Brevet FR2541534A1 — publié le 19840824

La présente invention a trait à des oscillateurs de blocage pour dispositifs actifs électromagnétiques à mouvement alternatif, et plus par- ticulièrement à un oscillateur de blocage pour pompe électromagnétique pour fluides. Les dispositifs actifs électromagnétiques tels que les pompes électromagnétiques sont utilisés dans un large éventail d'applications. On exige de ces dispositifs qu'ils fonctionnent sur une gamme étendue de températures tout en étant soumis à d'importants changements de tension. Du fait qu'ils sont souvent utilisés dans des endroits inaccessibles, il faut qu'ils soient fiables et exempts de panne. De nombreux dispositifs actifs électromagnétiques de ce genre com- portent un oscillateur de blocage du genre décrit dans le brevet US no 3 386 616 délivré en Mai 1968 à H P Wertheimer et al La présente in- vention concerne un circuit perfectionné à oscillateur de blocage, lequel possède une fiabilité et un rendement supérieurs à ceux des oscillateurs de blocage décrits et représentés par la Demanderesse dans des brevets US no 3 629 674 et 4 080 552. La présente invention vise à réaliser un oscillateur de blocage comportant un enroulement de solénoïde destiné à imprimer un mouvement alternatif à une armature, soumise à une sollicitation de retour, telle qu'un piston dans une pompe électromagnétique pour fluides, ainsi qu'une bobine de détection reliée magnétiquement à l'enroulement du solénoïde. Ce dernier comprend une extrémité dite d'entrée qui reçoit du courant é- lectrique de la borne positive d'une source extérieure Un transistor au silicium à haut gain relié en série à l'enroulement du solénoïde commande l'écoulement du, courant à travers ce dernier enroulement. Le transistor au silicium comprend un émetteur relié à l'extré- mité dite de sortie de l'enroulement du soléno Yde, une base et un collec- teur Ce collecteur est relié à la borne négative de la source de courant en passant par une diode. L'enroulement de détection est relié par une extrémité à l'extré- mité de sortie de l'enroulement du solénoïde et par l'autre extrémité à la base du transistor au silicium par l'intermédiaire de deux résistances reliées en série Une résistance de polarisation est branchée entre le point de jonction des deux résistances reliées en série et la borne néga- tive de la source extérieure de courant Un premier jeu diode-résistance en série est branché entre les extrémités d'entrée et de sortie de l'en- roulement du solénoïde et un second jeu diode-résistance également en série est branché entre l'extrémité d'entrée de l'enroulement du solénoïde -2- et l'autre extrémité de la bobine de détection Dans le mode préféré de réalisation le transistor au silicium est constitué par un amplificateur Darlington au silicium, du type à haut gain. L'avantage que présente un tel oscillateur de blocage est que la diode branchée entre la borne négative de la source extérieure de courant et le collecteur du transistor au silicium réduit le gain de boucle et empêche l'application d'un courant inverse à haute tension au transistor au silicium, ce qui rend ce dernier insensible aux signaux de tension inverse et aux signaux parasites. Un autre avantage que présente l'oscillateur de blocage est qu'il est compatible avec un ensemble d'enroulements comprenant l'enroulement de solénoïde enroulé autour de la bobine de détection. Ces divers avantages ainsi que d'autres qui caractérisent l'os- cillateur de blocage suivant l'invention ressortiront davantage à la lec- ture de la description détaillée qui suit et se réfère au dessin annexé, sur lequel: La FIGURE 1 est un schéma de circuit montrant les détails de l'os- cillateur de blocage, et La FIGURE 2 est une coupe transversale de l'ensemble des enrou- lements. Si l'on se réfère à la Figure 1, on y voit un schéma de circuit de l'oscillateur de blocage qui comprend un enroulement de solénoïde 10 et une bobine de détection 12 L'enroulement 10 engendre un-champ magné- tique qui produit une force 14 sollicitant une armature 16 contre la for- ce d'un organe élastique de rappel tel qu'un ressort 18 L'armature 16 peut 4 tre constituée par un piston, rappelé par ressort, d'une pompe élec- tromagnétique à piston pour fluides, telle que le décrit le brevet US no 4 080 552 cité plus haut et délivré à la Demanderesse. L'extrémité d'entrée de l'enroulement de solénoïde 10 est reliée à la borne positive d'une source de courant électrique représentée sous forme d'une batterie 24 L'extrémité de sortie de l'enroulement 10 est reliée à une extrémité de la bobine de détection 12 ainsi qu'à l'émetteur d'un transistor 20 Le collecteur de ce transistor 20 est relié à l'anode d'une diode 22 dont la cathode est reliée à la borne négative de la sour- ce de courant 24 Les spécialistes dans l'art reconnaîtront que le tran- sistor 20 peut être remplacé par un transistor Darlington à haut gain, sans s'écarter cependant du principe de base de l'invention. L'autre extrémité de la bobine de détection 12 est reliée à la base du transistor 20 à travers des résistances 26 et 28 reliées en série, -3- et aussi à la borne négative de la batterie 24 en passant par des résis- tances 26 et 30 Gr 5 ce à cette disposition, la diode 22 assure la circu- lation d'un courant unidirectionnel à partir du collecteur du transis- tpr, tout en abaissant le gain de boucle du circuit et en protégeant le transistor 20 contre des inversions accidentelles de tension vers le cir- cuit et aussi contre des signaux parasites. Une première résistance 34 et une diode 36 reliées en série sont branchées entre les extrémités d'entrée et de sortie de l'enroulement 10 de solénoïde, afin de constituer une voie à faible résistance pour le courant induit dans l'enroulement 10 du solénoïde par le champ magnéti- que faiblissant lorsqu'on met le transistor 20 hors-circuit. Une seconde résistance 38 et une diode 40 reliées en série sont branchées entre l'extrémité d'entrée de l'enroulement 10 du solénoïde et le point de jonction 32 entre la bobine de détection 12 et la résistance 26 Le jeu formé par la résistance 38 et la diode 40 reliées en série, conjointement au jeu comprenant la résistance 34 et la diode 36, également reliées en série, commande le régime du champ magnétique faiblissant de l'enroulement 10 du solénoïde, ce qui constitue un facteur essentiel pour obtenir la réduction des émissions d'interférence électromagnétique (EMI). FONCTIONNEMENT Le circuit fonctionne de la façon suivante: lorsqu'on leur appli- que la tension électrique, les résistances 26 et 30 fonctionnent comme un diviseur de tension et produisent un potentiel réduit appliqué à la base du transistor 20 à travers la résistance 28 Cela amorce la circulation de courant à partir de la base du transistor 20 qui devient ainsi conduc- teur, ce courant circulant à travers l'enroulement 10 du solénoïde. Un courant croissant circulant à travers l'enroulement 10 du so- lénolde induit un courant qui s'éloigne du point de jonction 32 et passe par la bobine de détection 12 Cela diminue le potentiel traversant les résistances 26 et 30, et augmente la circulation du courant de base du transistor 20 jusqu'à saturation Dès que le transistor 20 est saturé, le champ magnétique engendré par l'enroulement 10 du solénoïde produit une force magnétique 14 qui agit sur l'armature 16, cette force étant suffi- sante pour déplacer l'armature 16 contre la résistance antagoniste du ressort 18, de façon à produire le mouvement mécanique désiré. La saturation des transistors 20 et 22 met également fin à l'ex- pansion du champ magnétique produit par l'enroulement 10 du solénoïde et fait cesser le courant induit dans la bobine de détection 12 7 Cela se traduit par un accroissement du potentiel au point de -4 - jonction 32 ainsi qu'à la base du transistor 22, afin de réduire la con- ductivité du transistor 20 qui restreint à son tour la circulation de cou- rant à travers l'enroulement 10 du solénoïde La diminution de circulation du courant à travers cet enroulement 10 a pour effet d'amorcer l'affaiblis- sement du champ magnétique engendré. Le champ magnétique faiblissant de l'enroulement 10 du solénoïde induit une circulation de courant vers le point de jonction 32 dans la bobine de détection 12 L'accroissement du courant circulant vers le point de jonction 32 augmente la circulation de courant à travers les résistan- ces 26 et 30, ce qui fait crottre le potentiel au point de jonction 32, ce qui réduit à son tour la circulation de courant de base partant du transistor 20 Cela continue jusqu'à ce que le transistor 20 soit complé- tement hors-circuit, de façon à mettre fin au champ magnétique engendré par l'enroulement 10 du solénoïde et rétablir le circuit dans sa condition initiale La fin du champ magnétique engendré par l'enroulement 10 du solénolde fait cesser la force magnétique agissant sur l'armature 16, de telle sorte que la force élastique de rappel produite par le ressort 18 renvoie l'armature à sa position de départ. En choisissant de façon adéquate le rapport de spires entre l'en- roulement 10 du solénoïde et la bobine de détection 12, ainsi que les va- leurs des résistances 26 et 30, on peut contr 8 ler la fréquence d'oscilla- tion du circuit sur une gamme relativement étendue, ainsi qu'il est connu dans l'art. Le circuit à oscillateur de blocage suivant l'invention présente en outre l'avantage que le transistor au silicium ou l'amplificateur Darlington au silicium possède des gains supérieurs à ceux des transistors classiques Cela réduit considérablement la grandeur du courant de base nécessaire pour les conduire à saturation tout en permettant d'utiliser un fil beaucoup plus fin (c'est-à-dire de diamètre inférieur) pour réali- ser la bobine de détection En particulier, la bobine de détection 12 peut être formée en utilisant un fil de 40 AWG ( 0,08 mm), ou un fil plus fin, ce qui diminue sensiblement le volume de l'ensemble des enroulements com- prenant l'enroulement 10 du solénoïde et la bobine de détection 12. Grâce à ce facteur, l'oscillateur de blocage suivant l'invention se prête à la réalisation d'un ensemble d'enroulements dans lequel la bo- bine de détection 12 est enroulée sur le diamètre intérieur d'une bobine 42, tandis que l'enroulement 10 du solénoïde est enroulé autour de la bo- bine de détection 12, comme le montre schématiquement la Figure 2 Cette disposition, en combinaison avec l'oscillateur de blocage, présente plu- 2 x 41534 -5 - sieurs avantages qui seront exposés ci-après. En premier lieu, le fil fin qui forme la bobine de détection 12 est enveloppé par le fil plus gros de l'enroulement 10 du solénoïde, ce qui rend l'ensemble moins susceptible de subir des détériorations maté- rielles En second lieu, cela permet d'utiliser un plus grand nombre de spires dans l'enroulement du solénoïde, ce qui augmente les amperes- tour et réduit la tension de démarrage de l'oscillateur Du fait que l'en- roulement du solénoïde possède un-plus grand diamètre moyen, la longueur de fil est augmentée, ce qui se traduit par un accroissement de sa résis- tance Par suite de cette plus grande résistance, le courant tension/ résistance de l'enroulement du solénoïde est limité à une valeur qui se situe à l'intérieur de la gamme du transistor au silicium Ce facteur permet en outre d'insérer la diode 22 dans le circuit de collecteur du transistor, ce qui confère à ce circuit une immunité sensiblement amélio- rée vis-à-vis de tensions inverses, tout en permettant à l'oscillateur de blocage de démarrer et d'entretenir le fonctionnement sous une tension réduite Par exemple, à la température ambiante, un circuit conçu pour fonctionner sous 12 volts a été capable de démarrer et de continuer à fonctionner sous un potentiel aussi bas que 6 volts. Une autre caractéristique propre à l'oscillateur de blocage dont l'enroulement de la bobine de détection se trouve à l'intérieur de l'en- roulement du solénoïde réside dans le fait que la fréquence d'oscillation est fonction inverse de la charge Plus particulièrement, il a été consta- té que la fréquence d'un oscillateur de blocage incorporé à une pompe é- lectromagnétique pour fluides du type décrit dans le brevet US N 04 080 552 o la bobine de détection est enroulée à l'intérieur de l'enroulement du solénoïde, diminuait avec une pression accrue de sortie correspondant à une circulation nulle du fluide Cette propriété de l'oscillateur de blo- cage élargit son champ d'application car la fréquence moins élevée diminue la consommation d'énergie et s'accompagne d'une diminution correspondante de la chaleur engendrée par l'enroulement du solénoïde. Il est bien entendu que l'oscillateur de blocage suivant l'inven- tion n'est pas limité aux seuls composants électriques et à l'ensemble d'enroulements représentés sur le dessin et décritsci-dessus, car tout spécialiste dans l'art pourra constater que des changements et variantes peuvent être envisagés sans s'écarter cependant des principes de base de l'invention. -6 - R E V E N D I C A T I O N S 1 Oscillateur de blocage pour imprimer un mouvement alternatif à une armature soumise à une force de rappel, caractérisé par le fait qu'il comprend: a) un enroulement de solénoïde ( 10) pour engendrer un champ magnétique afin de déplacer cette armature ( 16) lorsqu'un courant circule à travers cet enroulement ( 10) qui compor- te une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie; b) une bobine de détection ( 12) reliée magnétiquement à l'enroulement du solénoïde ( 10) afin de produire un signal de commande en réponse à un changement intervenant dans le champ magnétique engendré par l'enroulement ( 10) du solé- noide, cette bobine de détection ( 12) ayant une extrémité reliée à l'extrémité de sortie de l'enroulement du solénoi- de ( 10) et une autre extrémité opposée à la première; c) un transistor ( 20) ayant un émetteur relié à ladite extré- mité de sortie de l'enroulement du solénoïde ( 10), un col- lecteur et une base; d) une diode ( 22) comprenant une anode reliée au collecteur du transistor ( 20 > ainsi qu'une cathode; e) deux résistances en série ( 26, 30) formant diviseur de ten- sion, branchées entre l'extrémité opposée de la bobine de détection ( 12) et la cathode de la diode ( 22), et f) une résistance ( 28) reliant la base dudit transistor ( 20) au point de jonction entre les deux résistances précitées ( 26, 30). 2 Oscillateur de blocage selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que ledit transistor ( 20) est du type Darlington au silicium à haut gain. 3 oscillateur de blocage selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que ledit transistor ( 20) est un transistor unique au silicium à haut gain. 4 oscillateur de blocage selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que ladite bobine de détection prement dite ( 42) ayant un diamètre intérieur et un premier nombre pré- établi de spires d'un premier fil enroulé autour dudit diamètre intérieur. oscillateur de blocage selon la Revendication 4, caractérisé par le fait que ledit enroulement du solénolde ( 10) comprend un second nombre préétabli de spires d'un second fil enroulé autour dudit premier -7 - nombre pré-établi de spires dudit premier fil. 6 Oscillateur de blocage selon la Revendication 5, caractérisé par le fait que ledit premier fil a un diamètre sensiblement plus petit que celui du second fil. 7 Oscillateur de blocage selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que ledit enroulement du solénoïde ( 10) et ladite bobine de détection ( 12) se composent: a) d'une bobine b) d'un premier nombre pré-établi de spires d'un fil fin en- roulé autour dudit diamètre intérieur de la bobine pour constituer ladite bobine de détection, et c) d'un second nombre pré-établi de spires d'un fil de diamè- tre important enroulé autour du premier nombre pré-établi de spires de fil fin afin de constituer ledit enroulement du solénoïde. 8 Oscillateur de blocage selon l'une ou l'autre des Revendica- tions 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un moyen dissipateur de courant ( 34, 36) afin de dissiper le courant induit dans ledit enroulement du solénolde ( 10) par le champ magnétique faiblissant lorsque le transistor ( 20) est mis hors-circuit, ce moyen de dissipation étant branché en parallèle au moins avec ledit enroulement du solénoïde. 9 oscillateur de blocage selon la Revendication 8, caractérisé par le fait que ledit moyen dissipateur comprend un premier jeu diode- résistance ( 36, 34) reliées en série, se jeu étant branché entre lesdites extrémités d'entrée et de sortie dudit enroulement du solénoïde ( 10). Oscillateur de blocage selon la Revendication 8, caractérisé par le fait que ledit moyen de dissipation comprend un premier jeu diode- résistance ( 36, 34) reliées en série, ce jeu étant branché entre l'extré- mité d'entrée de l'enroulement du solénoïde ( 10) et ladite extrémité op- posée de ladite bobine de détection ( 12). 11 Oscillateur de blocage selon la Revendication 10, caractérisé par le fait que ledit moyen de dissipation comprend en outre un troisième jeu diode-résistance reliées en série, ce jeu étant branché entre lesdites extrémités d'entrée et de sortie de l'enroulement ( 10) du solénoïde. 12 Oscillateur de blocage caractérisé par le fait qu'il comprend: a) une bobine ayant un diamètre intérieur; b) un premier nombre pré-établi de spires ( 12) d'un premier fil fin enroulé autour dudit diamètre intérieur, ce premier fil ayant une première extrémité et une seconde extrémité; -8c) un second nombre pré-établi de spires ( 10) d'un second fil enroulé sur ledit premier nombre pré-établi de spires ( 12), une extrémité de ce second fil étant propre à recevoir un potentiel électrique positif provenant d'une source exté- rieure de courant ( 24) et une extrémité opposée reliée à ladite première extrémité dudit premier fil; d) un amplificateur Darlington au silicium, à haut gain ( 20), ayant un émetteur relié à l'extrémité opposée dudit second fil, un collecteur et une base; e) une diode ( 22) ayant une anode reliée au collecteur dudit amplificateur Darlington et une cathode pouvant recevoir un potentiel électrique négatif provenant de ladite source de courant ( 24), et - f) deux résistances ( 26, 30) reliées en série et formant un jeu branché entre ladite seconde extrémité dudit premier fil ( 10) et la cathode de ladite diode, le point de jonc- tion entre ces deux résistances étant relié à la base de l'amplificateur Darlington ( 20). 13 Oscillateur de blocage selon la Revendication 12, caractérisé en outre par le fait qu'il comprend une seconde résistance ( 28) branchée entre ledit point de jonction des deux résistances dudit amplificateur Darlington ( 20). 14 Oscillateur de blocage selon l'une ou l'autre des Revendica- tions 12 ou 13, caractérisé en outre par le fait qu'il comprend un moyen dissipateur de courant ( 34, 36) relié en parallèle avec au moins ledit second fil ( 12). Oscillateur de blocage selon la Revendication 14, caractérisé par le fait que ledit moyen dissipateur de courant comprend un premier jeu dioderésistance ( 36, 34) reliées en série, ce jeu étant branché entre ladite première extrémité et ladite extrémité opposée dudit second fil( 12). 16 oscillateur de blocage selon la Revendication 14, caractérisé par le fait que ledit moyen dissipateur de courant comprend un second jeu dioderésistance ( 40, 38) reliées en série, ce jeu étant branché entre ladite première extrémité du second fil ( 12) et ladite seconde extrémité dudit premier fil ( 12).