Brevet FR2221869A1 — publié le 19741011

DESCRIPTION La présente invention concerne la réalisation et l'application de sources spéciales, sources et suiveurs de tension sans débit, sources et suiveurs de courant sans tension et d'éléments pathologiques de circuits avec deux composants de base, le rigiport (avec le cas particulier du nullateur) et le superport (ou norateur). Les sources et suiveurs de tension d'impédance interne faible ne débitant pas de courant n'ont pas été utilisés dans le réseau électrique en vue de la stabilisation. Le nullateur et le norateur sont utilisés soit pour représenter des composants fondamentaux (transistor, amplificateur opérationnel,...), soit pour synthètiser des composants actifs (gyrateur, résistance négative); ainsi ils correspondent jusqu'ici à des concepts commodes de synthèse et de représentation ; aucune réalisation effective n' a été faite. Les sources et suiveurs de tension d'impédance interne faible et ne débitant pas de courarResorfiauStilisées dans le réseau électrique en vue de stabiliser des anticomposants (résistances capacités et selfs négatives) et de remédier à l'instabilité due à la présence de ces derniers. Leur emploi, entre autres permet un fonctionneme-lt correct du réseau électrique simulant par exemple les équations différentielles et aux dérivées partielles telles que les équations de Schrödinger, de Poisson, d'onde. Une source deçtension a une impédance interne Z, Z pouvant être une résistance positive ou négative, une capacité positive ou négative, une inductance positive ou négative ou toute combinaison série ou parallèle de résistances, de capacités et d'inductances de signe quelconque (fig. 1). Une source de tension d'impédance interne négative peut être stable ou instable. Les figures 2b, d et e représentent respectivement trois sources stables de résistance, capacité et self internes négatives. Les trois sources instables correspondantes s'obtiendront en inversant les entrées inverseurs et non inverseurs des amplificateurs opérationnels A (les points S seront reliés aux entres non inverseurs). Une source instable est donc une source quand elle est seule (c1est à dire non reliée à un aute élément électrique) est instable ; mais elle peut être stable une fois connectée. Dans notre brevet français n 72 25021 et dans la thèse de Doctorat ès Sciences présentée en 1973 par M. VO HOANG H. à l'Université Claude Bernard (layon I), nous avons montré, que, à l'aide des anticomposants (résistances capaci té et.elf négatinTes) de telles sources sont aisément obtenues. La présente invention concerne des réalisations et utilisations particulières : -l'impédance Z est très faible (ou négligeable) -la source ne débite pas de courant. Un cas particulier très important est à signaler, celui des suiveurs de tension d'impédance Z, faible et ne débitant pas de courant. La figure 2a représente un suiveur classique de tension, A étant -un amplificateur opérationnel de résistance de sortie positive et fatble. La figure 2b montre une source de tension réglage de résistance interne négative R'g telle que R'g= R g (avec Rg > R). Pour obtenir une source de tension e d'impédance interne réactive Z, il suffit de mettre en série (fig. 2c ) une impédance réactive Z et une source de tension e et de résistance interne R très faible, de telle façon que R (Z\ La figure 2 d représente, g g vue du point S, une source de tension variable e' et de capacité interne négative C' telle que C' =C -C(avec C > C ). La figure 2e donne,vu du point g gg g S une source de tension variable e' et de self interne négative L' telle que -L L g Lg = L (avec Lg > L) L - L L > g Pour annuler le débit de la sources, le reste du circuit comporte au moins un élément réglable; celui ci peut être réglé manuellement, mais on peux se servir du débit de la source comme signal d'erreur pour le réglage automatique dudit élément à l'aide d'un asservissement d'un type analogue à celui que nous décrirons plus loin en relation avec la réalisation d'éléments pathologiques. En dehors des applications à la stabilisation des réseaux les sources de tension sans débit sont utilisées pour l'alimentation des réseaux électriques destinés au traitement de l'information, lorsqu'on veut exciter un réseau sans que la source le perturbe par son débit. Elles interviennent aussi dans les conditions aux limites pour les réseaux calculateurs; par exemple quand on veut résoudre une équation différentielle par simulation avec un réseau électrique simple "linéaire" on introduit en un point, sous la forme d'une tension électrique, un signal qui représente la fonction cherchée; pour avoir en meme temps une dérivée nulle, il convient que la source ne débite pas. Par dualité, des considérations analogues concernent les sources de courant entre les bornes desquelles n'apparat aucune tension. Une telle source servira par exemple, à alimenter un réseau calculateur résolvant une équation différentielle en un point ou la fonction est nulle et sa dérivée non nulle. La tension aux bornes de la source est annulée par le réglage convenable d'au moins un élément du circuit. Les trois composants rigiport nullateur et superport sont des composants pathologiques de base à partir desquels sont conçus les quadripôles pathologiques . Les dipôles et les quadripôles pathologiques sont très importants pour les réseaux électriques à la fois sur le plan du software et celui du hardware. Par exemple pour le réseau électrique résolvant les équations différentielles ou aux dérivées partielles (équations de Schrödinger, de Poisson, d'onde, etc...) les circuits pathologiques interviennent dans les conditions aux limites, les problèmes d'interface , de changement d'échelle, de valeurs propres.Plus généralement les circuits pathologiques sont utilisés dans le réseau électrique simulant divers problèmes posés par la science, la technique, les sciences économiques et sociales, la médecine, l'environ- nement, la nuisance. Le rigiport et le superport peuvent chacun être considérés sous deux formes, source et charge : rigisource et rigicharge d'une part, supersource et supercharge d'autre part. Rigiport: C'est un dipôle imposant ou recevant à la fois un courant arbitraire i et une tension quelconque v, v et i étant fixés à l'avance.S'il dissipe de l'énergie c'est une rigicharge, s'il en fournit, il devient une rigisource. D'une façon générale , le rigiport est représenté par un bloc électronique R ayant deux bornes d'utilisation S1 et S2 (c'est à dire entre lesquelles on obtient la fonction rigiport) et deux bornes de contrôle M et N(fig. 3) ; la différence de tension entre les bornes M et N contrôle directement ou par l'intermédiaire d'un bloc d'aiguillage SM, que nous verrons ultérieurement, le ou les superports . Ce contrôle permet le fonctionnement correct du rigiport et du ou des superports. Le signal d'erreur t est engendré par R. La figure 4 a donne un exemple de réalisation d'un rigiport. Il comprend un générateur principal de courant constant io, qui alimente en régime continu le collecteur du transistor T1; un générateur auxiliaire de courant constant qui fournit à la base de T1 un courant continu ibo tel que ibo=io/p, étant le gain en courant, supposé grand, de T1) une résistance r et un courant i' réglé à une valeur faible et du sens indiqué. Un bloc électronique, qui sera vu plus loin, permet de contrôler le courant i'. Le transistor T1 fonctionne alors avec une tension collecteur-émetteur faible (inférieure à 100 mV) et un courant de base faible et ' contrôlé", du sens indiqué, qui maintient le transistor T1 dans un régime dit de saturation ''virtuelle''.Vu de la sortie S1 ) S2 étant à la masse, le montage fonctionne comme un compo sant imposant à la fois une tension v (v=V = V M - étant la tension Sî VBE VBE base émetteur de T1 ( on néglige la chute de tension à travers la résistance r). et un courant i(i=i ); ; i est fixé par io et v par VM. La figure 4 b représente une variante pratique du montage de la figure 4a : le courant ibo est incor poré dans le courant i' et l'on a i'1 = ibo + i', on règle alors i'l à la valeur légèrement supérieure à ibo. Les figures 4 c et 4 d représentent deux montages analogues à ceux des figures 4a et 4b : on y a remplacé le transistor NPN par T'1 de type PNP; les sens des courants sont inversés. Avec les transistors à effet de champ de canal N ou P (fig .4e et 4f) on a des montages analogues ; mais le sens du générateur de courant i et par o conséquent celui de i peuvent être quelconques, mais le sens du courant "contrôlé" i' est toujours fixé. Le courant imposé i est io, la tension,imposée par par VMss est v=Vsl=VM - VD, VD étant la chute de tension d'une diode conductrice. Superport (ou norateur) C'est un dipôle traversé par un courant i' quelconque sous une tension arbitraire v'; les modules de i' et de v' ne sont liés par aucune relation. Ils peuvent varier au cours du temps . En régime alternatif i' et v' peuvent présente ter une différence de phase # . Selon la valeur de y on a une résistance non définie de signe quelconque , une inductance ou une capacité positives ou négatives de valeur non définie. Plus généralement en régime variable on a une impédance symbolique de valeur non définie. Nous représentons le superport par un bloc électronique S ayant deux bornes d'utilisation P1 et P2 (c'est à dire entre lesquelles 9n obtient la fonction superport) et deux bornes de contrôle Ml et N1 (fig. 5a). Il est alimenté à partir des bornes M et N du rigiport. Les bornes M et N du rigiport et M1 et N1 du superport sont en principe les mêmes. Généralement il est constitué d'un amplificateur différentiel AD à haute résistance d'entrée (par exemple supérieur à 500 K Q ) et à sortie simple, d'un intégrateur I à sortie simple ou différentielle et d'un dipôle d'impédance linéaire ou non ayant deux électrodes auxiliaires reliées aux sort ies différentielles dudit intégrateur. En régime permanent ( c'est à dire au fonctionnement correct du superport), le signal d'erreur obtenuà la sorie de l'AD qui résulte d'une part du signal d'erreur appliqué aux entrées différentielles dudit AD et d'autre part de ses caractéristiques non idéales (par exemple tension et courant d'offset des amplificateurs opérationnels qui le constituent), sert uniquement à compenser les pertes de l'intégrateur I. L'amplificateur différentiel est classique.La figure 5 b représente un intégrateur I à sortie différentielle, composé d'un intégrateur à sortie simple et d'un inverseur Les exemples dudit dipôle sont très nombreux ; citons en quelques uns transistors bipolaires (figures 6a et b ) et à effet de champ ( fig. 7a et b), self à noyau de perméabilité contrôlée, photorésistance, capacité dont la valeur est contrôlée par déplacement angulaire ou tension électrique, amplificateur opérationnel (fig. 8), résistance commutable contrôlée digitalement. etc... Dans certains cas on peut prendre directement B1 et B2 comme bornes d'utilisation du norateur D'une façon générale, le rigiport et le superport sont couplés ensemble dans un réseau, le rigiport i mposant le courant i et la tension v et le superport recevant ou fournissant un courant i' et une tension v',''forcés'' par ledit rigiport Souvent , dans un réseau électrique, plusieurs rigiports coexistent avec plu sieurs superports. Plus généralement une partie de réseau formait un multipôle R n peut être pathologique avec un ou plusieurs "degrés de rigidité" tandis qu'une autre partie du réseau constitue un multipôle Sn avec un nombre de "degrés d'indétermination''.Sur la figure 9 le premier ensemble Rn est connecté au reste du réseau électrique et possède des bornes de contrôle reliées aux entrées d'un bloc d'aiguillage SSf dont les sorties contrôlent le deuxième ensemble S qui est relié par ailleurs au réseau proprement dit. Le bloc d'aiguillage, du type classique est réalisé en fonction du cas considéré. Un cas particulier du bloc S est celui ou il comporte plusieurs résistances in n déterminées a priori, mais qui sont corrélées (par exemple, elles doivent être égales).Souvent une sortie simple dudit intégrateur I suffit ,par conséquent la borne B2 (fia 5 a) est à la masse). Les possibilités d'application des sources de tension sans débit, des sources de courant sans tension et des éléments pathologiques sont très nombreuses. Les sources de tension sans débit servent par exemple à sta billser un calculateur à réseau électrique comportant des autres composants ; elles servent à l'alimenter dans divers cas. Les applications des sources de courant sans tension sont analogues à celles des sources de tension sans débit. Les circuits pathologiques interviennent dans tout réseau électrique utilisé pour le traitement de l'information, sur le plan du software et celui du hardware. Sur le plan du software les circuits pathologiques sont pour le réseau électrique des éléments intervenant dans la programmation de la machine : sur le plan du hardware ils représentent des circuits électriques avec un automatisme approprié permettant de réaliser les fonct ions du software. REVENDICATIONS 1. Dispositif caractérisé par l'emploi de sources et de suiveurs de tension sans débit de courant, de sources et suiveurs de courant sans tension en vue de la stabilisation des réseaux électriques et du calcul et de la simulation par réseaux électriques fonctionnant en régime continu et variable pour l'étude des problèmes posés par la science, l'économie, l'environnement, la médecine 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par 11 emploi de sources de tension, dtimpédance interne Z, débitant un courant négligeable en vue de la stabilisation des réseaux électriques fonctionnant en régime continu ou variable et de l'application de tels réseaux au calcul et à la simulation. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par l'emploi de sour ces de courant d'impédance Z avec une tension négligeable entre leurs bornes en vue de la stabilisation des réseaux électriques et de leur application au calcul et à la simulation. 4. Dispositif selon les revendications l et 2, caractérisé par le fait que les sources et suiveurs de tension ne débitent pas de courant. 5. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'impédance Z de ces sources et suiveurs de tension est de faible valeur. 6. Dispositif selon les revendications 1 et 3 , caractérisé par le fait que les sources et suiveurs de courant ont une impédance parallèle élevée. 7. Dispositif caractérisé par l'emploi d'éléments pathologiques dans les réseaux électriques. 8. Dispositif selon les revendications 7, caractérisé par l'emploi de multipôles pathologiques, dans les réseaux électriques. 9. Dispositif selon les revendications 7 et 8 caractérisé par l'emploi de multipôles pathologiques réductibles en dipôles pathologiques et circuits classiques non pathologiques. 10. Dispositif selon les revendications 7 et 8 caractérisé par ltemploi de multipôles pathologiques irréductibles en dipôles. 11. Dispositif selon les revendications 7 et 9 caractérisé par l'emploi du rigiport sans débit. 12. Dispositif selon les revendications 7 et 9,caractérisé par l'emploi du rigiport sans tension, dans les réseaux électriques. 13. Dispositif selon les revendications 7, 11 et 12, caractérisé par l'emploi d'un rigiport et d'un superport, ledit super port étant contrôlé par le rigiport, permettant ainsi un fonctionnement correct du rigiport et du superport, dans les réseaux électriques. 14. Dispositif selon les revendications 7 et 9 caractérisé par l'emploi de plusieurs super ports corrélés. 15. Dispositif selon les revendications 7,8,9,10,11 et 12 caractérisé par l'emploi d'un bloc pathologique ayant un ou plusieurs "degrés de rigidité", d'un bloc pathologique ayant un ou plusieurs''degrés d'indétermination et d'un bloc électronique d'aiguillage à entrées et sorties multiples SM permettant le fonctionnement correct des deux blocs pathologiques, les dits blocs étant disposés selon la figure 9, dans les réseaux électriques. 16. Dispositif selon les revendications 7, 9, 11, 12 et 13- caractérisé par l'emploi de deux sources dans le rigiport. 17. Dispositif selon les revendications 7, 9, 10, 11, 12, 13 et 16 caractérisé par le fait que le rigiport R engendre un signal d'erreur lorsque le courant et la tension entre les dormes S1 et S2 s'écartent des valeurs choisies à l'avance. 18. Dispositif selon les revendications 8, 10, 12, 13, 14, et 17 caractérisé par l'emploi d'une source dans le rigiport.