Brevet FR2435882A1 — publié le 19800404

La présente invention concerne les circuits électriques, et sera décrite ci-après en considérant un circuit des tine- à exciter un émetteur de rayonnement électromagnétique. L'invention peut néanmoins être utilisée pour d'autres applications et dans d'autres cadres, et n'est pas limitée aux émetteurs de rayonnement. Les dispositifs classiques d'émission de rayonnement comprennent un émetteur de rayonnement, comme une diode électroluminescente, une source d'énergie électrique destinée à alimenter l'émetteur, et, dans la plupart des applications pratiques, un transistor de commutation qui excite l'émetteur par impulsions, sous la commande d'un oscillateur ou d'un amplificateur de commutation approprié. Les dispositifs caractéristiques de ce type utilisent une source d'alimentation continue, ou une source d'alimentation continue associée à un condensateur de charge, pour attaquer l'émetteur avec des impulsions de forme carrée, ou de forme similaire, dont la largeur et la fréquence sont choisies de façon que les durées d'excitation et de repos de l'émetteur correspondent à des intervalles de temps pratiquement égaux.On pourra par exempleFse reporter à ce titre six brevets U.S. 3 894 229, 3 928 760, 3 657 543, 3 751 671, 3 742 947, 3 909 670, 3 705 986 et 3 486 029. Le brevet U.S. 3 727 185 décrit un autre dispositif à courant continu, de type similaire, qui utilise un thyristor pour commuter l'émetteur. Un autre dispositif encore, décrit dans le brevet U.S. 3 924 120, convertit l'énergie alternative du secteur en signaux carrés de fréquence double, dont la largeur d'impulsion peut être commandée pour transmettre une information à distance. Ces dispositifs d'émission de rayonnement, ainsi que d'autres dispositifs existants, ont une puissance limitée, et ils ont donc une portée faible, en particulier lorsqu'on est en présence de poussière, ou dans des environnements similaires. Bien que la plupart des émetteurs de rayonnement à semiconducteur disponibles dans le commerce soient capables de fonctionner à une puissance de crête pendant de courts intervalles de temps, dans la plupart des applications pratiques, aussi bien en fonctionnement en régime permanent qu'en fonctionnement par impulsions, on fait fonctionner ces dispositifs à des niveaux de puissance moyenne très inférieurs à la puissance de crête, par crainte d'une température de jonction excessive, et pour dau- tres raisons. L'efficacité de la plupart des dispositifs d'émission de rayonnement de l'art antérieur est ainsi limitée par des niveaux de puissance trop bas pour les émetteurs, ou par l'utilisation de dispositifs de limitation du courant des émetteurs, ou par les deux.L'efficacité des dispositifs qui utilisent des éléments de stockage de charge à condensateur pour les émetteurs est en outre limitée par les effets d'échauffement diélectriques, et par les contraintes sur le temps de charge du condensateur. L'invention consiste en un circuit destiné à exciter un élément électrique à des intervalles de temps choisis, pendant une durée prédéterminée, et la fréquence de répétition de ces intervalles est suffisante pour que chaque intervalle corresponde à plusieurs de ces durées. Ainsi, par un choix approprié de ces intervalles par rapport à la durée d'excitation, on peut commander l'application d'un courant électrique dont l'amplitude varie continuellement au cours du temps, si bien que l'élément peut fonctionner à des niveaux de puissanceplus élevés, sans surcharge.Par exemple, dans le cas de l'application à un émetteur de rayonnement dans le spectre optique, ce circuit permet d'exciter l'émetteur à des niveaux de puissance encore jamais obtenus, sans surcharge thermique, et il est alors possible de régler l'échauffement de l'émetteur pour le maintenir à une température désirée. On définit la température de l'émetteur en réglant la fréquence de répétition des intervalles, tandis que la duree d'excitation demeure constante.Dans un exemple de réalisation particulier, la fréquence de répétition des intervalles est de 53 000 Hz, tandis que la durée d'excitation est réglée à 1 jUS. L'élément électrique, dans ce cas un émetteur de rayonnement, peut ainsi etre excité à des intervalles notablement plus courts que ceux qui correspondent à un cycle du courant alternatif fourni par une source d'énergie électrique alternative classique. Dans le circuit décrit ci-après, on commande la fréquence de répétition de ces intervalles en réglant de façon appropriée la fréquence de sortie du générateur d'impulsions carrées, ce qui s'effectue à l'aide d'une résistance variable. On peut ainsi commander la fréquence de sortie du générateur d'impulsions carrées, pour commander la température de l'émetteur, pour l'adapter à des applications particulières.On notera qu'on peut utiliser l'invention pour exciter ou pour commander l'excitation d'autres types d'émetteurs d'énergie et d'éléments électriques qui présentent des problèmes de surcharge. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, qui convient spécialement à un émetteur de rayonnement électromagnétique dans le spectre optique, sans être limité à cette application, l'émetteur est excité par impulsions par de i'énergie électrique à basse tension et courant élevé, dont l'amplitude varie en permanence. La fréquence et la largeur des impulsions sont respectivement commandées par un élément de commande de fréquence d'impulsions et par un élément de commande de largeur d'impulsions.L'élément de commande de fréquence d'impulsions comprend de préférence un générateur qui produit un signal se présentant sous la forme d'impulsions carrées ayant la fréquence désirée, et l'élément de commande de largeur d'im pulsions comprend de préférence un générateur à multivibrateur monostable qui, en réponse à une transition de sens positif d'une impulsion carrée, définit la durée de chaque impulsion. L'émetteur est en outre monté dans un bottier approprié, conducteur de l'électricité, qui constitue un chemin de conduction entre l'émetteur et une source de courant électrique redressé, constituée de préférence par un redresseur en pont à double alternance. La description sommaire qui précède montre que l'invention permet de faire disparattre les craintes qui, dans l'art antérieur, sont-associées au fonctionnement d'un émetteur de rayonnement à sa puissance de crête. La fréquence et la largeur des impulsions d'attaque de l'émetteur peuvent naturellement varier en fonction des caractéristiques de l'émetteur particulier utilisé, et de la source d'énergie électrique disponible. Le choix de la fréquence des impulsions peut en outre dépendre de facteurs supplémentaires, comme le rendement du récepteur (dans les applications dans lesquelles l'émetteur de rayonnement est associé à un récepteur distinct), l'intérêt d'un codage des impulsions par rapport au rayonnement ambiant, etc. De même, le choix d'un émetteur de rayonnement particulier dépend de l'appli cation particulière, et bien que l'invention puisse s'appliquer à des diodes émissives optiques qui émettent un faisceau dans les régions du spectre optique qui correspondent à l'infrarouge proche, au visible ou à l'infrarouge, selon les cas, on peut également utiliser d'autres types d'émetteurs de rayonnement, si on le désire.L'énergie d'excitation de l'émetteur est avantageusement fournie par de l'énergie électrique continue qui résulte d'un redressement à double alternance, mais il est également possible d'utiliser une énergie d'excitation qui correspond à d'autres formes d'onde, et qui donne un niveau de puissance variant de façon permanente. Llinvention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, et en se référant au dessin annexé, qui est un schéma électrique du dispositif d'émission de rayonnement de l'invention. Le dispositif d'émission de rayonnement de l'invention, représenté schématiquement sur la figure 1, comprend un émetteur de rayonnement 10, et des éléments qui excitent l'émetteur avec des impulsions électriques dont la fréquence et la largeur sont choisies de façon que la durée pendant laquelle l'émetteur est au repos soit suffisamment supérieure à la durée pendant laquelle l'émetteur émet, pour que cet émetteur demeure à une température choisie. L'émetteur est excité par impulsions à partir d'énergie électrique obtenue par redressement à double alternance, et qui correspond à un courant élevé et une tension basse. Cette énergie électrique est fournie par un redresseur en pont à double alternance, 12, par l'intermédiaire d'un boîtier 14, conducteur de l'électricité, dans lequel l'émetteur est monté, avec continuité électrique.Un amplificateur de commutation de puissance 11 fait passer l'émetteur par impulsions à l'état de repos et à l'état de travail en réponse à des signaux de commande qui représentent la fréquence et la largeur des impulsions d'excitation à appliquer à l'émetteur. Dans l'exemple considéré, ces signaux de commande sont engendrés par un générateur d'impulsions carrées 16, et par un générateur d'impulsions à multivibrateur monostable, 18, comme il sera décrit sous peu. Dans cet exemple, l'émetteur de rayonnement est une diode électroluminescente disponible dans le commerce qui produit un faisceau optique dans les régions du spectre optique qui correspondent à l'infrarouge proche, au visible, ou à l'infrarouge, selon les cas. On notera évidemment qu'on peut appliquer l'invention à d'autres types d'émetteurs de rayonnement. Le dispositif représenté est destiné à être utilisé avec des alimentations électriques classiques, comme par exemple une alimentation alternative à 110V. Le dispositif peut néanmoins être modifié de façon appropriée pour fonctionner avec d'autres alimentations électriques, continues ou alternatives, si on le désire. L'énergie électrique qui provient de la source est appliquée sur les conducteurs 20 et 22. Un fusible 24 associé au conducteur 20 protège le dispositif contre les courts-circuits internes,et fait fonction d'élément de limitation de courant pour les conducteurs d'alimentation. Un élément de protection contre les tensions transitoires, 26, est branché de la façon représentée, entre les conducteurs 20 et 22.Les enroulements primaires de deux transformateurs abaisseurs, désignés globalement par les références 28 et 30, sont branchés entre les conducteurs 20 et 22, comme il est représenté. L'émetteur est excité par l'énergie électrique qui provient du transformateur 30. L'enroulement secondaire de ce transformateur applique sur les entrées 32 et 34 du pont 12 de l'énergie électrique à basse tension et courant élevé. Le pont 12 convertit cette énergie électrique alternative en énergie électrique redressée à double alternance, également à basse tension et courant élevé. Une borne de sortie 36 du pont est connectée à la masse du dispositif, 38. Cette masse est connectée par des éléments appropriés (non représentés) à d'autres éléments du dispositif reliés à la masse, et toutes les autres connexions de masse sont représentées par le même symbole et désignées par la même référence. L'autre borne de sortie du pont, qui est dans ce cas la borne positive, portant la réfé rence 40, est connectée au boîtier 14.L'émetteur et les divers éléments représentés du dispositif sont logés dans ce bottier. Le bottier est lui-même connecté à l'anode de l'émetteur, comme il est représenté schématiquement. Dans l'exemple considéré, le boîtier est en une substance conductrice de I'électricité, et il assure donc un chemin de conduction pour l'énergie électrique redressée à double alternance, entre la borne 40 du pont et l'anode d'émetteur. Avec cette structure, on peut éliminer toute isolation électrique entre le boîtier et l'émetteur, ce qui permet d'assurer un excellent transfert de chaleur entre le boîtier et l'émetteur. Le transformateur 28 est également alimenté en énergie électrique alternative à partir des conducteurs d'entrée 20 et 22. Un redresseur à double alternance 42 convertit l'énergie électrique alternative qui apparaît dans l'enroulement secondaire de ce transformateur en énergie électrique redressée à double alternance. Les condensateurs 44 et 46 effectuent respectivement un filtrage passe-bas et une stabilisation du niveau continu pour l'énergie électrique de sortie du redresseur. Un régulateur de tension 48 fournit ensuite une tension continue appropriée qui est à nouveau filtréè et stabilisée respectivement par les condensateurs 50 et 52, pour donner l'énergie électrique continue régulée de commande sur la ligne 54.Une diode 55 branchée en parallèle sur le régulateur de tension,de la manière représentée, constitue un circuit de dérivation qui protège contre les tensions transitoires inverses. L'énergie de commande présente sur la ligne 54 est appliquée au générateur d'impulsions carrées 16, ainsi qu'au générateur d'impulsions à multivibrateur monostable 18. La résistance variable 56 et la resistance fixe 57 commandent sélectivement la fréquence du générateur d'impulsions carrées. Les impulsions carrées de fréquence choisie qui apparaissent en sortie du générateur 16 sont appliquées au générateur 18. En réponse à chaque transition de sens positif du train d'impulsions carrées qui provient du générateur 16, le générateur 18 applique un signal de commande approprié à l'amplificateur 11, afin d'appliquer à l'émetteur 10 une impulsion de fréquence et de largeur définies, comme il est décrit ci-après. Un transistor amplificateur d'impulsions 58 est branché à la sortie du générateur 18 par l'intermédiaire de la ligne 60 et de la diode de blocage des signaux inverses, 61. La base du transistor 58 est connectée au conducteur 54 par une résis tance de polarisation de base 62, le collecteur de ce transistor est connecté au conducteur 54 par la résistance de charge de collecteur 64, et son émetteur est connecté à la masse, comme il est représenté. Avec la configuration représentée, le transistor 58 est normalement maintenu à l'état conducteur, en réponse à la tension qui apparaît aux bornes de la résistance 62. Cependant, lorsque le signal qui apparaît en sortie du générateur 18 passe à l'état bas, ce transistor se bloque.A ce moment, la résistance de charge de collecteur 64 applique au condensateur 66 une tension qui accélère initialement le couplage entre le conducteur 54 et la base (désignéa par la référence 67) de l'amplificateur 11, en réduisant l'absorption de courant, et en fournissant un courant initial élevé qui permet un déblocage rapide de l'amplificateur 11. La résistance 68 applique ensuite sur la base de l'amplificateur un courant qui provient du conducteur 54 par la résistance 64, et cet amplificateur est maintenant conducteur de façon à fermer le chemin de conduction qui relie le pont 12 à la masse par l'intermédiaire du boîtier 14 et de l'émetteur 10.Une résistance supplémentaire 70, branchée à la masse, comme il est représenté, contribue également au déblocage de l'amplificateur 11. L'amp' 11 se bloque lorsque le transistor 58 redevient conducteur, à la fin de l'impulsion que fournit le générateur 18. La partie positive restante de l'impulsion carrée est ainsi bloquée. On notera évidemment que le signal de sortie inversé, ou à l'état haut, du générateur 18 est bloqué par la diode 61, et est donc inutilisé. Cependant, en modifiant de façon appropriée le circuit représenté, on pourrait commuter l'amplificateur 11 en réponse au signal de sortie à l'état haut du générateur 18. Le collecteur de l'amplificateur 11 est branché en série avec la cathode de l'émetteur 10, et son émetteur est connecté à la masse, comme il est représenté. L'amplificateur 11 est de préférence un amplificateur de commutation de puissance à deux étages, pouvant supporter un courant de collecteur élevé, et ayant un gain suffisamment grand pour pouvoir être commuté à l'état de conduction par des courants de très faible intensité, tout en fournissant le courant d'attaque désiré pour l'émetteur de rayonnement. Dans l'exemple considéré, l'amplifica teur 11 est constitué par deux transistors en montage Darlington, mais on pourrait également utiliser d'autres types d'amplificateurs. Dans une application particulière de l'invention, un émetteur de rayonnement disponible dans le commerce, fabriqué par la firme Texas Instruments Corporation sous la référence TIL-31, est attaqué par impulsions avec le dispositif de la figure 1. Dans cette application, une fréquence de 53 000 Hz pour le générateur d'impulsions carrées, et une largeur d'impulsion de 1 ,us pour le générateur 18 permettent un fonctionnement pendant des durées prolongées avec une puissance de crête d'environ 15 W, soit plus de 10 fois la puissance nominale de fonctionnement en impulsions recommandée par le fabricant, et ceci même pour une température ambiante élevée. L'attaque par impulsions avec le. dispositif de la figure 1 permet d'augmenter notablement la portée de l'émetteur de rayonnement.Le faisceau optique émis est détectable à une distance environ 10 fois supérieure à la distance nominale indiquée par le fabricant. Dans cette application et dans d'autres, on peut brancher un condensateur shunt 7? entre les bornes d'entrée du pont 12, comme il est représenté. Dans l'application particuiière mentionnée ici, le condensateur 72 a une capacité d'environ 0,22 uF. On comprend maintenant que la fréquence de 53 000 Hz donne des impulsions-dont les largeurs sont notablement supérieures à l'impulsion de 1 guF fournie par le générateur 18 qui, comme il a été décrit, commande effectivement la largeur des impulsions d'attaque qui sont appliquées à l'émetteur de rayonnement, et donc l'état d'émission ou de repos de ce dernier, en fonction de la température désirée pour l'émetteur. En. outre, dans le dispositif considéré à titre d'exemple, les niveaux de puissance des impulsions d'attaque successives varient continuellement par rapport à la puissance de crête, d'une manière qui correspond à l'énergie électrique redressée à double alternance. Ainsi, la puissance de crête n'apparaît que pour une partie des impulsions d'attaque, et les impulsions d'attaque restantes ont des puissances réduites. Cependant, un nombre suffisant d'impulsions d'attaque est appliqué avec une puissance égale à la puissance de crête, ou voisine de celle-ci, pour obte nir un niveau de puissance acceptable. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit destiné à commander le courant électrique appliqué à un élément électrique, ce courant présentant une amplitude qui varie continuellement au cours du temps, caractérisé en ce qu'il comprend un organe qui applique le courant à l'élément électrique à certains intervalles, pendant une durée prédéterminée, et la fréquence de répétition de ces intervalles est suffisante pour que chaque intervalle corresponde à plusieurs durées prédéterminées, de manière à commander l'application du courant en fonction de sa variation d'amplitude au cours du temps, ce qui permet d'appliquer à l'élément électrique un courant dont l'amplitude correspond à une amplitude de surcharge pour cet élément, sans néanmoins l'endommager. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un organe qui commande la fréquence de répétition des intervalles. 3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'attaque qui possède un organe de commutation qui applique le courant à l'élément électrique, lorsqu'il est conducteur; et l'organe qu1.applique le courant à l'élément électrique à certains intervalles comprend un générateur d'horloge qui fournit des impulsions d'horloge apparaissant en synchronisme avec les variations d'amplitude du courant électrique, et un organe de déclenchement, commandé par les impulsions d'horloge, qui fait passer l'organe de commutation à l'état de conduction pendant chacun des intervalles, en lui appliquant une impulsion de déclenchement qui se prolonge pendant la durée prédéterminée. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le courant électrique est constitué par un courant électrique alternatif; ce circuit comporte un organe qui engendre des impulsions de commande unidirectionnelles, en synchronisme avec le courant alternatif; le générateur d'horloge comprend un organe qui transforme les impulsions de commande en impulsions carrées de façon à fournir des impulsions carrées unidirectionnelles; et l'organe de déclenchement comprend un élément qui déclenche le passage de l'organe de commutation à l'état de conduction, en réponse aux transitions de sens positif des impul sions carrées. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de l'organe de déclenchement qui répond aux impulsions carrées fournit une impulsion de déclenchement en réponse à la transition de sens positif de chaque impulsion carrée. 6. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence de répétition des intervalles est suffisamment supérieure à la fréquence du courant alternatif pour qu'un cycle du courant alternatif corresponde à plusieurs intervalles. 7. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément électrique consiste en nn émetteur de rayonnement électromagnétique dans le spectre optique, et l'organe qui applique un courant électrique à l'élément électrique est branché à ce dernier de façon à lui appliquer de l'énergie électrique à basse tension et courant élevé, sous la forme d'impulsions dont l'amplitude varie continuellement, tout en commandant simultanément la fréquence et la largeur de ces impulsions de manière que la durée au cours de laquelle l'émetteur de rayonnement n'est pas excité et n'émet pas soit suffisamment supérieure à la durée pendant laquelle cet émetteur est excité et émet,pour maintenir l'émetteur à la température désirée. 8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'organe qui applique un courant à l'élément électrique comp-rend un circuit d'attaque qui comporte un organe de commutation qui peut être déclenché par une impulsion de déclenchement, et qui excite l'émetteur de rayonnement lorsqu'il est déclenché, et un circuit de commande qui est branché à l'organe de commutation pour déclencher ce dernier; et le circuit de commande comprend un élément de commande de fréquence des impulsions, qui commande-la fréquence à laquelle l'organe de commutation est déclenché, pour exciter l'émetteur à certains intervalles, et un élément de commande de largeur des impulsions qui fait en sor-te que l'émetteur soit excité pour chaque intervalle pendant une durée prédéterminée qui est inférieure à la durée de l'intervalle et dont le début coïncide avec le début de l'intervalle, le circuit de commande de fréquence des impulsions comprenant un élément qui commande la fréquence de répétition des intervalles, de façon que chaque intervalle corresponde à plusieurs des durées prédéterminées, afin de commander l'application du courant en fonction de la variation de son amplitude au cours du temps. 9. Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de commande de fréquence des impulsions comprend un élément qui engendre un signal se présentant sous la forme d'impulsions carrées à la fréquence désirée, et le circuit de commande de largeur d'impulsions comprend un générateur d'impulsions à multitibrateur monostable qui est intercalé entre l'élément qui engendre les impulsions carrées et l'organe de commutation, et qui engendre, en réponse à chaque transition de sens positif des impulsions carrées, une impulsion de déclenchement qui se prolonge pendant la durée prédéterminée. 10. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier conducteur de l'électricité qui sert de logement à l'élément électrique, et qui constitue un chemin de transmission du courant électrique à cet élément.