Brevet FR2267664A1 — publié le 19751107

La présente invention a pour objet un commutateur électronique spécialement adapté pour l'emploi des transducteurs à ultrasons susceptibles de fonctionner successivement en émetteur et en récepteur. On sait que les transducteurs à ultrasons, par exemple du type piézoélectrique peuvent fonctionner, d'une part, en émetteur d'ondes ultrasonores et, d'autre part, en récepteur desdites ondes ultrasonores. Dans le premier cas, il faut leur appliquer un certain signal électrique; dans le deuxième cas, il faut au contraire recueillir le signal électrique produit par la pastille piézoélectrique sous l'action des ondes ultrasonores On sait que dans de nombreux cas, il est intéressant d'utiliser un seul transducteur pour l'émission et pour la réception. C'est par exemple le cas lorsque l'on manque de place, ou lorsque l'on veut utiliser un seul guide d'ondes, pour éviter ainsi le désaccord des fréquences de résonance entre les deux transducteurs.Le probîèine consiste alors à commuter alternativement ce transducteur sur la sortie de l'émetteur (générateur du signal électrique) au moment de l'émission, puis sur entrée du récepteur pour assurer la réception du signal électrique émis par le transducteur. C'est ce qu'on a illustré très schématiquement sur la figure 1. Le transducteur 2 est monté entre la masse M et l'entrée commune 4 du commutateur 6. L'entrée 4 peut être reliée soit à la borne d'émission 8 permettant de relier le transducteur à l'émetteur de signal électrique 10, soit à la borne de réception 12 permettant de relier le transducteur 2 au récepteur 14. On connaît dé3 à deux solutions pour réaliser un tel commutateur: a) par un relais électromécanique rapide celais à mercure) qui a un temps de commutation relativement long, une fré quence de répétition de l'ordre de la centaine de Hertz; b) par une association de transformateurs et de diodes On utilise le fait que la diode présente une impédance faible dans le sens direct et une grande impédance dans le sens inverse pour assurer l'aiguillage du transducteur en émission et en réception. En outre, il faut noter que la puissance à l'émission est nettement supérieure à la puissance en réception. Le système à relais électromagnétique à mercure a un temps de commutation relativement long, de 1 à 1,5 milliseconde. I1 présente par ailleurs une instabilité de l'instant de commutation. Cette instabilité atteint quelques centaines de microsecondes, alors que la durée habituelle d'émission est de l'ordre de 25 microsecondes. En ce qui concerne les systèmes à transformateurs et diodes, ils nécessitent l'utilisation de transformateurs haute fréquence. En outre, il n'y a pas de découplage franc entre l'émetteur et le récepteur: on limite l'amplitude du signal mais on ne commute pas le transducteur; en outre, de tels commutateurs sont d'un prix de revient élevé, du fait des transformateurs. La présente invention a précisément pour objet un commutateur électronique spécialement adapté aux- transducteurs à ultrasons fonctionnant à la fois en émetteur et en récepteur qui pallie les inconvénients cités ci-dessus. Le commutateur électronique se caractérise en ce qu'il comprend un pont à quatre diodes, ledit pont comportant quatre bornes de raccordement, chaque borne étant placée entre deux diodes consécutives, une première borne constituant la borne de raccordement au transducteur et la borne opposée constituant la borne de raccordement à l'émetteur, les deux autres bornes étant reliées à des dispositifs de polarisation variable desdites diodes, lesdits dispositifs étant aptes à rendre alternativement lesdites diodes passantes et bloquées, un premier interrupteur reliant la première borne dudit pont à la borne de raccordement au récepteur et un deuxième interrupteur dont une borne est reliée à la borne de raccordement audit récepteur et dont l'autre borne est mise à la masse, et un ensemble de synchronisation de la commande des dispositifs de polarisation et desdits interrupteurs. De préférence, chaque dispositif de polarisation est constitué par un circuit comportant en parallèle une résistance et une self; l'impédance équivalente dudit circuit étant élevée par rapport à celle du transducteur, ledit dispositif étant alimenté à travers un commutateur par une parmi deux sources de tension dont l'une rend les diodes passantes et l'autre les diodes bloquées. Selon des modes préférés de réalisation, les interrupteurs sont constitués par des transistors à effet de champ commandés par leur entrée de grille ou simplement par des transistors classiques. Selon une autre caractéristique, l'ensemble de synchronisation est constitué par un premier monostable de constante de temps réglable attaqué par un signal de synchronisation de période tl, la sortie directe dudit monostable attaquant d'une part la base d'un premier transistor reliant la masse ou une source de tension au premier circuit de polarisation et d'autre part la base d'un deuxième transistor reliant la grille du transistor à effet de champ constituant le premier interrupteur à une source de tension ou à la masse, la sortie inverse dudit premier monostable 'attaquant également la base de deux transistors commandant le niveau de tension appliqué au deuxième circuit de polarisation et à la grille du transistor à effet de champ constituant le deuxième interrupteur, et par un deuxième monostable de constante de temps t2 inférieure à tl, dont l'entrée est attaquée par ledit signal de synchronisation retardé dlun temps t, la sortie dudit deuxième monostable commandant le temps d'émission dudit générateur du signal d'alimentation du transducteur De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'un mode de réalisa- tion de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté:: - sur la figure 1, un schéma général de l'ìnstalla- tion déjà décrite; - sur les figures 2a et 2b, des schémas deréaIisa- tion simplifiés du commutateur objet de l'invention, la figure 2a correspondant à la position d'émission et la figure 2b à la position de réception; - sur la figure 3, un schéma complet de réalisation du commutateur objet de 1'invention; - sur la figure 4, un diagramme temporel illustrant les différents signaux intervenant dans la commande du commu tapeur Sur les figures 2a et 2b, on a représenté un mode de réalisation schématique du commutateur proprement dit. Le commutateur est constitué essentiellement par quatre diodes D1 , D2 , D3 et D4 montées dans un pont 16.La sortie 4 du trans ducteur 2 est reliée au sommet C du pont 16, alors que la sortie 8 d'émetteur est reliée au sommet opposé D dudit pont 16. Les deux autres sommets du pont de diodes 16 respectivement A et B sont connectés à des ensembles de polarisation self-résistance respectivement référencés 18 et 20. L'ensemble 18 est constitué par la self L1 et la résistance R1 montées en parallèle, alors que l'ensemble 20 est constitué par la self L2 et la résistance R2 également montées en parallèle. Comme on le constate en comparant les figures 2a et 2b, les ensembles de polarisation 18 et 20 peuvent être soit mis à la masse comme sur la figure 2a, soit alimentés respective ment par des tensions +V et -V pour les ensembles 18 et 20. On décrira ultérieurement les parties du dispositif permettant ces deux montages. On a décrit jusqu'ici la façon dont le transducteur pouvait être relié à l'émetteur, c'est-à-dire au générateur de signaux électriques permettant émission des ondes ultra- sonores. On va décrire maintenant la façon dont le transducteur peut être relié à l'ensemble de réception des signaux électri ques correspondant aux ondes ultrasonores reçues par le trans ducteur. Cette partie du circuit est constituée par un premier- interrupteur 22 placé entre le point 4 du commutateur et Ventrée 12 du récepteur, et par un interrupteur 24 placé entre la sortie de l'interrupteur 22 et la masse. On va décrire maintenant à l'aide de ces schémas simplifiés le fonctionnement du commutateur à l'émission et à la réception. A l'émission, les points A et B sont mis à la masse à travers les ensembles de polarisation 18 et 20. D'autre part, l'interrupteur 22 est ouvert et l'interrupteur 24 est fermé mettant ainsi l'entrée du récepteur à la masse. Les alternances positives (flèche continue) passent par les diodes D1 et D2 tandis que les alternances négatives (flèche en pointillés) passent par les diodes D3 et D4. Pour que tout le signal apparaisse aux bornes du transducteur 2, il faut et il suffit que l'impédance de ce transducteur soit faible devant celle des ensembles de polarisation 18 et 20. Pour réaliser ces conditions, on peut donner aux selfs L1 et L2 une valeur de l'ordre de 470u H, ce qui, à une fréquence de 1 MHz, représente une impédance de 3140Q et à 2 MHz, une impédance de 6280qu Les résistances R1 et R2 valent chacune 1 kQ, ce qui donne une impédance équivalente pour les ensembles 18 et 20 respectivement de 760Q et 860Q selon la fréquence de travail. Comme l'impédance du transducteur 2 est inférieure à 50Q dans cette bande de fréquence, on obtlent un rapport d'impédance supérieure à 10. L'impédance de l'ensemble L1 - R1 ou L2 - R2 doit être augmentee autant que possible, mais cela se fait au détriment du temps de commutation au moment du passage de 11 émission à la réception. C'est donc une valeur de compromis qui est choisie. On retrouve pratiquement toute l'amplitude du signal aux bornes du transducteur et les temps de commutation restent faibles durant le temps d'émission (Inférieur à 111 s). Lors du fonctionnement en réception, le potentiel du point A est porté à un potentiel positif en appliquant la tension +V au dispositif de polarisation 18, ce qui bloque la diode D3, et le point B est porté à un potentiel négatif en appliquant la tension -V au dispositif de polarisation 20, ce qui bloque la diode D2. Le transducteur 2 est ainsi découplé de la sortie de l'émetteur 8. Consécutivement, l'interrupteur 22 est fermé et l'interrupteur 24 est ouvert, ce qui fait que le signal apparaissant aux bornes du transducteur est transmis au récepteur 14. Comme on l'indiquera ultérieurement, les interrupteurs 22 et 24 peuvent notamment etre réalisés à l'aide de transistors à effet de champ.Ces transistors à effet de champ, et en particulier le transistor correspondant à l'interrupteur 22, ont une impédance en état de conduction de l'ordre de 100Q , alors que l'impédance d'entrée du récepteur est supérieure à 100 kQ , ce qui donne un rapport potentiométrique important. Tout le signal est pratiquement transmis au récepteur 14. On décrit maintenant la figure 3. Le commutateur comporte une borne d'entrée 26 du signal de synchronisation S permettant de fixer la fréquence du cycle émission. Le signal S représenté sur le diagramme 4a- de la figure 4 comporte des successions d'impulsions séparées par une période T. La borne d'entrée 26 attaque, d'une part, l'entrée d'un monostable M1 de constante de temps réglable tl et, d'autre part, l'entrée d'un circuit à retard R de durée t. Le monostable M1 permet de commander à l'instant voulu l'ouverture et la fermeture des interrupteurs 22 et 24 ainsi que les changements de polarisation des dispositifs de polarisation 18 et 20. La sortie du dispositif à retard R attaque un deuxième monostable M2 de constante de temps t2 réglable.On peut faire varier les constantes de temps des monostables M1 et M2 à l'aide des résistances R3, R'3 , et du potentiomètre R4. La sortie Q du monostable M2 donne la durée du signal d'émission qu'on retrouve à la sortie 28 du commutateur. Dans ce mode de réalisation, les interrupteurs 22 et 24 sont respectivement réallsés à l'aide des transistors à effet de champ T5 et T6. On commande l'ouverture ou la fermeture de ces "interrupteurs" en donnant au courant de grille desdits transistors soit la valeur O, soit la valeur i. La sortie Q du monos table M1 attaque la base des transistors T1 et T . La sortie Q dudit monostable M attaque la base du 1 3 1 transistor T2 ainsi que celle du transistor T4. Le transistor T1 a sa borne d'émetteur reliée à la masse et sa borne de collecteur reliée, d'une part, à une source de polarisation +V par l'intermédiaire d'une résistance R et, d'autre part, au dispositif de polarisation 18.Ainsi, selon qu'on applique un courant à la base de ce transistor ou pas, le circuit de polarisation 18 est relié à la source de polarisation +V ou à la masse. I1 en va de même pour le transistor T2 dont l'émetteur est mis à la masse et dont le collecteur est relié, d'une part, au dispositif de polarisation 20 et, d'autre part, à une source de polarisation -V également par l'intermédiaire d'une résistance R. Le transistor à effet de champ T5 est commandé par le transistor T3 dont la base est reliée à la sortie Q du monostable M1. L'émetteur du transistor T3 est mis à la masse tandis que son collecteur est relié, d'une part1 à la source de polarisation -V par une résistance R et, d'autre part, à entrée de grille du transistor à effet de champ T5.Ainsi, selon le signal apparaissant à la sortie Q du monostable M1 la grille du transistor à effet de champ T5 est reliée soit à la source de polarisation -V, soit à la masse, ce qui commande l'état conducteur ou l'état non conducteur du transistor T5. La commande du transistor à effet de champ T6 constituant l'interrupteur 24 est réalisée de la même façon par le transistor T4, mais la base de celui-ci est attaquée par le signal apparaissant à la sortie Q du monostable M1. On comprendra mieux le fonctionnement du commutateur en se reportant aux différents diagrammes des temps représentés sur la figure 4. Lorsqu'apparaît l'impulsion de niveau logique I du signal S à l'entrée du monostable M1, le monostable M1 prend sur sa sortie Q le niveau logique 1 pendant le temps tl. Le transistor T1 relié à la sortie Q est passant, le dispositif de polarisation 18 est donc mis à la masse; de même, le transistor T2 est conducteur, le dispositif de polarisation 20 étant donc également mis à la masse. De la même façon, le transistor T5 est bloqué et le transistor à effet de champ T6 est conducteur. On se retrouve donc bien dans la configuration représentée sur la figure 2a. Le monostable M2 est déclenché par l'apparition du signal S intervenant avec un retard t et le signal de sortie reste à l'état logique 1 pendant un temps t2, c'est ce qu 'on a représenté sur la figure 4c. Ce signal donne la durée de l'émission du signal électrique et commande donc le temps de fonctionnement du générateur de signaux électriques (non représenté). I1 faut remarquer que les monostables M1 et M2 sont réglés initialement avec des constantes de temps différentes tl et t2 t tl étant bien sur supérieure à t d'un temps au 1 2 un temps au moins égal à t. Le mode de réglage des constantes de temps de M1 et M2 à partir du réglage initial est tel qu une augmentation de la valeur de t2 entrane une augmentation de la valeur de t1. On est sûr ainsi que le signal d'émission sera appliqué au transducteur 2 seulement lorsque le commutateur sera effectivement dans la position correspondant a l'émission. Les transistors T1 , T2 , T3 et T4 ont simplement pour but de transposer les niveaux des circuits logiques TTL (monostable M1) au niveau nécessaire pour bloquer ou débloquer les éléments de commutation: - poùr les diodes D1 et D2, les niveaux -6V et O V, - pour les diodes D3 et D4, les niveaux +6V et O V, - pour le transistor T5, les niveaux O et -6V - pour le transistor T6, les niveaux -6V et O V. De préférence, le dispositif à retard R donne un retard t de l'ordre d'une microseconde. Ce retard est nécessaire afin que l'impulsion d'émission arrive lorsque le commutateur est effectivement en position d'émission. Le temps de commutation est en fait inférieur à la microseconde, mais ce temps est pris pour avoir davantage de sécurité. Les diodes D1 à D4 sont des diodes silicium de redressement classiques pouvant supporter plus de 100 V en tension inverse. Les transistors à effet de champ T5 et T6 peuvent supporter plus de 50 V. A l'entrée du récepteur 12, on place pour plus de sécurité des diodes D5 et D6 tête-bêche. Dans un mode préféré de réalisation, la constante de temps du monostable M2 donnant la durée d'émission est réglée à 25pus. L'invention ne se limite nullement aux modes de réalisa- sation décrits mais au contraire en embrasse toutes les variantes. Notamment, pour des tensions crêtes du signal d'émission supérieures à 50 V, on remplacera avantageusement le transistor à effet de champ T5 par un transistor classique. REVENDICATIONS 1. Commutateur électronique pour transducteur à ultrasons comportant une borne de raccordement audit transducteur, une borne de raccordement à un générateur du signal d'émission dudit transducteur ét une borne de raccordement à un récepteur des signaux émis par ledit transducteur lorsque celui-ci fonctionne en récepteur, caractérisé en ce qu'il comprend:: - un pont à quatre diodes, ledit pont comportant quatre bornes de raccordement, chaque borne étant placée entre deux diodes consécutives, une première borne constituant la borne de raccordement au transducteur et la borne opposée constituant la borne de raccordement audit générateur, les deux autres bornes étant reliées à des dispositifs de polarisation variable desdites diodes, lesdits dispositifs étant aptes à rendre alternativement lesdites diodes passantes et bloquées; - un premier interrupteur reliant la première borne dudit pont à la borne de raccordement du recepteur et un deuxième interrupteur dont une borne est reliée à la borne de raccordement dudit récepteur et dont l'autre borne est mise à la masse; et - un ensemble de synchronisation de la commande des dispositifs de polarisation et desdits interrupteurs. 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dispositif de polaristion est constitué par un circuit comportant en parallèle une résistance et une self; l'impédance équrvalente dudit circuit étant élevée par rapport à celle du transducteur, ledit dispositif étant altmen- té à travers un transistor faisant office de commutateur par une parmi deux sources de tension dont l'une rend les diodes passantes et l'autre les diodes bloquées. 3. Dispositif selon la revendication i, caractérisé en ce que lesdits interrupteurs sont constitués-par des transistors à effet de champ commandés par leur entrée de grille 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits interrupteurs sont constitués par des transistors classiques. 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ensemble de synchronisation est constitué par un premier monostable de constante de temps réglable tl attaqué par un signal de synchronisation de périodeT, la sortie directe dudit monostable attaquant d'une part la base d'un premier transistor reliant la masse ou une source de tension à travers une résistance R au premier circuit de polarisation et d'autre part la base d'un deuxième transistor reliant la grille du transistor à effet de champ constituant le premier interrupteur à une source de tension à travers une résistance R ou à la masse, la sortie inverse dudit premier monostable attaquant également la base de deux transistors commandant le niveau de tension appliqué au deuxième circuit de polarisation et à la grille du transistor à effet de champ constituant le deuxième interrupteur, et par un deuxième monostable de constante de temps t2 inférieure à tl, dont l'entrée est attaquée par ledit signal de synchronisation retardé d'un temps t, la sortie dudit deuxième monostable commandant le temps d'émission dudit générateur du signal d'émission du transducteur.