Brevet FR2477760A1 — publié le 19810911

La présente invention part d'un transformateur pour impulsions qui, destiné notamment à l'amorçage de thyristors et de triacs et ayant son entrée et sa sortie séparées l'une de l'autre du point de vue de la conduction électrique, est constitué par un enroulement électrique primaire, un enroule- ment électrique secondaire ainsi que par un noyau ferromagné- tique au moyen duquel l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire sont couplés entre eux par voie magnétique. Les transformateurs pour impulsions connus ont pour mission de produire à partir d'une tension alternative ali- mentant l'entrée du transformateur un train d'impulsions disponible à la sortie du transformateur et dont les impul- sions doivent autant que possible être raides, d'une grande amplitude et courtes. Leur domaine d'utilisation préféré est celui de l'amorçage de thyristors et de triacs dans la mesure o pour des raisons de sécurité (protection contre les contacts matériels) une séparation sur le plan de la conduc- tion électrique est nécessaire. on connaît différents types de transformateurs pour impulsions. Dans un type connu le transformateur est alimenté avec une tension sinuso!dale aux bornes de l'enroulement primaire. L'enroulement secondaire est mis en place dans une zone du circuit magnétique présentant une section particuliè- rement réduite et qui est par conséquent rapidement saturée. Un accroissement supplémentaire du flux magnétique ne peut alors avoir lieu que par la voie de dispersion de l'air. Dans un autre type connu de transformateur pour impul- sions on utilise un noyau à saturation prononcée, par exemple en mumétal. Son enroulement primaire est raccordé par l'inter- médiaire d'une self à fer à une tension de secteur sinusoïdale. Dans les deux cas on obtient dans l'enroulement secondaire une allure de flux sensiblement trapézoïdale et la tension induite dans le secondaire présente par conséquent des impulsions prononcées. Des transformateurs d'amorçage de ce genre sont, par nature, fort coûteux. La présente invention a pour but de créer un transfor- mateur pour impulsions dont l'entrée et la sortie sont séparées l'une de l'autre sur le plan de la conduction électrique et qui soit capable de produire, de manière simple, des impulsions présentant une courte durée et une forte amplitude en étant en même temps dans une large mesure exemptes de composantes parasites. Ce but est atteint suivant l'invention, pour un transformateur pour impulsions du genre décrit en premier, par le fait que le noyau ferromagnétique est un élément magnétique bistable. En tant qu'éléments magnétiques bistables, également appelés noyaux de commutations magnétiques bistables, il convient d'utiliser notamment des fils du type dit Wiegand dont la constitution et la fabrication sont décrites dans la Demande de Brevet allemand publiée Ne 2 143 326. Les fils Wiegand sont, quant à leur composition, des fils ferromagné- tiques homogènes (par exemple en un alliage de fer et de nickel, de préférence 48 % de fer et 52 % de nickel, ou en un alliage de fer et de cobalt, ou en un alliage de fer avec du cobalt et du nickel, ou encore en un alliage de cobalt avec du fer et du vanadium, de préférence 52 % de cobalt, 38 % de fer et 10 % de vanadium), qui par suite d'un traitement mécanique et thermique spécial possèdent un noyau magnétique doux et une enveloppe magnétique dure, c'est-à-dire que l'en- veloppe présente une force coercitive supérieure à celle du noyau. Les fils Wiegand présentent typiquement une longueur de 5 à 50 mm, de préférence de 20 à 30 mm. Si un fil Wiegand, dans lequel le sens d'aimantation du noyau magnétique doux correspond au sens d'aimantation de l'enveloppe magnétique dure, est placé dans un champ magnétique extérieur dont la direction correspond à la direction de l'axe du fil mais dont le sens est opposé au sens d'aimantation du fil Wiegand, alors le sens d'aimantation du noyau doux du fil Wiegand se trouve inversé en cas de dépassement d'une intensité de champ d'environ 16 A/cm. Cette inversion est également appelée remise à l'état initial. En cas d'une nouvelle inversion du sens du champ magnétique extérieur, le sens d'aimantation du noyau s'inverse à nouveau dès que l'intensité duchamp magné- tique extérieur excède une valeur critique, de sorte que le noyau et l'enveloppe se trouvent de nouveau aimantés parallè- lement. Cette inversion du sens d'aimantation s'effectue très rapidement et s'accompagne d'une forte variation correspondante du flux magnétique par unité de temps (effet Wiegand). Cette 2477767D variation du flux magnétique peut induire dans une bobine d'induction une impulsion de tension (impulsion Wiegand) courte et très forte (pouvant en fonction du nombre de spires et de la résistance de charge de la bobine d'induction atteindre jusqu'à environ 12 volts). Lors de la remise du noyau à son état initial, une impulsion est également produite dans une bobine d'induction mais cette impulsion présente, par rapport au cas du passage du sens d'aimantation antiparallèle à celui parallèle, une amplitude sensiblement plus faible et de signe contraire. Si l'on choisit comme champ magnétique extérieur un champ alternatif, capable d'inverser d'abord l'aimantation du noyau et ensuite celle de l'enveloppe et de les amener chacun à l'état de saturation magnétique, alors il se produit, par suite du changement du sens d'aimantation du noyau magné- tique doux, des impulsions Wiegand présentant alternativement une polarité positive et une polarité négative et on peut alors parler d'une excitation symétrique du fil Wiegand. Pour cela il faut des intensités de champ d'environ-(80 à 120 A/cm) à + (80 à 120 A/cm). L'inversion de l'aimantation de l'enve- loppe se produit également brusquement et conduit aussi à une impulsion dans la bobine d'induction, mais cette impulsion est beaucoup plus faible que celle induite lors de l'inversion de l'aimantation du noyau et n'est pas exploitée dans la plupart des cas. Si l'on choisit, par contre, comme champ magnétique extérieur un champ capable d'inverser seulement le sens d'aimantation du noyau doux et non pas celui de l'enveloppe dure, alors les fortes impulsions Wiegand ne se produisent qu'avec une même polarité et on peut alors parler d'une excitation asymétrique du fil Wiegand. Pour cela il faut dans un sens une intensité de champ d'au moins 16 A/cm (pour ramener le fil Wiegand à l'état initial) et dans le sens inverse une intensité de champ d'environ 80 à 120 A/cm. Il est caractéristique de l'effet Wiegand que les impulsions produites par cet effet sont, quant à leurs amplitude et largeur, dans une large mesure indépendantes de la vitesse de variation du champ magnétique extérieur et présentent un rapport signal/bruit élevé. Dans le cadre de l'invention peuvent également être- utilisés des éléments magnétiques bistables conçus différem- ment, à condition que ceux-ci comportent deux régions couplées magnétiquement entre elles et présentant l'une par rapport à l'autre une dureté magnétique (force coercitive) différente et puissent, de manière analogue à des fils Wiegand, servir à la génération d'impulsions par inversion rapide, induite, de l'aimantation de la région magnétique douce. Ainsi il est décrit par exemple dans le Brevet allemand NO 2 514 131 un noyau de commutation magnétique bistable présenté sous la forme d'un fil qui est constitué d'un noyau magnétique dur (par exemple en nickel-cobalt) , d'une couche intermédiaire conductrice de l'électricité (par exemple en cuivre) déposée sur le noyau et d'une couche magnétique douce (par exemple en nickel-fer) déposée sur la couche intermédiaire. Une autre variante comporte en outre un noyau formé d'un conducteur inté- rieur dépourvu de perméance (par exemple en béryllium-cuivre)sur lequel est alors déposée la couche magnétique dure sur laquelle est ensuite déposée la couche intermédiaire qui est enfin recou- verte de la couche magnétique douce. Ce noyau de commutation magnétique bistable connu génère toutefois des impulsions de commutation plus faibles que celles générées par un fil Wiegand. Le transformateur pour impulsions peut, selon le domaine d'utilisation, être amené à fonctionner dans des conditions d'excitation symétrique ou asymétrique de l'élément magnétique bistable. En cas d'excitation symétrique, l'enrou- lement primaire (enroulement inducteur) est alimenté le plus commodément avec un courant alternatif sinusoïdal. L'un des avantages de l'invention réside en ce que le courant alternatif d'excitation peut toutefois également présenter d'autres allures de courbe quelconques. La seule condition requise pour l'exci- tation symétrique réside en ce que le champ magnétique créé par l'enroulement primaire au niveau de l'élément magnétique bis- table doit atteindre des valeurs qui suffisent à l'excitation symétrique de l'élément magnétique bistable; dans le cas de fils Wiegand il faut pour cela des intensités de champ Hs d'environ. (80 à 120 A/cm). Alors qu'en cas d'excitation symé- trique le transformateur pour impulsions délivre un train d'im- pulsions de polarité alternée, en cas d'excitation asymétrique il ne délivre que des impulsions de polarité invariable. En cas d'excitation asymétrique il faut également, au niveau de l'élément magnétique bistable, un champ magnétique alternatif qui, dans un sens, a cependant besoin d'être suffisamment fort seulement pour qu'il présente l'intensité de champ HR nécessaire pour remettre l'élément magnétique bistable par voie magnétique à son état initial (inverser la polarité de la région magnétique douce de l'élément magnétique bistable de façon que son orientation parallèle, par rapport au sens d'aimantation de la région magnétique dure, devienne antiparallèle) et qui dans le cas de fils Wiegand est d'environ - 16 A/cm. Dans l'autre sens il faut des intensités de champ qui permettent d'amener l'élément magnétique bistable à nouveau, par inversion de la polarité de sa région magnétique douce, à l'état de l'aimanta- tion parallèle; dans le cas de fils Wiegand il faut pour cela une intensité de champ d'environ Ha = 80 à 120 A/cm. Le champ magnétique alternatif asymétrique peut être créé, soit en su- perposant au courant alternatif d'excitation une composante de courant continu inférieure à la valeur maximale de la com- posante de courant alternatif, soit en alimentant l'enroulement primaire avec un courant alternatif plus ou moins symétrique et en superposant au champ magnétique alternatif créé par ce dernier courant au niveau de l'élément magnétique bistable un champ magnétique continu parallèle au champ magnétique alter- natif mais plus faible que celui-ci, un aimant permanent de dimensions appropriées étant par exemple dans ce but disposé à côté de l'élément magnétique bistable. L'utilisation d'un élément magnétique bistable, en tant que noyau d'un transformateur pour impulsions, a en outre pour avantage que la largeur et l'amplitude des impulsions sont pratiquement indépendantes de la forme et de la fréquence du courant alternatif d'excitation. D'autres influences extérieures, notamment la température, n'exercent pas non plus d'influence notable sur la génération des impulsions. En cas d'utilisation de fils Wiegand en tant qu'élément magnétique bistable la lar- geur moitié des impulsions se situe à 20 microsecondes. Dans la plupart des cas l'impulsion produite au moment o le sens d'aimantation antiparallèle de la région magnétique douce est inversé de façon à devenir parallèle peut par consé- quent être utilisée, sans autre traitement, directement à des fins de commande. L'impulsion produite, encas d'excitation asymétrique, au moment o le sens d'aimantation de la région magnétique douce est inversé de façon à obtenir l'état d'ai- mantation antiparallèle des deux régions est beaucoup plus faible que l'impulsion produite au moment o le sens d'ai- mantation de la région magnétique douce est inversé de façon à obtenir l'orientation parallèle; en cas d'excitation symétrique l'impulsion produite en cas d'inversion de l'ai- mantation de la région magnétique dure est sensiblement plus petite que l'impulsion produite lors de l'inversion de l'ai- mantation de la région magnétique douce; l'impulsion plus petite peut donc chaque fois, au besoin, être supprimée par un simple circuit discriminateur. A ces avantages s'ajoute encore la construction par- ticulièrement simple du transformateur pour impulsions. Un fil Wiegand présente typiquement une longueur de 5 à 50, de préférence de 20 à 30 mm. Avec les deux enroulements il atteint un diamètre d'environ 1 à 2 mm. Cette structure est encore noyée dans une résine synthétique appropriée de façon à former un ensemble très compact, robuste et efficace. Afin d'obtenir des signaux avec un haut rendement, il convient d'utiliser, en tant qu'élément magnétique bistable, un fil Wiegand entouré des enroulements primaire et secondaire. Le transformateur pour impulsions suivant l'invention est éminemment apte également à faire varier la position de phase des impulsions produites, ce qui est d'une importance capitale pour la commande de thyristors et de triacs. Dans des dispositifs connus pour la commande de thyristors et de triacs le déphasage des impulsions se réalise par exemple par l'utilisation d'un pont déphaseur ou d'un transformateur ro- tatif en combinaison avec un transformateur pour impulsions. Ce mode de déphasage des impulsions est compliqué. La présente invention permet de réaliser la variation de la position de phase élégamment en prévoyant, en tant que troisième enroulement, un enroulement à courant continu qui est couplé par voie magnétique à l'élément magnétique bistable. Ce troisième enroulement crée un champ magnétique continu qui, au niveau de l'élément magnétique bistable, se superpose au champ matnétique alternatif créé par l'enroulement primaire. Etant donné que les intensités de champ qui sont nécessaires pour produire les impulsions en cas d'excitation symétrique ou asymétrique de l'élément magnétique bistable, présentent une valeur fixée à l'avance, la position de phase des impulsions produites dans l'élément magnétique bistable se déplace, en comparaison du champ purement alternatif, à l'intérieur de chaque période du courant alternatif d'excitation par l'ad- dition ou la soustraction d'un champ magnétique continu sta- tique ou quasi-statique (par rapport à la durée de la période du courant alternatif d'excitation) et à cet égard la relation entre la position de phase et l'intensité du courant continu alimentant le troisième enroulement est linéaire si le courant alternatif utilisé présente une allure en forme de dents de scie. Mais même en cas d'utilisation d'un courant alternatif sinusoïdal pour l'excitation de l'élément magnétique bistable la relation entre la position de phase des impulsions et l'in- tensité du courant continu dans le troisième enroulement est encore simple. Afin d'obtenir un couplage serré entre l'élément ma- gnétique bistable et le troisième enroulement, celui-ci est de préférence également placé autour de l'élément magnétique bistable. Le champ magnétique continu, statique ou quasi-statique, au niveau de l'élément magnétique bistable pourrait également être créé par un aimant permanent, auquel cas la variation de l'intensité du champ continu, au niveau de l'élément magnétique bistable, peut être obtenue soit en éloignant ou rapprochant l'aimant permanent, soit, l'aimant permanent étant au repos, en rapprochant et éloignant un objet ferromagnétique qui déforme le champ de l'aimant permanent. Deux exemples de réalisation de l'invention sont représentés schématiquement aux dessins annexés dans lesquels: 30. la figure 1 montre un transformateur pour impulsions suivant l'invention, comprenant un fil Wiegand dans le circuit de commande d'un thyristor; la figure 2 est une représentation analogue à celle de la figure 1, le fil Wiegand comportant toutefois encore un troisième enroulement pour le déphasage; la figure 3 est un graphique pour élucider le dépha- sage des impulsions d'un fil Wiegand dans le cas d'un courant d'excitation sinusoïdal; et la figure 4 est un graphique analogue à celui de la figure 3, le courant d'excitation présentant une allure en 247776D dents de scie. La figure 1 montre un thyristor 5 dans le circuit de charge duquel se trouve la résistance RL. La gâchette 6 et la cathode 7 du thyristor 5 sont reliées à l'enroulement secondaire 2 d'un transformateur pour impulsions qui est constitué par un fil Wiegand 1 entouré d'une part d'un enrou- lement primaire 3 et d'autre part d'un enroulement secondaire 2. L'enroulement primaire est alimenté par une source de courant alternatif 4 qui excite le fil Wiegand 1 symétriquement et produit au cours de chaque demi-onde du courant alternatif dans l'enroulement secondaire 2 une impulsion Wiegand. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2 correspond à celui de la figure 1 à ceci près que sur le fil Wiegand 1 se trouve l'enroulement à courant continu additionnel 8 qui est relié à une source de courant continu réglable 9 et crée un champ magnétique statique ou quasi-statique qui se superpose au champ magnétique de l'enroulement primaire 3. L'effet ainsi obtenu est expliqué à l'aide des figures 3 et 4. Les figures 3 et 4 illustrent le processus du déphasage d'impulsions Wiegand 10 en cas d'excitation asymétrique. L'en- roulement primaire (enroulement inducteur) crée, au niveau du fil Wiegand, le champ magnétique alternatif: (I) H = Ho. sinwt (figure 3) o H représente l'intensité du champ magnétique, Ho l'amplitude de ce champ, w. la fréquence angulaire et t le temps. Par super- position d'un champ magnétique continu présentant l'intensité - H= on obtient un champ magnétique résultant présentant l'allure suivante dans le temps (II) H = Ho. sinwt - H. Une impulsion Wiegand est produite invariablement pour l'intensité de champ: (III) H = HZ qui est appelée ci-après également intensité de champ d'amor- çage Hz. La position de phase correspondant wtZ =CpZ de l'im- pulsion Wiegand 10 est obtenue en réunissant les équations (II) et (III) sous la forme suivante: (IV) sin Z = Hz+H H H0 Si le courant alternatif d'excitation utilisé est un courant en dents de scie, suivant la figure 4, à flanc vertical,on obtient par contre une relation linéaire entre la position de phase 9 z de l'impulsion Wiegand 10 et l'intensité du champ magnétique continu H=, laquelle est pour sa part proportionnelle au courant continu qui passe par le troisième enroulement 8. Le champ magnétique purement alter- natif de la figure 4 présente la forme (V) H = Ho *t 73S En superposant à ce champ le champ magnétique continu présentant l'intensité - H=, on obtient un champ alternatif présentant l'allure: (VI) H = Ho w _ H. - Une impulsion Wiegand est à nouveau produite suivant (III) pour H = Hz de sorte que pour la position de phase cor- respondante qz = WtZ on obtient la relation linéaire (VII). Hz 2cr Ho0' permettant ainsi à la position de phase des impulsions Wiegand d'être déplacée, à l'intérieur de la période 2Tr, propor- z tionnellement à l'intensité H= du champ continu et, par con- séquent, proportionnellement à l'intensité du courant continu créant le champ magnétique continu. L'invention permet donc, au moyen d'un ensemble formant transformateur pour impulsions compact, robuste et peu coûteux, non seulement de produire des impulsions directement utilisables pour amorcer des thyristors mais encore de réaliser leur déphasage, l'entrée et la sortie du transformateur étant sépa- rées l'une de l'autre sur le plan de la conduction électrique. 247776' REVENDICATIONS 1. Transformateur pour-impulsions qui, destiné notamment à l'amorçage de thyristors et de triacs et ayant son entrée et sa sortie séparées l'une de l'autre du point de vue de la conduction électrique, est constitué par un enroulement électrique primaire, un enroulement électrique secondaire ainsi que par un noyau ferromagnétique au moyen duquel, l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire sont couplés entre eux par voie magnétique, caractérisé en ce que le noyau (1) est un élément magnétique bistable. 2. Transformateur pour impulsions suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que l'élément magnétique bistable (1) est un fil Wiegand. 3. Transformateur pour impulsions suivant la reven- dication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enroulement primaire (3) entoure l'élément magnétique bistable (1). 4. Transformateur pour impulsions suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'en- roulement secondaire (2) entoure l'élément magnétique bistable (1). 5. Transformateur pour impulsions suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un troisième enroulement (8) qui est couplé par voie magnétique à l'élément magnétique bistable (1) et est relié à une source de courant continu variable (9). 6. Transformateur pour impulsions suivant la revendi- cation 5, caractérisé en ce que le troisième enroulement (8) entoure l'élément magnétique bistable (1). 7. Transformateur pour impulsions suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un aimant permanent dont l'intensité de champ magnétique est variable, au niveau de l'élément magnétique bistable, en fonction du déplacement d'un objet. 8. Transformateur pour impulsions suivant l'une quel- conque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'en- roulement primaire (3) est relié à une source de courant alternatif produisant un courant alternatif sinusoïdal. 9. Transformateur pour impulsions suivant l'une quel- conque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'en- roulement primaire (3) est relié à une source de courant il 2477?62 alternatif produisant un courant alternatif en dents de scie présentant, de préférence, un flanc vertical.