Brevet FR2546007A1 — publié le 19841116

t 54600 ? La présente invention -concerne les interrup- teurs de puissance pour une utilisation avec des fré- quences radio, dits interrupteurs FR Ces nouveaux interrupteurs sont rapides, peuvent être utilisés à des puissances élevées, et ne demandent pratiquement pas d'énergie en courant continu pour leur maintien dans l'une des deux positions, Marche ou Arrêt Les nouveaux interrupteurs sont particulièrement intéres- sants pour des appareils portatifs, car leurs proprié- tés spécifiques éliminent l'exigence de sources de courant continu encombrantes pour réaliser la commutation. Il existe une multitude d'interrupteurs FR. Au nombre des plus avantageux, il faut mentionner les interrupteurs FR utilisant des diodes à broche, qui sont capables de commuter une radio fréquence de puis- sance élevée avec des pertes par insertion acceptables. Un des inconvénients les plus sérieux de tels inter- rupteurs est la nécessité-de disposer d'un courant continu constant De telles demandes d'énergie posent des problèmes avec certains types d'équipements, tels que des appareils portatifs o les sources de puissance sont limitées et o de tels interrupteurs à broche exigent une source spéciale de courant continu capable de fournir l'énergie de commutation requise Des tenta- tives ont été faites pour surmonter cet inconvénient et éliminer la nécessité de disposer de courant continu pour la commutation Les inconvénients des interrupteurs FR existants ont-été surmontés dans une large mesure par les interrupteurs nouveaux objet de la présente inven- tion, basés sur des composants peu coûteux que l'on peut se procurer aisément, faciles à construire, et qui - donnent des résultats tout à fait satisfaisants. On prévoit des interrupteurs rapides pour signal à fréquence radio de puissance élevée, qui peu- vent supporter des puissances importantes et réclament très peu d'énergie pour le maintien de l'interrupteur dans n'importe laquelle de ses positions, ainsi que pour la commutation Les nouveaux interrupteurs FR comportent des composants traditionneles peu coûteux que l'on peut se procurer aisément Les interrupteurs sont basés sur la combinaison d'au moins un redres- seur (diode) avec, soit un condensateur, soit un autre redresseur (diode) monté "en opposition" avec la pre- mière diode, un transistor approprié peut être utilisé à la place des deux diodes. Les nouveaux interrupteurs ont un large champ d'application dans les circuits électroniques, notam- ment les filtres passe-bande, les réseaux d'accord d'antenne, la commutation entre émetteurs. Les nouveaux interrupteurs utilisent le phéno- mène du temps de recouvrement inverse, trr, des redres-s seurs, tels que des diodes, qui rend les diodes conduc- trices dans les deux sens, dans la position "Marche"de l'interrupteur avec une perte et une distorsion minima- les du signal de fréquence Radio Dans la position - "Arrêt", la (ou les)diode(s) est (ou sont)-polarisée(s) en sens inverse et l'isolation apportée par l'interrup- teur dépend de la capacité de la diode Le choix de diodes convenables, ayant un temps de recouvrement inverse comparativement long et en particulier un long temps de conservation ts, et une capacité faible, per- met de réaliser des interrupteurs FR ayant les perfor- mances souhaitées Comme on l'a dit, les nouveaux interrupteurs font usage du paramètre "temps de recouvrement -inverse', "trr D, des redresseurs On va définir ce paramètre en se référant au paramètre de diodes et l'illustrer en référence au circuit de la figure 1, et à la figure 2. On voit figure 1 que le circuit comprend une diode D en série avec une résistance RL, alimentée par une source d'énergie +VF et -VR à travers l'interrup- teur S qui peut passer de la position 1 à la position 2. Les différents paramètres du circuit de la figure 1 sont représentés figure 2 Lorsque l'interrupteur est dans la position 1, un courant IF traverse la diode D, et si l'on suppose que la résistance de la diode est négligeable devant RLI le courant IF est VF IF =- RL Si au temps t 1 on passe l'interrupteur S sur la position 2, le courant à travers la diode et la tension aux bornes de la diode changent comme le montre la figure 2 Pendant le temps t (temps de s conservation) la diode est traversée par un courant inverse IR qui est égal au courant IF, puis la diode commence à se fermer et le courant qui la traverse décroît exponentiellement pendant le temps t t (temps de transition) La somme de ts et de t t constitue le temps trr temps de recouvrement inverse). Au voisinage du temps t 1, la diode se comporte à peu de chose près comme une résistance, en ce sens que le sens du courant qui la traverse dépend de l'orientation de la source de tension du circuit, voir figure 2 (a) Pour des temps ts de durée convenable, on peut faire passer par la diode D un signal à haute fréquence sans que la diode ne passe en tension inverse et se bloque Comme on l'a vu ci-dessus, au moment ts la tension d'entrée est inversée en v = -VR, et comme la jonction PN est chargée avec un nombre très impor- tant de porteurs minoritaires, le courant dans la diode ne tombe pas immédiatemeznt à zéro, jusqu'à ce que la recombinaison des porteurs minoritaires soit achevée. Jusqu'à ce moment la diode reste conductrice, le courant dépendant de la résistance extérieure RL par la rela- tion i = -VR/RL On voit figure 2 (c) que la tension aux bornes de la diode durant la conduction inverse est légèrement inférieure à la tension de polarisation directe, qui est classiquement 0,7 y, comme on le voit à la figure. L'invention et les principes physiques sur lesquels elle est fondée sont illustrés par les figures schématiques jointes, o: la figure 1 est un circuit utilisé pour illustrer le paramètre trr des diodes ou organes simi- laires; la figure 2 est une illustration graphique du paramètre trr; la figure 3 est un circuit d'interrupteur FR basé sur une diode et un condensateur; la figure 4 est un circuit d'interrupteur FR basé sur deux diodes en opposition; la figure 5 est un circuit similaire à celui de la figure 4, doté de moyens d'application d'une tension continue aux cathodes des diodes dans la posi- tion 'Arrêt'; la figure 6 est un circuit d'interrupteur FR comprenant deux combinaisons en parallèle diode et condensateur; la figure 7 est une représentation graphique des tensions aux bornes du générateur et de la charge et du courant dans les deux diodes du circuit de la figure 6 dans la position "Marche"; la figure 8 est un circuit d'interrupteur FR similaire à celui de la figure 4, avec un condensateur supplémentaire et des moyens de commutation entre les deux diodes et la terre; les figures 9 et 10 représentent respectivement des modifications des circuits des figures 3 et 4. Comme on le voit figure 3, l'interrupteur de puissance du type unediodeun condensateur comprend une diode 31 en série avec un condensateur 32 et la charge 33 (résistance R), avec aussi un générateur FR L 34 dont la résistance interne Rin est désignée par le repère 35, et, entre la diode 31 et le condensateur 32, une connexion à la terre est prévue par l'intermédiaire de la bobine de choc FR 36 et les moyens de commutation 37 Ce circuit est représenté avec l'interrupteur 37 (qui peut être un transistor bipolaire ou à effet de champ) en position "ARRET", et ainsi le circuit entier (interrupteur) est dans la position "ARRET" Le conden- sateur 32 est chargé à la tension de crête de la source de tension, avec la polarité indiquée, tandis que la diode 31 est en polarisation inverse ce qui empêche le passage du signal. Lorsqu'on ferme l'interrupteur 37, le courant circule pendant la demipériode positive à travers la diode 31, la bobine de choc FR 36 et l'interrupteur 37. En même temps, le condensateur 32 commence à se déchar- ger à travers la bobine de choc FR 36 et l'interrup- teur 37 La diode 31, qui a été conductrice dans le sens direct, peut être conductrice en sens inverse grâce au phénomène trr Après un nombre de cycles suffisant, la diode 31 est totalement conductrice tandis que la bobine de choc FR 36 met à la terre toute tension continue qui est développée sur le condensa- teur 32, par suite des différences de charges qui s'écoulent dans la diode 31 en sens direct et en sens inverse La conductance de l'interrupteur dépend directement du paramètre trr de la diode défini plus haut Une diode dont le trr est égal à zéro ne peut conduire en sens inverse et le signal parvient à la 254600 ? charge fortement distordu Si on choisit des diodes avec des trr croissants, elles sont conductrices en sens inverse et pour un temps de conservation ts convenable (ts>T/2) l'interrupteur est complètement en position "Marche". L'isolation assurée par ce circuit de commuta- tion est déterminée comme suit: en supposant le point de claquage de la diode suffisamment élevé et le courant de fuite suffisamment faible, l'isolation du circuit de commutation est: Isolation (db) = 20 log RL W CJO La diode 31 est conductrice pendant l'onde complète, et la diode doit être choisie de façon que son temps de conservation t soit supérieur à la demi- s période du cycle Plus la capacité CJO de la diode est faible, plus l'isolation entre le générateur FR 34 et la charge 33 est élevée. Des valeurs représentatives d'un circuit de commutation selon la figure 3 sont: D 1 = référence ESM 100 de Thomson CSF C 1 = 68 e n F RFC 1 = 330 AH Avec l'aide d'un programme d'ordinateur de marque SPICE, on a calculé la perte d'insertion et la distorsion harmonique en position "Marche" pour plu- sieurs fréquences Le paramètre trr est représenté dans le modèle de diode SPICE par le paramètre TT. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Tableau 7 Tableau 1 On a examiné la positon "Arrêt" lorsqu'une ten- sion positive de 110 V était appliquée à la cathode de la diode On a examiné l'isolation entre la source de fré- quence Radio de 100 V et la charge Les résultats des essais d'isolation sont indiqués dans le tableau 2. Distorsions harmoniques Pertes par insertion (db) maximales (db) M Hz 10 M Hz 2 M Hz 30 MH 10 MH 2 MH TT (psec) z Z z H 2 = -31H 3 = -24H 2 = -14 0 04 0 2 -1 2 0 3 H 3 = -32 H 3 = -25 H 3 = -16 H 2 = -84H 2 = -78H 2 = -21 O O 0 35 1 H 3 H 2 = -90H 2 = -27 O O 0 13 3 H 3 H 2 = -34 O O 0 05 5 H 3 = -34 H 2 = -72 O O 0 015 10 H 3 = -76 Tableau 2 Isolation (db) M Hz 10 M Hz i 2 M Hz l Cd O -46 -56 -71 5 p F -40 -50 -65 l Op F -34 -44 -59 2 Op F -30 -40 -55 3 Op F Comme on le voit figure 4, un interrupteur FR à deux diodes comprend en combinaison deux diodes 41 et 42, en opposition en série avec la charge R, 43, et connec- tées à un générateur FR 44 de résistance interne Rin' 45, avec aussi entre les diodes 41 et 42, une mise à la terre par une bobine de choc FR, 46, et des moyens de commuta- tion 47 qui peuvent être un transistor à effet de champ. La performance de ce circuit est améliorée par rapport à celle du circuit de la figure 3; la diode 42 remplace le condensateur 32 du circuit précédent L'interrupteur FR est en position "Arrêt" lorsque l'interrupteur 47 est ouvert Dans cet état les diodes 41 et 42 qui sont en série et en opposition ne peuvent conduire puisque il y en a toujours une qui est polarisée de façon inverse. L'isolation de l'interrupteur est 20 log RL W CJO/2. Quand l'interrupteur 47 est fermé, la diode 41 conduit dans le sens direct pendant la demi-période positive du cycle, et par suite peut aussi conduire en sens inverse. Pendant la demi-période négative du cycle, la diode 42 conduit dans le sens direct et la diode 41 dans le sens inverse, et ainsi le circuit de commutation à partir de cet instant est dans la position "Marche", tandis que la bobine de choc FR 46 compense les différences de perte dans les diodes selon qu'elles conduisent dans le sens direct ou inverse On a fait tourner le programme d'ordinateur SPICE pour ce circuit, avec Rin = RL = 50 ohms Les résultats obtenus pour les positions "Marche" et "Arrêt" sont donnés dans le tableau 3. Tableau 3 Tableau 3 Distorsions thermoioniques Pertes par insertion (db) Position maximales (db) marche M Hz 10 M Hz 2 M Hz 30 M Hz 10 M Hz 2 M Hz r T (psec) H 2 =-100 H 2 = -55H 2 = -45 O 0 01 1 3 1 H 3 = -79 H 3 = -33 H 3 = -12 H 2 = -91 H 2 =-53 O O 0 35 3 H 3 = -80 R 3 =-19 H 2 = -8611 H 2 =-70 O O 0 14 5 H 3 = -86 H 3 = -24 H 12 = -98 H 2 = -54 O O 0 1 10 H 3 = -95 H 3 = -26 Dans la position "Arrêt" on a obtenu les résul- tats suivants pour 2 M Hz (tableau 4). Tableau 4 L'isolation théorique du circuit a été exami- née lorsque une tension continue positive de 110 V était appliquée aux cathodes des diodes 41 et 42 du circuit de la figure 4, les diodes D 1 et D 2 étant des diodes de référence ESM 100 chez Thomson CSF, avec = 50 ohms, et les résultats sont donnés au tableau 5, Tableau 5 Isolation (db) M Hz 10 M Hz M Hz CJO (p F) -54 -64 -78 5 -48 -58 -72 10 I -42 -52 -66 20 { -39 -48 -62 30 Au lieu des deux diodes 41 et 42 on peut utiliser un transistor approprié, dont la base est connectée à la bobine de choc FR 46, le collecteur et l'émetteur étant connectés respectivement à la charge et à la source FR Il faut pour cela que le trr du transistor ait une durée convenant pour cet usage Au lieu d'une bobine de choc FR on peut utiliser tout autre élément inductif convenable, comme un gyrateur. Les moyens de commutation 47 peuvent être un transis- tor bipolaire, un transistor à effet de champ, ou un thyristor avec un trr adéquat. Le circuit de la figure 5 comprend deux dio- des ESM 100 de Thomson CSF connectées en série, en oppo- sition, et ayant les valeurs suivantes: CJO= 23 p F: ts= 1,5 g sec; tt= 0, 5 A sec, avec une source de tension continue de 80 V et les autres composants ayant les valeurs indiquées à la figure 4 On obtient les résul- tats suivants (tableau 6). Tableau 6 Paramètre 2 M Hz 4 M Hz 8 M Hz 16 M Hz30 M Hz Harmoniques E ( 2) -40 -40 40 -40 -56 (db) E ( 3) -26 -26 -24 -46 -40 Intermodulation deux tons (db) -50 -45 -42 rapide et une isolation meilleure. La figure 6 illustre un interrupteur FR de puissance du type "deux diodes en parallèle" Le circuit comprend la diode 61 et le condensateur 62 en séries, avec la diode 63 et le condensateur 64 en parallèle à ceux-ci, un générateur FR 65 de résistance interne 66, une charge 67, et, une bobine de choc FR 1 68 avec un interrupteur 69 et une bobine de choc FR 2 70 avec un interrupteur 71 connectés comme représenté Quand les interrupteurs 69 et 71 sont ouverts, les condensateurs 62 et 64 sont chargés à la tension de crête du généra- teur 65 et les deux diodes 61 et 63, en polarisation inverse, sont bloquées L'isolation de l'interrupteur est: RL Isolation (db)= 20 log avec C 1 =C 2 "CJO. RL 1/2 w CJO Pour R " 1, l'isolation est 20 log 2 Rk WCJO. L 2 w CJO Pour passer en position "Marche", on ferme les deux interrupteurs 69 et 71, et ainsi les cathodes des diodes sont mises à la terre et les diodes commencent à conduire dans les deux sens, en raison de leur capa- cité à conduire en sens inverse pendant le temps de recouvrement inverse trr Le courant qui traverse les diodes en position "Marche", et les tensions aux bornes du générateur et de la charge sont représentés figure 7. Lès deux diodes conduisent alternativement, chacune conduisant en sens direct pendant un quart du cycle. Le temps de conservation ts des diodes doit être plus long qu'un quart de période du cycle Le temps de commu- tation dépend de la capacité de 62 et 64 Pour réaliser une commutation rapide, le temps de commutation de 69 et 71 doit être très court, et pour ne pas affecter le temps de commutation total il est avantageux d'utili- ser des transistors rapides pour 69 et 71. Sur ordinateur, le programme SPICE o trr est représenté par TT, avec une source FR de 100 V ayant une résistance interne de 50 ohms, et une charge de 50 ohms, a donné les résultats suivants. Tableau 7 Position "Marche" Distorsions harmoniques TT ( pi sec) maximales (db) Pertes d'insertion (db) M Hz 2 M Hz 10 M Hz 2 M Hz H 3 = -24 13 = -23 H 15 = -29 H 5 = -28 1,6 1,7 O H 3 = -46 H 3 = -31 0 0,2 0,3 H 5 = -51 H 115 = -36 H 3 = -80 H 3 = -42 O 0,03 1 }H 5 = -47 H 2 = -66 H 3 La position "Arrêt" a été examinée lorsqu'une tension continue de 110 V était appliquée aux cathodes des diodes L'isolation a été examinée entre la source FR de 100 V et la charge. Tableau 8 Isolation (db) 30 M Nz 10 M Hz 2 M Hz CJO -39 -48 -67 5 p F -33 -42 -59 1 Op F -27 -36 -52 2 Op F -23 -33 -48 3 Op F Le temps de commutation des interrupteurs FR selon l'invention pour passer de la position "Marche' à la position "Arrêt" dépend de la rapidité avec laquelle on peut retirer la charge des jonctions des diodes Cela peut être accéléré par l'application d'une tension continue élevée aux cathodes des diodes Des temps de commutation typiques sont de l'ordre de quel- ques micro-secondes La commutation de "Arrêt" à "Marche" est rapide et dépend du temps de recouvrement direct, tfr des diodes, qui est généralement inférieur à une micro-seconde. Une autre réalisation d'un interrupteur selon la présente invention est représentée figure 8 Le cir- cuit est similaire à celui de la figure 4, un condensa- teur 81 en série avec des moyens de commutation 82 étant en outre disposé en parallèle avec la bobine de choc FR 46 et les moyens de commutation 47 Les moyens de commutation supplémentaires 82 peuvent être un transistor métal-oxyde à effet de champ, ou équivalent. La disposition est telle que lorsque l'interrupteur 47 est ouvert, l'interrupteur 82 est fermé, et vice versa. Lorsque l'interrupteur 47 est ouvert et l'interrupteur 82 fermé, l'interrupteur FR complet est en position "Arrêt", alors que quand l'interrupteur 47 est fermé et l'interrupteur 82 ouvert, l'interrupteur FR est en position "Marche" et le courant circule du générateur 44 à la charge 43 La présence des deux éléments supplémentaires 81 et 82 améliore l'isolation et réduit la vitesse de commutation Un avantage important est que la source de courant continu représentée figure devient inutile Dans la position "Arrêt" de l'inte- rupteur, le condensateur 81 est chargé à la valeur de crête du générateur FR 44, et ainsi les deux diodes 41 et 42 sont maintenues en polarisation inverse Toute fuite FR à travers la diode 41 est mise à la terre à travers le condensateur 81 et les moyens de commuta- tion 82. Tableau 9 Paramètre 2 M Hz 4 M Hz 8 M Hz 16 M Hz 30 M Hz Harmoniques E( 2) -50 -50 50 -60 -50 (db) E( 3) -25 -28 -3 Q -40 -40 Temps de Marche-Arrêt identique à celle de la figure 3. La description qui précède n'a qu'une valeur d'exemple, et il est clair que l'invention recouvre différentes modifications et changements dans la nature et la combinaison des composants L'invention se rapporte en général à des interrupteurs FR basés sur la combinaison de moyens de redressement et de capacités, ou de moyens de redressement en opposition, la combi- naison de diodes avec, soit un condensateur soit une diode en opposition, n'étant donnée qu'à titre d'exem- ple L'invention est basée sur l'utilisation du courant inverse IR qui circule pendant le temps dénommé temps de recouvrement inverse", trr, lequel est la combinaison du temps de conservation t 5 et du temps de transition t t 5 S + tt = trr), dans un redresseur tel qu'une diode. REVENDICATIONS 1 Interrupteur pour signal à fréquence radio- électrique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de redressement ( 31, 41) en série avec un condensateur ( 32) ou avec un autre redresseur ( 42) montés en oppo- sition ou comprenant à la place de cela un transistor ( 101), les moyens de redressement ( 32, 42) et le transis- tor ( 101) ayant un temps de recouvrement inverse, trr, adéquat, ces éléments étant placés entre un générateur ( 34, 44) à fréquence radio (FR) et une charge ( 33 X, et un élément inductif ( 36, 46) en série avec des moyens de commutation ( 37, 47) et les éléments ou la base du transistor et la terre, le passage de cet élément de commutation ( 37, 47) de "Arrêt" sur "Marche" commutant l'interrupteur de "Arrêt" sur "Marche". 2 Interrupteur selon la revendication 1, comprenant une diode ( 31) et un condensateur ( 32) entre le générateur FR ( 34 > et la charge-( 33), avec une bobine de choc FR ( 36), un gyrateur, une bobine ou une inductance, en série avec des moyens de commu- tation ( 37), connectée entre les premiers éléments et la terre. 3 Interrupteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, o l'élément de commutation est un transistor bipolaire, un transistor à effet de champ, ou un thyristor. 4 Interrupteur selon la revendication 1, comprenant deux diodes ( 41, 42) en opposition avec entre elles et la terre une connexion constituée d'une bobine de choc FR ( 46) et de moyens de commuta- tion ( 47). Interrupteur selon la revendication 4, comportant des moyens ( 48) pour appliquer aux cathodes des diodes une tension continue lorsque l'interrupteur FR est en position "Arrêt". 254600 ? 6 Interrupteur selon la revendication 5, o la tension ( 48) continue appliquée est plus élevée que la valeur de crête du générateur FR ( 44). 7 Interrupteur selon la revendication 4, dans lequel, en parallèle avec la bobine de choc FR ( 46) et les moyens de commutation ( 47), sont placés un conden- sateur ( 81) et d'autres moyens de commutation ( 82), arrangés de telle manière que lorsque l'un de ces moyens de commutation est ouvert, l'autre est fermé. 8 Interrupteur pour signal FR selon la reven- dication 1, comprenant en parallèle deux éléments entre le générateur FR ( 65) et la charge ( 67), chacun de ces éléments étant constitué d'une diode ( 61, 63) et d'un condensateur ( 62, 64), avec entre la diode et le condensateur de chacun de ces éléments une liaison à la terre comprenant un élément inductif ( 68, 70) et des moyens de commutation ( 69, 71) appropriés. 9 Interrupteur pour fréquence radio selon la revendication 1, comprenant un transistor ( 10) de trr adéquat, dont la base est connectée à un élément inductif ( 36) tel qu'une diode de choc FR, un gyrateur, une bobine, une inductance, en série avec des moyens de commutation ( 37) reliés à la terre et choisis entre un transistor à effet de champ, un transistor bipo- laire ou un thyristor, l'émetteur et le collecteur étant connectés respectivement au générateur FR ( 34) et à la charge ( 33). Procédé de commutation d'un signal à fré- quence radio (FR) par des moyens de redressement (diode, transistor) ayant un temps de recouvrement inverse trr adéquat, caractérisé en ce qu'on rend conducteur l'élément redresseur de façon que le signal FR puisse le traverser. 11 Procédé selon la revendication 10, carac- térisé en ce qu'on rend conducteur l'élément redresseur 1 9 en le connectant entre un générateur FR et une charge, en série avec d'autres moyens de redressement ou avec un condensateur, et en fermant un élément de commuta- tion en série avec un élément inductif connecté entre le redresseur et un autre redresseur ou un condensa- teur, et la terre. 12 Procédé selon la revendication 11, carac- térisé en ce que lorsque l'élément de commutation est fermé, un autre élément de commutation disposé en série avec un élément capacitif, et la terre est ouvert, et vice versa.