Brevet FR2525362A1 — publié le 19831021

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation programmable soit en tension, soit en courant susceptible de fournir une tension de sortie suffisante dans un laps de temps assez réduit. En effet pour effectuer des tests de fiabilité de matériels électroniques soit déj montés sur des cartes, soit pris tels quels, il est nécessaire de pouvoir appliquer soit des tensions continues, soit des tensions alternatives aux différentes bornes des composants. -Pour pouvoir etre effectués de façon systématique et avec une bonne sécurité d'isolation il est nécessaire d'obtenir une alimentation programmable appropriée. La présente invention vise à mettre en oeuvre un amplificateur pour haute tension en sortie. Le dispositif d'alimentation de l'invention, amplificateur de tension comporte essentiellement un amplificateur opérationnel et connectE à sa borne de sortie la photodiode d'un photocoupleur, le phototransistor dudit photocoupleur étant raccordé à une tension V prédéterminée, l'autre borne C dudit phototransistor étant raccordée à l'entrée négative dudit amplificateur opérationnel par l'intermédiaire d'une résistance R2, l'entrée positive dudit amplificateur opérationnel fournissant une tension VA d'entrée, ladite entrée négative étant raccordée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R1, ladite borne C étant alors portée à un potentiel amplifié dépendant de VA, R1 et R2, par exemple programmable en fonction de la tension VA d'entrée. D'autres avantages et caractéristiques apparaitront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. La figure 1 représente le schéma de base d'un amplificateur haute tension selon l'invention. La figure 2 représente une variante de la figure 1 fonctionnant en tension positive ou négative. La figure 3 représente un schéma d'une alimentation programmable selon l'invention. La figure 4 représente un schéma d'évolution des grandeurs de tension et courant selon la réalisation de la figure3. En se référant à la figure 1, un amplificateur opérationnel 1 est inséré dans un montage électrique permettant de fournir un gain en tension. L'entrée positive de l'amplificateur 1 opérationnel est raccordée au point A porté à une tension faible prédéterminée. Le point A est porté à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R A convenable. L'entrée négative E de l'amplificateur 1 est raccordée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R1. La sortie de l'amplificateur 1 est raccordée à la masse par l'intermédiaire de la photodiode 20 d'un photocoupleur 2. Cette photodiode 20 est rendue passante de l'amplificateur 1 vers la masse. Cette photodiode 20 rend conducteur le transistor 21 du photocoupleur 2 qui est inséré entre un point porté au potentiel + V et un point C.Le transistor 21 du photocoupleur 2 est choisi de façon appropriée pour amplifier une tension + V en une tension prédéterminée VC au point C de sortie du transistor 21. La tension de sortie au point C est prédéterminée par les grandeurs R1 et R2 des résistances déterminant le gain du système. En effet l'entrée négative E de l'amplificateur 1 opérationnel est également raccordée au point C par l'intermédiaire d'une résistance R2. Une autre borne D de sortie portée à la masse permet également d'avoir une tension VCD de sortie référencée par rapport à la masse. De fait l'amplification en tension ne dépend que des résistances R1 et R2 reliées en E à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 1. Un tel système d'amplification est indépendant du gain du photocoupleur 2 ainsi que de celui de l'amplificateur opérationnel 1. La tension en C ne dépend que des grandeurs des résistances R1 et R2. En effet la tension en C de sortie est liée à la tension en E par la relation VE R2 = V C R1 +R2 Or la tension V E de l'amplificateur opérationnel est liée à son gain M choisi très grand et à sa tension d'entrée V A par une relation : VS = M(VE VA ) Une telle réalisation permet d'obtenir une tension V C en sortie amplifiée. La figure 2 représente une variante de la figure 1 grâce à laquelle une amplification de tension alternative est possible. De la même façon que dans la réalisation de la figure 1 un amplificateur 1 opérationnel a sa borne d'entrée positive reliée au point A porté à une tension V d'entrée faible réfé rencée par rapport à la masse grâce à la résistance RA d'entrée. L'entrée négative E de cet amplificateur 1 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R1. La sortie de cet amplificateur 1 est raccordée à la masse par l'inter médiaire de deux branches placées en parallèle. Sur la première branche sont p-lacées en série deux photodiodes 20 et 40 passantes de l'amplificateur 1 vers la masse. Sur la seconde branche sont placées en série deux photodiodes 30 et 50 passantes de la masse vers l'amplificateur opérationnel 1. Ces photodiodes activent les bases de phototransistors qui deviennent passants. Les phototransistors 21 et 41 sont placés en série et reliés d'un côte au potentiel + Vcc et de l'autre au point C. Ainsi de façon plus détaillée l'émetteur du phototransistor 21 est relié au potentiel Vcc ; son collecteur est relié à l'émetteur du phototransistor 41. Et le collecteur du phototransistor 41 est relié au point C. De la même façon le point C est relié au potentiel - Vcc par l'intermédiaire de-deux phototransistors 31 et 51 placés en série qui sont activés par les photodiodes 30 et 50 placées en vis à vis. Le point C est en outre raccordé à l'entrée négative E de l'amplificateur opérationnel 1 par l'intermédiaire d'une résistance R2. Le point C est donc bien isolé par rapport aux deux sources de tension + Vcc et - Vcc, les phototransistors étant rendus passants uniquement alternativement sur chaque branche et en fonction de la valeur de la tension V d'entrée appliquée. La tension disponible en C est référencée par rapport à la masse en D. La tension disponible entre les points C et D est alternativement positive ou négative car le point C se trouve alternativement raccordé à la tension - Vcc ou-+ VCC selon qu'un couple de photodiodes (30 et 50) ou (20 et 40) rend passant un couple de phototransistors (31 et 51) ou (21 et 41) respectivement. Une telle réalisation permet de générer une haute tension a faible courant, ladite tension étant susceptible de prendre des valeurs aussi bien positives que négatives. On choisit selon l'invention une tension + VCC ( resp - VCC) référencée par rapport à la masse. De plus la valeur absolue de ces tensions + VCC et - VCC est choisie en fonction de la tension de sortie maximale désirée, à la tension de saturation des photocoupleurs près. On doit donc avoir lvCC I > VCD max CE Sat où VCD max est la tension maximale de sortie obtenue entre les points C et D. où VCE Sat est la tension collecteur émetteur de saturation du transistor des photocoupleurs. La valeur de la tension VCE Sat collecteur émetteur de saturation est limitée par la valeur VICE0 de chaque photocoupleur au blocage (cas de la tension de sortie la plus opposée à Vcc) ; on trouve alors aux bornes collecteur émetteur des transistors 2 VCC On doit donc avoir n VCE0 > 2 VCC où le nombre n est le nombre de photocoupleurs en série entre chaque potentiel Vcc et le point C. Ce nombre n est lui-meme limité par la tension de sortie maximale Vs de l'amplificateur opérationnel 1. Ainsi si on compte 0,9 V la tension directe aux bornes de chaque diode, on pourra disposer dix diodes en série, l'amplificateur opérationnel 1 étant alimenté par une tension + 12 volts. De façon plus générale pour n diodes placées en série on doit avoir une tension Vs de sortie telle que V5 > n vd où vd est la tension directe de chaque diode. Le système d'alimentation en tension programmable selon l'invention ne dépend donc que des résistances R1 et R2, le gain des photocoupleurs et de l'amplificateur en boucle ouverte étant beaucoup plus grand que R2 quel que soit le nombre de photocoupleurs ; ceci rend le système indépendant du nombre de photocoupleurs et de leur gain. La figure 3 représente une réalisation préférée de l'invention d'une alimentation programmable génératrice de tension. Un amplificateur opérationnel 100 a, de la même façon que pour les autres réalisations, son entrée positive portée au potentiel Réf V tandis que son entrée négative est à un point de potentiel nul par l'intermédiaire de résistances R1 et R2 placées en série et d'un amplificateur opérationnel 113 rebouclé sur lui-même ainsi qu'il sera explicité ultérieurement. La borne de sortie de cet amplificateur opérationnel 100 est reliée à deux branches placées en parallèle. Sur la première branche sont placées en série les photodiodes de deux photocoupleurs 101 et 103, et sur la seconde branche sont placées en série les photodiodes de deux photocoupleurs 102 et 104 toutefois en antiparallèle avec celles de l'autre branche. La borne commune aux deux couples de photodiodes autre que la sortie de l'amplificateur 100 est raccordée à un point M. Les collecteurs (resp émetteurs) des phototransistors des photocoupleurs 101 ( resp 102 ) sont reliés à la borne C de sortie du circuit. La borne négative de l'amplificateur opérationnel 100 est également raccordée au point C par l'intermédiaire d'une résistance R2. Les émetteurs (resp collecteurs) des phototransistors 103 (resp 104) sont raccordés au potentiel Vu (~ Vu). Un condensateur 110 choisi de façon appropriée découple la tension V entre + V et - V u u u Un potentiel de référence Réf V est appliqué sur l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 100.Cette tension de référence est fournie par un convertiseur numérique analogique 200 qui transforme un signal binaire de commande en une tension analogique. La tension de sortie en C est référencée par rapport au point D porté à la masse. Le schéma de la figure 3 permet également d'obtenir une tension V de sortie élevée à partir d'un courant I limité grâce à un second circuit connecté au premier au point M. Ce second circuit est centré autour d'un autre amplificateur opérationnel 109 recevant sur son entrée positive une tension faible de référence Ref I provenant d'un convertisseur numérique analogique 300. Ce convertisseur 300 transforme un signal binaire de commande en une tension d'amplitude prédéterminée. L'entrée négative de cet amplificateur 109 est raccordée au point M. Ce point M est relié à la masse par l'intermédiaire d'une résistance ajustable 111. En parallèle avec cette résistance ajustable entre le point M et la masse est placé un condensateur 112. La résistance 111 variable permet de régler le courant de limitation de la sortie C. La sortie de l'amplificateur opérationnel 109 est raccordée à deux branches placées en parallèle. Sur chaque branche est placé un couple de deux photodiodes en série faisant chacune partie des photocoupleurs 105 et 107. L'autre borne commune aux deux branches est reliée au point M. Les phototransistors de ces photocoupleurs 105 et 107 sont également placés en série et raccordés d'une part au point M pour celui de 107, d'autre part au potentiel V pour u celui de 105. De la même façon sur l'autre branche en antiparallèle sont placés en série les phototransistors des photocoupleurs 106 et 108 raccordés d'une part au point M pour celui de 108, d'autre part au potentiel - V pour celui de u 106. Le potentiel en M est ajusté au moyen de la résistance variable 111 et du second circuit. Le premier circuit est utilisable comme générateur haute tension, ainsi lorsque le convertisseur 200 fournit un signal de référence de grandeur Réf.V appropriée, le gain étant choisi convenablement par un réglage de R1 et R21 une tension V de sortie est obtenue aux bornes de C et D. Cette tension c de sortie est maintenue constante en C et D et reste indépendante du courant jusqu'à la limite fixée par le signal de référence de tension Réf.I, ladite limite étant choisie selon l'application. Au-delà de cette limite, la tension entre C et D décroit mais le courant est maintenu constant et le circuit se comporte en générateur de courant, fonction du signal de référence Ref.I appliqué à l'entrée du second amplificateur opérationnel 109. Le premier amplificateur opérationnel 100 joue alors un rôle de limiteur de tension aux bornes de l'utilisation branchée entre C et D. Un ajustage de la résistance 111 variable permet de régler le seuil de fonctionnement du régulateur de courant de façon appropriée. De même l'amplificateur 113 présente de nombreux avantages : son entrée négative est portée à la masse tandis que son entrée positive est bouclée sur sa sortie. De la sorte le courant traversant R1 R2 ne se referme pas au travers de R111 et n'influe donc pas sur la régulation de courant. La résistance R111 fixe la valeur du courant de régulation. Ce courant circulant au travers de cette résistance 111 passe de V à travers les phototransistors de 105 et 107 puis u à travers R111 vers la masse. De l'autre côté ce courant bouclé par la charge placée entre C et D s'écoule à travers les phototransistors de 102 et 104 vers le potentiel - Vu Ce courant crée aux bornes de R111 une chute de tension V1ll. Si cette tension V111 est différente de la tension Réf.I l'amplificateur opérationnel 109 va amplifier cette différence et va ouvrir ou fermer les photocoupleurs jusqu'à trouver l'équilibre. A l'équilibre on a v 111 . = Réf I 1sortie = R111 R111 On notera que les deux diodes 114 et 115 placées téte-bé- che sont raccordées d'une part à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 109 qui est elle-même raccordée au point M, de l'autre côté au potentiel Réf I qui est lui-meme raccordé à l'entrée négative de cet amplificateur opérationnel 109. Ces deux diodes 114 et 115 servent de protection de surcharge. Si la résistance de charge de sortie placée entre C et D ne permet pas le passage du courant (cas du circuit ouvert) les photocoupleurs 106 - 108 (ou 105 - 107) sont saturés et la tension de sortie est fonction de Réf V et régulée en tension. De même si la résistance de charge placée entre C et D ne permet pas le maintien de la tension (cas du court-circuit) les photocoupleurs 101, 103 ( ou 102, 104) sont saturés et le courant est limité en fonction de Réf I et alors régulé en courant. Selon la valeur de la charge, on déterminera le point de fonctionnement comme illustré sur la figure 4. Le schéma de la figure 4 représente l'aire de fonctionnement du générateur de tension de l'invention. Ainsi le dispositif de l'invention peut fournir une tension entre deux points C et D, cette tension étant programmable en tension et en courant. Ainsi il est possible au moyen d'une tension de référence Réf.V de programmer une tension régulée de O à V présentant un courant limité I. De même une variation de tension Réf.I permet de faire varier le courant de sortie, entre C et D, de O à I avec une tension limitée V. Le dispositif de l'invention permet d'adapter au mieux l'alimentation à son application d'utilisation, tout en étant autoprotégé des courts-circuits accidentels. Selon la valeur de la charge on détermine le point de fonctionnement sur la figure 4. Si charge V prog I prog commande en tension Si R V prog charge V prog I prog commande en courant avec V = Réf.V R prog R1+R2 1 I ~ Réf.I prog = REf.I 111 On notera qu'un condensateur 110 est inséré entre les potentiels V et - V . I1 découple la tension d'entrée qui u u est une tension secteur redressée.Dans l'application envisagée IVul = 400 Volts et le condensateur 110 a pour valeur C110 = 15 MF - 500 V Dans l'application envisagée le message numérique de commande des convertisseurs numériques - analogiques 200 et 300 est formé chacun de 12 bits si bien que l'on peut obtenir une tension - Vprog choisie entre O et + 400 Volts et un cou- rant approprié choisi entre + 200 A en 4096 paliers (en effet 4096 = 212) Le dispositif de l'invention présente de nombreux avantages tels qu'une alimentation bien isolée et rapide, pas de constante de temps de charge ou décharge de condensateur en sortie. De plus les photocoupleurs se comportent comme des résistances à l'état de non activité. Le dispositif de l'invention, de plus, est indépendant du gain des photocoupleurs ces éléments étant par ailleurs peu stables en gain au cours de leur durée de vie ils sont utilisés au mieux de leurs caractéristiques. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'alimentation amplificateur de tension caractérisé par le fait qu'il comporte un amplificateur opérationnel et connectée à sa borne de sortie la photodiode d'un photocoupleur, le phototransistor dudit photocoupleur étant raccordé à une tension V prédéterminée, l'autre borne C dudit phototransistor étant raccordée à l'entrée négative dudit amplificateur opérationnel par l'intermédiaire d'une résistance R2, l'entrée positive dudit amplificateur opérationnel fournissant une tension VA d'entrée, ladite entrée négative étant raccordée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R1, ladite borne C étant alors portée à un potentiel dépendant de VA, R1 et R2. 2 - Dispositif d'alimentation amplificateur de tension selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la sortie dudit amplificateur opérationnel est connectée à deux branches placées en antiparallèle, chaque branche comportant en série les photodiodes de photocoupleurs, leSphototransistor:desdits photocoupleurs étant placés en série et raccordés d'une part au potentiel VCC ou V -CC prédéterminé, d'autre part audit point C de sortie raccordé à la résistance R2, l'autre borne commune auxdites deux branches étant portée à la masse. 3 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 2 caractérisé par le fait qu'on interpose entre ladite borne commune M aux deux branches de photodiodes et la masse une résistance variable, ladite borne M étant raccordée à un second circuit limitèur de courant. 4 - Dispositif d'alimentation selon la revendication 3 caractérisé par le fait que ledit second circuit est également formé d'un amplificateur opérationnel dont l'entrée positive est raccordée au point M, l'entrée négative portée à un potentiel Réf I et la sortie raccordée à deux branches placées en antiparallèle, chaque branche comportant en série des photodiodes de photocoupleurs, les phototransistors de ces photocoupleurs étant également en série sur deux branches correspondantes chacune desdites dernières branches étant d'un côté reliée au potentiel + Vu, de l'autre au point M.