Brevet FR2349231A1 — publié le 19771118

La présente invention est relative à un dispositif générateur de signaux périodiques de puissance élevée, à fréquence variable et à haut rendement, et système muni d'un tel dispositif. Un tel générateur est susceptible de fournir de l'énergie électrique convertible par des moyens adequats, notamment en énergie acoustique, par exemple à l'aide de transducteurs électro-acoustiques, en énergie calorifique, par circulation du courant dans une résistance par exemple, ou en énergie mécanique, par exemple des mouvements provoqués d'une table vibrante. Pour fournir de la puissance électrique élevée à un utilisateur du courant alternatif à partir d'une source de courant continu, il est possible d'utiliser, selon une technique conventionnelle, un dispositif convertisseur statique comportant des redresseurs comnandés ; un tel dispositif est connu sous le nom d'onduleur, dont notamment une réalisation est décrite dans la demande de brevet français déposée par la demanderesse le 21 Avril t972 et publiée sous le nO 2 180 584. Des puissances élevées, comprises entre 5 et 30 kW, ont été atteintes par des onduleurs comportant des redresseurs commandés du type thyratrons solides, encore appelés thyristors. Cependant de tels onduleurs présentent des inconvénients, leur fonctionnement nécessitant l'utilisation d'un circuit résonant accordé, dont la présence détermine pratiquement la fréquence du signal de sortie. Par ailleurs, il est également possible de fournir de la puissance électrique à un utilisateur de courant alternatif par l'intermédiaire d'un circuit à transistors utilisés en classe B. Dans ce cas, pour fournir quelques kilowatts un nombre important de transistors doit etre utilisé, avec un rendement peu satisfaisant, de l'ordre de 50 . lie dispositif générateur proposé évite les inconvénients sus-mentionnés et permet d'engendrer un signal périodique de puissance élevée, dont la fréquence est modifiable sans difficulté, le rendement du dispositif étant élevé, supérieur à 90 %. Selon un des aspects de la présente invention, le dispositif générateur de signaux périodiques de puissance élevée, à fréquence variable et à haut rendement, comportant une unité de commande fournissant des signaux pilotes commandant l'état d'éléments conducteurs connectés dans les branches d'un circuit en pont, dont une première diagonale est connectable par ses sommets à une source d'alimentation et dont les sommets d'une seconde diagonale sont connectables à une charge, est principalement caractérisé en ce que dans la combinaison formant ledit dispositif, ladite unité de commande comporte un générateur d'un signal périodique pilote, un moyen de mise en forme et de modulation en durée et un ensemble de répartition par groupes de signaux de commande d'un meme circuit en pont dont plusieurs forment un moyen d'aiguillage, ces n ponts ayant les sommets des dites secondes diagonales couplés entre eux en formant une boucle fermée avec ladite charge, les paires d'éléments conducteurs des branches parallèles d'un pont étant rendus passants par les commandes, aiguillant séquentiellement les courants transmis dont l'addition engendre-un signal périodique dans ladite charge. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple, en se référant aux figures annexées qui représentent - la figure 1 : un schéma synoptique simplifié du dispositif générateur de signaux conforme à l'invention - la figure 2 : un schéma simplifié de montage d'un circuit en pont faisant partie du dispositif générateur - la figure 3 : des diagrammes des signaux de commande fournis par une unité de commande et appliqués aux entrées des circuits en pont et le diagramme du signal de sortie résultant, délivré par ces circuits - les figures 4 et 5 : les schémas synoptiques simplifiés, suivant deux réalisations préférées, d'une unité de commande des circuits en pont ; et - la figure 6 : une autre réalisation de circuits en pont avec une sortie directe. te schéma synoptique, figure 1, montre un dispositif générateur de signaux comportant principalement trois parties distinctes ces parties sont fonctionnellement combinées entre elles en vue d'appliquer à une charge un signal périodique de puissance élevée dont la fréquence est variable. Une première partie est constituée par une unité de commande 1 dont les moyens élaborent les signaus de commande C pour les n circuits en pont 2. Une deuxième partie est constituée par les n circuits en pont 2 qui fonctionnent séquentiellement et dont les signaux engendrés s'ajoutent en formant un signal résultant de sortie. Une troisième partie est principalement constituée par une charge d'utilisation 3 aux bornes de laquelle on obtient le signal résultant de sortie. Une source de tension continue 4 alimente les circuits. l'unité de commande 1, par exemple réalisée suivant le schéma synoptique de la figure 4 de conception analogique, ou bien de la figure 5 de conception numérique, engendre à sa sortie plusieurs groupes de signaux de commande C1 à C4 représentés sur la figure 3. Ces signaux sont des impulsions rectangulaires appliquées de manière prédéterminée réglable, aux n circuits en pont 2 associés les circuits en pont 2 sont en nombre variable et identiques entre eux ; ils sont repérés de 21 à 2n sur les figures et très avantageusement réalisés en modules de circuits à transistors, par exemple suivant l'un des schémas synoptiques données sur les-figures 2 et 6. lies transistors des différents circuits, 21 à 2n, sont commandés séquentiellement et les bornes de sortie des circuits en pont connectées de telle manière que les impulsions rectangulaires respectivement engendrées de même polarité s'additionnent Ta charge d'utilisation 3 est alimentée par le signal formé par les signaux engendrés et additionnés par les circuits en pont, et une source de tension continue fournit l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du dispositif ; elle est représentée sur la figure 2 par un bloc 4. Une description plus détaillée des éléments du dispositif générateur va suivre. D'abord sera examiné un circuit en pont 2 qui constitue une partie importante du dispositif. Le montage en pont sert d'organe d'aiguillage commandé connectant la source de tension continue 4 réunie aux sommets de l'une de ses diagonales, B et pôle moins, aux bornes de sortie qui sont les sommets de l'autre diagonale, N et M, de telle manière que le signal engendré aux bornes N et M soit une impulsion de tension positive ou négative par rapport à un potentiel de référence ; la polarité, la durée et la fréquence de répétition dépendent des signaux C qui commandent l'état de conduction des éléments montés dans les branches du pont. On peut noter que la configuration de base d'un circuit commutateur en pont est connue, notamment dans des applications aux onduleurs conventionnels dont les éléments redresseurs commandés forment les branches et dont la charge est montée entre les sommets d'une diagonale. Un mode de réalisation préférée d'un circuit en pont 2 est schématiquement représenté sur la figure 2. Une source de'tension continue 4 alimente, entre B et la masse, une première diagonale du pont, entre les sommets N et M de la seconde diagonale est connecté un enroulement primaire P d'un transformateur de couplage 5 ; toutes les branches du pont comportent respectivement un transistor, 6 d 9, connectés en série par paire, 7, 8 et 6, 9, entre les bornes de la source de tension d'alimentation en courant continu, le collecteur de l'un étant au plus et l'émetteur de l'autre étant mis à la masse. Suivant une caractéristique, le dispositif proposé comporte, connectée en parallèle respectivement à chaque transistor 7 et 6 des branches adjacentes du sommet du pont réuni à la masse, une diode 11 et 10. En outre, ces transistors 7 et 6 sont conducteurs, sauf lorsque les transistors 8 et.9 sont respectivement conducteurs. Par cette disposition, les enroulements des transformateurs de couplage 5 présentent une impédance très faible permettant aux courants circulant dans les enroulements secondaires S connectés en série avec la charge 3, de s'additionner dans une boucle fermée comme représenté sur la figure 1. lies signaux de commande C1 à C4, fournis par l'unité de commande 1, sont appliqués sur les électrodes des bases des transistors 7, 6, 9 et 8. Pour avoir un rendement maximum, les transistors fonctionnent en commutation avec les signaux de commande d'amplitude A telle qu'un état bloqué est remplacé par un état conducteur en saturation du transistor. lies transistors des branches parallèles du pont sont alternativement rendus conducteurs ; ainsi le primaire P du transformateur 5 est parcouru par le courant, flèche avec tirets, traversant les transistors 8 et 6 à l'état conducteurs, les transistors 9 et 7 étant bloqués ; ce primaire P est parcouru par un courant de sens contraire flèche en trait plein, lorsque les transistors 9 et 7 sont conducteurs et que 8 et 6 sont bloqués. lie passage de courant dans les sens opposés dans le primaire P, induit dans l'enroulement secondaire S un courant qui suit la modification de sens de courant dans le primaire. Il s'ensuit -que dans le circuit fermé, comportant entre les enroulements secondaires S et la charge 3, il est possible grace au dispositif proposé d'induire dans les secondaires respectifs à des instants prédéterminés et pendant des durées différentes des courants représentatifs des courants circulant aux primaires P ; en s'additionnant dans la charge d'utilisation 3 ces courants forment un signal périodique dont les caractéristiques de forme, de fréquence et d'amplitude, sont variables suivant les caractéristiques choisies des signaux de commande pour un nombre n donné de circuits en pont. Dans le cas or le signal périodique est un signal sinusoïdal par exemple, la figure 3 indique les diagrammes en fonction du temps t des différents signaux de commande. lies formes d'ondes représentées correspondent au cas d'un dispositif générateur utilisant n = 3 circuits en pont 21, 22 et 23 recevant chacun les signaux de commande C1 à C4. La figure 3 montre également le signal de sortie traversant la charge 3, formé de n créneaux de différentes durées et décalés dans le temps ; ces crénaux ont une même amplitude A, au plus égale à la tension de la source 4, et par addition de ces créneaux on obtient un signal dont la forme épouse sensiblement une sinusoïde. La forme d'onde obtenue présente donc une distorsion par rapport à la forme d'onde idéale désirée, ici une sinusolde. Concernant ces diagrammes, il est à remarquer que - les signaux de commande C1 sont appliqués simultanément sur tous les circuits en pont 21, 22 et 23 à l'instant t10. Ceci est nécessaire pour disposer du signal en sortie pendant l'intervalle de temps t11 t t1o. En effet avant l'instant t11, si tous les transistors des circuits 22 et 23 restaient bloqués, les primaires de ces deux étages présenteraient une impédance infinie et aucun courant ne pourrait etre transmis vers la sortie.Par contre si le transistor 7 est rendu conducteur à l'instant t10 et qu'une diode 10, indiquée figure 2, est connectée en parallèle sur le transistor 6, le transistor ne conduisant pas en inverse, on crée une boucle conductrice formée par le primaire P, le transistor 7 et la diode 10 ce qui rend le fonctionnement possible. lie processus est identique en ce qui concerne les signaux C2 à l'instant t10 + T, d'où également la diode 11. Il est remorqué que, les diodes ne sont pas indispensables dans le circuit en pont dont le secondaire constitue le premier chainon de la connexion en série. - l'intervalle de temps qui sépare les instants de débloquage et de bloquage des transistors 7, 9 ou 6, 8 du circuit en pont 21 détermine la période du signal fourni. Il suffit simplement de modifier cet intervalle pour faire varier la fréquence du signal et ceci peut être mis en oeuvre de façon très aisée à l'aide de l'unité de commande 1 comme il sera décrit par la suite. Dans l'exemple décrit ci-dessus on a considéré un fonctionnement utilisant la totalité des n circuits en pont du dispositif. il est possible, pour diminuer la puissance de sortie si on le désire, de prendre en compte, pour l'élaboration du signal de sortie, un nombre de circuits en pont inférieur à n. il faut alors remarquer que la valeur de l'amplitude crête de signal de sortie est sensiblement égale à AXm, si m est le nombre de circuits effectivement utilisés et pour m = n la puissance obtenue en sortie est maximum. En outre, pour une fréquence et une amplitude crête, la distorsion est d'autant plus faible que le nombre m de circuits est plus grand. Suivant un aspect de l'invention, on choisit le nombre n de circuits en pont pour que la distorsion obtenue soit faible pour la puissance de sortie maximum désirée, dans la gamme de fréquences utilisée. li'expérience a montré qu'un dispositif générateur, réalisé avec les enseignements donnés ici et comportant huit circuits en pont, fournit un signal sinusoïdal dont la tension de crête est susceptible de produire une puissance électrique efficace maximum de 5 kW dans la gamme de fréquence de 2 kHz à 15 kHz ; sur une charge de résistance pure la distorsion mesurée dans la gamme de fréquence d'utilisation est comprise entre 3 et 7 pour cent, et le rendement dépasse 90 %. lie rendement élevé est encore un aspect avantageux du dispositif générateur décrit. il est d'autant plus élevé que le nombre de commutations des transistors, opérées dans un laps de temps déterminé, est faible donc que le nombre de circuits en pont est faible. il est à noter que si un circuit en pont ne fonctionne plus, le dispositif générateur est encore susceptible de fonctionner avec les circuits en pont restants dans des conditions acceptables d'autant plus que le nombre n de ces circuits sera plus élevé. Cette fiabillté fonctionnelle est typique de la conception modulaire du dispositif. Un autre mode de réalisation préférée d'un circuit en pont est représenté sur la figure 6. Cette figure montre trois ponts 21, 22 et 23, dont seul le 21 est dessiné schématiquement et dont les deux autres, 22 et 23, sont dessinés sous une forme simplifiée à I'extrme. lies particularités de cet ensemble d'aiguillage commandé sont - chaque pont est alimenté par une source de courant distincte, à savoir les diagonales verticales sur le dessin par une source 41 pour un pont 21, 42 pour 22 et 43 pour 23 - les trois ponts sont connectés en série par les sommets de leurs diagonales N et M, horizontales sur le dessin, et les deux sommets restants, directement connectés aux bornes de la charge 3, forent une boucle fermée ; les tensions positives ou négative sont engendrées entre les bornes des sommets M et N d'une diagonale d'un pont. Ce montage permet d'obtenir des signaux à très basse fréquence, puisque l'atténuation due au couplage par transformateur est évitée par connexion directe de l-a charge d'utilisation 2. B'unité de commande 1 pilote automatiquement la conduction des transistors des circuits en pont pour fournir à la charge 3 un signal présentant des caractéristiques désirées de forme d'onde et de fréquence. A condition de fournir les signaux de commande C suivant des séquences prédéterminées d'impulsions rectangulaires de polarité positive ou négative modulées en durée, tout système générateur de telles impulsions est utilisable. Deux réalisations préférées de l'unité de commande 1 sont décrites ci-après. La figure 4 montre une réalisation suivant une conception analogique. Dans l'unité de commande 1 on trouve un générateur de signaux 11 fournissant un signal pilote de grande stabilité et de caractéristiques modifiables, par exemple une sinusoïde d'amplitude crête A. lie signal pilote est appliqué à un circuit redresseur bi-alternance 12 et le signal redressé est appliqué à la première entrée de chacun des amplificateurs différentiels 14 respectivement associé à une voie particulière de commande d'un circuit en pont. La conduction de ces amplificateurs, qui constituent des pertes analogiques, est commandée par 1'amplitude atteinte par le signal lorsqu'elle dépasse une certaine tension de référence appliquée à une seconde entrée et respectivement fixée par une tension continue de valeur prédéterminée suivant la voie. Ainsi, il est possible de définir les signaux 15, futurs signaux de commande G, de manière prévue en durée suivant la forme, l'amplitude et la fréquence du signal pilote. Ces signaux 15 sont ensuite appliqués à une entrée des circuits logiques agencés dans un ensemble 16. Ces circuits logiques sont d'une part des circuits ET inverseurs à deux entrées et d'autre part des circuits inverseurs à une entrée ; ils sont agencés de manière que les signaux de commande C résultants soient distribués suivant un diagramme de temps tel qu'un signal de forme et de fréquence identiques mais d'amplitude amplifiée par rapport au sigle l pilote soit reconstituable à la sortie. il est à noter en particulier l'utilisation d'un amplificateur différentiel 13 permettant de différencier les commandes des transistors qui correspondent respectivement aux alternances positives et négatives de la sinusoïde. La figure 5 donne un schéma synoptique dtune unité de commande 1 suivant une conception numérique. Dans cet arrangement les signaux de commande, tels que des impulsions rectangulaires indiquées par 15 sur la figure 4, sont élaborés de façon numérique par l'inte-rnédiaire de mémoires mortes portant inscrites les caractéristiques nécessaires pour l'obtention de la forme forme d'onde désirée à la sortie. lie schéma synoptique de la figure 5 montre un compteur codeur, bloc 17, dont une entrée reçoit un signal d'horloge et dont une autre entrée est connectée à un circuit de remise à zéro. lie compteur 17, par le signal d'horloge de fréquence multiple à cellé du signal de sortie du dispositif générateur, transmet la cadence de fonctionnement désirée à l'entrée d'une mémoire morte, bloc 18 ; les signaux de commande numérique d'amplitude des signaux sont appliqués à une autre entrée du bloc 18. lies impulsions rectangulaires 15 sont appliqués à un ensemble 16 comportant des circuits logiques tel que déjà décrit à propos de la figure 4. lies deux modes de réalisations préférées montrent que le dispositif générateur comporte une unité de commande 1 de mise en oeuvre simple pour engendrer, en combinaison avec les circuits en pont X, des signaux d'amplitude,de forme, et de fréquence variable. Un tel dispositif trouve une application intéressante pour engendrer des ondes sinusoïdales. En outre, ce dispositif est utilisable seul en tant qu'émetteur de puissance à fréquence variable dans une large gamme, ou bien incorporé dans un système, par exemple, sonar. REVEND I CA T I 0N 1. Dispositif générateur de signaux périodiques de puissance élevée, à fréquence variable et à haut rendement, comportant une unité de commande fournissant des signaux pilotes commandant l'état d'éléments conducteurs connectés dans les branches d'un circuit en pont, dont une première diagonale est connectable par ses sommets à une source d'alimentation et dont les sommets d'une seconde diagonale sont connectables à une charge, caractérisé en ce que dans la combinaison formant ledit dispositif, ladite unité de commande (1) comporte un générateur (11) d'un signal périodique pilote, un moyen de mise en forme et de modulation en durée (14) et un ensemble (16) de répartition par groupes des signaux de commande (C1 à C4) d'un même circuit en pont dont plusieurs forment 4 un moyen d'aiguillage (2), ces n ponts (21 à 2n) ayant les sommets desdites secondes diagonales couplés entre eux en formant une boucle fermée avec ladite charge (3), les paires d'éléments conducteurs (9, 7 et 8, 6) des branches parallèles d'un pont étant rendus passants par les commandes (C1 à C4), aiguillant séquentiellement les courants transmis, dont l'addition engendre un signâlpériodique dans ladite charge. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments conducteurs sont des transistors (7, 6, 9, 8), dont ceux (7, 6) des branches adjacentes du sommet connecté au pole moins- de ladite source d'alimentation (4) comportent respectivement en parallèle une diode (11, 10) montée en un sens de conduction opposée à celle du transistor associé, en ce que les transistors (6, 7) connectés à ce sommet sont conducteurs dans les n circuits en pont (21 à 2n) sauf dans l'intervalle de temps où respectivement les transistors (8, 9) connectés au sommet (B) opposé du pont sont conducteurs, et en ce que lesdits circuits en pont sont de structures monolithique et identiques entre eux. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits circuits en pont ont leurs sorties interconnectées en série au moyen des enroulements secondaires (S) des transformateurs de couplage (5) dont le primaire (P) est connecté aux sommets (N, M) de ladite seconde diagonale. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits circuits en pont ont leurs sorties interconnectées en série au moyen d'une liaison directe entre les sommets (N, M) de ladite seconde diagonale des ponts, les premières diagonales étant alimentées séparemment. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de mise en forme et de modulation en durée du signal pilote est constitué par des amplificateurs différentiels (14) formant des portes analogiques à seull de fonctionnement prédéterminé recevant sur une entrée ledit signal pilote (11 > ayant ses deux alternances redressées (12) et recevant sur l'autre entrée une tension de référence (+) de valeur prédéterminée en fonction de la modulation en durée désirée de l'impulsion rectangulaire engendrée (15). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites impulsions rectangulaires (15 et un signal de commande de synchronisation-(13) sont appliqués aux difrérentes entrées dudit ensemble (16) qui comporte des circuits logiques agencés pour fournir lesdits signaux de commande (C1 à C4) suivant une séquence prédétermlnée commandant lesdits circuits en pont (2). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mise en forme et la modulation en durée sont obtenues par des moyens numériques comportant en série un compteur codeur (17), actionné par un signal d'horloge et muni d'une remise à zéro, et une mémoire morte (18). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre n de circuits en pont est choisi en fonction de la puissance de sortie maximum désirée et de distorsion du signal de sortie pour une forme donnée dudit signal. 9. Système caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif défini par l'une quelconque des revendications précédentes.