Brevet FR2462051A1 — publié le 19810206

246205'1 L'invention est relative aux dispositifs transducteurs destinés à transformer en une action mécanique un signal de tension électrique continue d'amplitude relative-- ment faible, dispositifs comportant un condensateur entre les deux électrodes duquel est appliqué ledit signal, l'une de ces électrodes étant mobile et les déplacements de cette électrode constituant l'action mécanique ci-dessus, laquelle est exploitée à toutes fins désirables telle qu-e le déclen- chement d'une alarme ou d'une manoeuvre de sécurité, la com- mutation d'un circuit électrique,optique ou pneumatique, ou l'entraînement d'un mécanisme. Par tension "continue" on entend ici et dans ce qui suit, aussi bien une tension réellement continue qu' une tension variable comportant une composante majoritaire ctntinue ou encore qu'une tension variable redressée. L'invention vise plus particulièrement, mais non exclusivement, parmi les dispositifs transducteurs en question, ceux qui comprennent entre les armatures du conden- sateur un électret, c'est-à-dire une feuille diélectrique chargée électriquement en permanence, et plus particulière- ment encore, parmi ces derniers dispositifs, mais encore non exclusivement,ceux pour lesquels le signal de tension appli- qué entre les électrodes du condensateur est engendré par in- duction à partir d'une variation de flux magnétique. Elle a pour but, surtout, de rendre les dis- positifs considérés tels qu'ils se prêtent à l'exploitation de signaux de tension d'amplitude relativement faible, et ce sans apport d'énergie extérieure. Les dispositifs du genre en question confor- mes à l'invention sont essentiellement caractérisés en ce qu' ils comprennent, interposés successivement entre une source de tension continue v d'amplitude relativement faible et le condensateur, un oscillateur électrique comportant au moins deux transistors complémerntaires, de préférence à effet de champ, propre à transformer ladite tension v en une tension alternative de même amplitude à fréquence relativement élevée, et un circuit propre à élever l'amplitude de ladite tension alternative et à redresser cette tension de façon à élaborer une tension continue V d'amplitude très supérieure à celle de la tension v, laquelle tension V est appliquée entre les élec- trodes du condensateur. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - l'amplitude de la tension v est comprise entre 1 et 25 Volts et celle de la tension V est comprise entre 50 et 250 Volts, - la fréquence de la tension sortant de l'oscillateur est com- prise entre 100 Hz et 100 kHz; - l'oscillateur comprend au moins une paire de transistors complémentaires montés en inverseur,. notamment du type CMOS, et de préférence deux telles paires, - le circuit élévateurredresseur est constitué d'une façon en soi connue par une série d'étages additionnels de tension à diode et capacité, - dans un dispositif transducteur selon les deux alinéas pré- cédents, il est prévu, entre l'oscillateur et la série d'Éta- ges additionnels de tension, un troisième inverseur, notam- ment du type C MOS, - le dispositif transducteur comprend, en plus d'un premier ensemble composé d'un oscillateur du genre indiqué ci-dessus et d'un circuit élévateur-redresseur du genre indiqué ci-des- sus, au moins un second ensemble du même genre, l'oscillateur de ce second ensemble étant alimenté par la sortie du circuit élévateur- redresseur du premier ensemble, - le circuit élévateur-redresseur comprend un transformateur et un redresseur, - un dispositif de limitation de tension est disposé à l'en- trée de l'oscillateur, - un dispositif de limitation de tension est disposé à la sortie du circuit élévateur-redresseur. L'invention comprend, mises à part ces dis- positions principales, certaines autros dispositions qui s'u- tilisent de préférence en rtme temps et dont il sera plus ex- plicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire quelques mc- des de réalisation préférés de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ce dessin, montre très sché- matiquement un dispositif transducteur électromécanique établi selon l'invention, y compris son circuit d'alimentation élec- trique. Les figures 2, 3 et 4 montrent, de manière encore schématique, mais un peu plus détaillée que la figure 1, des portions différentes de ce circuit d'alimentation éta blies conformément à l'invention; D'une façon connue en soi, le dispositif transducteur considéré comprend - une source 1 propre à élaborer des signaux de tension conti- nue v d'amplitude v0 relativement faible, tels que par exem- ple ceux engendrés par des piles de poche ou des batteries, d'amplitude généralement comprise entre 1 et 24 Volts, ou en- core ceux engendrés par induction dans un enroulement con- ducteur à partir de variationsde flux magnétique, puis redressement, - un condensateur 2 comprenant deux armatures ou électrodes, savoir une électrode fixe 3 et une électrode mobile 4, suppo- sée à titre d'exemple montée de façon pivotante autour d'un axe 5, - des moyens 6 pour solliciter l'électrode 4 dans le sens (flèche f) opposé à celui d'attraction électrostatique mutuel- le des deux. électrodes. - et des moyens 7 pour exploiter les basculements de ladite électrode 4 en réponse à l'application des signaux v ci-des- sus entre les deux électrodes 3 et 4. Les moyens de sollicitation 6 peuvent être de toute nature désirable, notamment électrique ou mécanique dans des modes de réalisation préférés, ils sont 2onitues par un aimant permanent propre à refermer son circuit magné- tique dans une armature liée à l'électrode mobile 4. Les moyens d'exploitation 7 peuvent aussi être constitués de toute manière désirable, notamment d'un ty- pe à commande optique ou pr.umatique: dans des modes de ré,c lisation préférés, ils comprennent un interrupteur électrique 8 dont l'actionnement (ouverture ou fermeture) peutit être exploité de toute façon désirable, notamment aux fins de commande d'une alarme sonore ou visuelle, ou aux fins de dé- clenchement d'une manoeuvre de sécurité ou autre. En outre, dans les modes de réalisaticn pré- férés, un électret 9 est interposé entre les électrodes 3 et 4. On rappelle qu'un électret est une feuille diélectrique mince chargée électriquement en permanence au moins au voisinage de l'une de ces deux faces, ainsi qu'il a été schématisé par les signes + sur la figure 1, étant bien entendu que la charge en question pourrait aussi bien être négative que positive, selon les besoins. Le sens du montage et la polarisation de cet électret 9 sont tels que ces charges électriques produisent un champ électrique exerçant sur l'électrode mobile 4 une force électrostatique h opposée à la force f. L'interposition de cet électrat entre les électrodes 3 et 4 présente le double avantage: - d'assurer par elle-même une attraction électrostatique entre ces électrodes, indépendamment de toute polarisation extérieu- re, - et d'améliorer la sensibilité du mécanisme vis-à-vis des si- gnaux électriques de commande, lesquels produisent entre les- dites électrodes un champ électrique opposé à celui produit par l'électret et tendant par conséquent à réduire la force h. On trouvera de plus amples renseignements sur les transducteurs à électret du type décrit ci-dessus dans les brevets France EN 74 40506 dû à Jacques LEWII4ER et Gérard DREYFUS, et 78 22015 et 78 22016 dus à Jacques LEWIi'jER, Gérard DREYFUS et Didier PERINO. Les dispositifs transducteurs du genre en ques- tion présentent de nombreux avantages, en particulier un bon rendement énergétique et une grande autonomie, c'est-à-dire - une aptitude à fonctionner sans apport d'énergie oxtérieure autre que les signaux de commande eux-mêmes. Mais la haute impédance d'entrée de leur con- densateur exige pour ces signaux de commando des tensions re- lativement élevées,souven upérieures à 50 Volts, c'est-à-di- re supérieures aux tensions délivrées par les piles 246UO1 et batteries habituelles. Il est donc généralement nécessaire de recou- rirjpour alimenter les trensducteurs considérés, à une source de tension continue relativement élevée, ou à une source de tension relativement faible associée à un élévateur de tension alimenté lui-même par une tension relativement élévée. Pour remédier à ces inconvénients, c'est-à- dire pour permettre d'utiliser exclusivement une source de tension continue v relativement faible, sans recours à une autre source de tension continue relativement élevée, on in- terpose, selon l'invention, entre la source du premier type et le condensateur, un ensemble propre à élever sensiblement l'amplitude de cette tension au détriment de l'intensité du courant correspondant. Les demandeurs ont en effet constaté que la quantité de courant consomméepar les transducteurs considérés lors de leur fonctionnement est minime et que, par conséquent, la réduction de cette quantité de courant dans l'alimentation du condensateur, même dans une forte proportion, n'entraîne ici aucun inconvénient. L'ensemble prévu pour élever ladite amplitude de tension sans faire appel à une énergie extérieure com- prend, selon l'invention: - un oscillateur 10 propre à transformer la tension v en une tension alternative w de même amplitude vo, à fréquence éle- vée F. - et un circuit 11 propre à élever l'amplitude de la tension w et à redresser cette tension de façon à élaborer la tension con-tinue désirée V, d'amplitude Vo relativement élevée, qui est appliquée entre les électrodes 3 et 4. L'oscillateur 10 comprend au moins deux tran- sistors complémentaires bipolaires, ou à effet de champ à grille isolée t C MOS), ou encore à effet de champ à Jonc- tion (C J-FET), ainsi qu'un circuit résistance-capacité per- meuLant de déterminer la fréquence do'scillation F: une telle utilisation de transistors complémentaires est particu- lièrement intéressante car elle permRt une consommation très réduite, en particulier es Lechnologio C rOS. Les deux Tr2nsistors complémentaires considérés sont avantageusement montés en inverseur. La fréquence F est de préférence comprise en- tre 100 Hz et 100 kHz. Le circuit élévateur-redresseur 11 peut être constitué par un transformateur suivi d'un redresseur, mais pour permettre une intégration de l'ensemble électronique de commande du condensateur, ce qui est souvent précieux aux fins de miniaturisation, on préfère constituer le circuit 11 de l'une des manières qui ont été schématisées sur les figures 2 à 4. Sur ces figures, on retrouve comme sur la fi- gure 1: - en A et B, les bornes d'entrée de l'oscillateur 10, - en C et D, les bornes de sortie de cet oscillateur, qui eont également les bornes d'entrée du circuit élévateur-redresseur 1i1, - et en E et F les bornes de sortie de ce dernier circuit. Sur la figure 2 est représenté un circuit 11 du type "pompe. diodes pour lequel les deux bornes D et F ?n sont directement connectées entre elles et éventuellement mi- ses à la masse, une suite de 2 n diodes Di, D2... 2 en 2" 2n en série étant branchées entre les bornes D et E: ce montage comprend en outre deux séries de n capacités, respectivement C1, C3..2n C2 et C4... C2n montées de façon telle que haque capacité Cisoitenparallèle sur l'ensemble des deux dio- des en série DiB1 et Di, i étant un entier compris entre 1 et 2 n, à l'exception de la capacité C1, laquelle est montée en- tre la borne C et un point intermédiaire entre les deux diodes D1 et D2. Avec les circuits de ce type, on sait que si le premier étage, composé de la diode 01 et de la capacité C1, est alimenté par une tension alternative U, ce premier étage élabore une tension continue de la même amplitude U et chaque étage d'ordre i, composé de la diode Di et de la capacité Ci, -1 - reçoit une tension continue d'amplitude (i-1) U et y ajoute une portion supplémentaire de tension d'amplitude U, ce qui élabore une tension d'amplitude iU. La tension de sortie V recueillie entre les bornes de sortie E et F du circuit présente alors une amplitude Vo qui est n fois supérieure à celle de la tension w appliquée entre les bornes d'entrée C et D de ce circuit. En réalité cette amplitude totale Vo n'est pas atteinte dès la première alternance du signal alternatif w: si la "pompe à diodes" considérée comprend n étages, ladi- te amplitude n'est atteinte qu'après les n premières alternm-n- ces de ce signal; c'est ce léger retard qui a été schématisé par le front ou rampe oblique r sur l'impulsion de tension représentée sur la figure 1. Le schéma selon la figure 3 permet de réduirs le nombre des étages i. Sur cette figure 3 on voit à gauche l'oscilla- teur comprenant deux circuits inverseurs 12, 13, une résistan- ce 14 et une capacité 15. Le circuit élévateur-redresseur, représenté sur la partie de droite de cette figure 3, comprend ici un troisième inverseur 16 constitué encore à l'aide de transis- tors complémentaires, de préférence du type 1lOS, puis une suite de diodes D'1, U'2 D ' D3... D' et de capacités C'1, n V C'2... C'n1, montées de la même manière que sur la figure 2 ( montage parfois désigné sous l'appellation "type CIGCKCPCFT" La tension V recueillie à la sortie de ce mor-- tage a, comme la précédente, une amplitud; n fois supérieure à celle de la tension w appliquée-à son entrée, bien que les nombres des diodes et capacités soient nettement inférieurs, étant réduits de 2n à respectivement n et n-1. Une autre manière de réduire le nombre des étages diodes-capacités a été schématisée sur la figure 4. Sur cette figure, l'ensemble comprenant l'o- scillateur et l'élévateur-redresseur a été dédoublé en ce, sens qu'à la sortie d'un premier ensemble de ce type, composé d'un oscillateur 10a et d'un élévateur-redresseur 11a à p étages, est prévu un second ensemble du même type, composé d'un oscil- lateur 10b et d'un élévateur-redresseur 11b à p étages. Dans ce cas, chacun des étages du circuit 11a augmente de la quantité vo l'amplitude de la tension qui a été élaborée par l'étage precédent, l'amplitude de la tensior recueillie à la sortie du Premier ensemble 10a, lia, c'est-à- dire entre ses bornes G et:, est égale à pvo et chacun des étages du circuit 11b permet d'accroître de cette quantité pvo l'amplitude de la tension reçue de l'étage précédent, de sorte que la tension V recueillie finalement entre les bornes de sortie E et F de ce circuit 11b a une amplitude p vo. b Si l'on considère, à titre comparatif, rue l'amplitude de cette tension de sortie est égale à n fois cel- le v_ de la tension d'entrée v, comme pour les modes de réali- sation précédents, on constate que p est égal à Vn' et que dans la variante de la figure 4, le nombre total des étaces diodes-capacités a été réduit de n à 2 V-n: c'est ainsi que le montage de la figure 4 permet de réduire de 49 à 14 le nom- bre des étages considérés au prix, il est vrai, de l'addition d'un oscillateur. S'il en est besoin, on ajoute des diodes Zener ou organes limiteurs de tension analogues 17, 18-respective- ment entre les bornes A et B et entre les bornes E et F pour limiter les tensions appliquées entre ces bornes. i titre d'exemple, on peut prévoir pour les amplitudes vo et VO des tensions v et V, des valeurs respec- tives de 5 Volts et de 100 Volts, le coefficient n étant alors égal à 20. Dans un tel cas, l'intensité du courant élec- trique correspondant à chaque sighal de tension est elle-même réduite d'un coefficient légèrement supérieur à 20 par rap- port à celle des signaux d'origine [l'écart avec le coeffi- cient 20 étant dû aux pertes de la transformation), mais ce n'est pas un inconvénient puisque le fonctionnement du monta- ge ne consomme pratiquement pas de courant électrique. Comme indiqué précédemment, la création de si- gnaux de tension "renforcés" ou "gonflés" du type décrit ci- dessus se prête remarquablement bien au déclenchement des bcs- culements des électrodes mobiles faisant partie de condensa- teurs, en particulier dans le cas o ces derniers sont d'un type à électret. O'une façon générale, l'amplitude des dépla- cements ainsi commandés d'une telle éle ctrode mobile est su- périeure à 10 microns au niveau d'un point moyen de cette électrode, et correspond 0 une séparation véritable, au moins provisoire, entre les deux électrodes. or q Dans des modes de réalisation préférés, cet te séparation est très nette, et même assurée d'une manière ir- réversible au point que le retour de l'électrode mobile en sa position initiale exige une manoeuvre volontaire de réa-Tv-mm -, généralement manuelle, même après disparition du phénomène ayant provoqué le basculement: c'est le cas des applications qui ont été décrites dans les deux brevets EN 78 22015 et 78 22016 ci4dessus. On notera de plus que l'invention se prête spécialement bien aux applications visées par ce dernier bre- vet, selon lesquelles les signaux de tension de commande sont créés par induction dans un enroulement conducteur, à partir des variations d'un champ ou flux magnétique traversant cet enroulement, puis par redressement. Les variations ainsi engendrées sont par exem- ple dues aux déplacements d'un aimant, éventuellement monté sur un flotteur ( cas de la détection d'un niveau à travers une paroi amagnétique) ou encore à l'apparition d'une surin- tensité sur le primaire d'un transformateur dont le secondaire est constitué par l'enroulement considéré. Dans un mode de réalisation préféré, les va- riations en question sont dues à la naissance d'un courant de fuite sur l'un des deux conducteurs d'un cordon d'alimentation électrique d'appareil domestique, ces conducteurs formant les deux primaires d'un transformateur différentiel dont le secon- daire est constitué par l'enroulement ci-dessus, les signaux induits en question étant alors redressés et exploités pour couper l'un de ces deux conducteurs; Dans un tel cas, il peut arriver que lesdits signaux induits soient trop faibles pour commander directement les basculements d'une électrode mobile, même si le nombre des spires au secondaire est très élevé, et donc exigent une amplification: l'invention permet d'assurer cette amplifica- tion d'une manière particulièrement élégante sans recourir à une alimentation électrique extérieure. De nombreuses autres applications peuvent être envisagées selon l'invention pour l'utilisation d'une ten- sion renforcée de la manii:re autonome décrite ci-dessus en vue de commander les basculernts d'une électrode mobile: on 1 0 peut citer entre autres l'affichage électrostatique faisant intervenir un déplacement, l'entraînement d'un moteur rota- tif ou linéaire à électrets, la détection de la rupture de fu- sibles tels que ceux alimentés en basse tension et montés par exemple à bord de véhicules, la détection de faux contacts, le déclenchement d'un vibreur acoustique à marteau etc... En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient finalement des dispositifs transducteurs-dont la constitution et le fonctionnement ré- sultent suffisamment de ce qui précède. Ces transducteurs présentent de nombreux avan- tages par rapport à ceux antérieurement connus, et en particu- lier les suivants - l'amplitude de leur tension de commande v est augmentée dans une proportion très importante, laquelle peut facilement dé- passer un facteur de 10, et ce sans recours à une source de tension extérieure,- ce qui permet d'utiliser pour ladite com- mande des sources de tensions continues relativement basses. - la réponse de la commande en question est très rapide, le temps de cette réponse étant égal à n/F secondes dans l'hypo- thèse o la fréquence du circuit oscillateur est égale à F et o le nombre d'étages diodes-capacités du circuit élévateur est égal à n: c'est ainsi que, si F égale 5 kHz et si n égale , ce temps de réponse est de 2ms seulement alors que, pour un asservissement au courant alternatif du réseau, dont la fréquence est de 50 Hz, asservissement nécessitant l'exploita- tion d'une alternance de ce courant, le temps de réponse est de l'ordre de 0,2 seconde, - l'ensemble des circuits 10 et 11 est facilement intégrable et se prête donc à la miniaturisation, - le déclenchement du fonctionnement de l'oscillateur suppose le dépassement d'un seuil minimum pour la basse tension d'at- taque, ce qui permet d'éviter le recours à des moyens spéciaux pour supprimer les hésitations au voisinage du seuil de dé- clenchement des basculements de l'électrode mobile. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ail- leurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nulle- ment à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au ?46205 1 * contraire, toutes les variantes, notamment - celles o plusieurs circuits d'alimentation du type de ceux décrits ci-dessus seraient utilisés en association, de tels circuits étant par exemple au nombre de deux, conçus rcspec- tivement pour engendrer des signaux de tension de commande de signes opposés destinés respectivement à commander les bascu- lements d'une même électrode mobile dans deux sens opposés. - celles o l'électrode mobile du condensateur serait agehcée de façon à être entraînée essentiellement ou exclusivement 11J par la force électrostatique due aux signaux de commande, lorsque cette force dépasse la force antagoniste due à l'élec- tret s'il est prévu un tel électret, cette électrode mobile étant alors montée non pas de façon à "basculer" de l'une à l'autre de deux positions stables, mais de façon à tourner autour d'un axe parallèle à la direction de la susdite force ou à se déplacer perpendiculairement à cette force (moteur rotatif ou linéaire, notamment à électret). 1 2 REVENDICATIONS 1. Dispositif transducteur destiné à transfor- mer des signaux d'une tension électrique continue ou redres- sée v d'amplitude relativement faible en déplacements d'une électrode mobile d'un condensateur, caractérisé en ce qu'il comprend, interposés successivement entre la source (1) de la tension continue v et le condensateur (2), un oscillateur électrique (10) comportant au moins deux transistors complé- mentaires, de préférence à effet de champ, propre à transfor- mer ladite tension v en une tension alternative de même am- plitude à fréquence relativement élevée, et un circuit (11) propre à élever l'amplitude de ladite tension alternative et à redresser cette tension de façon à.élaborer une tension continue V d'amplitude très supérieure à celle de la tension v, laquelle tension V est appliquée entre les électrodes (3,4) du condensateur. 2. Dispositif transducteur selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'un électret (9) est interposé entre les deux électrodes (3,4) du condensateur. - 3. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'am- plitude de la tension v est comprise entre 1 et 25 Volts et celle de la tension V, entre 50 et 250 Volts. 4. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la fréquence de la tension sortant de l'oscillateur (10) est comprise entre 100 Hz et 100 kHz. 5. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'oscillateur (10) comprend au moins une paire de transistors complémentaires montés en inverseur, notamment du type C MOS. 6. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le circuit élévateur-redresseur (11) est constitué d'une fa- çon en soi connue par une série d'étages additionnels de ten- sion à diode (Di Di'i) et capacité (úg, C'i). 7. Dispositif transducteur selon les revendi- cations 5 et 6, caractéris' en ce qu'il comprend, entre l'os- cillateur (12-15) et la série d'étages additionnels de ?4620511 1 3 tension, un troisième inverseur (16), notamment du type C MUS. 8. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus d'un premier ensemble composé d'un oscilla- teur (10a) du genre indiqué ci-dessus et d'un circuit éléva- teur-redresseur (11a) du genre indiqué ci-dessus, au moins un- second ensemble du même genre (10bi 1b),îl'scillateur(1Gb] de ce second ensemble étant alimenté par la sortie du circuit élé- vateur-redresseur (11a) du premier ensemble. 9. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que chaque ensemble composé d'un oscillateur et d'un circuit élévateur- redresseur constitue un composant intégré. 10. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit élévateur-redresseur (10) comprend un transformateur et un redresseur. 11. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'un dispositif de limitation de tension (17,18) est disposé à l'entrée de l'oscillateur (10) et/ou à la sortie du circuit élévateur-redresseur (11). 12. Dispositif transducteur selon l'une quel- conque des précédentes revendications, caractérisé en ce que les signaux de tension continue v sont produits par induction, dans un enroulement conducteur, à partir des variations d'un champ ou flux magnétique traversant cet enroulement, puis par redressement.