Brevet FR2279254A1 — publié le 19760213

La présente invention se situe dans le domaine de l'atomisation ( transformation en aérosols) des liquides, particulièrement du fuel-oil en vue de réaliser des brûleurs à ultra-sons. Le principe de l'atomiseur ultra-sonore du fuel est connu depuis plusieurs années: un barreau focalisant, à forte intensité acoustique ( généralement un triplet à cristal piézo-électrique), vibrant en résonance à fréquence ultra-sonore de l'ordre de 60 à IOO kHz, est percé en son axe en un canal médullaire par lequel stécie le fuel, doat chaque goutte, si tat arrivée sur la face radiante focalisée, est transformée en aérosol.Le barreau vibrant est alimenté par un générateur électrtnique de courant HF ( abrégé de"haute-fréquence) dont la fréquence doit être automatiquement asservie, en permanence, à la fréquence propre de résonance acoustique du barreau transducteur, elle-même variable à tout instant selon la tempérarre, la pressinon, le débit, la longueur de la flamme et autres facteurs divers. La plupart des générateurs connus sont à transistors, alimentés sur le secteur par un transformateur abaisseur de tension, pièce lourde, coûteuse et volumineuse, qui s'oppose à la miniaturisation et à l'économie.Un générateur à thyristors, dont les tensions normales se prêtent fort bien à une alimentation directe sur secteur à partir d'un simple pont redresseur, sans transformateur, serait donc la solution de choix, mais se heurte aux difficultésd'engendrer des courants de haute-fréquence (60 à IOO kHz)par des thyristors. La présente invention donne une solution à ce problème, en utilisant le principe de l'excitation par impulsions, appelée aussi excitation par chocs. L'objet de la présente invention est un générateur électronique à thyristor, engendrant des impulsions à fronts raides,àbasse fréquence de récurrence (BF), qui excitent par chocs un circuit oscillant haute-fréquence ( HF) incluant le cristal piézo-électrique; cet oscillateur étant complété ( " feed-bac#")par une boucle d'asservissement de phase entre sa sortie et son étage-pilote( horloge) d'excitation du thyristor. Soit N la fréquence HF du circuit oscillant; on sait que la réponse impulsionnelle d'un circuit oscillant est un train d'ondes HF amorties de fréquence N . Soit F la fréquence de récurrence BF des impulsions d'attaque, supposée plus basse que N; le circuit oscillant sera le siège de trains d'ondes amorties HF de fréquence N se succédant à une fréquence de récurrence F, comme indiqué sur la figure 2.Si les trains d'ondes s'éteignent entre deux périodes de récurrence des impulsions, on a la classique représentation de trains d'ondes HF amorties à cadence de répétition BF. Si les trains d'ondes se rejoignent sans extinction, on obtient une onde HF modulée en BF, dont le meilleur rendement est obtenu lorsque le raccordement des trains successifs s'effectue sans discontinuité, ce qui implique une synchronisation, ou asservissement de phase, entre le courant HF du transducteur et les impulsions de commande du thyristor.Ces 4 opérations essentielles: déclenchement du thyristor par impulsions d'horloge ou pilote; génération d'impulsions de puissance par décharges de condensateur dans un thyristor; excitation par chocs d'un circuit oscillant incluant le transducteur; boucle de synchronisation ou d'asservissement du pilote sur le courant du trasducteur; caractéri snat la présente invention. La figure I donne un schéma de principe sous forme de bloc-di#r#; la figure 2 donne les courbes de correspondance des imEm}st=s impulsiums de commande du thy- ristor et des trains d'ondes amortieswdu circuit oscillant ; la figure 3 drenne une variante à excitation bi-phasée; la figure 4 illustre Tm mode particulier avec découpage des trains d'ondes ou 3nWion par interruptions. Ces schémas constituent des exemples non limitatifs destinés à expliner le principe de la présente invention, dont de nombreuses variantes d'extension sont évidentes et ne justifient pas de dessins complémentaires. La figure donne un exemple schématique incluant 2 blocs: le bloc LO est le blocpilote ( ou horloge) générateur d'impulsions de fréquence F (basse fréquence) qui sera, par exemple, un multivibrateur, un blocking, ou un transistor Unijonction UJT; ces impulsions, positives, attaquent le " gate " (porte ou gachette) du thyristor 3, alimenté en continu par une source + E à travers une self d'arrêt I et une diode 2 en série.Le circuit de charge comprend le condensateur 4 en série avec le primaire 5 inductivement couplé au circuit oscillant constitué de la self 6, du cristal piézo-électrique 7 constituant le condensateur d'accord, et d'une petite résistance 8 en série constituant le capteur de signal d'asservissement~ La tension aux bornes de cette résistance 8, en phase avec le courant traversant le cristal, est mise en forme par le bloc 9 contenant, par exemple, me Bascule de Schmitt et, éventuellement, un circuit compensateur de phase Les impulsions issues du bloc 9 sont injectées dans le bloc-pilote 10 en impulsions de synchronisation et assurent l'asservissement de phase et, par suite, de fréquence dans un rapport sous-harmonique N/F=p où p désigne un nombre entier pour un fonctionnement optimum.Le bloc IO étant généralement un relaxateur, et le bloc 9 lui envoyant des impulsions de synchronisation, on retrouve là le procédé classique de synchronisation d'un relaxateur sur un sous-multiple de la fréquence d'un signal. Il est évident que le rapport de démultiplication 2 peut prendre plusieurs valeurs de nombres entiers, correspondant chacune à un fonctionnement correct de l'ensemble, mais avec baisse de la puissance moyenne quand ce rapport N/F augmente. Le procédé selon la présente invention permet donc finalement d'engendrer des ondes HF modulées dans un circuit oscillant, à partir de thyristor marchant à basse fré quence. En résumé, il y a multiplication de fréquence dans l'excitation par chocs du circuit oscillant, et démultiplication de fréquence dans la synchro nisation. La figure 2 représente en juxtaposition 2 courbes en fonction du temps t : la courbe (a) représente les impulsions positives issues du bloc 10 appliquées au gate du thyristor; la courbe (b) représente les trains d'ondes amorties déclén chés par chocs, à partir de chaque impulsion, dans le circuit oscillant. Le mé canisme est le suivant: à l'instant initial ( t=0) supposons le thyristor bloqué. Le condensateur 4 se charge, à partir de la source E, à travers la self d'ar rêt I et la diode 2 et le primaire 5; cette charge lente, à cadence BF, n'a au cune action sur le circuit oscillant du cristal 7 de fréquence propre N (haute fréquence); elle a pour but de charger à une tension voisine de 2E le conden sateur 4,réalisant le stockage d'énergie potentielle (I/2 CV2 ) qui se trouvera brusquement libérée en énergie cinétique ( I/2 LI2 = I/2 CV2) à l'instant de la décharge à travers le thyristor et le primaire 5. Cette libération brutale, en un temps très court,de l'énergie emmagasinée dans le condensateur 4 provoque le déclenchement du train d'ondes amorties ( courbe b) à partir de chaque impulsion récurrente.Dans la réalité expérimentale, le barreau atomiseur de fuel incluant le cristal piézo-électrique est très peu amorti, du fait qu'il tra vaille dans l'air et en milieu d'aérosols; ainsi les trains d'ondes de la courbe (1i) se rejoignent sans discontinuité, et en continuité de phase grâce à la bou cle d'asservissement; ils constituent finalement une onde HF entretenue modu lée en BF. Le procédé selon l'invention a donc permis, à partir de thyristor lent, d'engendrer des ondes HF entretenues modulées sans discontinuité. La figure 3 donne un exemple d'excitation bi-phasée, permettant un recoupe ment encore amélioré entre les trains d'ondes successifs. Les memes chiffres désignent les memes éléments que sur la figure I. Le bloc 10 désigne ici un générateur d'impulsions bi-phasées, par exemple un multivibrateur symétrique dont on préludera par dérivation les impulsions sur les deux sorties symétri- ques (impulsions croisées). Une phase d'impulsions attaque le thyristor 3 l'autre phase, le thyristor 13. Le condensateur 4 se charge, à partir de la source E, à travers la self I et la diode 2; le condensateur 14 se charge, à partir de la source E, à travers la self Il et la diode 12. Le primaire 5 commun aux deux circuits reçoit les 2 décharges alternées des condensateurs 4 et 14 et engendre dans le circuit oscillant (6-7-8) des trains d'ondes amor ties à fréquence de récurrence 2F , donc double de la fréquence de récurren ce de chaque thyristor. L'asservissement de phase s'effectue par les memes liaisons 8-9-10 déjà expliquées. Charges et décharges des condensateurs 4 et 14 se trouvent alternées.Cet exemple de la figure 3 n'est nullement limi tatif; si, au lieu d'un pilote bi-phasé, on dispose un pilote à n phases d'im- pulsions, attaquant n thyristors en excitation séquentielle, avec charges et décharges de n condensateurs à travers un même primaire 5 couplé au cir cuit oscillant, on obtiendra une multiplication par n de la fréquence de ré currence des trains HF.La liaison d'asservissement de phase se fera toujours de la même façon par liaison de synchronisation entre la sortie et l'hoiloge-pi- lote La figure 4 illustre une variante du procédé selon l'invention, qui consiste à découper l'onde HF du circuit oscillant (entretenues modulées) par un signal modulateur TBF (très basse fréquence) en modulation par interruptions, ceci en vue de faire varier la puissance moyenne électrique appliquée au barreau et par suite le débit de fuel atomisé. Le procédé le plus simple, non dessiné en schéma tant il est évident, consiste à bloquer périodiquement, à fréquence TBF, le pilote générateur d'impulsions.Soit T la période des bloalges TBF eut {t la durée du groupe de trains d'ondes HF maintenus entre 2 périodes de blocage; le rapport /T s'appelle rapport cyclique, ou rapport énergétique, ou facteur de forme; la puissance moyenne est proportionnelle à ce rapport ( . En utilisant comme modulateur TBF un multivibrateur, il est facile, à l'aide de 2 potentiomètres, de faire varier à volonté à la fois le rapport /T et la période T. Il est également facile d'asservir ces 2 paramètres à une va leur prééminée et de réaliser ainsi une régulation automatique du débit ou de la température de la flamme. Les figures I et 3 ont représenté le schéma le plus simple de décharge d'un condensateur 4 à travers un thyristor 3. Il est évident que tous les schémas valables de décharge de condensateur dans un thyristor sont applicables ici: onduleurs à 2 ou plusieurs thyristors; montages en pont à 4 thyristors; mon tages à thyristors associés à diodes, en particulier le montage où le thyristor est shunté par une diode en polarité inverse C appelé souvent anti-parallèle) ou diode de retour, qili a l'avantage de supprimer la tension inverse sur le thyristor. Une autre variante simplifiée consiste à supprimer la diode de charge 2, en réduisant un peu la sécurité et la marge de fonctionnement. Une autre varian te, au contraire plus compliquée mais améliorée, consiste à remplacer la dio de de charge 2 par un deuxième thyristor, qui ne sera déclenché que pour la période de charge et bloqué pendant la décharge. Les dispositifs auxilaires de sécurité couramment utilisés sur les onduleurs à thyristors, tels que Selfs saturables, shunts RC pour réduction de dv/dt, diodes limiteuses de tensions etc sont évidemment applicables également à tous les montages selon la présente invention. L'utilisation industrielle de cette invention est d'abord le brûleur de fuel-oil, puis les atomiseurs de liquides quelconques, et tous générateurs d'ultra-sons, - REVENDICATIONS I. Procédé de réalisation de générateur haute-fréquence à thyristors, caractérisé par la production de trains d'ondes amorties dans un circuit oscillant haute fréquence, soumis à l'excitation par chocs à l'aide d'impulsions de décharge d'un condensateur dans un thyristor, lui-même déclenché par des impulsions d'horloge-pilote basse-fréquence synchronisées automatiquement sur un sousmultiple de la fréquence du Transducteur ultra-sonore couplé au circuit oscillant 2.Dispositif selon la revendication I comportant la charge d'un condensateur à travers une self d'arrêt et une diode, la décharge de ce condensateur dans le thyristor à travers une inductance primaire couplée au circuit oscillant incluant le transducteur, et la synchronisation par prélèvement d'une tension sur le circuit oscillant, mise en forme d'impulsions et injection de ces impulsions sur le relaxateur du pilote excitant le thyristor 3. Dispositif selon la revendication I, comportant un pilote polyphasé délivrant n groupes d'impulsions, attaquant n thyristors séquentiellement, déclenchant n décharges de condensateurs à travers un primaire couplé au circuit oscillant incluant le transducteur, et engendrant par excitation par chocs n trains d'ondes amorties par période de récurrence 4.Variante des dispositifs 2 et 3 ( pris séparément) caractérisée par la présence de diodes de retour en dérivation sur chaque thyristor, en polarité opposée 5. Variante des dispositfs 2 - 3 - 4, (pris séparément) caractérisée par le remplacement de la diode de charge par un thyristor, déclenché pendant la charge et bloqué pendant la décharge 6. Dispositif selon revendication I, à titre de généralisation des revendications 2-3-4-5 prises séparément, selon lequel la succession des charges et décharges des condensateurs dans les thyristors, qui assurent l'excitation par chocs du circuit oscillant couplé au transducteur, est obtenue à partir de tout type d'onduleur à thyristors connu 7. Dispositif selon les revendications 1-2-3-4-5-6 prises séparément, selon lequel on effectue un découpage,ou modulation par intenruptions, des trains d'ondes haute-fréquence amorties engendrés dans le circuit oscillant, en vue de contr8ler la puissance moyenne appliquée, et,par suite, le débit du liquide; ce contrôle pouvant être rendu automatique en asservissant, par exemple, le rapport cyclique de la modulation à un paramètre pré-déterminé tel que débit, température de la flamme.