Brevet FR2473230A1 — publié le 19810710

k4-73e3r L'objet de la présente invention est un générateur de signaux électriques à puissance élevée. Ce générateur pouvant fournir des signaux sinusoïdaux ou des signaux modulés en fréquence pour des fréquences pouvant attein- dre plusieurs dizaines de kilohertz. Les signaux fournis par un tel générateur peuvent être appliqués à des transducteurs électro-acoustiques, en particulier pour l'émission de signaux sonar, la puissance pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilo- watts. Pour ces puissances élevées il est important que le rendement soit élevé, de l'ordre de 90%, pour mini- miser les volumes et poids des alimentations et pour sim- plifier les problèmes de refroidissement. Pratiquement il est généralement nécessaire que ces générateurs soient accordables en fréquence sur plusieurs octaves, que leur puissance puisse varier d'un facteur de 10 et que les distorsions du signal fourni soient inférieures à 5 t%. Il est connu d'utiliser pour générer des signaux électriques de grande puissance, des dispositifs compor- tant des amplificateurs de puissance, fonctionnant en classe D. Ce type d'amplificateurs utilise des éléments actifs, tubes ou transistors, fonctionnant en régime de commutation. Des trains d'impulsions rectangulaires de durée variable sont obtenues par commutation d'éléments actifs à partir d'une source de tension continue, la durée des impulsions étant proportionnelle à l'amplitude d'un signal de référence. De nombreux circuits utilisant cette technique dite "à découpage" ont été développés depuis 1955 et on peut se référer aux articles de D.PASQUIER paru dans "TOUTE L'ELECTRONIQUE", Janvier-Février 1968 et de N. CROWBURST paru dans "RADIO-ELECTRONICS", 2 47323C Juillet 1965. Cette technique de découpage permet de fournir des signaux de faible distorsion dans une grande bande pas- sante, pour une variation d'amplitude importante, à con- dition d'utiliser une fréquence de découpage suffisam- ment grande. Par contre la technique de découpage présente l'in- convénient d'un rendement inférieur à 80 '', à cause du grand nombre des commutations. Ces commutations à forte puissance produisent en plus des perturbations parasites rayonnées importantes, qui sont souvent gênantes. Le générateur selon l1invention permet de remédier aux inconvénients de cette technique et en particulier d'obtenir un rendement voisin de 90 A, avec des rayon- nements parasites réduits fortement par rapport à l'art antérieur. Le générateur suivant l'invention comprend d'une part un amplificateur à découpage et d'autre part au moins un amplificateur tel, qu'il fournit un courant continu pendant une durée égale à l'intervalle de temps séparant deux passages du signal de référence à une am- plitude préétablie. Ce dernier type d'amplificateur à créneau" appelé par la suite "circuit à créneau" est connu notamment par le brevet U.S. de W. Mac MURRAY n0 3,581,212 publié le 25 Mai 1971. Brièvement c'est un générateur de signaux élec- triques 1 fournissant une puissance pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilowatts à une charge 4, piloté par un signal de forme e(t), t étant le temps, le courant dans la charge 4 étant sensiblement proportion- nelle au signal pilote e(t), e(t) pouvant être une sinusoïde de fréquence pouvant atteindre plusieurs dizaines de kHz et comportant un circuit 2 fournissant à la charge 4 des impulsions rectangulaires de largeur variable, ce circuit étant appelé circuit à découpage, ú47323C jcaractérisé par le fait que ce générateur comporte en outre n circuits appelés circuits à créneau, 3.1, 3.2, 3.n, o n est un entier supérieur ou égal à 1, chacun des circuits à créneau fournissant des créneaux de courant à la charge 4 et qu'un circuit 20 fournit des tensions de seuil réglables S1, 52' * S-, que des comparateurs comparent le signal e(t) aux seuils S1 SV **' 5, commandant la conduction et le blocage d'élé- ments actifs dans les circuits à créneau 3.1, 3.2,...,3.n et que des sources de tension continue dans -chacun de ces circuits fournissent des courants à la charge 4 dans un sens positif, si e(t)>Si et un courant dans le sens néga- tif si e(t) à la charge des impulsions de courant de largeur propor- tionnelle à la différence du signal pilote et d'un signal égal à la somme des tensions de seuil des circuits à créneau 3.1, 3.2,...,3.n en fonction. D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures qui représentent: - la figure 1, un schéma général du générateur suivant l'invention; - la figure 2, le schéma d'un exemple de réali- sation de l'invention comprenant un circuit à découpage et un "circuit à créneau" - la figure 3, les signaux temporels de commutation du circuit à découpage et du circuit à créneau; - la figure 4, les signaux temporels des courants fournis par le générateur suivant l'invention; La figure 1, montre un schéma général d'un géné- rateur, suivant l'invention. Un signal pilote e(t), dont il faut reproduire la forme à forte puissance est fourni par un circuit 1. Le signal est appliqué par la connexion E1, d'une part à un circuit à découpage 2 et d'autre part, à des circuits à créneau 3.1,3.2.,..,3.n. 247323C Un circuit 20 fournit des tensions de seuils S1,S2..Sn qui commandent respectivement les commutations des cir- cuits 3.1,3.2,...,3.n. Chacun de ces circuits à cré- neau ainsi que le circuit à découpage 2 contient une alimentation continue. Les courants fournis par les circuits 2, 3.1, 3.2,...,3.n s'ajoutent dans la charge 4. La figure 2 môntre un exemple de réalisation du générateur, suivant l'invention. Il comprend le cir- cuit à découpage 2 ainsi que le circuit de commutation à créneau 3. Sur cette figure on n'a représenté qu'un seul circuit de commutation à créneau. Le circuit 20 fournit la tension de seuil posi- tive S, ainsi que la tension de seuil négative -S. La tension du signal de référence e(t) généré par le circuit 1 de la figure 1 est appliqué entre l'entrée E1 et la masse M. Les comparateurs 21 et 22 comparent la tension pilote e(t) aux seuils S et -S, fournissant respecti- vement les signaux binaires R2 et R4. On aura ainsi R2 = 1 si e(t) -S. Les signaux bi- naires R2 et R4 sont appliqués à des inverseurs 23 et 24 fournissant les signaux binaires R1 =-R2 et R3 = R4. Les 4 -éléments actifs de commutation I1, I2, 13 et 14 qui sont préférentiellement des transistors fonctionnant en régime de commutation, reçoivent re - pectivement les signaux R1,, R R3 et R4; ainsi l'élé- ment actif II deivent conducteur s'il reçoit sur sa base un signal Ri=l. Une alimentation (non représentée) fournit la tension continue entre les entrées V+ et V-. Les émet- teurs des transistors I1 et I3 sont reliés à l'entrée V+ et les collecteurs des transistors 12 et 14 à l'entrée V.Des diodes 25 et 26 sont placées en parallèle entre collecteurs et émetteurs des transistors 12 et I4. Les diodes sont conductrices dans le sens collecteur 4t7323 vers émetteur. Le circuit à découpage 2 comprend suivant l'in- vention les mêmes'éléments que le circuit à créneau,notamment les éléments actifs J1 32' 33 et 34, les diodes 34 et 35, les comparateurs 27 et 28, ainsi que les inverseurs 29 et 30. La charge 4 est reliée par le conducteur 203 en N au collecteur de l'élément actif I3 et à l'émetteur de l'élément actif 14. Cette charge est reliée d'autre part par le conducteur 204 et l'élément de self-induc- tion 33 en 0 à l'émetteur de l'élément actif J2 et au collecteur de l'élément actif J3 Le point commun P de l'émetteur du transistor J4 et du collecteur du transis- tor 33 est relié au point commun M de l'émetteur du transistor 14 et du collecteur I3. Une tension de contre-réaction aux bornes de la self- induction 33 est ramenée à l'entrée E2 par l'in- termédiaire de la résistance 32. A cette entrée E2 se trouve appliquée en plusla tension de référence e(t), par l'intermédiaire de la résistance 31. C'est la tension en E2, e2(t), qui est compa- rée à la tension de la masse M dans les'comparateurs 27 et 28. Ainsi si e2(t) O le comparateur 28 fournit le signal binaire Q4=1 et par l'inverseur Q3=0. Les signaux binaires Q1, Q2, Q3 et Q4 commandent les transistors Jl'J2'J3 et 34. Le circuit de découpage reçoit une tension con- tinue entre les entrées W+,sur les émetteurs des tran- sistors J1 et 33, et W sur les collecteurs des transis- tors J2 et 34À La figure 3 montre les signaux de commutation du montage de la figure 2. Pour simplifier on a pris un signal pilote e(t) sinusoidal de période T, to étant pris pour origine des temps. Dans l'intervalle to à tl, L47323C les transistors I2 et 14 conduisent tandis que les tran- sistors I1 et I3 sont bloqués, aucun courant ne peut cir- culer. Lorsque e(t) atteint le seuil S au temps tl, R1 et R2 deviennent respectivement égaux à 1 et à 0 entrai- nant la conduction du transistor I1 et le blocage du transistor I2, un courant i3 fourni par la source de pêles V+ et V va circuler dans la charge dans le sens M vers N dans l'intervalle t1 à t2. Puis lorsque e(t) atteint de nouveau le seuil S au temps t2, les tran- sistors I1 et 12 deviennent respectivement bloqué et conducteur et le courant est coupé. De même pendant l'alternance négative de e(t), le circuit 3 fournit un courant i3 en sens opposé dans l'in- tervalle t4 à t5 pendant lequel e(t) Le circuit à découpage 2 fournit à la charge de sortie 4 des impulsions de la tension d'alimentation, dont la durée est modulée en fonction de la valeur ins- tantanée de l'amplitude e(t) du signal pilote. La ten- sion de référence qui est appliquée aux comparateurs 27 et 28 étant nulle, immédiatement après l'instant t le comparateur 27 fournit le signal Q1 = 1 entraînant la conduction de l'élément J1 et le blocage de l'élément 32' (Q2=0). Le courant fourni vers la charge de sortie croit exponentiellement avec une constante de temps qui est imposée par la self- induction 33 et la résistance de la charge 4. La tension en contre- réaction au signal pilote et la constante de temps sont choisies pour que cette contre-réaction produise une tension décroissante au niveau de l'entrée E2 des comparateurs. De la sorte, lorsque cette tension devient inférieure à zéro, le comparateur fournit les signaux entraînant le blocage de J1 (Qi=0) et la conduction de J2 (Q2=1). La tension en sortie croit alors à nouveau pour redécroitre ensuite entraînant un nouveau cycle de con- duction-blocage des éléments J1 et J2 mais dans un inter- r47323C valle de temps plus grand que le précédent du fait que l'amplitude du signal pilote croit moins rapidement. On obtient ainsi entre les instants to et tl, des durées de conduction qui augmentent jusqu'à ce que le circuit à créneau soit activé à l'instant t1, ajoutant dans la charge.4 une tension égale à sa tension d'ali- mentation. Ensuite, le processus décrit précédemment se répète de sorte que la tension aux bornes O et P du circuit à découpage 3 est formée de créneaux dont la largeur varie proportionnellement à l'amplitude du signal pilote entre les instants t0 et tl, t2 et t3 tandis qu'elle varie proportionnellement à la différence entre cette amplitude et la tension de seuil S dans l'intervalle t1 et t2. Lorsque la tension du signal pilote devient néga- tive, le fonctionnement reste identique, les éléments J1 et J2 étant respectivement bloqué et conducteur tandis que les éléments 33 et J4 sont rendus alterna- tivement conducteurs comme décrit précédemment pour les éléments J1 et 2. Lorsque le circuit à découpage est en fonction tandis que le circuit à créneau ne l'est pas, ce dernier doit présenter aux bornes M et N une impédance nulle. Ce résultat est obtenu grâce aux deux diodes 25 et 26 en parallèle sur les éléments I2 et I4 qui étant con- ducteurs forment respectivement avec les diodes 26 et deux boucles conductrices. De même lorsque le cir- cuit à créneau est en fonction tandis que le circuit à découpage ne l'est pas, le même résultat est obtenu aux deux bornes O et P grâce aux deux diodes M4 et 35* La figure 4 représente schématiquement les cou- rants fournis dans la boucle de sortie 203 par le circuit à créneau i3, (fig.4a) et le circuit à décou- page i2 (fig.4b), de manière à reproduire la tension sinusoïdale i4 (fig. 4c). L'allure du courant dû au L47323t circuit à découpage figurée schématiquement en 4b tient compte de l'intégration produite par la selfinduction 33 et la charge 4. Notons que si l'amplitude du signal pilote n'atteint pas le seuil de tension S, seul le circuit à découpage est en fonction. Lorsque le générateur comporte plusieurs circuits à créneau le nombre de circuits en fonction à un moment donné, dépend de l'amplitude du signal pilote à ce moment et que lorsque tous les circuits fonctionnent, le générateur fournit la puissance maximale. Suivant une variante de l'invention, les sorties M, N du circuit à créneau et 0, P du circuit à découpage sont reliés chacun aux enroulements primaires de trans- formateurs dont les enroulements secondaires sont en série dans le circuit de la charge 4. On a décrit ainsi un générateur de grande puis- sance à bon rendement. En effet, chaque circuit à cré- neau possède un très bon rendement,de l'ordre de 90 %', à cause du nombre de commutations réduit qu'il met en oeuvre. Ainsi pour un signal dont l'amplitude au cours d'une demi-période ne présente qu'un seul maximum, ce qui est souvent le cas, le nombre de commutations d'un élément est égal à 2 pendant cette demi-période. Par conséquent, le générateur possède un très bon rendement à puissance maximale,d'autant plus élevé que le nombre de circuits à créneau est grand. Ce rendement est ob- tenu avec un taux de distorsion réduit, dû à la présence du circuit à découpage fonctionnant avec une fréquence de découpage élevée. De plus. la modulation du signal sortie est aisée, le fonctionnement des circuits à créneau s'arrêtant successivement lorsque l'amplitude du signal diminue et le fonctionnement du circuit à découpage garantissant un taux de distorsion encore faible même si tous les circuits à créneau sont arrêtés. 247323C Expérimentalement, on a montré avec un géné- rateur comportant trois circuits à créneau combinés avec un circuit à découpager que le signal de sortie peut être atténué de 20dB environ dans les mêmes conditions de qualité, qu'avec un générateur comportant un seul cir- cuit à découpage, dont le signal de sortie ne serait atténué que de 10dB. En outre, un circuit peut tomber en panne sans affecter le fonctionnement des autres. Enfin, chaque circuit peut être muni d'une contre-réac- tion de manière qu'il soit possible de faire fonctionner indifféremment un circuit soit en régime de découpage, soit en régime de créneau: le générateur devient donc reconfigurable en cas de panne d'un circuit pour assurer encore un fonctionnement dans de bonnes condi- tions. 47323C REVENDICATIONS 1 - Générateur de signaux électriques (1) four- nissant une puissance pouvant atteindre plusieurs di- zaines de kilowatts à une charge (4), piloté par un signal de forme e(t), t étant le temps, le courant dans la charge (4) étant sensiblement proportionnel au signal pilote e(t), e(t) pouvant être une sinu- solde de fréquence pouvant atteindre plusieurs dizaines de kHz et comportant un circuit (2) fournissant à la charge (4) des impulsions rectangulaires de largeur variable, ce circuit étant appelé circuit à découpage, caractérisé par le fait que ce générateur comporte en combinaison avec le circuit à découpage n circuits appelés circuits à créneau, (3.1,3.2,...,3.n),o n est un entier supérieur ou égal à 1, ehaeun des circuits à créneau fournissant des créneaux de courant à la charge (4) et qu'un circuit (20) four- nit des tensions de seuil réglables S1, e2,...,Sn, que des comparateurs comparent le signal e(t) aux seuils S1, S2,...,Sn, commandant la conduction et le blocage d'élé- ments actifs dans les circuits à créneau (3.1, 3.2,..., 3.n) et que des sources de tension continue dans chacun de ces circuits fournissent des courants à la charge (4) dans un sens positif, si e(t)>Si et un courant dans le sens négatif si e(t)>Si et un courant dans le sens né- gatif si e(t) signal égal à la somme des tensions de seuil des cir- cuits à créneau (3.1, 3.2,...,3.n) en fonction. 2 - Générateur de signaux électriques suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que chacun des circuits à créneau (3) comprend quatre commutateurs à éléments actifs (I1, I2, 13 et 14) formant un circuit en pont dont les sommets d'une diagonale sont connectés ú47323V à une alimentation continue V+ et V et dont les sommets M et N de l'autre diagonale sont connectés à la charge, que les diodes (25, 26) sont placées en parallèle sur les commu- tateurs 12 et 14 le sens passant étant de la sortie V aux points M et N, qu'un premier comparateur (21) rece- vant le signal e(t) et la tension de seuils fournit un signal de commande binaire R2 commandant le commuta- teur I2, un signal R1 fourni par un inverseur recevant le signal R2 commande le commutateur Il, un deuxième comparateur (22) recevant le signal e(t) et la tension de seuil -S fournit de même avec un deuxième inverseur (24) les signaux de commandes binaires R3 et R4 des commutateurs 13 et I4. 3- Générateur de signaux électriques suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le cir- cuit à découpage (2) comprend quatre commutateurs J1' 32' 33 et 34 montés de façon analogue aux commutateurs I1, I2, 13 et I4, qu'une sortie 0 du circuit à découpage est reliée à la charge par intermédiaire d'une self- induction (33), que des comparateurs (27, 28) et des inverseurs (29,30) fournissent les signaux de commande Qi' Q2' Q3 et Q4 des commutateurs J1' 32, 3 et 34, que les bornes négatives du troisième comparateur (27) et la borne positive du quatrième comparateur.(28) sont reliées à la tension e(t) o est ramenée une contre- réaction par la tension aux bornes de la self-induction (33) les deux autres bornes des comparateurs étant re- liées à la tension nulle de la masse (M). 4 - Générateur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les bornes de sortie de chaque circuit à créneau (3.1, 3.2,..., 3.n) ainsi que du circuit à découpage (2) sont reliés à des enroule- ments primaires de transformateurs et que les enroule- ments secondaires de tous ces transformateurs sont en série avec la charge(41