Brevet FR2310041A1 — publié le 19761126

La présente invention concerne un système de production et de division de fréquence constituant deux parties distinctes dont l'une seulement nécessite une alimentation en courant continu. Ceci permet, à la partie non alimentée en énergie, d'être un élément parfaitement passif ne contenant aucune énergie et fonctionnant seulement avec les impulsions, ou autres formes d'ondes, venant de l'oscillateur dont la fréquence doit être divisée par ce diviseur. On voit immédiatement que ce diviseur présente un intérêt particulier chaque fois que la source d'énergie est difficilement accessible Endroits désertiques Volume réduit Accessibilité difficile Ce diviseur est actionné par un champ électrique convenable dont la puissance est déterminée par la distance et le caractère propre de l'expérience. Le dispositif de la figure 1 représente le principe de l'invention. La partie 1 comporte un oscillateur O et une source d'énergie P. Bien entendu, cet oscillateur peut être de forme quelconque et la source d'énergie de toute nature. Le champ magnétique créé par la self L1, qui peut se trouver à des distances variables de la self L2, est capté par la self L2. Le courant de la self L2 est redressé par la diode D et charge les condensateurs C1 et C2 à travers la résistance R. Les condensateurs C1 et C2 alimentent deux inverseurs COS/MOS en cascade. Le premier inverseur est à seuil S1 dit haut, par exemple V volts. Le deu xième inverseur est à seuil S2 dit bas, par exemple V volts. 2 Les capacités C3 et C4 représentent les capacités propres des COSMOS et, éventuellement, les capacités additives extérieures. Lorsque la tension de charge des capacités C1 et C2 atteint ou dépasse le seuil Sl, le premier inverseur déclenche une impulsion d'environ 2 V-V' volts aux bornes de la capacité C3 si la tention V de notre exemple est de 2 volts. Avant le déclenchement de cette impulsion, le deuxième inverseur est bloqué car la tension aux bornes de C3 est insuffisante pour déclencher le seuil S2 du deuxième inverseur. L'impulsion d'environ 2 V-V' volts à l'entrée du deuxième inverseur déclenche une impulsion d'environ 2 V-V' volts à la sortie du deuxième inverseur, c'est-à-dire charge la capacité C4. Le basculement des deux inverseurs décharge les condensateurs C1 et C2 jusqu'à un certain seuil. Lorsque la tension aux bornes du C2 tombe en dessous de V - seuil S1 - le premier inverseur se bloque, mais les capacités C3, Ci et C2 continuent à se décharger à travers le deuxième inverseur, qui continue a conduire car son seuil S2 est plus bas. La décharge des condensateurs C1, C2 et C3 continue jusqu a ce que la tension aux bornes de C3 tombe en dessous du seuil S2, c'est-à-dire dans notre exemple, en dessous de V volts. La tension aux bornes de C1 sera, à ce moment, 2 légèrement inférieure à V volts et la tension aux bornes de C2 sera inférieure à V volts, toujours dans notre exemple qui n'est pas limitatif. Le deuxième inverseur, faute de tension suffisante, se bloque et, en l'absence d'une nouvelle charge des C1 et C2, le système se trouve dans un état d'équilibre que j'appelle "Etat initial". Dès que les impulsions chargent de nouveau les condensateurs C1 et C2 pour atteindre le seuil de déclenchement du premier inverseur, le système se trouve dans un deuxième état, que j'appelle "Etat opérationnel" et le cycle recommence jusqu'en "Etat initial". On voit donc bien que lorsque l'état opérationnel est atteint, il apparaît à la sortie S une impulsion. Or, si le système est convenablement dimensionné, l'état opérationnel sera atteint pour un nombre prédéterminé d'impulsions. Il y aura donc à la sortie une impulsion pour un certain nombre d'impulsions à l'entrée. Ce nombre sera le facteur de division du diviseur. Le système à deux seuils est donné à titre indicatif, et rien n'empêche de construire un système à plusieurs seuils. Il suffirait, par exemple, d'adjoindre dans la figure 1 une bascule de plus pour obtenir un système à trois seuils. On voit sur la figure 1 que les capacités C1 et C2 se chargent à travers la résistance R et se déchargent à travers les deux bascules mais aussi à travers la diode par sa résistance inverse.. Cette dernière décharge est parasite et doit être réduite La figure 2 représente les circuits de charge et de décharge des condensateurs C1 et C2. Admettons, à titre d'exemple, que l'onde injectée est de 10 khz et a une forme rectangulaire avec un remplissage de 50 t; la résistance de charge de 1 en la résistance inverse de la diode de 4 trtet les capacités C1 et C2 200 pF. La constante de temps de décharge sera de 500 microsecondes et la durée de l'intervalle entre deux impulsions de 50 microsecondes. La tension aux bornes des condensateurs sera diminuée à cause des fuites de Généralement la résistance inverse des diodes actuelles est de plusieurs dizaines de tfl mais, même pour une résistance aussi faible que 4r1n l'importance de la décharge n'est pas catastrophique. Il y a lieu de remarquer trois particularités remarquables de ce dispositif Entre deux impulsions successives et pendant la charge des condensateurs les inverseurs ne consomment pas d'énergie car il n'y a pas de tension suffisante aux bornes des électrodes des COS/MOS. Deuxièmement le système n'est pas critique au point de vue de fréquence. Par conséquent est à large bande de fréquence et n'est sensible qu'au nombre dtimpulsions reçues. Troisièmement ces diviseurs peuvent être montés en cascade, les uns derrière les autres pour constituer une chaine de division qui est représentée en figure 3. Il y a lieu de remarquer que c'est toujours la même énergie initiale de l'oscillateur qui sera la seule nécessaire car le diviseur qui précède joue le rôle que jouait l'oscillateur pour le premier diviseur. La puissance crête, à la sortie des diviseurs consécutifs, sera sensiblement la même si les fuites parasites sont petites. Au contraire, la puissance moyenne sera divisée par le facteur de division des diviseurs. Cette diminution de la puissance n'est pas nuisible pour la cascade des diviseurs car elle est proportionnelle à la fréquence. Or, la puissance consommée pendant la commutation des COS/#)S est donnée par CV2 f. Elle est donc également proportionnelle à la fréquence et diminue avec elle. Le système conserve donc toujours suffisamment d'énergie pour continuer à fonctionner. L'utilisation du dispositif peut être imaginé sous différentes formes,dont nous citerons quelques-unes à titre d'exemples non limitatifs. La figure 4 représente une liaison directe avec l'oscillateur et peut fonctionner avec une très petite énergie. Reprenons notre exemple précédent et admettons une tension de sortie de l'oscillateur de 2 volts. La puissance de sortie sera et la puissance moyenne pour un remplissage de 50 %. 10 - 6 = 0,5 micro'watt 2 pour une durée d'impulsion T = 2 RC, la tension es pendant la durée de l'imr pulsion sera : - 2 RC es = E (1 - e RC ) = 0,86 E ( et pour une durée T = 1,5 RC de 0,78 E) La protection entre la 3ème et la 4ème impulsion est donc valable 0,86 - 0,78 E = 9,3 % 0,86 E Pour un diviseur par 4, il faudra toucher le seuil de déclenchement après 4 impulsions, qui, ensemble, représentent le temps T = 2 RC. Si les fuites sont négligeables, on peut admettre qu'il y a une seule impulsion de temps T = 4 x 50 microsecondes = 200 microsecondes RC = T = 100 microsecondes = 100.10 6 sec. 2 Avec une résistance de 1 la capacité totale sera de 100 pF, ou 2 capacités en série de 200 pF chacune. Au point de vue énergétique on sait que, dans le meilleur des cas, la puissance sera de 50 % dissipée dans la résistance et à 50 t emmagasinée dans la capacité. Ceci est vrai si la durée de l'impulsion est grande devant le RC. La valeur exacte, dans notre exemple, est donnée par WC = 1/2 . CE2 { 1 + e 2 T 2 2 - T RC e WC J On voit que pour T = 2 RC WC = 1 CE2 ( 1 + 0,018 - 0,270 = 0,37 CE2 2 C'est-à-dire que la puissance emmagasinée dans le condensateur sera 37 % de la puissance de l'oscillateur. Dans le cas de nozre exemple 0,5 x 0,37 = 0,19 microwatt. La figure 5 représente la forme du circuit d'entrée dans le cas ou l'os- cillateur est remplacé par un aérien. Dans ce cas le dispositif ne nécessite aucune énergie locale car la totalité de l'énergie est prélevée sur le champ électromagnétique. Ceci peut se produire dans un espace environnant un émetteur et qui sera d'autant plus grand que l'émetteur sera plus puissant. Par exemple, pour un champ de 100 millivolts par mètre, la puissance par m2 de surface sera de = - 26 microwatts. 120 On voit que cette puissance est suffisante pour actionner un dispositif électronique. Il est intéressant de voir également la consommation des COS/NtS pour la comparer aux consommations estimées dans les figures 4 et 5 Consommation d'entrée Si le courant est de 10 pA et la tension de 2 volts, la puissance sera de 0,02 nW. Consommation à l'arrêt Le modèle CD 4007 RCA, à 3 inverseurs consomme 10 nW, soit environ 3 nW par inverseur. Il faut remarquer que dans le système proposé, la tension n'est pas appliquée en permanence au drain. La consommation est donc très réduite. Consommation en commutation Elle est donnée par l'expression W = CV2f Pans notre exemple f = 2.500 Hz et non 10 khz car la consommation a lieu chaque 4ème impulsion. Prenons, pour la capacité de charge du COS/MOS 10 pF et la tension nécessaire de 2 volts : W 10-7 W = 0,1 W Dans le système proposé il y a deux inverseurs donc la puissance nécessaire sera 0,2 W. L'ordre de grandeur est donc convenable pour les cas cités dans le brevet. Selon la forme de réalisation ce dispositif peut être utilisé pour - prothèse cardiaque (Peace Maker - montre électronique - dispositif de surveillance permanente ne nécessitant pas d'énergie - logiques diverses - calculateurs - alarmes REVENDICATIONS 1. - Un système de production et de division de fréquence électroni que constitué de 2 parties et caractérisé par le fait que l'une seulement nécessite une source d'énergie continue. Cette deuxième partie nécessite seulement le signal utile. 2. - Un système de division de fréquence comme décrit dans 1 et ca ractérisé par le fait qu'il peut entre utilisé en liaison join tive ou à distance avec une source de fréquence. Dans ce dernier cas, le diviseur ne nécessite aucune énergie locale. 3. - Diviseurs de fréquence comme définis en I et 2 et caractérisés en ce outils peuvent se mettre les uns derrière les autres sans utilisation d'une source d'énergie complémentaire. 4. - Diviseur électronique comme défini en t et 2 et caractérisé en ce que le nombre des basculements est égal à la fréquence à diviser, divisée par le rapport de division du diviseur. 5. - Diviseur électronique comme décrit en 1 et 2 et caractérisé en ce qu'en l'absence du signal il nta aucune consommation car il ne possède aucune alimentation propre.