Brevet FR2710472A1 — publié le 19950331

La présente invention concerne un convertisseur à faible bruit, qui amplifie d'une manière uniforme en puissance les flancs montants et les flancs retombants d'un signal d'entrée, pour un signal d'entrée ayant une forme d'onde répétitive telle qu'une forme d'onde rectangulaire et une forme d'onde sinusoïdale, etc., et qui délivre un signal lissé, amplifié en puissance. Le convertisseur à faible bruit selon la présente invention est disponible pour des amplificateurs de puissance comme par exemple un régulateur de commutation, du type réalisant une stabilisation en courant continu de sources d'alimentation, un onduleur pour un gradateur de lumière, un convertisseur pour la délivrance d'une lumière arrière de dispositifs d'affichage à cristal liquide, un onduleur utilisé pour la commutation d'une lampe à décharge cathodique, etc. Habituellement, un régulateur de commutation ou analogue délivre un signal de sortie continu prédéterminé au moyen d'une commutation MARCHE/ARRET, de la commande, de la stabilisation, du redressement et du lissage d'une tension élevée, et un courant intense, à grande vitesse, contrairement au système de régulateur série de la source d'alimentation. C'est pour cette raison que différentes composantes harmoniques sont présentes dans une forme d'onde de tension et dans une forme d'onde de courant et que de nombreuses composantes de bruit sont produites dans les états transitoires lors de la commutation MARCHE/ARRET. Le niveau de bruit possède en général une valeur crête-à- crête de 50 200 [mV]. Ces composantes de bruit apparaissent sous la forme d'un bruit dans un signal de sortie continu, un bruit de fond renvoyé par réaction dans le signal d'entrée et également un bruit rayonnant, qui est rayonné dans l'air, et ceci constitue l'un des points faibles du régulateur de commutation. Pour éliminer les bruits indiqués précédemment, il est nécessaire d'insérer un filtre sur le côté entrée ou sur le côté sortie, ou un condensateur disposé dans le boitier, et en outre il faut envisager une configuration de feuille de cuivre sur une plaquette à circuits imprimés ou un câblage de fils conducteurs. C'est pourquoi, le nombre d'éléments devient important et que les opérations de câblage sont difficiles à rendre uniformes, ce qui réduit le rendement de fonctionnement et augmente le coût de fabrication. D'autre part, un convertisseur comportant un circuit Royer, qui comprend un nombre moins élevé d'élé- ments et possède une structure de circuit relativement simple, est bien connu. Néanmoins, le circuit Royer présente un état, dans lequel deux transistors de commutation sont simultanément "conducteurs", et c'est pourquoi il apparaît une perte élevée de conduction et une perte élevée de recouvrement, et en outre les fréquences d'entrée disponibles ne sont pas adaptées aux ondes à hautes fréquences. En outre, dans l'onduleur classique, étant donné qu'une forme d'onde alternative sinusoïdale est produite à partir d'un courant continu moyennant l'utilisation d'un circuit résonnant, la fluctuation de tension due à une charge est élevée. Étant donné que la production du bruit mentionné précédemment est provoquée par un accroissement ou une réduction brusque d'une forme d'onde produite et dont la puissance est amplifiée, on peut supposer que la fluctuation se lisse d'elle-même pour une commande de la variation rapide. Compte tenu des problèmes mentionnés précédemment de l'art antérieur classique, la présente invention a pour but de fournir un convertisseur à faible bruit et à rendement élevé, dont la fluctuation de la tension de sortie sous l'effet d'une charge est faible, en vue de réduire les bruits externes grâce à un lissage des flancs montants et retombants de la forme d'onde de sortie, et d'utiliser des circuits complémentaires, qui ne sont pas simultanément dans l'état conducteur. Selon un aspect de la présente invention, pour atteindre les objectifs indiqués précédemment, il est prévu un convertisseur à faible bruit, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur d'entrée servant à introduire un signal à forme d'onde répétitive, un premier circuit série qui est connecté à une première borne du côté secondaire du transformateur d'entrée, qui relie des bases ou des grilles en commun et qui est raccordée à des premiers transistors complémentaires en série, un second circuit série, qui est connecté à une seconde borne du côté secondaire du transformateur d'entrée, qui relie des bases ou des grilles en commun et qui est raccordée à des seconds transistors complémentaires en série, et un transformateur de sortie, dont la première borne, située sur son côté primaire, est raccordée à un noeud commun des premiers transistors complémentaires du premier circuit série et dont la seconde borne, située sur son côté primaire, est raccordée à un noeud commun des seconds transistors complémentaires du second circuit série, ce qui permet la délivrance d'un signal à forme d'onde répétée uniforme sur les bornes du côté secondaire du transformateur de sortie. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente le schéma d'un circuit fondamental montrant un exemple de la présente invention; - la figure 2 représente le schéma d'un circuit illustrant le principe de fonctionnement de la présente invention; - la figure 3 représente le schéma d'un circuit illustrant d'une autre manière le principe de fonctionnement de la présente invention; - les figures 4A à 4D sont des diagrammes de formes d'ondes, dans chaque section, montrant un exemple du fonctionnement; - la figure 5 représente un schéma-bloc montrant un exemple de la configuration d'un onduleur; et - la figure 6 représente le schéma d'un circuit montrant une autre forme de réalisation de la présente invention. On va expliquer les formes de réalisation de la présente invention en se référant aux figures. La figure 1 représente le schéma de circuit fondamental montrant une forme de réalisation du convertisseur à faible bruit selon la présente invention, qui comporte un transformateur d'entrée Tl, qui introduit le signal à forme d'onde répétitive RWI, comme par exemple une forme d'onde rectangulaire ou une forme d'onde sinusoïdale, par l'intermédiaire de bornes lA, lB, sur le côté primaire. Le transformateur d'entrée T1 est bobiné selon un rapport élévateur (ou un rapport abaisseur) Nl:N2, une borne 2A sur le côté secondaire de ce transformateur est raccordée à une résistance Ri servant à limiter le courant et est en outre raccordée à une borne de base commune 3 du premier circuit série constitué par des transistors complémentaires Q1 et Q2. Une borne 2B située sur le côté secondaire du transformateur d'entrée T1 est raccordée à une résistance R2 servant à limiter le courant et est en outre raccordée à une borne de base commune 4 du second circuit série constitué par des transistors complémentaires Q3 et Q4. Un condensateur de lissage Cl est branché entre les bornes de base communes 3 et 4, et les premier et second circuits série possèdent le même agencement et sont branchés en parallèle en ayant des noeuds communs respectifs 5 et 6, qui réunissent les émetteurs des transistors Q1 et Q3 de type PNP aux émetteurs des transistors respectifs Q2 et Q4 de type NPN, les collecteurs des transistors Q1 et Q3 recevant une tension de polarisation continue +Vcc, tandis que les collecteurs des transistors Q2 et Q4 sont raccordés à la masse à 0 volt (V). Un noeud commun 5 du premier circuit série est raccordé à une borne 7 située sur le côté primaire d'un transformateur de sortie T2, et le noeud commun 6 du second circuit série est raccordé à une borne 8 située sur le côté primaire du transformateur de sortie T2, de sorte que les bornes 9A et 9B situées sur le côté secondaire du transformateur de sortie T2 délivre un signal à forme d'onde répétitive RWO uniformément amplifié en puissance. Ici, le rapport des spires N3:N4 du transformateur de sortie T2 est déterminé en fonction d'une tension de sortie spécifiée. On va expliquer le fonctionnement de l'agencement indiqué précédemment en référence à la figure 2 à 4A-4D. Lorsqu'un signal à forme d'onde rectangulaire répétitive RWI (tension d'entrée Vi) possédant une fréquence constante et des montées et retombées brusques comme représenté sur la figure 4A est envoyé aux bornes lA et lB, un signal à forme d'onde rectangulaire répétitive, dont le signe varie d'une manière alternée et qui possède des montées et retombées obliques comme représenté sur la figure 4B, est appliqué entre la borne de base commune 3 des transistors complémentaires Q1 et Q2 et la borne de base commune 4 des transistors complémentaires Q3 et Q4, conformément aux constantes du transformateur d'entrée T1, des résistances Ri et R2 et du condensateur C1. Les figures 2 et 3 représentent les schémas de circuits illustrant le principe du fonctionnement de la présente invention. Sur la figure 2, lorsqu'une tension positive est appliquée à la borne de base commune 3 et qu'une tension négative est appliquée à la borne de base commune 4, un courant IB1 circule depuis la base et l'émetteur du transistor Q1 pour pénétrer dans la borne de base commune 4, en passant par les bornes 7 et 8 situées sur le côté primaire du transformateur de sortie T2. En outre, comme représenté sur la figure 3, lorsqu'une tension négative est appliquée à la borne de base 3 et qu'une tension positive est appliquée à la borne de base 4, un courant IB2 circule depuis la base et l'émetteur du transistor Q3 pour pénétrer dans la borne de base 3, en passant par les bornes 8 et 7 et par l'émetteur du transistor Q2. Si les transistors Q1 et Q3 possèdent les mêmes caractéristiques que les transistors respectifs Q2 et Q4, une relation correspondant à la formule numérique (1) indiquée ci-dessous est satisfaite. IB1 = - IB2... (1) Si on désigne une tension appliquée aux bornes de base commune 3 et 4 comme étant la tension V3, la tension décroissante entre la base et l'émetteur des transistors Q1 et Q2 comme étant la tension VBE1 et la tension décrois- sante entre la base des transistors Q2 et Q4 comme étant une tension VBE2, la tension V7, qui apparaît sur les bornes 7 et 8, est obtenue à partir d'une relation exprimée par la formule numérique 2 indiquée ci- après, et la tension de sortie est presque proportionnelle à la tension d'entrée V3, comme cela est illustré sur la figure 4C. V7 = V3 - (VBE1 + VBE2)... (2) En outre, lorsqu'un circuit de charge est raccordé aux bornes 9A et 9B, uniquement dans le cas o le courant IB1 ou IB2 pénètre dans les transistors Q1 et Q4 ou dans les transistors Q2 et Q3 respectivement, les transistors Q1 et Q4 et les transistors Q2 et Q3 passent respectivement dans leur état conducteur, et les courants IC1 et IC2, qui sont en phase avec les courants respectifs IVl et IV2, circulent depuis la source de puissance de polarisation positive +Vcc respectivement en direction des transistors Q1 et Q4 et des transistors Q2 et Q3. Alors, la relation correspondant à une formule numérique (3) indiquée ci-après conduit à la relation correspondant à une formule numérique (4) donnée ci-après. IC1 = - IC2... (3) IB1 + IC1 = - (IB2 + IC2)... (4) Compte tenu de la relation exprimée par la formule numérique (5), si la source d'énergie de polarisation +Vcc est constante, il est possible d'obtenir une amplification de puissance conformément à une capacité de charge, en fonction des courants IB1 et IB2 qui doivent être réglés ou modifiés en un courant de fontionnement approprié, dans les limites d'une valeur nominale maximale absolue. IC1 > IB1, IC2 > IB2... (5) Le signal de forme d'onde RWO, qui apparaît sur les bornes 9A et 9B du transformateur de sortie T2, est mis sous la forme d'une forme d'onde à puissance amplifiée ayant des flancs montants et retombants obliques, de sorte que le bruit dans la ligne, le bruit rayonnement, etc. peuvent être fortement réduits. En outre, étant donné qu'il n'y a pas d'états conducteurs simultanés compte tenu de l'adoption de circuits complémentaires, la fréquence d'absorption d'entrée peut être une fréquence élevée. De même en raccordant un redresseur 11, un circuit de stabilisation 12 et un circuit de lissage 13 au convertisseur à faible bruit selon la présente invention comme représenté sur la figure 5, on peut obtenir un signal de sortie stabilisé en courant continu, avec isolation entre l'entrée et la sortie. De même, on peut utiliser ce montage en tant qu'onduleur à faible bruit avec une faible fluctuation de charge, qui permet d'obtenir comme signal de sortie du transformateur de sortie T2, une tension élevée. Bien que dans la forme de réalisation indiquée précédemment, on utilise le circuit complémentaire formé par le transistor de type NPN et le transistor de type PNP, ce circuit peut être constitué par un couple de transistors à effet de champ (FET). La figure 6 représente le schéma d'un circuit d'une telle forme de réalisation, en correspondance avec la figure 1, les circuits complémentaires sont constitués respectivement par des transistors MOSFET Q5 et Q7 à enrichissement à canal P et par des transistors MOSFET Q6 et Q8 à enrichisement à canal N. En outre, bien que les formes de réalisation indiquées précédemment aient une structure de circuit discrète, les circuits complémentaires, etc. peuvent être intégrés dans un circuit intégré, et on peut les réaliser sous la forme de modules incluant les transformateurs. En outre, bien que la figure 4 représente un exemple d'une forme d'onde rectangulaire, la présente invention peut être appliquée également à une forme d'onde sinusoïdale et une forme d'onde triangulaire ou analogue. Comme on peut le comprendre à partir de l'expli- cation précédente, dans le convertisseur à faible bruit selon la présente invention, un signal de sortie à faible bruit peut être obtenu étant donné que les flancs montants et retombants dans la section d'amplification sont obliques, que les composantes harmoniques supérieures deviennent faibles compte tenu de la forme d'onde de sortie lissée et que des dispositions efficaces contre les interférences électromagnétiques peuvent êtres prises pour réduire le bruit rayonnant en direction de l'extérieur. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 1, le niveau du bruit possède une valeur crête-à-crête égale à 5-20 [mV], qui a été réduite à 1-10-ème des valeurs des niveaux existants. Les transistors complémentaires ne présentent pas des états simultanément conducteurs de sorte qu'ils font apparaître de faibles pertes exothermiques et ont un rendement élevé et, lorsqu'on dispose d'ondes à hautes fréquences, les composants ou dispositifs peuvent être rapprochés selon une disposition dense. En outre, lorsque le transformateur est inséré entre les bornes d'entrée et les bornes de sortie, ces dernières sont isolées les unes des autres et il ne se produit aucun chevauchement de la tension continue de polarisation par une tension crête, de sorte que des destructions des transistors peuvent être empêchées. En outre, comme un faible nombre d'éléments est nécessaire, on peut fabriquer ce montage à bon marché. En outre, lorsqu'il est utilisé en tant qu'onduleur, on peut obtenir une haute tension présentant un faible bruit et une faible fluctuation de charge. Les spécialistes de la technique comprendront à l'évidence que l'on peut apporter de nombreuses modifications et adaptations à l'invention sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Convertisseur à faible bruit, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur d'entrée (T1) servant à introduire un signal à forme d'onde répétitive, un premier circuit série (Q1,Q2) qui est connecté à une première borne (2A) du côté secondaire du transformateur d'entrée, qui relie des bases ou des grilles (3) en commun et qui est raccordée à des premiers transistors complémentaires (Q1,Q2) en série, un second circuit série (Q3,Q4), qui est connecté à une seconde borne (2B) du côté secondaire du transformateur d'entrée (T1), qui relie des bases ou des grilles en commun et qui est raccordée à des seconds transistors complémentaires (Q3,Q4) en série, et un transformateur de sortie (T2), dont la première borne, située sur son côté primaire, est raccordée à un noeud commun (5) des premiers transistors complémentaires (Q1,Q2) du premier circuit série et dont la seconde borne (8), située sur son côté primaire, est raccordée à un noeud commun (6) des seconds transistors complémentaires (Q3,Q4) du second circuit série, ce qui permet la délivrance d'un signal à forme d'onde répétée uniforme sur les bornes du côté secondaire du transformateur de sortie (T2). 2. Convertisseur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit redresseur (11), un circuit (12) de stabilisation du courant continu et un circuit de lissage (13) raccordés aux bornes (7,8) du côté secondaire du transformateur de sortie (T2), ce qui permet d'obtenir une tension continue stabilisée attendue. 3. Convertisseur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un onduleur amenant le côté secondaire du transformateur de sortie (T2) à délivrer une tension élevée. 4. Convertisseur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur d'entrée (T1) est un transformateur élévateur ou un transformateur abaisseur. 5. Convertisseur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une première résistance (RI) de limitation du courant est branchée entre la base ou la grille commune du premier transistor complémentaire (Q1) et la première borne (2A) du côté secondaire du transformateur d'entrée (T1), et qu'une seconde résistance (R2) de limitation de courant est branchée entre la base ou la grille commune du second transistor complémentaire (Q2) et la seconde borne (2B) du côté secondaire du transformateur d'entrée. 6. Convertisseur à faible bruit selon la revendication 1, dans lequel le premier transistor complémentaire (Q1) et le second transistor complémentaire (Q2) sont constitués chacun d'un couple de transistors à effet de champ. 7. Convertisseur à faible bruit selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que le premier transistor complémentaire (Q1), le second transistor complémentaire (Q2), la première résistance (RI) de limitation de courant et la seconde résistance (R2) de limitation de courant sont intégrés dans un circuit integré. 8. Convertisseur à faible bruit selon la revendication 6, caractérisé en ce que le couple de transistors à effet de champ formés du premier transistor complémentaire (Q1) et du second transistor complémentaire (Q2) sont intégrés dans un circuit intégré.