Brevet FR2541532A1 — publié le 19840824

PROCEDE DE COMMUTATION DE L'ALIMENTATION ELECTRIQUE ENTRE DEUX CIRCUITS DE CHARGE INDEPENDANTS L'invention concerne un procédé de commutation de l'alimen- tation électrique entre deux circuits de charge indépendants s'appli- quant notamment à des tubes à rayons X utilisés en radiologie moderne. Les applications radiologiques les plus connues, notamment dans le domaine médical, sont -la radioscopie et la radiographie. Dans ces deux applications un objet ou un patient est soumis au rayonnement d'un tube à rayons X et l'on relève l'image de l'atté- nuation du faisceau de rayons après qu'il ait traversé l'objet En radioscopie, le rayonnement X traverse l'objet pendant des périodes longues Dans le domaine médical, la puissance de ce rayonnement est faible de manière à ne pas soumettre le patient à une irradiation prolongée néfaste En radiographie, la puissance du rayonnement X est élevée mais sa durée est brève Cette manière de faire a pour effet d'impressionner efficacement la plaque photographique qui relève l'image tout en ne soumettant pas l'objet ou le patient à une irradiation trop forte du fait de la brièveté de cette impulsion unique. Les tubes à rayons X capables de rayonner au choix l'un de ces deux rayonnements comportent comme tronc commun une structure complète unique comportant notamment une anode, des dispositifs de focalisation, des dispositifs de commande, et une enveloppe mécanique de tube Des circuits de commutation agissent sur un ensemble cathode de ce tube On sélectionne ainsi, suivant le besoin, une cathode émettant peu ou beaucoup d'électrons pour provoquer respectivement lors du choc de ces électrons sur l'anode une émission faible ou forte de rayons X Le dispositif de commande du tube comporte généralement des moyens pour annuler rapidement la polarisation de cathode dans une application de radiographie. -2 - Pratiquement, l'ensemble cathode du tube comporte deux cathodes Ces cathodes comportant couramment des filaments, sont échauffées en chauffage direct par le passage d'un courant élec- trique de chauffage dans ces filaments Dans le but de limiter les connexions électriques devant traverser l'enveloppe du tube, il est connu de relier ces filaments à un point commun servant par ailleurs à appliquer la tension de polarisation de cathode Cet ensemble de cathodes comporte ainsi trois bornes de connexions au minimum De cette façon, la tension de polarisation est appliquée à la fois sur chacune des deux cathodes de l'ensemble cathode, mais seule est en activité celle de ces cathodes qui est soumise à un courant de chauffage Les dispositifs de commutation connus comportent géné- ralement un relais électromécanique permettant le choix ou bien deux transformateurs différents, la commutation se faisant alors du côté des enroulements primaires. Les cathodes étant polarisées, par rapport à la masse de l'appareil, par une tension voisine de plusieurs dizaines de milliers de volts, l'isolement de ce relais est délicat Les problèmes de claquage pouvant survenir entre son armature et ses bornes sont difficiles à résoudre Leur défaut d'isolement présente un risque grave Par ailleurs, il est fréquent de mettre en oeuvre des générateurs de signaux électriques différents pour assurer le chauffage de chacune des deux cathodes. L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients cités en proposant un procédé de commutation original ne mettant pas en oeuvre de contacteur électromécanique et ayant recours à un seul générateur de signaux électriques et à un seul transformateur. L'invention concerne un procédé de commutation de l'alimen- tation électrique entre deux circuits de charge indépendants carac- térisé en ce qu'on alimente les deux circuits de charge respecti- vement par les produits de redressement de chacune des alternances d'un signal alternatif et en ce que l'on règle le rapport cyclique de ce signal L'invention concerne également un circuit électronique comprenant un générateur de signal alternatif pour alimenter 25415 e 2 -3 électriquement deux circuits de charge indépendants caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens de redressement pour redres- ser une alternance du signal de signe donné et des deuxièmes moyens de redressement pour redresser l'autre alternance du signal de signe opposé à la première, lesdits moyens étant connectés pour alimenter respectivement les deux circuits de charge indépendants et en ce que le générateur est un générateur d'impulsions dont le rapport cyclique des impulsions est réglable. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description non limitative qui suit Cette description est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels les mêmes repères désignent les mêmes éléments Ces dessins comprennent: Figure l un ensemble de moyens nécessaire à la mise en oeuvre du procédé de l'invention, Figure 2 A, Figure 2 B, des diagrammes temporels de signaux électriques intervenant dans le procédé de l'invention. La figure l représente un circuit électronique comprenant un générateur de signal alternatif l relié à des moyens de redressement pour alimenter électriquement deux charges 2 et 3 symbolisées sous forme de résistances électriques Conformément à l'application proposée cette figure indique que ces charges représentent les cathodes d'un tube 4 à rayon X Sur cette figure les charges sont indépendantes puisque leurs bornes ne sont pas reliées ensemble. L'existence d'une borne commune 5 est relative aux contraintes de construction des tubes à rayons X évoquées plus haut On expliquera plus loin que cette borne commune 5 n'est pas indispensable au fonctionnement du procédé de l'invention et qu'en particulier les charges 2 et 3 peuvent alors être complètement différenciées. Les moyens de redressement du signal alternatif délivré par le générateur l comporte un transformateur 6 et deux circuits de diodes Le générateur l est relié à l'enroulement primaire 7 du transformateur 6, les deux circuits de diodes sont reliés dans l'exem- ple en deux points distincts de l'enroulement secondaire 8 de ce -4 transformateur: les points A et B L'enroulement secondaire 8 peut avoir un nombre de spires ou une structure différente de l'enrou- lement 7 pour provoquer éventuellement une élévation et/ou un abaissement de la tension produite par le générateur 1 Un premier circuit de diodes en série est connecté entre le point A et la charge 2, le deuxième circuit de diodes est connecté entre le point B et la charge 3 Les formes d'onde des signaux électriques délivrés entre les bornes A et C de ce transformateur sont les mêmes que celles délivrées entre les bornes B et C Ce faisant, le fait d'inverser les polarités des circuits de diodes permet de ne redresser dans chacun de ces circuits de diodes qu'une seule des deux alternances du signal alternatif du générateur Les alternances redressées par chacun de ces circuits de diodes sont, bien entendu, différentes l'une de l'autre. On considère que le premier circuit de diodes, comprenant les diodes 9 et 10 redresse l'alternance positive du signal puisque les cathodes de ces diodes sont situées du côté de la charge 2 et leurs anodes du côté du point A On remarque que le deuxième circuit de diodes comprenant la diode 11 redresse l'alternance négative du signal puisque la cathode de sa diode est située du côté du point B et son anode du côté de la charge 3 Si Pon adopte une autre réalisation de l'enroulement secondaire 8 du transformateur 6, il est évidem- ment toujours possible d'orienter les diodes du premier circuit de diodes dans une polarité donnée et les diodes du deuxième circuit de diodes dans une polarité complémentaire de la précédente pour permettre le redressement respectivement de l'une et l'autre alter- nance Par ailleurs, dans le cas o les charges sont indépendantes, notamment du point de vue de leur polarisation, leur indépendance est assurée en réalisant deux parties indépendantes électriquement dans l'enroulement secondaire du transformateur 6. Il est tout à fait possible que les prises A et B de l'enroulement secondaire 8 soient confondues en un seul point On verra par la suite comment la modification du rapport cyclique permet même dans cette configuration d'effectuer la commutation de 41532 -5 - l'alimentation électrique entre la charge 2 et la charge 3 L'exis- tence du transformateur 6 n'est alors plus justifiée que par l'appli- cation d'une tension de polarisation de cathode VK sur le brin commun des charges 2 et 3 représentant des cathodes d'un tube à rayons X dans l'exemple évoqué Le transformateur 6 permet alors l'isolement du générateur 1 à l'égard de cette tension de polari- sation En dehors de cet exemple, il est possible de se passer du transformateur 6 et de connecter en parallèle les deux circuits de diodes sur l'une des bornes du générateur. Les figures 2 A et 2 B représentent les formes d'ondes d'un signal alternatif impulsionnel mesuré en différents points du circuit électronique de l'invention Ces signaux impulsionnels ont ici une forme rectangulaire ce qui rend plus compréhensible la notion de rapport cyclique Cette forme rectangulaire des signaux n'est cepen- dant pas une condition indispensable de fonctionnement du procédé de l'invention, notamment les flancs de ces impulsions peuvent être moins raides que ceux représentés sur les figure 2 A et 2 B Le haut de ces figures représente un signal impulsionnel alternatif délivré par le générateur 1 et comportant une impulsion de durée T se reproduisant périodiquement avec une période T La composante continue de ce signal est nulle Ceci revient à dire que le rapport des amplitudes VI/V 2 respectivement des parties positives et néga- tives de ce signal est égal à: VI = T -T V 2 T Le bas de ces figures représente le signal délivré par le générateur 1 et ayant subi respectivement, signaux VA et VB, les redressements d'alternance imposés par les premier et deuxième circuits de diodes. Ces signaux servent à alimenter respectivement les charges 2 et 3. Les figures 2 A et 2 B sont complémentaires La figure 2 A représente des signaux dont le rapport cyclique est faible, ici de l'ordre de 10 %, la figure 2 B représente des signaux dont le rapport cyclique est fort, ici de l'ordre de 90 % On démontre par un calcul 2-5 41532 6 - simple que lors du redressement de ces deux alternances, la valeur efficace des signaux redressés est proportionnelle à la racine carrée de l'énergie dissipée par chacune de ces deux alternances dans les charges, moyennée sur une période du signal Le rapport de ces valeurs efficaces peut alors s'écrire en première approximation: VI Efficace = T -T V 2 Efficace T Ainsi, lorsque le rapport cyclique Tr est de l'ordre, par exemple, de 10 %o le rapport des tensions efficaces est de l'ordre de 3 et lorsque le rapport cyclique est de l'ordre de 90 %,6 ce même rapport des -valeurs de tensions efficaces est voisin de 1/3 Ceci signifie que dans le cas de la figure 2 A l'énergie dissipée dans la charge 2 est trois fois plus importante que l'énergie dissipée dans la charge 3. Inversement, dans le cas de la figure 2 B l'énergie dissipée dans la charge 3 est trois fois plus importante que l'énergie dissipée dans la charge 2 Dans le cas d'une application de l'invention à un tube à rayons X ce rapport de 1 à 3 est suffisant pour faire la distinction entre un filament chaud et un filament froid Un filament chaud est capable d'émettre des électrons alors qu'un filament froid n'est pas capable d'émettre des électrons Le résultat de cette modification du rapport cyclique a ainsi pour effet d'opérer la sélection entre les filaments de cathode retenus pour l'utilisation désirée: utilisation en radioscopie ou en radiographie. Le rapport des tensions efficaces n'est cependant pas direc- tement représentatif de l'énergie dissipée dans les charges 2 et 3. L'explication qui vient d'être donnée est seulement relative à une configuration o les points A et B seraient confondus et o les charges 2 et 3 présenteraient une même valeur résistive Dans cette hypothèse, la différence de thermoémissivité des filaments des cathodes devrait alors être obtenue en différenciant les matériaux thermoémissifs constituant ces filaments Dans la pratique, les filaments sont fabriqués à partir d'un même matériau, en général à -7 - base de tungstène, et la différence de thermoémissivité des fila- ments est liée à leur importance: l'un est plus grand que l'autre En conséquence, la résistance qu'ils présentent à l'égard du courant de chauffage est différente C'est la raison pour laquelle les prises A et B ne sont pas confondues dans le transformateur 8 Ainsi la prise A, correspondant à un grand nombre de spires comprises entre le point C et le point A, délivre un signal alternatif dont l'amplitude est supérieure à celui délivré par la prise B En conséquence, rénergie dissipée dans la charge 2 avec un signal de rapport cyclique faible sera plus forte que l'énergie dissipée dans la charge 3 par un signal de rapport cyclique fort. Pour un rapport cyclique donné, les rapports des énergies dissipées sont donc ainsi proportionnels d'une part aux rapports des tensions efficaces, et d'autre part au rapport des rapports de transformation opérés par le transformateur 6 entre les signaux délivrés au point A et au point B Cependant, lorsque le rapport cyclique est fort (figure 2 B), par exemple de l'ordre de 90 %, cette différenciation des rapports de transformation du transformateur 6 vient neutraliser les effets de sélection obtenus par le rapport des valeurs efficaces On remédie facilement à cette situation en -interposant dans les circuits de diodes un certain nombre de diodes. Ainsi, dans la figure 2 A le signal référencé VA n'a pas comme amplitude la valeur VI mais seulement comme amplitude la va- leur VI diminuée de la tension chutée dans les diodes 9 et 10 du premier circuit de diodes Cette chute de tension est matérialisée par les contours en tirets Comme dans cette figure le rapport cyclique est faible, la tension VI est forte, et cette altération a peu d'importance Par contre, dans la figure 2 B, o la tension VI est faible, cette altération est proportionnellement très sensible et on peut même, en choisissant le nombre de diodes du premier circuit de diodes, venir annuler complètement la tension VA de la figure 2 B. La charge 2 correspond aux grands filaments de cathodes utilisés en radiographie pour lequel la thermoémissivité doit être forte La charge 3 représente un filament de cathode utilisé en 8 - radioscopie Sa valeur résistive est plus faible que celle de la charge 2 Dans le cas de signaux à rapports cycliques faibles, (figure 2 A), la tension VB n'est pas égale à la tension V 2 mais est égale à cette tension V 2 diminuée de la chute de tension opérée par la diode 11 L'annulation de cette tension VB est obtenue avec un nombre moins important de diodes dans le deuxième circuit de diodes qu'il n'y en avait dans le premier, puisque par ailleurs cette tension VB est obtenue avec un rapport de transformation inférieur à celui avec lequel était obtenue la tension VA Avec un rapport cyclique plus fort, figure 2 B, cette tension VB est peu altérée par la présence d'un nombre de diodes peu important. On voit très bien qu'il est possible de cette manière de disposer un nombre de diodes suffisant dans chacun des deux circuits de diodes pour annuler, dans chacun des cas, celle des deux tensions qui n'est pas désirée Dans un exemple, o le signal délivré par le générateur 1 a une variation de l'ordre de 10 volts, o le rapport de transformation du transformateur 6 est de 1 pour la prise A et est de 1/2 pour la prise B, et o les diodes sont dans la configuration représentée sur la figure 1, le signal VA et le signal VB en cas de rapport cyclique faible sont respectivement égaux à 7,6 volts et O volt; en cas de rapport cyclique fort ils ont respectivement pour valeur O volt et 3,8 volts Ces valeurs peuvent être rapidement retrouvées en considérant que les diodes sont des diodes au silicium et provoquent une chute de tension de l'ordre de 0,7 volt chacune. Partant de cet exemple chiffré on comprend donc qu'il est possible d'agir sur l'amplitude du signal délivré par le générateur 1, sur les rapports de transformation imposés par le transformateur, et sur le nombre de diodes contenues dans chacun des circuits de diodes pour adapter les puissances dissipées dans chacune des deux charges 2 et 3 en fonction des résistances de ces charges. On a représenté symboliquement sur la figure 1 une entrée de commande D permettant de réaliser la commutation de l'alimen- tation des charges en agissant sur le rapport cyclique des impulsions produites par ce générateur 1 Il est possible de réguler la quantité -9d'énergie dissipée dans les charges en disposant une boucle de régulation comportant un détecteur 12 pour détecter une grandeur représentative de la quantité d'énergie dissipée dans la charge à réguler Dans l'application de radioscopie ce détecteur 12 peut comprendre notamment les moyens pour mesurer la luminosité de l'image reçue sur un moniteur de télévision faisant partie de cette chaîne de radioscopie Pratiquement, on mesure ainsi le niveau du signal vidéo alimentant ce moniteur puisque ce signal vidéo est proportionnel à la quantité de rayonnement X ayant traversé l'objet ou le patient et est donc proportionnel à l'intensité du courant de chauffage appliquée sur la cathode du tube 4 utilisée pour l'émission. Le signal délivré par le détecteur 12 est appliqué sur une des entrées d'un comparateur 13 recevant par ailleurs sur son autre entrée un signal de référence Ref Ce comparateur élabore alors en correction un signal d'erreur Rg Ce signal Rg est appliqué en parallèle avec un signal de commande Cd sur l'entrée de commande D du générateur de signal 1 En radiographie, la chaîne de régulation aura la même allure que la chaîne de régulation de radioscopie, la grandeur de référence Ref étant connue par expérience et tenant compte à la fois de la sensibilité des plaques photographiques utilisées et de l'irradiation maximum admissible pour les patients. De nombreuses réalisations de générateur de signal à rapport cyclique réglable existent actuellement Dans la pratique ces géné- rateurs comportent un générateur de dents de scie dont la période des dents de scie est T En comparant la valeur du signal en dents de scie à une valeur de commande Cd dans un comparateur on peut exploiter le signal de sortie de ce comparateur pour produire les impulsions évoquées La tension de régulation Rg peut alors simple- ment être superposée à la tension de commande Cd pour modifier le rapport cyclique de l'impulsion autour de sa valeur de réglage initial. Le procédé décrit et le circuit électronique le mettant en oeuvre peuvent être appliqués avec de multiples variantes Certai- nes de ces variantes ont été décrites et concernent notamment la forme des impulsions, la présence d'un transformateur, et la forme - des circuits de diodes de redressement, cependant d'autres sont encore envisageables qui seraient caractérisées principalement en ce qu'elles mettent en oeuvre la modification du rapport cyclique pour effectuer la commutation Il est d'ailleurs à remarquer que l'application du procédé est encore possible quand il s'agit seulement d'effectuer une balance entre les énergies dissipées dans deux charges électriques. Il - REVENDICATIONS 1 Procédé de commutation de l'alimentation électrique entre deux circuits ( 2,3) de charge indépendants caractérisé en ce qu'on alimente les deux circuits de charge respectivement par les pro- duits (VA, VB)de redressement de chacune des alternances d'un signal alternatif et en ce qu'on règle le rapport cyclique (T IT)de ce signal. 2 Circuit électronique comprenant un générateur ( 1) de signal alternatif pour alimenter électriquement deux circuits ( 2,3) de char- ge indépendants selon la revendication l caractérisé en ce qu'il com- porte des premiers moyens (A,9,10) de redressement pour redresser une alternance du signal d'un signe donné et des deuxièmes moyens (B, 11) de redressement pour redresser l'autre alternance du signal de signe opposé à la première, lesdits moyens étant connectés pour alimenter respectivement les deux circuits de charge indépen- l S dants et en ce que le générateur est un générateur d'impulsion dont le rapport cyclique ( 3 Circuit selon la revendication 2 caractérisé en ce que les circuits de charge indépendants contiennent des filaments de chauf- fage indépendants d'un même tube ( 4) à rayons X. 4 Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que les premiers moyens comportent un premier enroulement (A,C) secondaire d'un transformateur ( 6) connecté en série avec au moins une première diode ( 9) dans une polarité donnée pour redresser une alternance (VA) du signal et en ce que les deuxièmes moyens comportent un deuxième enroulement (B,C) secondaire de ce transformateur connecté en série avec au moins une deuxième diode ( 11) dans une polarité complémentaire pour redresser l'autre alternance (VB) du signal. Circuit selon la revendication 4 caractérisé en ce que le premier enroulement secondaire du transformateur est connectée en série avec deux diodes ( 9,10). 2 541532 12 - 6 Circuit selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que le deuxième enroulement secondaire du transformateur est inclus dans le premier enroulement secondaire. 7 Circuit selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que le deuxième enroulement secondaire est confondu avec le premier enroulement secondaire. 8 Circuit selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que le générateur de -signal alternatif est relié à l'enroulement primaire ( 7) du transformateur ( 6). 9 Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de régulation ( 12,13) connectée à une commande (D) de réglage du rapport cyclique du générateur ( 1) et recevant un signal représentatif de la quantité d'énergie dissipée par la charge à réguler. 10 Utilisation du procédé selon la revendication 1 caracté- risée en ce qu'elle se fait dans un tube à rayons X.