Brevet FR2636181A1 — publié le 19900309

La présente invention concerne l'augmentation du rendement des amplificateurs de puissance élevée, et elle s'applique en particulier à un dispositif de commutation d'alimentations, incorporées à un amplificateur de grande puissance, entre un montage série et un montage parallèle afin que le rendement soit accru. Dans l'industrie, il est souvent souhaitable de disposer d'un amplificateur capable de fournir une grande quantité d'énergie, en général de l'ordre de quelques kilo- watts. Un bon exemple d'une situation dans laquelle une telle puissance est nécessaire est le domaine des communi- cations radioélectriques par modulation d'amplitude dans lequel des amplificateurs importants sont utilisés comme modulateurs des émetteurs. Une autre utilisation courante de tels amplificateurs importants est un circuit d'excita- tion de tables vibrantes ou de secouage utilisé pour les essais de résistance de produits aux vibrations. Un pro- blème posé par de tels amplificateurs importants est le rendement en général mauvais de l'amplificateur qui aug- mente le coût de fonctionnement et de construction. Une définition du rendement, acceptée en général, est le rap- port de la puissance utile fournie par un système dynamique à la puissance qui lui est fournie. L'industrie a tenté plusieurs fois d'augmenter le rendement d'un amplificateur. Cependant, le procédé le plus utilisé est la technique de modulation par impulsions de largeur variable. Dans une mo- dulation par impulsions de largeur variable, l'amplitude du signal transmis à l'amplificateur reste constante alors que la largeur des impulsions varie. L'avantage de la modula- tion par impulsions de largeur variable est que, puisque le signal a une amplitude constante, les transistors utilisés peuvent travailler entre la coupure et la saturation, si bien que le rendement de l'amplificateur est accru par réduction de la puissance dissipée dans le circuit. On utilise couramment, afin d'augmenter encore le rendement de l'amplificateur par réduction de la puissance qui doit être dissipée sous forme de chaleur, une alimentation continue à prise centrale avec une paire de commutateurs complémen- taires modulés par impulsions de largeur variable, montés entre les alimentations de tensions positive et négative et une charge qui est reliée à la prise centrale. Un problème posé par ce montage est que les composants incorporés aux commutateurs doivent être choisis et adaptés soigneusement et avec précision afin que le partage entre les commuta- teurs modulés par impulsions de largeur variable et le rendement de ces commutateurs soient maximaux. Si la vi- tesse de l'un des commutateurs n'est pas adaptée à celle du commutateur complémentaire, un courant est créé et circule dans les deux commutateurs si bien que le rendement du système diminue. Selon l'invention, les problèmes posés par les es- sais antérieurs d'augmentation du rendement des amplifica- teurs sont supprimés par utilisation d'une alimentation qui a plusieurs sorties en courant continu qui peuvent être commutées d'une disposition parallèle à une disposition série en fonction du fait que le signal de sortie de l'am- plificateur devient trop important pour la tension de l'une des sorties de courant continu de l'alimentation. Lorsque la tension de l'amplificateur tombe au-dessous de la valeur maximale prédéterminée, les signaux continus de sortie sont ramenés au montage parallèle afin que le refroidissement et la dissipation de chaleur dans l'alimentation de l'amplifi- cateur soient améliorés si bien que l'amplificateur et l'alimentation ont une meilleure efficacité en énergie et pécuniaire. Un avantage auxiliaire de l'invention est le fait que, étant donné que l'alimentation est plus efficace, une alimentation de plus faible puissance peut être utili- sée pour l'alimentation de l'amplificateur, si bien que le coût est encore plus réduit. Ainsi, l'invention concerne une alimentation pour amplificateur ayant un excellent rendement. Elle concerne aussi un dispositif destiné à commuter des sources de tension entre un montage série et un montage parallèle. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'une alimentation commu- table selon l'invention; la figure 2 est un schéma d'un second mode de réali- sation d'alimentation commutable; la figure 3 est un schéma de l'alimentation commu- table connectée au circuit d'un amplificateur; et la figure 4 est un schéma d'un autre mode de réali- sation d'alimentation commutable, ayant des circuits compa- rateurs et de déclenchement. La figure 1 représente un circuit 1 d'alimentation continue commutable qui a des sources de tension continue 4 et 5 et des diodes 6 et 7 disposées entre des bornes de sortie 2 et 3. La source 4 de tension continue est connec- tée, à sa borne négative, à la borne négative 3 de sortie du circuit d'alimentation continue 1. La diode 7 a son anode connectée à la borne positive de la source de tension 4 et. sa cathode est connectée à la borne positive de la source de tension 5 et à la borne positive de sortie 2 du circuit d'alimentation continue 1. La diode 7 a son anode connectée à la borne positive de la source de tension 4 et sa cathode est connectée à la borne positive de la source de tension 5 et à la borne positive de sortie 2 du circuit d'alimentation continue 1. La diode 6 est reliée, par sa cathode, à la borne négative de la source de tension 5 et, à son anode, à la borne négative de la source de tension 4. Un commutateur mécanique ou électrique 8 est monté entre l'anode de la diode 7 et la cathode de la diode 6. Lors de l'utilisation, lorsque le commutateur 8 est ouvert, les sources de tension continue 4 et 5 sont montées en parallèle et la tension aux bornes 2 et 3 est égale à la tension de l'une des sources 4 ou 5 (dans l'hypothèse o elles sont toutes deux égales). Lorsque le commutateur 8 est fermé, les sources de tension 4 et 5 sont mises en série entre les bornes 2 et 3, la borne positive de la source 4 étant reliée par le commutateur 8 à la borne négative de la source 5. Comme on peut le noter sur la figure 2, un nombre quelconque de sources de tension peut être commuté par addition de deux diodes et d'un commutateur par source de tension supplémentaire. Les circuits des figures 1 et 2 utilisent les mêmes références, suivies du signe prime sur la figure 2, pour désigner des fonctions communes. En plus des composants décrits en référence à la figure 1, l'ali- mentation commutable 1' représentée sur la figure 2 a une source de tension continue 9 montée en parallèle avec la source 5'. Une diode 10 est montée entre les bornes posi- tives des sources 5' et 9, la cathode étant reliée à la source de tension 9 et à la borne positive de sortie 2'. La diode 11 est montée entre les bornes négatives des sources de tension 5' et 9, sa cathode étant reliée à la source de tension 9. Un second commutateur électrique ou mécanique 12 est monté entre l'anode de la diode 10 et la cathode de la diode 11. Lors de l'utilisation, lorsque les commutateurs 8' et 12' sont ouverts, la tension disponible aux bornes 2' et 3' est égale à la tension du montage parallèle des sources ' et 9 en série avec la source de tension 4'. Si le commutateur 8' est ouvert et le commutateur 12 est fermé, la source 9 est montée en série avec la combinaison en parallèle des sources 4' et 5'. Lorsque les deux commuta- teurs 8' et 12 sont fermés, les sources 4', 5' et 9 sont montées en série et la tension entre les bornes 2' et 3' est égale à la somme des valeurs des sources de tension. Un amplificateur représenté sous forme synoptique sur la figure 3 comprend deux amplificateurs A1 et A2 pilotant quatre transistors T1-T4 qui sont montés avec une configuration de pont ayant des bornes de sortie 40 et 34 reliées à une charge. Le circuit amplificateur représenté est connu dans l'industrie et il est indiqué simplement comme illustration de l'interconnexion du circuit 18 de commutation (décrit dans la suite) et du circuit d'amplifi- cateur. Celui-ci ne constitue pas une nouveauté dans le cadre de l'invention. La figure 4 représente une application de l'alimen- tation commutable précitée 1 dans laquelle le commutateur 8 est remplacé par un circuit 18 de commutation. Un transfor- mateur 29 ayant des primaires 31 reliés à une alimentation triphasée externe non représentée, comporte aussi des se- condaires qui comprennent des dispositifs de filtrage et de redressement afin que des alimentations continues 14 et 16 soient formées. L'alimentation continue 16 est connectée à un circuit 18 de commutation destiné à transmettre des tensions d'alimentation et de référence aux composants du circuit 18. Le circuit 18 de commutation comprend, comme composants principaux, des comparateurs 20 et 22. Des diodes de Zener 24 et 26 sont montées en série avec une résistance 29 de limitation de courant entre la borne positive 17 et la borne négative 15 de l'alimentation continue 16 afin qu'un point de consigne soit formé pour les comparateurs 20 et 22. Un diviseur de tension est destiné à connecter les résistances 28 et 30 en série entre la borne positive 17 et la connexion 25 des diodes de Zener 24 et 26. La connexion des résistances 28 et 30 est connec- tée à une borne 19 d'entrée de non-inversion du comparateur afin qu'une tension de référence soit présente à la borne 19. La résistance 32 est connectée entre la borne 19 du comparateur 20 et la masse 34 d'un circuit amplificateur (représenté sur la figure 3). Des résistances 35 et 36 sont montées en série entre la connexion 25 et la borne négative afin qu'un diviseur de tension soit formé, la connexion des résistances 35 et 36 étant reliée à la borne d'entrée d'inversion 21 du comparateur 20. La résistance 37 est montée entre la borne de sortie 40 d'un circuit amplifica- teur (figure 3) et la borne d'entrée d'inversion 21 du comparateur 20. La borne de sortie 42 du comparateur 20 est ' connectée afin qu'elle déclenche l'entrée 46 du circuit rythmeur 44. Un réseau de résistances est connecté au comparateur 22, sous forme pratiquement d'une image du réseau connecté au comparateur 20. Des résistances 48 et 50 sont montées en série entre la connexion 25 des diodes de Zener 24 et 26 et la borne négative 15 de l'alimentation continue 16. La connexion des résistances 48 et 50 est connectée à la borne d'entrée d'inversion 27 du comparateur 22. La résistance 52 est connectée entre l'entrée d'inver- sion 27 du comparateur 22 et la masse 34 du circuit ampli- ficateur représenté sur la figure 2. Les résistances 54 et 56 sont connectées en série afin qu'elles forment un cir- cuit diviseur de tension entre la connexion 25 et la borne positive 17 de l'alimentation continue 16, la connexion des résistances 54 et 56 étant reliée à l'entrée 23 de non- inversion du comparateur 22. Une résistance 58 est montée entre la sortie positive 40 d'un circuit amplificateur et l'entrée 23 de non inversion du comparateur 22. La sortie du comparateur 22 est connectée à l'entrée de déclenche- ment 46 d'un rythmeur ou circuit monostable 44. Les réseaux de résistances qui relient les compara- teurs 20 et 22 à la sortie 40 de l'amplificateur et aux bornes positive et négative 17 et 15 de l'alimentation continue 16 ont été choisis afin que chaque comparateur reçoive différentiellement la tension de sortie de l'ampli- ficateur et la tension d'alimentation continue. Des résis- tances connectées de manière analogue aux deux comparateurs ont pratiquement des valeurs égales. En conséquence, comme représenté sur la figure 3, les résistances 28, 35, 48 et 54 ont une valeur égale ou approximativement égale et les résistances 30, 36, 50 et 56 ont les mémes valeurs que les résistances 32, 37, 52 et 58. L'utilisation de valeurs équivalentes de résistances permet aux comparateurs 20 et 22 de changer d'état pour le méme rapport de tension à des demi-cycles qui alternent. Il faut noter que les comparateurs 20 et 22 sont des composants appariés dans une même pastille de circuit inté- gré si bien qu'ils partagent une source commune de tension entre une borne 62 connectée par la résistance 29 à la borne positive 17 et une borne d'entrée 64 reliée à la borne négative 15 de l'alimentation continue 16. Le circuit qui assure le support et la polarisation convenable du rythmeur 44 comprend une résistance 66 et un condensateur 68 montés en série entre la connexion 70 et la borne négative 15 d'alimentation continue 16. La connexion des composants 66 et 68 est reliée à la borne d'entrée de seuil 72 et à l'entrée 46 de déclenchement du rythmeur 44. Une tension positive est transmise au rythmeur 44 par connexion de la broche 74 à la borne positive 17 par l'in- termédiaire de la résistance 29. Une broche de masse 76 est reliée à la borne négative 15. Le condensateur 78 est monté entre l'entrée 80 du rythmeur 44 et la borne négative 15. Une résistance 84 est montée entre la connexion 70 et la broche 82 de remise à zéro du rythmeur 44, un condensateur 86 et une résistance 88 étant montés entre la broche 82 et la borne négative 15 afin qu'une basse tension soit appli- quée à une broche de sortie 92 lorsque de l'énergie est transmise initialement au circuit, jusqu'à la charge totale du condensateur 86. Un condensateur 90 de dérivation d'ali- mentation est monté entre la connexion 70 et la borne négative 15. La broche 92 de sortie du rythmeur 44 est connectée par une résistance 94 de limitation de courant à la grille 96 d'un transistor à effet de champ 100. Le drain 104 du transistor 100 est connecté à la borne positive 11 de l'alimentation continue 14 et à l'anode d'une diode 110. Le fil de source 106 du transistor 100 est relié à la cathode de la diode 109 et à la borne négative 15 de l'ali- mentation continue 16. La cathode de la diode 110 est connectée à la borne positive 17 de l'alimentation continue 16. L'anode de la diode 108 est connectée à la borne néga- tive 13 de l'alimentation continue 14. Le circuit de commutation selon l'invention accroît le rendement d'une alimentation pour amplificateur par commutation des alimentations continues 14 et 16 de la disposition en série à la disposition en parallèle lorsque l'amplificateur dépasse une tension maximale prédéterminée de sortie. La valeur maximale prédéterminée est le rapport 263618 1 de la tension de l'amplificateur à la tension aux bornes de l'alimentation continue 16, et elle est déterminée par les réseaux de résistance d'entretien connectés aux compara- teurs 20 et 22 comme décrit précédemment. Initialement, les alimentations continues 14 et 16 sont montées en parallèle, les sorties 42 et 60 des comparateurs 20 et 22 sont à un niveau élevé de tension et en conséquence le rythmeur 44 n'est pas déclenché. En outre, après l'initialisation, le condensateur 86 commence à se charger et place une faible tension à la broche de sortie 92 et, de cette manière, il maintient le transistor 100 à l'état non conducteur et les alimentations continues 14 et 16 en parallèle. Lorsque le signal de sortie de l'amplificateur à la borne 40 dépasse le rapport prédéterminé, même temporairement pendant un demicycle positif, le comparateur 20 crée un niveau de faible tension à la sortie 42 et déclenche le rythmeur 44 qui fait basculer son signal de sortie à la broche 92 d'une faible tension à une tension élevée. De manière analogue, si le signal de sortie de l'amplificateur contrôlé à la broche 40 dépasse le rapport prédéterminé pendant le demi- cycle négatif, le comparateur 22 crée un signal de sortie de faible niveau à la broche 60 qui provoque aussi le déclenchement du rythmeur 44, à la broche 92, d'une faible tension à une tension7élevée. De cette manière, si le signal de sortie de l'amplificateur, à la broche 40, dé- passe le rapport prédéterminé dans un demi-cycle positif ou négatif, le rythmeur 44 est déclenché. Lorsque le rythmeur 44 est déclenché, un niveau logique élevé apparaît à la broche 92 de sortie du rythmeur 44 et provoque la mise du transistor 100 à l'état conduc- teur et la création d'un trajet de circulation d'un courant qui met électriquement les alimentations 14 et 16 en série. Si le signal de sortie de l'amplificateur, à la broche 40, est compris entre les limites normales, c'est-à-dire est inférieur au rapport prédéterminé, les comparateurs 20 et 22 ne déclenchent pas le rythmeur 44 si bien que le signal de sortie de la broche 92 a un faible niveau qui maintient le transistor 100 à l'état ouvert. Lorsque le transistor est ouvert, les alimentations continues 14 et 16 sont montées en parallèle par l'intermédiaire de diodes 108 et si bien que la puissance qui doit être dissipée par une seule alimentation est réduite. L'état stable du rythmeur 44 est la création d'un signal de faible niveau à la broche 92 de sortie et en conséquence le transistor 100 est norma- lement à l'état non conducteur et les alimentations 14 et 16 sont normalement montées en parallèle. Le rythmeur 44 ou circuit monostable a pour rôle, dans le circuit de commutation 18, de donner un phénomène d'hystérésis à la commutation des alimentations continues 14 et 16. Le rythmeur 44 détermine aussi la fréquence maximale à laquelle le circuit 18 de commutation peut commuter les alimentations continues 14 et 16. Apres dé- clenchement initial par l'un des comparateurs 20 et 22, le rythmeur 44 transmet un signal de niveau élevé à la broche 92 pendant une période prédéterminée. Lorsqu'un second signal ou un signal multiple de déclenchement est reçu pendant la période prédéterminée pendant laquelle le rythmeur 44 transmet un signal élevé à sa broche 92 de sortie, le rythmeur 44 est redéclenché et-le transistor 100 reste à l'état conducteur. En conséquence, la fréquence maximale qui peut être dommutée est inversement proportion- nelle à la période prédéterminée pendant laquelle le rythmeur 44 transmet un signal de niveau élevé à la broche 92 à la suite de son déclenchement. Si un phénomène d'hystérésis ou une fréquence maximale de commutation n'est pas souhaitable, le rythmeur 44 peut être supprimé et les comparateurs 20 et 22 peuvent être disposés à la manière d'une bascule de Schmidt afin qu'ils pilotent convenablement le transistor de commutation. - 2636181 REVENDICATIONS 1. Alimentation destinée à transmettre une tension à un amplificateur de tension ayant des signaux internes qui sont dérivés d'un signal d'entrée, ladite alimentation étant caractérisée en ce qu'elle comprend une première et une seconde source de tension (4, 5), un dispositif de détection connecté de manière qu'il reçoive les signaux de l'amplificateur et des tensions correspondant à la tension de la première source de tension, afin qu'il contrôle le niveau de la différence de tension entre les signaux de l'amplificateur et la première source de tension, et un dispositif de commutation (8) destiné à mettre en série la première et la seconde source de tension lorsque le dispo- sitif de détection a contrôlé un niveau minimal de diffé- rence de tension, le dispositif de commutation étant des- tiné à mettre la première et la seconde source de tension en parallèle lorsque le dispositif de détection a contrôlé une différence de tension supérieure au niveau minimal de différence de tension. 2. Alimentation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le dispositif de détection comporte un dispositif de comparaison (20, 22) destiné à déterminer la différence de tension entre les signaux de l'amplificateur et la tension aux bornes de la première source de tension. 3. Alimentation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le dispositif de commutation comprend un commutateur (8), une première et une seconde diode (6, 7) et un dispositif de pilotage destiné à commander le commu- tateur, ce dernier étant relié d'un côté à la borne posi- tive de la première source de tension et à l'anode de la première diode, et de l'autre côté à la borne négative de la seconde source de tension et à la cathode de la seconde diode, le dispositif de commande étant connecté au commuta- teur afin qu'il le mette à l'état fermé et à l'état ouvert, la cathode de la première diode étant'connectée à la borne positive de la seconde source de tension, l'anode de la seconde diode étant connectée à la borne négative de la première source de tension. 4. Alimentation selon la revendication 3, caracté- risée en ce que le dispositif de commande comprend un rythmeur (44) relié à la sortie du dispositif de comparai- son et commandé par le dispositif de détection afin qu'il ferme le dispositif de commutation pendant une période pré- déterminée après avoir été activé par le dispositif de dé- tection qui a contrôlé une différence minimale de tension. 5. Alimentation selon la revendication 4, caracté- risée en ce que le dispositif de comparaison (20, 22) comporte un dispositif destiné à déterminer la différence de tension commandant le rythmeur. 6. Alimentation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les signaux de l'amplificateur sont consti- tués par le signal de sortie de l'amplificateur. 7. Alimentation commutable, caractérisée en ce qu'elle comprend une première et une seconde source de tension (4, 5), un commutateur (8) relié aux sources de tension, et un dispositif de direction de courant (6, 7) monté entre chacune des sources de tension et le commuta- teur afin que les sources de tension soient mises en série lorsque le commutateur est fermé ou conduit, alors que, lorsque le commutateur est ouvert ou à l'état non conduc- teur, le dispositif de direction de courant met les sources de tension en parallèle. 8. Alimentation commutable selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif de direction de cou- rant comporte une première et une seconde diode (6, 7), la première diode étant montée entre les bornes positives de la première et de la seconde source de tension, la seconde diode étant montée entre les bornes négatives de la pre- mière et de la seconde source de tension, le commutateur (8) étant monté entre l'anode de la première diode et la cathode de la seconde diode, si bien que les diodes sont ' polarisées en inverse lorsque le commutateur est fermé ou conduit et sont polarisées dans le sens direct lorsque le commutateur est ouvert ou ne conduit pas.