Brevet FR2676156A1 — publié le 19921106

-1 t CIRCUIT D'EXCITATION PÉRIODIQUE À NIVEAU VARIABLE D'UNE CHARGE CAPACITIVE La présente invention conerne un circuit d'excitation à fréquenoe donnée et à niveau variable d'une charge capacitive, tel qu'un vibreur piézoélectrique servant de sonnerie dans un poste de téléphone. 5 Généralement, la sonnerie d'un poste de téléphone est à niveau variable Dans les postes haut de gamme, la sonnerie est obtenue par un haut-parleur alimenté par un signal carré de fréquence donnée (de l'ordre du kilohertz) Le haut-parleur est piloté par un amplificateur dont le gain est programmable par10 l'action d'un opérateur sur des touches du poste de téléphone. Dans les postes de téléphone bas de gamme, la sonne- rie est constituée par un vibreur piézoélectrique excité par le même signal carré En général, le niveau sonore du vibreur est fixé par un potentiomètre monté en série avec le vibreur Dans15 un tel poste bas de gamme, l'installation d'un potentiomètre variable est coûteuse et son utilisation est peu pratique Il serait a priori moins coûteux de régler le niveau sonore par l'intermédiaire des touches du poste. Toutefois, la réalisation d'un amplificateur à gain programmable pour un vibreur piézoélectrique pose des problèmes. En effet, un vibreur piézoélectrique est une charge fortement capacitive risquant d'entraîner une instabilité de l'amplifica- 5 teur L'amplificateur devrait être soigneusement conçu et compensé avec des capacités relativement importantes Par consé- quent, un tel amplificateur reviendrait bien plus cher que l'amplificateur utilisé pour les haut-parleurs. On ne peut pas envisager non plus, un amplificateur à modulation de largeur d'impulsion Un vibreur piézoélectrique présente plusieurs pics de résonance à des fréquences différen- tes En général, le vibreur est excité par un signal carré de rapport cyclique 50 % à une fréquenoe proche de 1 'une des fré- quences de résonance Le signal carré de rapport cyclique 50 %15 possède des harmoniques d'amplitude rapidement décroissante venant exciter faiblement d'autres pics de résonance Lorsqu'on diminue le rapport cyclique du signal d'excitation, les amplitu- des et le nombre des harmoniques croissent et peuvent exciter d'autres pics de résonance, ce qui peut entraîner une variation20 insuffisante du niveau sonore. Un objet de la présente invention est de réaliser un circuit permettant une variation de niveau sonore programmable évitant les inconvénients susmentionnés. Cet objet est atteint grâce à un circuit d'excitation à fréquence donnée et à niveau réglable d'une charge capacitive comportant une première borne reliée à une tension de référence, le circuit comprenant: deux interrupteurs reliés en série entre une tension d'alimentation et la tension de référence, le point de connexion des deux interrupteurs étant couplé à la deuxième30 borne de la charge, ces deux interrupteurs n'étant pas simulta- nément fermés; un circuit de commande périodique à la fermeture de l'interrupteur relié à la tension d'alimentation; et des moyens de régulation agissant sur le circuit de commande pour ouvrir un des interrupteurs lorsque la tension aux bornes de la35 charge atteint une valeur prédéterminée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit de commande comprend une entrée de signal de commande logique périodique, une première sortie pilotant un des inter- rupteurs en phase avec le signal de commande, une deuxième sortie pilotant l'autre interrupteur en opposition de phase avec le signal de commande, et une entrée de mise à haute impédance qui, en réponse à un signal de mise à haute impédance, provoque l'ouverture dudit interrupteur au moins jusqu'au changement d'état suivant du signal de commande.10 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de régulation comprennent un comparateur dont la sortie est reliée à l'entrée de mise à haute impédance du circuit de commande, dont une entrée de comparaison reçoit une tension de consigne et dont l'autre entrée de comparaison est couplée à la deuxième borne de la charge. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit de commande comprend, pour chacun des interrupteurs, un moyen de détection du courant de l'interrupteur qui ouvre l'autre interrupteur si le courant détecté dépasse une valeur prédéterminée. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particu- liers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquel-25 les: la figure 1 illustre un schéma de principe d'un mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 représente un ensemble de courbes illustrant un mode de fonctionnement du circuit de la figure 1; la figure 3 représente un ensemble de courbes illus- trant un autre mode de fonctionnement du circuit de la figure 1; et la figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un des éléments du circuit de la figure 1. A la figure 1, on a représenté un vibreur piézoélec- trique B comportant une borne reliée à la masse G et une borne A reliée par l'intermédiaire d'une résistance Ri à un point S Un interrupteur Si est relié entre une borne d'alimentation Vcc et 5 le point S, et un interrupteur 52 est relié entre le point S et la masse G Les interrupteurs Si et 52 sont respectivement pilotés par des sorties Q et Q* d'un circuit de commande 10. Le circuit de commande 10 comprend une entrée recevant le signal d'excitation CK du vibreur (signal carré de rapport cyclique10 50 %) et un signal de mise à haute impédanoe Hi Z fourni par la sortie d'un comparateur 12 L'entrée inverseuse du comparateur 12 reçoit une tension de consigne Vi et l'entrée non inverseuse reçoit la tension Vo présente à la borne A du vibreur, divisée par un pont de résistance R 2 et R 3 La tension présente sur15 l'entrée non-inverseuse du comparateur est égale à k Vo, o k est le coefficient multiplicateur (inférieur à 1) du pont diviseur R 2, R 3. Le circuit de la figure 1 peut fonctionner selon deux modes différents qui seront décrits en relation avec les figures 2 et 3. La figure 2 représente un ensemble de courbes illus- trant un premier mode de fonctionnement du circuit selon la présente invention représenté en figure 1 La courbe a) illustre la tension Vo aux bornes du vibreur B au cours du temps t en fonction des signaux Q et Q* pilotant les interrupteurs Si et 52 La courbe b) illustre la variation du signal Q au cours du temps, un état bas du signal Q correspondant à une ouverture de l'interrupteur Si et un état haut correspondant à la fermeture de l'interrupteur Si La courbe c) illustre les variations du signal Q au cours du temps, un état bas du signal Q* cor- respondant à l'ouverture de l'interrupteur 52 et un état haut correspondant à la fermeture de l'interrupteur 52 Le signal d'excitation CK correspond au complément logique du signal Q* et n'est pas représenté. Initialement, le signal Q est à l'état bas et le si- gnal Q* est à l'état haut, l'interrupteur SI est ouvert et l'interrupteur 52 est fermé La tension Vo aux bornes du vibreur est nulle A un instant to le signal d'excitation CK est appli- 5 qué au circuit 10 Le signal Q passe à niveau haut, l'interrup- teur SI est fermé et l'interrupteur 52 est ouvert La tension Vo grimpe rapidement, ce qui correspond à la charge de la composan- te capacitive du vibreur B à travers la résistance Rl Lorsque, à un instant tl, la tension Vo atteint Vi/k (lorsque la tension sur l'entrée non-inverseuse du comparateur 12 atteint la valeur de consigne Vi) le comparateur 12 bascule à un état provoquant l'ouverture de l'interrupteur Sl par le circuit de commande 10, l'interrupteur 52 restant ouvert L'interrupteur SI sera main- tenu ouvert jusqu'au prochain front montant du signal CK La15 tension Vo cesse de grimper, présente quelques oscillations autour de Vi/k correspondant à l'excitation d'un deuxième pic de résonance du vibreur B, et diminue lentement, ce qui correspond à la décharge de la capacité du vibreur B à travers le pont de résistance R 2, R 3 A un instant t 2, le signal d'excitation CK passe au niveau bas, l'interrupteur 52 se ferme et décharge rapidement la capacité du vibreur à travers la résistance Ri, la tension Vo chute brusquement jusqu'à zéro et présente quelques oscillations A un instant t'o, le cycle recommence Ainsi, l'amplitude du signal Vo peut être réglée en modifiant la tension de consigne Vi, ce qui correspond à un réglage du niveau sonore émis par le vibreur On a représenté en pointillés l'allure de la tension Vo et le signal Q correspon- dant, pour une tension de consigne Vi telle que Vi/k = Vcc Ceci correspond au niveau sonore maximum.30 On notera ici la différence entre ce mode de fonction- nement et une commande par modulation de largeur d'impulsion En effet, dans le cas d'une commande par modulation de largeur d'impulsion, on utilise des signaux Q et Q* complémentaires, c'est-à- dire qu'il existe tout au plus une phase très brève pendant laquelle les interrupteurs Si et 52 sont simultanément ouverts Par contre, selon la présente invention, les inter- rupteurs Sl et 52 sont simultanément ouverts entre les instants tl et t 2. 5 La figure 3 représente un ensemble de courbes illustrant un autre mode de fonctionnement du circuit selon la présente invention Les courbes a), b), et c) illustrent les mêmes courbes que la figure 2 Ici, le signal Q est identique au signal d'excitation CK.10 A un instant initial, l'interrupteur Si est ouvert, l'interrupteur 52 est fermé, et la tension Vo est nulle A un instant ta, le signal Q (ou le signal CK) passe à un état haut et le signal Q* passe à un état bas Ces états sont maintenus pendant la demi-période du signal carré CK La tension Vo grimpe15 rapidement jusqu'à sa tension d'alimentation Vcc, présente quelques oscillations et se stabilise à Vcc A un instant ti, on atteint la demi-période du signal CK, l'interrupteur Si est ouvert et l'interrupteur 52 est fermé La tension Vo chute rapi- dement jusqu'à un instant t 2 o elle atteint la valeur Vi/k et20 o le comparateur 12 bascule et provoque l'ouverture de l'inter- rupteur 52 La tension Vo cesse de chuter rapidement, présente quelques oscillations et diminue progressivement, ce qui corres- pond à la décharge de la capacité du vibreur dans le pont divi- seur R 2, R 3 Le cycle recommence à un instant t'a.25 On a représenté en pointillés l'allure de la tension Vo et le signal Q* correspondant, pour une tension de consigne Vi telle que Vi/k = 0 Ces allures correspondent au maximum de niveau sonore du vibreur Le minimum du niveau sonore sera ob- tenu pour Vi/k = Vcc o Vo sera sensiblement égal à Voc.30 Ce mode de fonctionnement permet une réalisation plus simple du circuit de commande 10 En effet, une fois que la ten- sion Vo a atteint Vi/k, la tension Vo reste inférieure à Vi/k et donc le comparateur 12 ne rebascule plus à son état initial pen- dant tout le restant de la demi-période du signal CK en mainte- nant 1 'interrupteur 52 ouvert; alors que pour le mode de fonc- tionnement précédent, il fallait réaliser le circuit de coummande 10 de telle manière que l'interrupteur Si ne soit pas refermé pendant la demi-période du signal CK, car le comparateur rebas- culait à son état initial pratiquement aussitôt la valeur Vi/k atteinte Le circuit de commande 10 pour le mode de fonction- nement de la figure 2 peut être simplifié en reliant la résis- tance R 3 à la tension d'alimentation Vcc au lieu de la masse. La figure 4 représente un exemple simplifié de réali- sation du circuit de commande 10 permettant d'obtenir le mode de fonctionnement de la figure 3 L'interrupteur Si est réalisé à partir d'un transistor MOS à canal P dont la source est reliée à la tension Vcc, dont le drain est relié au point S et dont la grille est reliée à la sortie d'une porte NON ET 40 L'interrup-15 teur 52 est réalisé à partir d'un transistor MOS à canal N dont la source est relié à la masse, dont le drain est relié au point S et dont la grille est reliée à la sortie d'une porte ET 42. Une première entrée de la porte ET 42 reçoit le signal Hi Z four- ni par la sortie du comparateur 12 La deuxième entrée de la20 porte ET 42 est reliée à la sortie d'une porte NON OU 44 Une première entrée de la porte NON ET 40 et de la porte NON OU 44 reçoivent le signal d'excitation CK. Dans un premier temps, on ignorera les autres éléments du circuit non encore décrits et on supposera que la deuxième entrée de la porte NON ET 40 est à " 1 " et que la deuxième entrée de la porte NON OU 44 est à " O " Ainsi, les portes 40 et 44 se comportent comme des inverseurs Lorsque le signal CK est à " 1 ", la sortie de la porte 40 est à "O" et le transistor MOS Si est passant La sortie de la porte 44 est également à "O", alors, quel que soit l'état du signal Hi Z la sortie de la porte 42 est à " O " et le transistor MOS 52 est bloqué Lorsque le signal CK est à "O", la sortie de la porte 40 est à " 1 " et le transistor Si est bloqué La sortie de la porte 44 est à " 1 " et la sortie de la porte 42 est à " 1 " seulement si le signal Hi Z est à " 1 ", ce qui est le cas quand Vo > Vi/k Alors, le transistor 52 est passant Si Vo ment, présente un inconvénient A l'instant tl et éventuellement l'instant t'O (figure 3), les interrupteurs SI et 52 peuvent être simultanément fermés pendant un bref instant, par suite de retards de commutation Comme les transistors Si et 52 doivent être dimensionnés pour véhiculer des courants relativement im- portant d'excitation du vibreur B, le courant qui les traverse- rait pendant l'intervalle o ils sont simultanément fermés peut être très important et détruire les transistors Les éléments décrits ci-après du circuit de commande selon la présente inven- tion remédient à cet inconvénient. Un transistor MOS à canal P Ml, de plus petite taille que le transistor SI, est relié en parallèle sur la source et la grille du transistor Si Le drain du transistor Ml est relié à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R 10 et à la deuxième entrée de la porte NON OU 44 Un transistor MOS à canal20 N M 2, de plus petite taille que le transistor 52, est relié en parallèle sur la source et la grille du transistor 52 Le drain du transistor M 2 est relié à la tension d'alimentation Vcc par l'intermédiaire d'une résistance R 20 et à la deuxième entrée de la porte NON ET 40 Avec cette configuration, le courant dans le25 transistor Ml est proportionnel au courant dans le transistor SI et le courant dans le transistor M 2 est proportionnel au courant dans le transistor 52 Ces courants sont convertis en une ten- sion aux bornes des résistances R 10 et R 20 La résistance R 10 est choisie pour que la tension à ses bornes soit égale à la30 tension seuil de la porte 44 lorsque le courant dans le transis- tor Si atteint une valeur limite De même, la résistance R 20 est choisie pour que la tension aux bornes du transistor M 2 atteigne la tension seuil de la porte 40 lorsque le courant dans le tran- sistor 52 atteint la valeur limite. Ainsi, lorsque le courant dans le transistor 51 dépasse la valeur limite, la tension aux bornes de la résistance R 10 correspond à un niveau logique 1 et la sortie de la porte 44 est alors forcée à "'", ce qui entraîne le blocage du transistor 5 52 De même, si le courant dans le transistor 52 dépasse la valeur limite, la tension aux bornes de la résistance R 20 est telle que la tension drain/source du transistor M 2 corresponde à un niveau logique "'", la sortie de la porte 40 est alors forcée à " 1 ", ce qui entraîne le blocage du transistor Si En fait, ce dispositif de limitation fonctionne en régime linéaire, ce qui a pour conséquence une régulation du courant dans les transistors Sl et 52 à la valeur limite lorsqu'ils sont simultanément passants. Les circuits de la présente invention sont particu- lièrement rapides s'ils sont réalisés en technologie bipolaire- MOS (BIRMOS). La présente invention a été décrite dans le cadre de l'excitation d'un vibreur piézoélectrique, mais elle s'applique à l'excitation de n'importe quelle charge capacitive De nom- breuses variantes et modifications de la présente invention ap- paraîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne les diverses possibilités de réalisation du circuit de commande 10. Bien que cela n'ait pas été décrit ci-dessus, l'homme de l'art notera qu'il existe de nombreux circuits connus pour ajuster une tension de consigne Vi à la suite de l'actionnement de touches. REVENDICATIONS 1 Circuit d'excitation à fréquence donnée et à niveau réglable d'une charge capacitive (B) comportant une première borne reliée à une tension de référenoe (G), caractérisé en ce qu'il comprend: deux interrupteurs (Si, 52) reliés en série entre une tension d'alimentation (Vcc) et la tension de référence (G), le point de connexion (S) des deux interrupteurs étant couplé à la deuxième borne (A) de la charge, ces deux interrupteurs n'étant pas simultanément fermés; un circuit ( 10) de commande périodique à la ferme- ture de l'interrupteur relié à la tension d'alimentation; et des moyens de régulation (R 2, R 3, 12) agissant sur le circuit de commande pour ouvrir un des interrupteurs lorsque la tension aux bornes de la charge atteint une valeur prédéter- minée. 2 Circuit d'excitation selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le circuit de commande comprend une entrée de signal de commande logique périodique (CK), une première sortie (Q) pilotant un des interrupteurs (Si) en phase avec le20 signal de commande, une deuxième sortie (Q*) pilotant l'autre interrupteur ( 52) en opposition de phase avec le signal de commande, et une entrée de mise à haute impédance (Hi Z) qui, en réponse à un signal de mise à haute impédanoe, provoque l'ouver- ture dudit interrupteur au moins jusqu'au changement d'état suivant du signal de commande (CK). 3 Circuit d'excitation selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent un comparateur ( 12) dont la sortie est reliée à l'entrée de mise à haute impédance (Hi Z) du circuit de commande ( 10), dont une en-30 trée de comparaison reçoit une tension de consigne (Vi) et dont l'autre entrée de comparaison est couplée à la deuxième borne (A) de la charge (B). il 4 Circuit d'excitation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de commande ( 10) comprend, pour chacun des interrupteurs, un moyen de détection (Ml, M 2) du courant de l'interrupteur qui ouvre l'autre interrupteur si le courant détecté dépasse une valeur prédéterminée.