Brevet FR2503492A1 — publié le 19821008

La présente invention concerne les dispositifs de couplage piézoélectrique et, plus particulièrement, les isolateurs acoustiques dans lesquels un corps piézoélectrique est utilisé à la fois comme un transducteur électro-acoustique et comme une partie d'un circuit d'excitation qui produit les signaux acoustiques transmis par le corps piézoélectrique. Dans les systèmes de télécommande ou de télésignalisation il est souvent nécessaire d'utiliser des relais par lesquels un signal électrique d'entrée est isolé d'un circuit de sortie commandé par ce signal. Le bon fonctionnement de ces relais exige qu'ils soient compacts et robustes et qu'ils fournissent un haut degré d'isolement électrique entre leurs circuits d'entrée et de sortie. Des matériaux piézoélectriques de grande efficacité sont disponibles depuis quelques années et sont particulièrement adaptés à la fabrication de transducteurs. L'invention concerne notamment un circuit de télésignalisation comprenant un étage d'entrée oscillateur, un étage de sortie et un transducteur piézoélectrique assurant le couplage acoustique des étages d'entrée et de sortie, caractérisé par le fait qu'une partie de ce transducteur constitue un élément de réglage de la fréquence et une boucle de rétroaction positive pour l'étage d'entrée. Selon une autre caractéristique de l'invention on réalise un circuit de télésignalisation comprenant un circuit d'entrée constitué par un oscillateur à transistor bipolaire et un cristal piézoélectrique dont une première et une seconde zone sont respectivement couplées entre le collecteur et l'émetteur et entre la base et l'émetteur dudit transistor et un circuit de sortie à commutation couplé à une autre zone dudit cristal, dans lequel la partie du cristal piézoélectrique adjacente auxdites première et seconde zones constitue l'élément définissant la fréquence et formant la boucle de rétroaction positive de l'oscillateur, et le cristal fournit une isolation électrique et un couplage acoustique entre les circuits d'entrée et de sortie. L'invention est encore caractérisée par un relais à couplage piézoélectrique comprenant un boitier muni de bornes d'entrée et de sortie, un corps de matériau piézoélectrique non conducteur monté dans le boîtier de manière à pouvoir vibrer selon ses modes propres et muni d'électrodes d'entrée et de sortie, un circuit oscillateur à transistor monté entre les bornes et les électrodes d'entrée, et un circuit de sortie à commutation connecté entre les électrodes et les bornes de sortie, dans lequel le corps piézoélectrique constitue l'élément de définition de la fréquence et de formation de la boucle de rétroaction positive de l'oscillateur et en réponse à des signaux acoustiques induits dans le corps piézoélectrique et convertis en signaux électriques par lesdites électrodes de sortie, ledit circuit de sortie à commutation modifie l'impédance électrique qu'il présente entre lesdites bornes de sortie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description -qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, un circuit de relais à isolation piézoélectrique - les figures la et b, des variantes de circuits d'entrée pour le relais de la figure 1 - les figures 2a et b, des variantes d'étages de sortie multiplicateurs de tension pour le relais de la figure 1 - la figure 3, une autre réalisation d'un circuit de relais à couplage piézoélectrique ; - la figure 4, un circuit de relais conçu pour des charges de grande puissance ; - les figures 5a à d, diverses structures possibles du transducteur piézoélectrique ; - les figures 6a à c, différents modes de couplage entre l'entrée et la sortie du transducteur ;; - la figure 7, un circuit d'alimentation électrique à isolation piézoélectrique - la figure 8, un coupleur de signal à isolateur piézo électrique - la figure 9, un circuit de couplage linéaire à isolateur piézoélectrique. Le circuit représenté figure 1 est conçu pour isoler l'étage de commutation d'une charge en courant alternatif ou continu. I1 comprend un oscillateur d'entrée 11 par lequel des signaux acoustiques sont produits dans un élément transducteur à cristal piézoélectrique 12 et sont reconvertis par ce dernier en signaux électriques de commande de l'étage de commutation isolé 13. Le matériau piézoélectrique est par exemple une céramique piézoélectrique de fabrication courante. L'étage d'entrée 11 est un oscillateur à transistor dans lequel une partie du cristal 12 fournit la boucle de rétroaction positive nécessaire à l'oscillation et fixe la fréquence d'oscillation. L'alimentation de l'oscillateur s'effectue par l'application d'une tension continue entre les bornes d'entrée T1 et T2, un condensateur C1 servant à lisser cette tension d'entrée. Les résistances R1 et R2 polarisent le transistor TR1 dans sa région de fonctionnement linéaire. Le transistor représenté est de type npn, mais un transistor pnp pourrait aussi bien être utilisé avec les polarisations appropriées. Le collecteur et l'émetteur de TR1 sont connectés respectivement à des électrodes métallisées respectives E2A et E2B fixées à la surface du cristal.Ces électrodes assurent la conversion de la tension collecteur-émetteur de TR1 en contrainte mécanique dans le cristal. Cette contrainte se propage comme un signal acoustique à travers -le cristal électriquement isolé et une reconversion de ce signal acoustique en signal électrique est effectuée aussi bien entre les électrodes de sortie E3A, E3B et entre les électrodes de rétroaction E1A, E1B. Ces dernières électrodes sont connectées à la jonction baseémetteur du transistor TRl-pour fournir une rétroaction positive du signal de collecteur et donc entraîner l'oscillation de l'étage d'entrée à une fréquence déterminée par les dimensions et les caractéristiques du cristal 12. La géométrie des électrodes et du cristal est choisie pour optimaliser le couplage acoustique entre les électrodes d'entrée E2A, E28 et les électrodes de sortie E3A, E3B. L'étage de sortie 13 peut comporter un simple circuit de commutation, par exemple un triac TR2 dont l'électrode de commande reçoit le signal de sortie du cristal 12 et dont le circuit anodique comprend la charge L dans laquelle un courant électrique doit être commuté. Dans une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, les circuits d'entrée et de sortie sont fabriqués par la technologie des couches sur chaque extrémité du transducteur 12. La figure la représente une variante d'étage d'entrée permettant la commande du relais par une plus grande gamme de tensions d'entrée. Une entrée 1 est connectée à R1 par une résistance supplémentaire R1A et une entrée 2 est connectée directement à R1. La tension d'entrée est ainsi appliquée entre la borne 1 et la borne commune pour des tensions de commande relativement élevées, ou entre la borne 2 et la borne commune pour des tensions relativement basses. La figure lb représente un étage d'entrée à sensibilité améliorée du fait que le circuit oscillateur comporte une alimentation séparée. L'entrée de commande ne fait donc que régler l'alimentation de I'oscillateur sans lui transmettre d'énergie. La figure 2a représente un étage de sortie multiplicateur de tension utilisable pour le circuit de la figure 1. Le signal de sortie prélevé entre les électrodes E3A, E3B est appliqué à un réseau multi plicateur classique à diodes et capacités, dont les bornes de sortie 0 et P sont couplées à la charge L. Dans une variante de multiplication de tension représentée figure 2b, plusieurs électrodes de sortie E3A, B, E4A, B et E5A, B, montées à l'extrémité du cristal 12,sont interconnectées comme l'indique la figure pour fournir la somme des tensions produites entre les différentes paires d'électrodes. Le circuit de relais conforme à la figure 3 est particulièrement bien adapté à la commutation du secteur d'alimentation électrique sur une charge isolée. Comme précédemment, le circuit comprend un oscillateur d'entrée formé d'un transistor TR31 et de deux résistances R31, R32 et couplé à un cristal piézoélectrique 12 via des électrodes E31, E32 et une électrode commune E33 reliée à la terre. Les signaux électroacoustiques transmis par-le cristal sont reçus par les paires d'électrodes E34, 53 et E36, 37 couplées à l'étage de sortie. Ce dernier est constitué par une paire de thyristors TH31, TH32 en montage anti-parallèle et en série avec la charge à commuter. La gâchette de chaque thyristor est polarisée par une résistance respective R33 et R44 et couplée à une paire respective d'électrodes de sortie E36, 37 et E34, 35. Le circuit précédent est conçu pour commuter des courants alternatifs. Quand un signal électro-acoustique est transmis par le cristal 12, le signal électrique correspondant appliqué à la gâchette de chaque thyristor TH31 et TH32 déclenche la conduction de ces derniers, le montage anti-parallèle des thyristor permettant la commutation des deux alternances d'un courant alternatif ou celle d'un courant continu de polarité quelconque. Un circuit de relais analogue, conçu pour commuter des courants relativement forts ou des charges réactives telles que des moteurs électriques, fait l'objet de la figure 4. Son étage d'entrée est analogue à celui de la figure 3 et ne sera donc pas décrit de nouveau. L'étage de sortie comprend une paire de thyristors TH41 et fH42 connectés en montage anti-parallèle entre les bornes de sortie du circuit de relais. Deux transistors npn, TR41 et TR42 sont couplés chacun entre la gâchette et la cathode d'un thyristor respectif TH41, TH42. Ces transistors sont polarisés par la chaîne de résistances R41, R42 et R43 de manière que l'un ou l'autre devienne conducteur quand la tension de charge entre les bornes de sortie du relais excède une valeur définie.Cette commutation symétrique des transistors TR41 et 42 est assurée par l'égalité des résistances R41 et R42 et la polarisation inverse des transistors est interdite par les diodes D41 et Ô 42. Le déblocage d'un transistor TR41 ou TR42 entraîne le courtcircuit de la gâchette et de la cathode du thyristor correspondant TH41 ou TH42 et interdit donc l'allumage de ce thyristor. De cette façon, les thyristors ne peuvent être déclenchés que pour des valeurs relativement basses de la tension de charge. Autrement dit, quand la tension de charge est alternative, la commutation des thyristors s'effectue au voisinage des passages par zéro de l'onde de tension. Les résistances R44 et R45 respectivement connectées entre gâchette et cathode des thyristors TH41 et TH42 fournissent un circuit de dbrivation du faible courant produit par la capacité anode-gâchette du thyristor correspondant. Elles évitent donc un déclenchement parasite des thyristors par ce courant. La figure 5a représente une structure possible du transducteur piézoélectrique. Dans cette réalisation, deux matériaux différents sont utilisés, un matériau piézoélectrique pour les extrémités 51 du transducteur et un matériau fortement isolant de faible permittivité pour la partie centrale 52 à travers laquelle sont transmises les vibrations acoustiques. Cette structure entraine une très bonne isolation électrique entre les extrémités d'entrée et de sortie du transducteur. I1 est également possible d'incorporer au transducteur un écran électrostatique ou magnétique pour obtenir une isolation encore plus élevée, ce qui est représenté figure 5b. Comme dans la précédente structure, les extrémités 51 du transducteur sont en matériau piézoélectrique. La partie centrale 53 est une région de blindage électrostatique ou magnétique, ou encore une région constituant un écran à la fois électrostatique et magnétique, et elle est isolée des extrémités 51 par des régions intermédiaires isolantes 54 de faible permittivité. La figure 5c représente une autre structure dans laquelle le transducteur est formé d'un unique corps de matériau piézoélectrique dont la partie centrale 55 n'est pas polarisée. Cette partie centrale présente ainsi une grande résistivité et une faible permittivité. La construction préférée du transducteur piézoélectrique est indiquée figure 5d. Le transducteur correspondant a la forme d'un disque muni en son centre d'électrodes d'entrée circulaires E51, E52 et, au voisinage de sa périphérie, d'électrodes de sortie en forme d'arc E53 à E56. En fonctionnement, le disque piézoélectrique est supporté en son centre, ce qui correspond à un mode de vibration. On peut utiliser différents modes de couplage entre l'entrée et la sortie du transducteur, selon les techniques représentées par les figures 6a à 6c. Avec la conduction de la figure 6a on réalise un couplage par ondes acoustiques de volume. Les électrodes d'entrée 61 et 62 produisent une contrainte sur toute l'épaisseur du substrat 12. Cette contrainte est propagée dans toute la masse du matériau et elle est détectée comme une contrainte d'épaisseur par les électrodes de sortie 63 et 64. La figure 6b représente une variante dans laquelle le couplage est effectué par ondes acoustiques de surface. Dans ce type de transducteur, les électrodes d'entrée 65, 66 et de sortie 67, 68 sont des structures imbriquées en forme de peigne. Les électrodes d'entrée établissent des ondes de contrainte pratiquement limitées à la surface du substrat 12. On peut utiliser l'une ou plusieurs des techniques suivantes pour éviter une interférence destructive avec les ondes réfléchies par les bords du cristal. a) Montage de barrières acoustiques 51, 52 sur les deux faces en bout du cristal. Ces barrières absorbent l'énergie des ondes de surface et éliminent donc pratiquement toute réflexion. b) Création d'interférence constructive avec les ondes réfléchies par les bords du substrat, ce qui peut être obtenu par un contrôle très précis de la géométrie du cristal et des électrodes. c) Montage d'électrodes réfléchissantes de forme spéciale 49 et 50 sur la surface du substrat pour entrainer une interférence constructive. Par une polarisation sélective du substrat 12 il est possible d'améliorer l'implantation des électrodes. Avec la numérotation de la figure 1, les électrodes E1A et E2B peuvent ainsi être combinées en une seule électrode. Une combinaison des deux modes de couplage précédemment décrite en se reportant aux figures 6a et 6b peut également être utilisée. On obtient la structure représentée figure 6c dans laquelle les électrodes d'entrée 53 et 54 sont des plaques classiques montées de chaque côté du substrat 12 pour induire des ondes acoustiques dans toute l'épaisseur du substrat. Les électrodes de sortie 55, 56 sont en forme de peigne et sont sensibles à la composante de surface des ondes de volume. La figure 7 représente une application de la technique de couplage par transducteur piézoélectrique, conforme à l'invention, dans la réalisation d'un circuit d'alimentation électrique. Ce circuit est conçu pour utiliser l'énergie d'une source de courant alternatif ou du réseau alternatif d'alimentation. Le courant alternatif est rectifié par la diode D71 et lissé par le condensateur C71. Le courant continu filtré est alors appliqué, via une résistance R71, à un oscillateur à cristal comprenant le transistor TR71, la résistance R72 et le cristal transducteur 12. Les oscillations transmises le long du transducteur 12 sont reçues sous la forme d'un signal de courant alternatif par le circuit de sortie qui comprend des redresseurs D74A et B et un condensateur de filtrage C73. Dans certaines applications, il est possible de fournir une pluralité de circuits de sortie mutuellement isolés. Les circuits que l'on vient de décrire peuvent être montés dans des boîtiers en plastique munis de bornes de sortie pour les étages d'entrée et de sortie. Les circuits de relais représentés figures 3 et 4 sont particulièrement bien adaptés à cette présentation. Le circuit encapsulé peut alors être enfiché dans un socle ou support approprié, ou soudé sur une carte à câblage imprimé. La réalisation représentée figure 8 est conçue pour coupler des signaux entre des circuits qui doivent rester électriquement séparés, comme il est courant dans les systèmes d'informatique et de télécommunication. Le signal de polarisation positive aux bornes d'entrée du coupleur est converti en un signal alternatif modulé entre les électrodes E4 et ES. Ce dernier est démodulé par le circuit de redressement comprenant les diodes D81, D82, le condensateur C81 et la résistance R81. La constante de temps R81-CB1 et la fréquence du cristal déterminent la largeur de bande du système. D'autres électrodes peuvent encore être utilisées pour fournir des sorties isolées supplémentaires. Le dispositif de sortie optimal peut être un composant linéaire, comme un transistor bipolaire ou à effet de champ, ou un composant non linéaire comme un redresseur au silicium à électrode commandée. La figure 9 représente un circuit de couplage linéaire dont la tension de sortie VS suit la tension d'entrée reçue V . Les résistances e R92, R93 et le transistor T91 constituent le circuit d'excitation classique du coupleur. El et E2 sont les électrodes de sortie couplées au filtre de sortie constitué par les redresseurs D93, D94, la résistance R34 et le condensateur C92. Les électrodes de rétroaction ou de compensation sont E6 et E7 et les diodes D91, D92 forment le filtre de rétroaction avec la résistance R91 et le condensateur C91. Ce filtre est de préférence pratiquement identique au filtre de sortie du coupleur. Un comparateur ou amplificateur différentiel ICl règle l'excitation du coupleur de manière à maintenir la tension de rétroaction et, par conséquent, la tension de sortie, à un niveau pratiquement égal à celui du signal d'entrée. Les redresseurs D93, 94 ou D91, 92 des deux filtres peuvent être remplacés par des réseaux détecteurs d'amplitude de signaux électriques, de tout type approprié, par exemple des détecteurs de crête, des détecteurs de valeur efficace, etc., et les combinaisons R91-C91 et R94-C92 peuvent être remplacées par des réseaux de filtrage différents. - I1 est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de télésignalisation ou de relais comprenant un étage d'entrée oscillateur, un étage de sortie et un transducteur piézoélectrique assurant le couplage acoustique des étages d'entrée et de sortie, caractérisé par le fait qu'une partie de ce transducteur (12) constitue un élément de réglage de la fréquence et une boucle de rétroaction positive pour l'étage d'entrée (11). 2. Circuit de télésignalisation ou de relais comprenant un circuit d'entrée constitué par un oscillateur à transistor bipolaire (TRi) et un cristal piézoélectrique (12) dont une première et une seconde zone sont respectivement couplées entre le collecteur et l'émetteur et entre la base et l'émetteur dudit transistor, et un circuit de sortie (13) à commutation couplé à une autre zone dudit cristal, caractérisé par le fait que la partie du cristal piézoélectrique adjacente auxdites première et seconde zones constitue l'élément définissant la fréquence et formant la boucle de rétroaction positive de l'oscillateur, et le cristal fournit une isolation électrique et un couplage acoustique entre les circuits d'entrée (11) et de sortie (13). 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit transducteur comprend une partie (51 ou 53, 54) formée d'un matériau non piézoélectrique et à travers laquelle sont transmises les ondes ac oustiques de couplage. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit transducteur (12) est du type à ondes acoustiques de surface. 5. Relais à couplage piézoélectrique comprenant un boitier muni de bornes d'entrée et de sortie, un corps de matériau piézoélectrique non conducteur (12) monté dans le boitier de manière à pouvoir vibrer selon ses modes propres et muni d'électrodes d'entrée et de sortie, un circuit oscillateur à transistor (11) monté entre les bornes (T1, T2) et les. électrodes d'entrée (El, E2), et en circuit de sortie à commutation (13) connecté entre les électrodes (E3) et les bornes de sortie, caractérisé par le fait que le corps piézoélectrique (12) constitue l'élément de définition de la fréquence et de formation de la boucle de rétroaction positive de l'oscillateur (11) et, en réponse à des signaux acoustiques induits dans le corps piézoélectrique et convertis en signaux électriques par lesdites électrodes de sortie (E3), ledit circuit de sortie à commutation (13) modifie l'impédance électrique qu'il présente entre lesdites bornes de sortie. 6. Relais selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le circuit de commutation constituant l'étage de sortie (13) du relais comprend une paire de thyristors (TH31, 32 ou 41, 42) connectée entre les bornes de sortie du relais suivant un pontage anti-parallèle des deux thyristors. 7. Relais selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits thyristors (TH41, 42) fonctionnent en mode de commutation à tension nulle. - 8. Relais selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que ledit corps piézoélectrique (12) est en forme de disque.