Brevet FR2666944A1 — publié le 19920320

-1 Circuit d'amplification à découpage pour la fourniture d'un courant proportionnel à une tension et système de déflexion électromagnétique utilisant au moins un tel circuit La présente invention se rapporte aux circuits d'amplifica- tion à découpage pour la fourniture d'un courant proportionnel à une tension et en particulier à de tels circuits conçus pour fournir, à des bobines de déflexion de tubes cathodiques, les courants nécessaires à leur fonctionnement. Dans ce qui suit il sera surtout question de circuits d'amplification alimentant des bobines de déflexion pour effec- tuer un balayage cavalier de l'écran d'un tube cathodique, c'est-à-dire un balayage o le faisceau peut parcourir l'écran de façon quelconque; l'alimentation en courant des bobines de déflexion pose alors des problèmes cruciaux de dissipation d'énergie Mais le circuit selon l'invention trouve son applica- tion partout o doit être fournie une puissance importante à une charge quelconque. Une bobine de déviation pouvant être assimilée à une inductance, la tension à ses bornes est de la forme L d I/dt o L représente l'inductance de la bobine et d I/dt la dérivée par rapport au temps, t, du courant, I, qui traverse la bobine Le déplacement du faisceau sur l'écran étant sensiblement proportionnel à I, le terme d I/dt peut être identifié à la vitesse du tracé sur l'écran. Dans un balayage cavalier lorsque l'image à tracer sur l'écran est chargée, c'est-à-dire remplie de détails, la vitesse de tracé doit être importante et donc les tensions d'alimenta- tion relativement élevées. De plus, l'énergie de déviation nécessaire est de l'ordre du millijoule, ce qui implique des courants de déflexion de quelques ampères. Il apparaît donc que la puissance nécessaire au fonctionne- ment d'un système de déflexion électromagnétique de type cava- lier est élevée D'autre part, le déviateur étant réactif, la quasi totalité de la puissance consommée est dissipée dans l'étage final de l'amplificateur. En conséquence, il est fréquent d'avoir à dissiper quel- ques dizaines de watts dans les transistors de sortie, ce qui n'est pas sans poser d'importants problèmes dans les visualisa- tions compactes. Divers circuits d'amplification sont utilisés pour réduire cet inconvénient La plupart sont basés sur l'adaptation des tensions d'alimentation aux besoins instantanés du tracé, telles les alimentations commutables et les alimentations suiveuses. Dans les alimentations commutables un bloc d'alimentation délivre diverses tensions qui sont appliquées, suivant le type de tracé effectué, à l'étage de puissance via des transistors interrupteurs La fréquence de commutation étant basse, les inconvénients sont: faible gain en puissance, contraintes dans l'écriture des logiciels de tracé sur l'écran du tube, complexité. Dans les alimentations suiveuses un amplificateur est alimenté sous tension réduite mais cette tension suit en instan- tané le L d I/dt nécessaire Les principaux inconvénients sont: complexité très importante, mise au point délicate, nécessité d'utiliser un amplificateur ayant une bonne réjection des tensions d'alimentation en hautes fréquences, nécessité de com- mander l'alimentation en avance par rapport au tracé sur l'écran du tube. Le but de la présente invention est d'éviter ou, pour le moins, de réduire les inconvénients de ces circuits d'alimenta- tion connus. Ceci est réalisé en associant, de façon complémentaire, dans un même circuit amplificateur, un amplificateur linéaire et un amplificateur à découpage. Selon l'invention il est proposé un circuit d'amplifica- tion à découpage pour la fourniture, à une charge, d'un courant de sortie proportionnel à une tension d'entrée, comportant un amplificateur linéaire et un amplificateur à découpage, dont la sortie est couplée à la charge, l'amplificateur linéaire étant commandé pour fournir un courant fonction de la différence entre la tension d'entrée et une tension proportionnelle au courant de sortie, caractérisé en ce que l'amplificateur linéaire est un amplificateur de puissance et en ce que sa sortie est couplée à la charge, de manière que le courant qu'il fournit constitue une partie du courant de sortie, l'autre partie du courant de sortie étant fournie par l'amplificateur à découpage, cet amplificateur à découpage étant commandé en fonction de la tension d'entrée. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: la figure 1, le schéma d'un circuit qui constitue une étape sur le chemin qui a conduit à l'invention, les figures 2 à 4 des schémas de circuits selon l'inven- tion. Dans les différents schémas les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. La figure 1 représente le schéma d'un circuit d'amplifica- tion qui a été imaginé par l'inventeur dans le but de fournir, en fonction d'une tension d'entrée Ve un courant I dans une bobine de déflexion L, pour tube cathodique utilisé en balayage cavalier. Le circuit selon la figure i comporte un amplificateur à découpage schématisé par un amplificateur A, à deux entrées et deux sorties, et par deux interrupteurs Si, 52 montés en série entre deux points sur lesquels sont respectivement appliquées deux tensions +V et -V; l'ouverture et la fermeture des inter- rupteurs Si, 52, qui sont, en fait, des transistors, sont comman- dées par les signaux de sorties de l'amplificateur A Les deux entrées de l'amplificateur A reçoivent respectivement un signal de découpage, Vr, et le signal de sortie d'un amplificateur différentiel linéaire AL; l'amplificateur AL reçoit sur son entrée +I la tension d'entrée Ve Le signal de découpage est une tension en dent de scie, de valeur constante, qui commande le découpage. La sortie de l'amplificateur à découpage, c'est-à-dire le point commun aux interrupteurs Si et 52, est reliée, par une bobine de lissage Li, à la première extrémité de la bobine de déflexion L, dont la seconde extrémité est reliée à la masse par une résistance R et est réunie à l'entrée "' " de l'amplificateur différentiel AL. L'amplificateur AL fait la différence entre la tension d'entrée Ve et la tension aux bornes de la résistance R; l'amplificateur à découpage tend à ramener cette différence à zéro en faisant varier la valeur du courant I fourni à la bobine de déflexion L. L'inconvénient majeur du circuit selon la figure 1, est la nécessité de découper avec un signal Vr dont la fréquence doit être le double de celle des signaux d'entrée; comme le spectre de fréquence des signaux d'entrée est en général supérieur à 1 M Hz pour un balayage cavalier, il est nécessaire, dans la pratique, de découper à au moins 4 M Hz A de telles fréquences les pertes par commutation deviennent comparables aux pertes par conduction dans un amplificateur linéaire De plus des bruits de commutation, difficiles à supprimer, polluent l'image. Le circuit selon la figure 1 est donc apparu comme étant inexploitable, du moins avec les transistors interrupteurs ac- tuellement disponibles sur le marché. Le caractère inductif d'une bobine de déviation interdi- sant des variations rapides du courant qui la traversent, les vitesses de tracé sur l'écran sont nécessairement limitées et, en conséquence, la majeure partie du spectre du courant est à basse fréquence Ceci est mis à profit, dans les circuits qui vont maintenant être décrits, pour traiter les composantes à basse fréquence et fort courant à l'aide d'un amplificateur à découpage dont la fréquence de fonctionnement n'est pas supé- rieure à la fréquence supérieure du spectre à transmettre, afin que les pertes par commutation soient acceptables Par contre les composantes à haute fréquence du courant dans la bobine de déviation, qui sont limitées en amplitude, sont traitées à l'aide d'un amplificateur linéaire rapide mais de relativement faible puissance. Le schéma du circuit selon la figure 2 se distingue du schéma du circuit selon la figure 1 par le fait que la sortie de l'amplificateur différentiel linéaire AL est reliée, non plus à une des entrées de l'amplificateur A mais au point commun des bobines de lissage Li et de déviation L, et par le fait que l'entrée de l'amplificateur A qui recevait le signal de sortie de l'amplificateur AL reçoit ici la tension d'entrée Ve. L'amplificateur linéaire AL possède un gain élevé de manière à asservir la tension aux bornes de la résistance R et donc le courant I dans la bobine L, à la tension d'entrée Ve. Dans ce circuit, l'amplificateur à découpage, schématisé sur la figure 2 par l'amplificateur A et les interrupteurs Si et 52, fournit la majeure partie du courant I de la bobine de déviation; l'amplificateur linéaire AL n'a plus qu'à fournir le complément, et participe à la suppression du bruit engendré par l'amplificateur A. Le circuit selon la figure 2 nécessite qu'il y ait équiva- lence de gain entre les amplificateurs AL et A, ce qui n'est pas simple à obtenir; c'est pourquoi le circuit selon la figure 2 a été modifié pour aboutir au circuit selon la figure 3, dans lequel le découpage est piloté directement par le courant de sortie de l'amplificateur linéaire et dans lequel l'amplifica- teur à découpage est du type à relaxation naturelle, c'est-à-dire ne nécessite plus le signal Vr, en dents de scie, comme dans les circuits selon les figures l et 2. Le circuit selon la figure 3 comporte un amplificateur différentiel linéaire AL dont l'entrée "+" reçoit une tension d'entrée Ve qui constitue le signal de commande à partir duquel doit être fourni, à une bobine de déflexion L de 120 microhenry, un courant I linéairement proportionnel à Ve. La sortie de l'amplificateur AL est reliée par une résis- tance Ra de 10 ohm à la première extrémité de la bobine L dont la seconde extrémité est reliée directement à l'entrée "-" de l'amplificateur AL, ainsi qu'à la seconde entrée d'un compa- rateur classique A 3 et à la première entrée d'un comparateur classique A 4, et, à travers une résistance R de 0, 5 ohm, à la masse La première entrée du comparateur A 3 reçoit une tension continue positive, fixe, de référence, +Vo, et la seconde entrée du comparateur A 3 une tension -Vo. Les deux extrémités de la résistance Ra sont respective- ment reliées aux entrées d'un amplificateur opérationnel li- néaire Aa dont la sortie est reliée aux premières entrées de deux comparateurs rapides Ai, A 2 dont les secondes entrées sont reliées à la masse. Les deux comparateurs Ai, A 2 forment avec deux interrup- teurs Ki, K 2 montés en série avec leurs sorties respectives et avec deux interrupteurs Si, 52 respectivement commandés par les signaux de sortie des comparateurs Ai, A 2 à travers les interrupteurs Kl, K 2, un amplificateur à découpage, qui fonc- tionne en relaxation naturelle comme il sera montré dans ce qui suit. Les signaux de sortie des comparateurs A 3, A 4 comman- dent respectivement les interrupteurs Kl et K 2 Il est à préci- ser que, comme dans les circuits selon les figures 1 et 2, les quatre interrupteurs de la figure 3, qui ont été représentés comme de simples contacts mécaniques, sont en réalité, dans l'exemple décrit, des transistors. Les interrupteurs Si et 52 sont montés en série entre deux points respectivement portés à des tensions continues fixes +V = 40 volts et -V = -40 volts. Deux diodes de récupération Di et D 2, disposées en série, sont montées en inverse entre les points de tensions +V et -V et leur point commun est relié au point commun aux interrupteurs Si et 52 et à la première extrémité d'une inductance de lissage Li de 40 microhenry; la seconde extrémité de l'inductance Li est reliée à la première extrémité de la bobine de déflexion, L. Ainsi réalisé le circuit selon la figure 3 fournit à la bobine L un courant I qui est la somme du courant Ia fourni par l'amplificateur AL, étant entendu que l'amplificateur Aa ne prend pratiquement pas de courant à la sortie de l'amplificateur AL, et du courant Ib fourni par l'amplificateur à découpage. Comme tout le courant I qui traverse la bobine L traverse la résistance R, l'entrée à très forte impédance de l'amplifica- teur AL ne consommant pratiquement aucun courant, l'entrée "-'" du comparateur A 3 et l'entrée "+" du comparateur A 4, qui sont aussi des entrées à très forte impédance, sont portées au potentiel R I; ainsi en écrivant que Vo est le produit de la résistance R par un courant continu, positif, fixe Io, les comparateurs A 3 et A 4 comparent respectivement Vo à R I et R I à -Vo, c'est-à-dire qu'ils comparent respectivement Io à I et I à -Io Le comparateur A 3 ne ferme l'interrupteur Kl et donc n'autorise l'action du comparateur Ai sur l'interrupteur Si, que lorsque I est supérieur à Io; le comparateur A 4 ne ferme l'interrupteur K 2 et donc n'autorise l'action du comparateur A 2 sur l'interrupteur 52, que lorsque I est inférieur à -Io Ainsi l'amplificateur à découpage Ai, A 2, Ki, K 2, Si, 52 ne fournit un courant, positif ou négatif, que lorsque I est supérieur à Io ou inférieur à -Io, c'est-à-dire lorsque I Il > Io; la valeur de Io est choisie faible; pour I Il faible, le rendement de l'amplificateur AL n'est pas détérioré. Le fait que l'amplificateur à découpage ne fournit pas de courant pour III interrupteurs Si, 52 Il s'en suivrait des conductions simulta- nées des deux interrupteurs Sl, 52 et donc une mise en court-circuit pendant des temps très courts des alimentations qui fournissent les tensions +V et -V, d'o une dégradation du rendement de l'amplificateur et une fatigue exagérée des transistors Si et 52. Dans le circuit selon la figure 3 l'amplificateur linéaire AL débite la totalité des courants à basse fréquence tant qu'ils restent de faible amplitude; ensuite l'amplificateur à découpage ferme celui des interrupteurs Si et 52 qui entraîne une augmentation en valeur absolue du courant I afin de conser- ver l'égalité I = la + Ib, d'o une diminution de la qui conduit à une ouverture de l'interrupteur et, Ib étant alors nul, la augmente à nouveau et fait se refermer l'interrupteur En supposant, pour simplifier la compréhension, que Ve est constant et donc que I est constant, il se produit ainsi une oscillation naturelle de l'amplificateur à découpage, l'amplificateur linéaire AL compensant les imperfections de l'amplificateur à découpage qui fonctionne en tout ou rien. Le fonctionnement du circuit selon la figure 3 peut être décrit comme suit: pour -Io et I est égal à îa. pour I > Io, le comparateur A 3 ferme l'interrupteur Kl tandis que l'interrupteur K 2 reste ouvert, si bien que seul l'interrupteur Si peut se fermer et fournir ainsi le courant Ib à la bobine L à partir de la tension d'alimentation +V; en effet l'interrupteur K 2 n'étant pas fermé, le comparateur A 4 ne risque pas de fermer l'interrupteur 52 et d'autoriser ainsi la fourniture de courant à la bobine L à partir de la tension -V. L'interrupteur Si se ferme de manière à fournir un courant Ib à la bobine de déflexion L pour compléter le courant la fourni par l'amplificateur linéaire AL; cette fermeture se fait donc au rythme des besoins en courant de complément au courant Ia et ces besoins sont mesurés grâce à l'amplificateur Aa suivi du comparateur Ai, pour I rythme des besoins en courant de complément au courant Ia. Il est à noter que, les variations du courant I dans la bobine de déflexion L étant relativement lentes, le temps que met le courant I pour passer de la valeur Io à la valeur -Io, ou l'inverse, est non négligeable; les comparateurs A 3, A 4 peuvent donc être des comparateurs ordinaires Il n'en n'est pas de même pour les comparateurs Ai, A 2 car ces comparateurs rapides déterminent en partie la durée d'ouverture et de fermeture des interrupteurs Si, 52 et doivent donc réagir très rapidement aux variations du courant Ia; les comparateurs Ai, A 2 doivent donc être des comparateurs rapides Il est à noter également qu'à l'ouverture d'un des interrupteurs Si ou 52, le courant Ib tendant à rester constant du fait de la présence de la bobine Li, l'une des diodes D 2 ou Dl se met à conduire, ce qui a pour effet de recharger les alimentations et donc améliore le rendement. La figure 4 représente un circuit selon l'invention, desti- né à une visualisation à très haute définition sur écran cathodi- que Sur cette figure apparaît un bloc, 1, appelé logique de commande qui correspond à la partie du circuit de la figure 3 comprenant les comparateurs Ai à A 4 et les interrupteurs Ki, K 2 Le circuit de la figure 4 se distingue de celui de la figure 3 par l'adjonction d'une bobine de lissage Lj, d'un amplifica- teur opérationnel linéaire Aa' et d'une résistance Ra'; la bobine Lj est disposée en série entre les bobines Li et L; la résistance Ra' est montée en série entre la sortie de l'am- plificateur Aa et le point commun aux deux bobines de lissage Li et Lj; l'amplificateur Aa' couple l'amplificateur Aa à la logique de commande et a, pour cela, ses deux entrées reliées aux extrémités de la résistance Ra' ceci a pour effet de doubler le lissage passif par la bobine Lj et actif par l'amplificateur Aa. La présente invention n'est pas limitée aux exemples dé- crits qui se rapportent à la déflexion électromagnétique d'un faisceau d'électrons Elle est, par exemple, applicable à la réalisation d'un circuit d'amplification à rendement amélioré pour audiofréquences. il REVENDICATIONS 1 Circuit d'amplification à découpage pour la fourniture, à une charge (L), d'un courant de sortie (I) proportionnel à une tension d'entrée (Ve), comportant un amplificateur linéaire (AL) et un amplificateur à découpage (Ai, A 2, Ki, K 2, Si, 52), dont la sortie est couplée à la charge, l'amplificateur linéaire étant commandé pour fournir un courant (la) fonction de la différence entre la tension d'entrée et une tension (R I) proportionnelle au courant de sortie, caractérisé en ce que l'amplificateur linéaire est un amplificateur de puissance et en ce que sa sortie est couplée à la charge, de manière que le courant qu'il fournit constitue une partie du courant de sortie (I), l'autre partie du courant de sortie étant fournie par l'amplificateur à découpage, cet amplificateur à découpage étant commandé en fonction de la tension d'entrée. 2 Circuit d'amplification selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la commande de l'amplificateur à découpage (Ai, A 2, Ki, K 2, Si, 52) est constituée par la tension d'entrée (Ve). 3 Circuit d'amplification selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la commande de l'amplificateur à découpage est réalisée par un circuit qui comporte des moyens de mesure et de commande (Ra-Aa, A 3,A 4) pour mesurer un courant (la), fonction de la tension d'entrée (Ve), fourni par l'amplificateur linéaire (AL) et le courant de sortie (I) et pour, en fonction des mesures, commander, seulement lorsque le courant de sortie est supérieur en valeur absolue à une valeur donnée, la fourniture par l'amplificateur à découpage (Ai, A 2, Ki, K 2, Si, 52) d'un courant (Ib) qui tend à augmenter, en valeur absolue, le courant de sortie (I) de manière à tendre à réduire, en valeur absolue, le courant fournit (la) par l'amplificateur linéaire. 4 Système de déflexion électromagnétique, caractérisé en ce qu'il utilise au moins un circuit d'amplification selon l'une des revendications précédentes.