Brevet FR2583937A1 — publié le 19861226

CIRCUIT DE FILTRAGE A FREQUENCES CARACTERISTIQUES LIEES AU FONDAMENTAL DU SIGNAL FILTRE La présente invention se rapporte à un circuit de filtrage a fréquences caractéristiques liées au fondamental du signal filtré. Les filtres que l'on utilise pour filtrer une fréquence basse, telle que celle de la tension secteur, ont leurs fréquences caractéristiques (fréquence centrale pour un passe-bande, et fréquence de coupure) déterminées à la fabrication et, le cas échéant, à la mise au point, et ces fréquences ne peuvent pas être modifiées facilement. Si les fréquences des signaux à filtrer peuvent évoluer dans de larges limites, les bandes passantes des filtres doivent tenir compte de ces limites, mais alors certaines fréquences perturbatrices proches de ces limites risquent de ne pas être suffisamment affaiblies. En outre, des filtres passe-bande présentant un - rapport bande passante/fréquence centrale élevé avec un déphasage constant peuvent être complexes et onéreux à réaliser. La présente invention a pour objet des circuits de filtrage dont les fréquences caractéristiques soient fonction de la fréquence du fondamental du signal de sortie de ces filtres, le déphasage entre le signal d'entrée et leur signal de sortie étant pratiquement constant dans toute leur plage utile, ces circuits étant simples et économiques à réaliser. Un circuit de filtrage conforme à la présente invention comporte un filtre principal, de préférence du type dit "à capacités commutées", à pilotage par horloge externe, dont la sortie est reliée à son entrée de signaux d'horloge par un circuit comportant, en cascade, dans l'ordre: un détecteur de passage par zéro, un différentiateur, une bascule monostable, un circuit de mise en forme d'impulsions, un filtre passe-bas, qui peut être avantageusement du type Butterworth, d'ordre 4, et un oscillateur à commande en tension. De façon avantageuse, l'entrée de l'oscillateur à commande tension est reliée, en outre, à une source de tension imposant une tension minimale de commande à l'oscillateur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris comme exemples non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un bloc diagramme d'un circuit de filtrage conforme à l'invention, pour un signal d'entrée monophasé; - la figure 2 est un schéma de principe du circuit de filtrage de la figure I, en montage passe-bande; - la figure 3 est un bloc diagramme d'un circuit de filtrage conforme à l'invention, pour un signal d'entrée triphasé, et - la figure 4 est un chronogramme de diverses formes d'ondes relevées dans le circuit de la figure 3. Les circuits de filtrage décrits ci-dessous sont utilisés pour filtrer la tension sensiblement sinusoldale d'un réseau d'alimentation basse fréquence, en particulier pour obtenir la tension de commande d'un pont redresseur à thyristors, mais il est bien entendu que l'invention n'est limitée ni aux fréquences basses, ni à une telle application. L'invention utilise en tant que filtre de base le circuit intégré MFl0 de National Semiconductor, mais il est bien entendu que l'on peut utiliser d'autres circuits équivalents, analogiques ou numériques, à condition que leurs fréquences caractéristiques puissent varier en fonction de la fréquence d'une horloge externe. Ce filtre peut être utilisé aussi bien en passe-bande qu'en passe-bas ou en passe-haut, moyennant de très simples changements de connexions, comme clairement indiqué dans sa notice d'utilisation. Pour cette raison, la fonction de ces filtres utilisés en tant que filtres principaux ne sera pas précisée dans les blocs diagrammes décrits cidessous, étant entendu qu'ils peuvent être aussi bien des passe-bande que des passe-bas ou passe-haut. L'entrée 1 du circuit de filtrage représenté sur la figure 1 est reliée à un filtre 2, passe-haut, passe-bas ou passe-bande, selon les besoins. Dans le cas présent, le filtre 2 est le circuit intégré MFl0 précité. La sortie du filtre 2 est reliée à une borne 3 qui est la borne de sortie du circuit de filtrage, sur laquelle on recueille la tension d'entrée filtrée. La sortie du filtre 2 est également reliée à un circuit 4 détecteur de passage par zéro. La sortie du circuit 4 est reliée à un circuit 5 différentiateur réalisé de façon à produire des impulsions de même sens à chaque détection de passage à zéro effectuée par le circuit 4. La sortie du circuit 5 est reliée à une borne S, ainsi qu'à une bascule monostable 6. Bien entendu, les impulsions produites par le circuit 5 doivent être de niveau suffisant pour attaquer correctement le circuit 6. Sur la borne S, on peut prélever les impulsions de sortie du circuit 5 qui peuvent servir à synchroniser des circuits (non représentés) branchés en aval du circuit de filtrage. Le monostable 6 est suivi d'un circuit de mise en forme 7, qui est un circuit du type fournissant, à partir de signaux numériques d'entrée à niveau variable des signaux de sortie logiques à niveaux de tension fixes et précis. Le circuit 7 est suivi d'un filtre passe-bas 8, qui est avantageusement un filtre à réponse de type Butterworth d'ordre 4. La sortie du filtre 8 est reliée à l'entrée de commande d'un oscillateur 9 à commande en tension. Une source de tension constante 10 est reliée par une diode 11 à l'entrée de commande de l'oscillateur 9. La source 10 permet, au démarrage du circuit, d'imposer à l'oscillateur 9 une tension minimale de fonctionnement. La diode 11 a une fonction de porte OU-vis-à-vis de la sortie du filtre 8. Le signal sinusoïdal de sortie du filtre 2 produit, à la sortie du différentiateur 5, des impulsions dont la période est la moitié de sa période To, les fronts montants de ces impulsions étant synchrones des passages à zéro dudit signal sinusoldal. Ces impulsions font produire à la bascule monostable 6 un signal de même période To/2, dont les impulsions ont une durée fixe tl contrôlée par un circuit de base de temps précis (non représenté). Les signaux de la bascule 6 sont calibrés par le circuit 7 à la sortie duquel le signal UP présente des niveaux logiques "0" et "1" fixes. Le filtre passe-bas 8 extrait la valeur moyenne UM du signal UP, cette valeur moyenne dépendant directement de la période To du signal de sortie du filtre 2, donc de la fréquence de zen ce signal filtré. La fréquence de coupure du filtre 8 est choisie pour assurer une forte atténuation des fréquences harmoniques indésirables (lITo, 2/To, etc.) tout en assurant une bonne réponse dynamique au filtre.Si on appelle U1 la valeur de la tension niveau logique "1", celle du niveau logique "0" étant nulle on a: UM = U1 . tllTo = (Ul . tl)fo avec fo = 1/To Si l'oscillateur 9 (dont la fonction est ici celle d'un comer- tisseur tension-fréquence) présente une excellente linéarité lans ia gamme des fréquences d'utilisation, son signal de sortie CLX peut être considéré comme proportionnel à UM, et on a donc: CLX =k.(Ul .tl).fo, k étant une constante.Dans le cas où le circuit 2 est un circuit MFlO, le constructeur indique un rapport de 99,3S entre son signal d'horloge qui est CLK, et son signal de sortie de fréquence fo, et il est aisé de choisir en conséquence les valeurs des éléments du circuit de la figure 1 permettant d'obtenir ce rapport de 99,35. On a représenté sur la figure 2 le schéma détaille d'un circuit de filtrage passe-bande, qui peut être aisément modifié en circuit de filtrage passe-bas, comme précisé dans sa notice d'utilisation. Dans ce circuit, les éléments similaires à ceux de la figure 1 sont affectés des mêmes références numériques. La borne d'entrée 1 du circuit de la figure 2 est reliée au circuit intégré 12, type MF10, de la façon préconisée par le fabricant, à savoir: cette borne 1 est reliée par une résistance 13 à la broche 4 du circuit 12, cette broche 4 étant reliée par une résistance 14 à la broche 3, et par une résistance 15 à la broche 2. La borne 1 est reliée à la masse par une résistance 16. Les broches 6, 7 et 8 du circuit 12 sont reliées à la tension positive d'alimentation (+5V dans le cas présent), les broches 5, 9, 11, 12, 15 et 16 sont reliées à la masse, et les broches 13 et 14 à la tension négative d'alimentation (-5V dans le cas présent). La sortie du circuit 12 est prise sur sa broche 2, et reliée à la borne 3 de sortie, et son entrée de signaux d'horloge est sur la broche 19. La sortie du circuit 2 est reliée à la borne d'entrée 17 du circuit 4. Cette borne 17 est reliée d'une part à la masse par une résistance 18, et d'autre part, par un circuit série comportant une résistance 19 et un condensateur 20, à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 21, cette entrée étant reliée à la masse par une résistance 22. Le point commun du condensateur 20 et de la résistance 19 est relié à la masse par un condensateur 23. L'entrée non inverseuse-de l'amplificateur 21 est reliée à la masse par une résistance 24 et à la tension négative d'alimentation par une résistance 25. Les éléments référencés 18 à 25 forment le circuit 4. L'entrée 26 du circuit 5 est reliée directement à une entrée d'un circuit 27 OU exclusif, via une résistance 27Aau +5V et via une résistance 28 à l'autre entrée du circuit 27, cette autre entrée étant reliée à la masse par un condensateur 29. Les éléments 27 à 29 forment le circuit 5. Le multivibrateur 6 comprend par exemple un circuit intégré 30 type MC 14020 C, dont les broches 12 et 3 sont reliées aux entrées d'une porte 31 de type NON-ET. La sortie de cette porte 31 est reliée à une entrée d'une porte 32, également de type NON-ET, dont la sortie est reliée à la broche 10 du circuit 30. La deuxième entrée de la porte 32 est reliée à une borne 33 recevant des signaux d'horloge à la fréquence appropriée. La sortie de la porte 31, qui constitue la sortie du circuit 6, est reliée à l'entrée de commande d'un commutateur 34, dont une des électrodes (ou contact fixe) est reliée à la sortie d'une source 35 de tension de référence et dont l'autre électrode est reliée à l'entrée d'un pont diviseur comportant les résistances 36 et 37. Un condensateur 38 est branché en parallèle sur la sortie de ce pont diviseur. Ainsi, les impulsions de sortie du monostable 6 commandent le découpage de la tension de référence, le condensateur 38 faisant office de filtre de parasites haute fréquence. Le filtre 8 peut être tout filtre passe-bas analogique ou "à capacités commutées" à flancs raides, de préférence d'ordre 4. Dans le cas présent, on utilise le circuit intégré Il10, référencé 39, et monté en filtre passe-bas Butterworth d'ordre 4. Le circuit 39 reçoit un signal d'horloge sur ses broches 10 et 11 depuis la borne 33 via une bascule 40, qui est dans le cas présent un circuit intégré type MC 14024B. Les broches 4, 5, 12, 15 et 16 du circuit 39 sont reliées à la masse, ses broches 6, 7, 8 sont reliées à la tension positive d'alimentation (+5V), et ses broches 13, 14 à la tension négative d'alimentation (-5V). La sortie du circuit 7 (point commun des résistances 36 et 37) est reliée via une résistance 41 à la broche 17 du circuit 39, cette broche 17 étant reliée par une résistance 42 à la broche 18, et par une résistance 43 à la broche 19 de ce circuit 39. La broche 20 du circuit 39 est reliée par une résistance 44 à sa broche 4, qui est reliée par une résistance 45 à sa broche 2, et par une résistance 46 à sa broche 3. La broche 1 du circuit 39, qui constitue la sortie du filtre passe-bas, est reliée par une résistance 47 à l'entrée de commande de l'oscillateur 9, qui est d'un type approprié à la bande de fréquences utilisées. La source de tension 10 est simplement constituée d'un pont diviseur, comportant les résistances 48, 49, alimentées entre la tension positive (+5V) et la masse, le rapport de division de ce pont étant calculé, de façon évidente pour l'homme du métier, pour fournir à l'oscillateur 9 une tension minimale de fonctionnement. Dans le circuit de la figure 2, la fréquence de coupure et la forme de la réponse du filtre 2 dépendent en particulier des résistances 13, 14 et 15. Les valeurs de ces résistances sont choisies, de façon évidente pour l'homme de l'art, en vue d'obtenir un certain déphasage (entre tension d'entrée et tension de sortie du filtre 2) à la fréquence d'utilisation fo, ce déphasage ne devant pratiquement pas varier dans toute la plage des fréquences d'utilisation. Comme montré ci-dessus, dans la description du circuit de la figure 1, la fréquence fo est liée à la fréquence CLK des signaux de l'oscillateur 9 par un rapport fixe. Si fo varie, la fréquence de coupure fc du filtre 2 varie de sorte que ledit déphasage est maintenu constant dans la plage d'utilisation, qui est fonction des éléments utilisés. Cette plage peut, par exemple, s'étendre entre 40 et 70 Hz pour une fréquence nominale de 50 Hz. On a représenté sur la figure 3 le bloc diagramme d'un circuit de filtrage pour une tension triphasée. Dans cette figure, on utilise pour chacune des trois phases des éléments identiques aux éléments 2, 4, 5 et 9 du circuit de la figure 1, et branchés de façon similaire. Ces éléments dans la figure 3, portent la référence additionnelle A, B, C pour les phases 1, 2 et 3 respectivement. Pour simpiifier la réalisation, étant donné qu'avec un circuit MF10 on peut réaliser deux filtres d'ordre 2, on prélève une phase d'entrée (phl par exemple) au lieu de deux (phl, ph2), celle-ci étant reliée à deux filtres 2A et 2B avec le déphasage nécessaire pour obtenir la phase ph2. Ces filtres sont suivis respectivement des éléments 4A, 5A et 4B, 5B. La sortie de 5A est référencée S1, celle de 5B est référencée S2. La troisième phase d'entrée ph3 est reliée aux éléments 2C, 4C, 5C, la sortie de 5C étant S3. On relie à l'une des sorties, par exemple S1, la cascade unique d'éléments 6, 7, 8. La sortie du filtre 8 est reliée, de même que les circuits 10, 11, aux entrées de commande de trois oscillateurs à commande par tension, 9A, 9B et 9C dont les sorties sont respectivement reliées aux filtres 2A, 2B et 2C. Par ailleurs, les sorties S1, S2 et S3 sont reliées aux entrées d'un circuit OU référencé 50 dont la sortie est 54. Le signal recueilli en S4 permet de commander un système de synchronisation sur chaque passage à zéro des trois phases de la tension d'entrée. En effet, comme précisé ci-dessus, les déphasages entre tensions d'entrée et de sortie de chaque filtre 2A à 2C sont maintenus constants lorsque fo varie. Ainsi, les impulsions recueillies en S1, S2 et S3 sont toujours représentatives des passages par zéro des trois phases de la tension d'entrée, dans la plage d'utilisation. A la sortie S4, on obtient donc un signal impulsionnel dont les impulsions successives sont synchrones de tous les passages à zéro successifs de la tension triphasée d'entrée. Une utilisation avantageuse du signal en S4 est l'activation d'une ligne d'interruption d'un microprocesseur contralant des thyristors d'un pont redresseur alimenté par la tension d'entrée triphasée, puisqu'il est important de conserver une parfaite mise en phase entre la tension d'entrée d'un pont redresseur et les impulsions de référence servant à la commande des semisonducteurs du pont. Ce microprocesseur pourra ainsi aisément assurer la regulation dun paramètre (puissance de sortie du pont par exemple) en agissant de la façon habituelle sur les semiconducteurs commandes' du pont. Dans le circuit de la figure 3, la fréquence des tensions du réseau triphasé d'entrée étant, bien entendu unique, an se contente d'une tension UP unique pilotant les trois oscillateurs 9A à 9C. Sur le chronogramme de la figure 4, on a représenté deux phases d'entrée phl et ph3, les tensions de sortie USl, US2 (obtenues sur les bornes 3A et 3B à partir de phl) et US3 (sur la borne 3c), les tensions SI à S4, et la tension UP (avec indication de la valeur moyenne UM). REVENDICATIONS 1. Circuit de filtrage à fréquences caractéristiques liées au fondamental du signal filtré, caractérisé par le fait qu'il comporte un filtre principal (2) à pilotage par horloge externe, dont la sortie est reliée à son entrée de signaux d'horloge (CLK) par un circuit comportant, en cascade, dans l'ordre: un détecteur de passage par zéro (4), un différentiateur (5), une bascule monostable (6), un circuit de mise en forme d'impulsions (7), un filtre passe-bas (8) et un oscillateur à commande en tension (9). 2. Circuit de filtrage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le filtre principal est un filtre du type dit "à capacités commutées". 3. Circuit de filtrage selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le filtre principal est réalisé à partir d'un circuit intégré du type Mi10. 4. Circuit de filtrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le filtre passe-bas est du type Butterworth. 5. Circuit de filtrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'oscillateur à commande en tension reçoit une tension minimale de fonctionnement d'une source de tension fixe (10) qui lui est reliée par une diode (Il). 6. Circuit de filtrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit de mise en forme comprend une source de tension fixe (35) reliée à un commutateur (34) commandé par les impulsions de la bascule monostable. 7. Circuit de filtrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour le filtrage d'une tension triphasée, caractérisé par le fait qu'il comprend trois filtres principaux (2A-2C), I'une des phases (phl) de la tension triphasée étant reliée directement à l'un de ces filtres (2A), et avec un déphasage approprié à un autre filtre (2B), le troisième filtre étant relié à une autre phase (ph3), chacun de ces trois filtres étant suivi d'un détecteur de passage à zéro (4A à 4C) et d'un différentiateur (5A à 5C), la sortie de l'un des différentiateurs (5A) étant reliée à une bascule monostable (6), suivie d'un circuit de mise en forme (7) et d'un filtre passe-bas d'ordre 4 (8), la sortie de ce filtre étant reliée à trois oscillateurs à commande en tension (9A-9C), respectivement reliés aux filtres principaux. 8. Circuit de filtrage selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les sorties des trois différentiateurs sont reliées à un circuit OU (50). 9. Circuit de filtrage selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'il est disposé dans un circuit de commande d'un pont redresseur triphasé commandé. 10. Circuit de filtrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le filtre principal est un filtre passe-bande d'ordre 2 à fréquence centrale variable et à déphasage pratiquement nul dans la plage de fréquences d'utilisation. 11. Circuit de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le filtre principal est un filtre passe-bas d'ordre 2 à déphasage pratiquement constant dans la plage de fréquences d'utilisation. 12. Circuit de filtrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit filtre passe-bas (8) relié à la sortie du circuit de mise en forme est un filtre du type Butterworth d'ordre 4. 13. Circuit de filtrage selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le filtre passe-bas est réalisé à partir d'un circuit intégré de type MF10.