans ce mode de réalisation, varie entre 5 volts et 80 volts crête à crête) est appliquée par l'intermé- diaire d'une résistance 110 à la base d'un transistor 111. Le collecteur du transistor 111 est connecté par l'intermédiaire d'une résistance de charge 112 à une tension de référence de -15 volts qui est fournie par deux diodes Zener reliées en série 300 et 301 et une résistance 302 qui sont connectées aux bornes de l'entrée filtrée de l'alimentation de -48 volts 15. Le but du transistor 111 est de fournir une onde carrée d'amplitude constante au générateur de forme d'onde triangulaire 11. Une diode 113 empêche que des tensions positives soient appliquées à la base du transistor 111. La forme d'onde carrée de sortie B sur le collecteur du transistor 111 est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance 114 à l'entrée dtinversion d'un amplificateur opérationnel 115. Un circuit dtintégration de Miller comprenant une capacité 116 et des rés istances 114 et 117 associées à des résistances de polarisation 118 et 119 produit une forme d'onde en dents de scie C d'amplitude et de fréquence sensiblement constantes à la sortie du générateur de forme d'onde triangulaire 11. En outre, le courant d'entrée de l'onduleur 10 est échantillonné par une petite résistance 120 qui est connectée entre la prise centrale du primaire du transformateur de sortie 107 et la masse. Le courant d'entrée de 1'onduleur est directement proportionnel au courant de charge. La résistance 120, aux bornes de laquelle est fournie la forme d'onde de tension D, fait partie du pont de détection du courant 12 qui comprend également des résistances 121, 122, 123, 124, 125 et le potentiomètre 126, disposés selon une configuration de pont classique entre la tension de référence de -15 volts et la masse. Le point de raccordement des ré sistances 121 et 122, et le bras mobile du potentiomètre 126 sont connectés aux entrées d'inversion et denon inversion respectivement d'un amplificateur opérationnel 127.Une capacité 128 fournit un lissage de façon à fournir à sa sortie une tension de commande continue qui est inversement proportionnelle au courant de charge continu. Le bras mobile du potentiomètre 126 peut être réglé pour fournir le courant de sortie souhaité à partir de l'onduleur. La tension de commande continue à la sortie de l'amplificateur opérationnel 127 est couplée en continu par l'intermédiaire d'une résistance 130 à la base d'un transistor 131 dans le dispositif de commande de commutation 13. La tension en dents de scie C à la sortie de l'amplificateur opérationnel 115 est couplée en alternatif par l'intermédiaire d'une capacité 132 et d'une résistance 133 également à la base du transistor 131 pour fournir la forme d' onde de tension superposée E. Comme l'amplitude de la tension en dents de scie C est constante, à une fréquence de fonctionnement constante, la conduction du transistor de commutation 131 est essentiellement commandée par le niveau de la tension de commande continue VTS (tension de commutation du transistor) comme cela est représenté par la forme d'onde de tension E de la figure 2.La sortie du transistor de commutation 131 est couplée parl'intermédiai- re d'une résistance 134 et d'une capacité 135 pour fournir une forme d'onde de tension de commutation F qui est appliquée au régulateur de commutation 14. Le régulateur de commutation 14 est d'un type classique et comprend un transistor d'entrée 140, un transistor de sortie 141 et deux résistances de polarisation 142 et 143. Comme cela est clair, la forme d'onde de tension de commutation F varie entre une tension de référence de -7,5 volts qui est fournie à partir du point de raccordement des deux diodes Zener 300 et 301 et une tension d'approximativement -47 volts qui est fournie par la chute de tension base-émetteur aux bornes des deux transistors 140 et 141. Son cycle de travail est à son tour commandé par la forme d'onde de tension superposée E qui, comme cela a été exposé précédemment, est inversement proportionnelle au courant traversant la résistance de détection 120. L'entrée à -48 volts de l'alimentation de batterie 15 est reliée par l'intermédiaire du filtre d'entrée LC classique 16 comprenant une inductance en série 160 et une capacité en parallèle 161. Ce filtre d'entrée 16 empêche du bruit d'être renvoyé dans l'alimentation de batterie de -48 volts 15. La sortie du régulateur de commutation 14 est commutéeentre 0 et -48 volts avec un cycle de fonctionnement variable comme cela est représenté par la forme d'onde de tension G. Cette sortie est envoyée à un filtre de régulateur LC classique 17 qui comprend une inductance en série 170 et une capacité en parallèle 171. En outre, une diode 172 qui est connectée en parallèle avec l'en- trée du filtre 17 est utilisée pour empêcher des excursions positives de la tension de sortie du régulateur de commutation. La tension d'alimentation continue variable en provenance du filtre de régulateur 17 est appliquée aux bornes de l'onduleur non commandé 10. La sortie en provenance du secondaire du transformateur de sortie 107 est appliquée au redresseur en pont 18 qui comprend des diodes 180, 181, 182 et 183. La sortie du redresseur en pont 18 est alors appliquée au filtre de sortie équilibré 19 de configuration en TF comprenant des condensateurs d'entrée 190 et 191, des inductances d'entrée 192 et 193, des résistances en série 194 et 195 et des condensateurs de sortie 196 et 197. Ceci fournit une tension de sortie qui est directement proportionnelle à la tension d'entrée de l'onduleur 10. Des diodes 198 et 199 sont disposées pour protéger l'onduleur 10 de tensions qui pourraient l'endommager qui peuvent être induites sur la ligne de transmission. La sortie continue équilibrée du convertisseur apparat aux bornes de sortie 310 et 311, et fournit un courant sensiblement constant pour une charge variant beaucoup 312 qui peut leur être connectée. Dans une application pratique, la charge peut comprendre une ligne de transmission qui comprendrait plusieurs amplificateurs rqpéteurs connectés en série. Pour limiter la tension de sortie du convertisseur à 155 volts quand la charge 312 est en circuit ouvert, la sortie du redresseur en pont 18 est également appliquée à un diviseur de tension comprenant des résistances série 200 et 201 dans le détecteur de surtension 20. Pour maintenir l'équilibre aux bornes du redresseur en pont 18, le détecteur de surtension 20 comprend égalemnt une résistance 202. Le point de raccordement des deux résistances 200 et 201 est connecté à la base d'un transistor 203, dont l'émet- teur est connecté à une tension de référence de -7,5 volts. Quand la tension entre un-côté du redresseur en pont 18 et la masse dépasse 135 volts, le transistor 203 commence à conduire.Le collecteur du transistor 203 est connecté au point de raccordement des résistances 123 et 124 dans le pont de détection de courant 12 de façon à modifier la sortie de l'amplificateur opérationnel 127. Ceci limite ensuite le cycle de travail e-t la sortie du régulateur de commutation 14 et limite par-là la tension de sortie du convertisseur. Dans une installation typique destinée. à être utilisée pour alimenter un dispositif de transmission, le convertisseur continu-continu fournit un courant constant de 100 mA dans toute charge résistive comprise entre 0 ohm et 2,4 kohms à partir de l'alimentation de batterie de -48 volts 15. La tension de sortie continue est équilibrée et limitée à + 135 volts pour des considérations de sécurité. L'onduleur est choisi pour fonctionner à une fréquence nominale de 17 khZ. Puisque le générateur de tension en dents de scie 11 est commandé par la sortie de l'onduleur 10, le régulateur de commutation 14 et l'onduleur 10 sont synchronisés en fréquence. En utilisant une contre-réaction en courant dans l'onduleur 10, sa fréquence de fonctionnement est essentiellement déterminée par le courant primaire et les caractéristiques de noyau du transformateur de contre-réaction saturé 102. Ainsi, puisque le courant est maintenu constant par l'intermédiaire de la commande de régulateur de commutation 14, la fréquence d'oscillation reste constante et indépendante de la tension d'alimentation continue variable appliquée à l'onduleur 10. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaltront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Convertisseur pour produire un courant sensiblement constant dans des conditions de charge très variables, caractérisé en ce qu'il comprend - un onduleur non commandé à deux transformateurs utilisant une contre-réaction en courant ; - un moyen agissant en réponse à l'onduleur non commandé à deux transformateurs pour produire une tension de commutation synchronisée en fréquence ayant un cycle de travail qui est proportionnel au courant de sortie de cet onduleur ; - un régulateur de commutation, agissant en réponse à la tension de commutation pour commuter une tension d'alimentation, et - un moyen pour filtrer la tension d'alimentation commutée pour fournir une tension d'alimentation continue variable à ltonduleur qui tend à s' opposer au changement dans son courant de sortie ;; d'où il résulte que le courant et la fréquence de sortie de l'onduleur restent sensiblement constants pour dés conditions de charge très variables. 2 - Convertisseur continu-continu, pour produire un courant sensiblement constant dans des conditions de charge très variables, caractérisé en ce qu'il comprend - un onduleur push-pull à deux transformateurs non commandé comprenant un transformateur-excitateur saturé utilisant une contre-réaction en courant, et un transformateur de sortie non sa turbé ; - un moyen pour produire une tension de commande continue qui varie selon le courant dans le transformateur de sortie non satu:: - un moyen sensible à la tension de sortie commutée de 1'onduleur push-pull à deux transformateurs, pour produire une tension en dents de scie d'amplitude sensiblement constante ; - un moyen de circuit de commande, sensible à la tension en dents de scie superposée à la tension de commande continue pour produire une tension de commutation ayant un cycle de travail variable ; - un régulateur de commutation sensible à la tension de commutation pour commuter une tension d'alimentation ; - un moyen pour filtrer la tension d'alimentation commutée pour fournir une tension d'alimentation continue variable à l'onduleur qui s'oppose au changement dans le courant de sortie du transformateur de sortie non saturé- ; et - un moyen pour redresser et filtrer la sortie du transformateur de sortie non saturé pour fournir une sortie de courant continu sensiblement constante sur une grande gamme de conditions de charge d'où il résulte que la fréquence de 1'onduleur reste également sensiblement constante dans ces conditions. 3 - Convertisseur continu-continu selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de circuit de commande comprend un transistor de commutation auquel la tension en dents de scie est couplée en alternatif et la tension de commande continue est couplée en continu, de sorte qu'un changement de niveau de tension de commande continue modifie la partie de tension en dents de scie qui amène le transistor de commutation à conduire, modifiant parlà le cycle de travail. 4 - Convertisseur continu-continu selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen pour produire une tension de commande continue comprend un pont résistif dans lequel une première paire d'extrémités opposées est connectée aux bornes d'une source de tension de référence et l'autre paire d'extrémités opposées est reliée aux e nt r ées d'un amplificateur différentiel, et dans lequel le courant du transformateur de sortie non saturé est introduit aux bornes d'un bras du pont. 5 - Convertisseur continu-continu -selon la revendication 4, caractérisé en ce qutil comprend en outre un limiteur de surtension comprenant : - un moyen pour produire un signal de commande de surtension quand la tension de sortie continue dépasse une valeur prédéterminée ; et - un moyen pour introduire ce signal de commande de surtension dans le bras du pont opposé au premier bras. 6 - Convertisse-ur pour produire un courant sensiblement constant sur une grande gamme de conditions de charge, caractérisé en ce qu'il comprend - un onduleur non commandé utilisant une contre-réaction en courant ; - un moyen de régulateur de commutation sensible au courant de sortie en provenance de 1' onduleur non commandé, pour com muter une tension d'alimentation de sorte que son cycle de travail s'oppose aux changements dans le courant de sortie de 1' onduleur non commandé ; et - un moyen pour filtrer la tension d'alimentation commutée pour fournir une tension d'alimentation continue variable à 1' onduleur, d'où il résulte que le courant et la fréquence de lton- duleur restent sensiblement constants sur une large gamme de conditions de charge.