Brevet FR2750545A1 — publié le 19980102

-1 MODULATEUR PROGRESSIF D'IMPULSIONS AVEC TRANSFORMATEUR La présente invention concerne des modulateurs et, en particulier, des modulateurs progressifs d'impulsions utilisables dans des systèmes de radiodiffusion à modulation d'amplitude. Lors d'une radiodiffusion à modulation d'amplitude dans les bandes d'ondes moyennes et d'ondes courtes, un tube à vide de grande puissance est conventionnellement utilisé dans l'étage final d'amplification haute fréquence de l'émetteur- récepteur. Pour obtenir un rendement maximal d'amplification de puissance, ce tube n'est pas utilisé comme un amplificateur linéaire mais au contraire comme un circuit polarisé de la classe C ou de la classe D, produisant une enveloppe de haute fréquence qui suit celle de la tension d'alimentation B + DC appliquée à l'anode du tube. En conséquence, une modulation du signal haute fréquence est produite en faisant varier la tension d'alimentation B + DC appliquée à l'anode du tube. Le circuit d'amplification audio de grande puissance qui est nécessaire pour faire varier cette tension est un modulateur connu sous l'appellation "modulateur progressif d'impulsions (PSM)". Un tel modulateur progressif d'impulsions a été décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis n 4 403 197. Un modulateur progressif d'impulsions (PSM) comprend plusieurs modules progressifs reliés en série et comportant chacun une source de tension continue isolée, un interrupteur télécommandé et une diode- série. L'interrupteur prévu dans chaque module peut être télécommandé pour activer ou désactiver le module. Lorsque chaque module est activé, il produit une tension progression. Lorsque les différents modules sont activés d'une façon progressive, la tension de sortie augmentera par échelons de zéro volt jusqu'à une tension maximale, dont la valeur est égale à la somme des tensions de toutes les sources de courant continu du module. Un filtre passe-bas disposé à la sortie peut être utilisé pour éliminer un bruit de commutation. Un codeur ou analogue contrôle un signal d'entrée variant dans le temps, comme un signal audio, et il enclenche un des modules à progression unitaire pour chaque augmentation incrémentale de la valeur du signal audio. Lorsque la valeur du signal audio continue à augmenter, les modules sont activés successivement dans un ordre donné. De façon analogue, lorsque la valeur du signal audio diminue, les modules sont désactivés successivement dans l'ordre inverse. Un modulateur progressif d'impulsions est également décrit dans le brevet des Etats-Unis n 4 560 944. Des modulateurs progressifs d'impulsions connus comprennent un transformateur comportant un enroulement primaire et plusieurs enroulements secondaires qui sont chacun associés à l'un des modules de progression unitaire. Il est important qu'une capacité parasite existant entre les enroulements secondaires et l'enroulement primaire soit maintenue à un minimum. La capacité entre chaque enroulement secondaire et la masse définit la capacité entre module et masse. Les effets cumulatifs de cette capacité sur les différents modules dans un modulateur progressif d'impulsions font en sorte que les performances du modulateur soient altérées par plusieurs déficiences. Une déficience concerne les pertes à la commutation se produisant lors d'une augmentation de l'énergie nécessaire pour charger la capacité parasite à chaque fois qu'un module est activé. Une seconde déficience résulte de l'augmentation de la constante de temps de la voie de décharge RC formée par la résistance de charge et la capacité parasite. Typiquement, la charge constitue le seul élément dans lequel la tension de sortie est déchargée une fois qu'un ou plusieurs modules ont été désactivés. La constante de temps de la voie de décharge RC est fixée par la capacité parasite et la grandeur de la résistance de charge. Ainsi, l'effet d'une longue constante de temps de la voie de décharge RC est de produire une augmentation de la distorsion harmonique totale du signal désiré à mesure que la fréquence (période) de la forme d'onde désirée se rapproche de la constante de temps de la voie RC charge-capacité parasite. Cela est généralement défini par l'expression "distorsion en diagonale". Un objet de la présente invention est de créer un modulateur d'impulsions perfectionné comportant un transformateur qui comporte des enroulements secondaires agencés d'une manière à réduire au minimum la grandeur de la capacité parasite existant entre chaque enroulement secondaire et l'enroulement primaire. Avantageusement, il est prévu un modulateur progressif d'impulsions qui comprend plusieurs modules à progression unitaire connectées en série et comprenant chacun une source de tension continue et un moyen de commutation associé qui, quand il est actionné, produit une activation du module associé de façon à engendrer une tension à progression unitaire. Un circuit de sortie est relié au module connecté en série de façon à appliquer une tension de sortie à une charge de telle manière que la tension de sortie soit égale à la somme de toutes les tensions des sources des modules qui sont activés. Plusieurs signaux d'activation sont produits et servent chacun à actionner un des commutateurs prévus dans les modules. Il est prévu un transformateur comportant un noyau allongé ayant un axe de symétrie. Un enroulement primaire est enroulé coaxialement autour du noyau sur une partie substantielle de la longueur axiale de ce dernier. Plusieurs enroulement secondaires sont enroulés coaxialement autour de ce noyau. Chaque module à progression unitaire comprend un des enroulements secondaires. Une capacité parasite est formée entre chaque enroulement secondaire et l'enroulement primaire. Cette capacité parasite est réduite au minimum en utilisant une structure dans laquelle chaque enroulement secondaire est enroulé dans des directions axiale et radiale autour de l'axe du noyau et dans laquelle l'étendue de l'enroulement dans la direction radiale est sensiblement plus grande que celle dans la direction axiale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexes dans lesquels: La figure 1 est un schéma à blocs représentant un émetteur-récepteur de radiodiffusion en modulation d'amplitude de l'art antérieur, en utilisant un module progressif d'impulsions (PSM); la figure 2 est une représentation schématique du circuit électrique utilisé pour chaque module à progression unitaire; la figure 3 est une vue en plan montrant un transformateur monophasé comportant un enroulement primaire et des enroulements secondaires; et la figure 4 est une vue en coupe faite selon la ligne IV-IV en regardant dans la direction des flèches de la figure 3; la figure 5 est une vue en coupe à échelle agrandie d'une partie d'un support d'isolant; et la figure 6 est semblable à la figure 5 mais elle représente une autre réalisation. La figure 1 représente un émetteur-récepteur à modulation d'amplitude qui comprend un modulateur progressif d'impulsions (PSM). L'émetteur-récepteur comprend une source audio 10 qui produit un signal audio variant en amplitude et en fréquence et qui doit être amplifié et émis. Ce signal est appliqué par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique conventionnel 20 à un modulateur progressif d'impulsions (PSM). Le nouveau modulateur progressif d'impulsions amplifie le signal à un haut niveau de puissance et applique un signal amplifié résultant Vout à un filtre passe-bas 12. Le signal amplifié et filtré résultant est ensuite appliqué à l'entrée audio d'un amplificateur de puissance HF conventionnel 14, o il module en amplitude un signal porteur HF fourni par un oscillateur HF 16. Le signal modulé en amplitude résultant est ensuite émis par une antenne conventionnelle. Le convertisseur analogique-numérique 20 reçoit le signal audio analogique provenant de la source audio et le convertit en une représentation numérique multi- bits. Par exemple, le signal analogique d'entrée peut être converti en un signal numérique de 12 bits. Les six bits les plus significatifs (6MSB) sont appliqués à un décodeur 30 comportant N circuits de sortie qui sont reliés à un circuit pilote optique 32. Le circuit 32 comprend N circuits de sortie reliés respectivement à N interrupteurs à progression unitaire Si à SN. Les interrupteurs Si et SN sont respectivement situés dans les modules de progression unitaire M1 M(N). Le codeur 30 excite successivement les circuits de sortie 1 à N en produisant des augmentations incrémentales de la grandeur du signal analogique et il désexcite les circuits de sortie dans l'ordre inverse en produisant des diminutions incrémentales de la grandeur du signal analogique. Ces variations sont mises en évidence par l'intermédiaire du circuit pilote optique 32. Le circuit pilote optique comprend des circuits de sortie 1 à N qui servent à fermer successivement les interrupteurs Si à SN à mesure que la grandeur du signal analogique d'entrée augmente incrémentalement et à ouvrir successivement les interrupteurs, dans l'ordre inverse, à mesure que la grandeur du signal analogique d'entrée diminue incrémentalement. A chaque fois qu'un interrupteur S1 à SN est ouvert, le modulateur à progression unitaire associé est désactivé et à chaque fois qu'un interrupteur est fermé, le modulateur à progression unitaire associé est activé. Chaque module à progression unitaire M1 à M(N) comprend une source de tension à progression unitaire incrémentale V, un interrupteur tel que l'interrupteur Si et une diode telle que la diode Dl, qui sont tous interconnectés comme indiqué pour le module M1 sur la figure 1. Les modules à progression unitaire sont reliés respectivement en série avec des diodes D1 à D(N). Chaque source de tension incrémentale peut être considérée comme une source de tension continue d'une grandeur fixée qui peut en pratique être de l'ordre de 600 volts. La tension totale aux bornes des modules connectés en série est fonction du nombre de modules qui ont été activés par fermeture des interrupteurs associés Si à S(N). Par exemple, si tous les interrupteurs Si à S(N) sont fermés, alors toutes les sources de tension de progression unitaire V sont reliées ensemble en série et elles sont combinées ensemble pour produire une tension de sortie NV. Si chaque source de tension à progression unitaire V a une valeur de l'ordre de 600 volts et si N a une valeur de l'ordre de 50, alors la tension totale peut atteindre une valeur de l'ordre de 30.000 volts. La figure 2 représente en détail les modules M1, M2 et M(N) indiqués sur la figure 1. Cependant dans ce cas, chaque source de tension est représentée par un enroulement secondaire prévu dans un transformateur T1 en combinaison avec une diode et un condensateur. En conséquence, le module Ml comporte un enroulement secondaire SW-1 associé à une diode redresseuse RD-1 et à un condensateur C-1. De façon analogue, le module M2 comprend un enroulement secondaire SW-2, une diode redresseuse RD-2 et un condensateur C-2. Egalement le module M(N) comprend un enroulement secondaire SW-1 ainsi qu'une diode redresseuse RD-N et un condensateur C-N. Le transformateur T-1 comprend également un enroulement primaire PW qui est connecté aux bornes d'une source de tension alternative 50. Il est évident que cela constitue une illustration simplifiée montrant seulement trois modules alors qu'en pratique il est possible d'utiliser plus de modules, par exemple 50 modules. Egalement, bien qu'une source de courant alternatif monophasé ait été représentée, il est possible d'utiliser une source d'alimentation triphasée et un transformateur triphasé. Un problème important se posant lors de l'utilisation de modulateurs progressifs d'impulsions concerne la capacité parasite se manifestant lors d'une utilisation de transformateurs conventionnels. Il est extrêmement souhaitable de maintenir à un minimum absolu la capacité existant entre les modules d'impulsions individuels M1 à M(N) et la masse. Cela est représenté par la capacité parasite CsI, CS2 et CSN sur la figure 2. Lorsqu'on utilise un transformateur de puissance à enroulements secondaires multiples de ce genre pour alimenter en courant les modules individuels, la capacité entre un enroulement secondaire et la masse définit la capacité module- masse. Les effets cumulatifs de cette capacité (Csi CSN) sur les différents modules intervenant dans un modulateur progressif d'impulsions, produisent une dégradation des performances. En conséquence, il se produit des pertes à la commutation se traduisant par une augmentation de l'énergie nécessaire pour charger la capacité CS à chaque fois qu'un module est activé. Egalement il se produit une augmentation de la constante de temps de la voie de décharge RC formée entre la résistante de charge et la capacité parasite CS. Il est à noter que, dans un modulateur progressif d'impulsions tel que celui des figures 1 et 2, la charge correspond au processus dans lequel la tension de sortie est déchargée une fois qu'un ou plusieurs modules ont été désactivés. La constante de temps de la voie de décharge RC est fixée par la capacité parasite et la résistance de charge. Dans un transformateur conventionnel, des enroulements secondaires à fils bobinés qui s'étendent sur une partie substantielle de la longueur axiale du noyau sont remplacés par des enroulements secondaires qui s'étendent dans une direction radiale sur une longueur plus grande que dans une direction axiale. Une telle structure permet d'utiliser au maximum l'air comme un isolateur produisant un effet diélectrique minimal, ce qui réduit au maximum la grandeur de la capacité parasite Cs. La figure 2 met en évidence spécifiquement le transformateur Tl, représenté comme comprenant un enroulement primaire PW et plusieurs enroulements secondaires SWl à SW-N. Ce transformateur a été optimisé de façon à réduire au minimum la grandeur de la capacité parasite Csi à CsN. Ce résultat est obtenu en utilisant un transformateur comportant des enroulements secondaires comme indiqué sur les figures 3 à 6. Un transformateur comprenant des enroulements secondaires agencés de cette manière peut être obtenu à la société Olsun Electrics Corporation, Richmond, Illinois 60071-0001, sous la désignation commerciale "Modèle 21654". Dans une réalisation pratique, ce transformateur particulier peut se présenter sous la forme d'un transformateur triphasé comportant trois noyaux qui sont chacun agencés comme cela va être décrit en relation avec les figures 3 à 6. Les enroulements secondaires SW-1 à SW-3 du transformateur T1 sont disposés coaxialement autour d'un noyau, chaque enroulement secondaire ayant une étendue radiale qui est plus grande que son étendue axiale. Cette structure de transformateur est connue sous l'application anglaise "disk wound" (bobinage en forme de disque) et elle peut comporter par exemple un ruban de cuivre ou analogue qui est enroulé coaxialement autour du noyau, chaque couche étant enroulée sur elle-même dans une orientation radiale ou spirale pour le nombre nécessaire de spires. Puisque chaque enroulement s'étend sur une distance axiale bien inférieure à sa distance radiale, la capacité entre chaque enroulement secondaire et la masse sera considérablement réduite par rapport aux structures conventionnelles dans lequel un enroulement secondaire s'étend sur une distance axiale qui est plus grande que sa distance radiale. Cet agencement permet d'obtenir une capacité minimale entre les enroulements primaire et secondaire ou bien entre chaque enroulement secondaire et la masse (il est à noter que l'enroulement primaire PW de la figure 2 est relié à la masse). Les figures 3 et 4 mettent en évidence une phase d'un transformateur de ce genre, comprenant un enroulement primaire PW et plusieurs enroulements secondaires SW-1 à SW-N conformément à la présente invention. Le transformateur comporte un noyau 50 qui peut être constitué, de la façon conventionnelle, par une structure stratifiée en acier de haute perméabilité. Sa section droite, représentée sur la figure 3 est quasi-circulaire et est entourée par une couche isolante 52. Cette couche isolante comporte une face extérieure circulaire qui s'étend coaxialement autour du noyau sur sa longueur axiale. L'enroulement primaire PW peut être constitué d'un fil de cuivre long qui est enroulé coaxialement, d'une manière conventionnelle, autour de la couche isolante 52 et qui s'étend sur la longueur axiale du noyau 50. Un tel enroulement comprend un fil long qui est enroulé autour du noyau d'une manière semblable à un conducteur enroulé sur une bobine. Un écran isolant 54, qui peut se présenter sous la forme d'un manchon, entoure coaxialement l'enroulement primaire et s'étend axialement sur la longueur du noyau 50. Une poche d'air 60 de forme annulaire (cf figure 3) entoure coaxialement l'écran isolant 54 et cette poche d'air s'étend axialement sur la longueur du noyau 50. Cette poche est entourée par les enroulements secondaires SW-1 à SW-N. Les enroulements secondaires sont soutenus par plusieurs supports isolants 70. Ces supports isolants, comme le montrent mieux les figures 4, 5 et 6, se présentent chacun sous la forme d'une structure du type peigne allongé, comportant des encoches N-N pour respectivement supporter et soutenir les enroulements primaires SW-1 à SW-N. Le nombre de supports 70 utilisés est maintenu à un minimum et il est prévu juste un nombre minimum de tels supports pour maintenir les enroulements secondaires en place coaxialement autour du noyau 50. De l'air est utilisé au maximum comme diélectrique dans la poche annulaire. Dans l'exemple représenté, on a utilisé huit supports. Cependant il est possible d'utiliser plus ou moins de supports, selon ce qui est nécessaire. Les supports 70 sont répartis dans une rangée annulaire autour du noyau 50, les encoches correspondantes prévues dans les supports servant à supporter le même enroulement secondaire. Ainsi par exemple l'encoche N-1 prévue dans chacun des supports sert à recevoir et soutenir l'enroulement secondaire SW-1. De façon analogue, les encoches N-2 servent à recevoir et soutenir l'enroulement secondaire SW- 2, et ainsi de suite. La figure 5 représente une vue en coupe à échelle agrandie montrant une partie d'un support 70 et d'une encoche N-1 contenant un enroulement secondaire SW-1. Dans cette configuration, il est à noter que la longueur radiale RL de chaque encoche est sensiblement plus grande que sa longueur axiale AL. L'enroulement secondaire SW-1 remplit dans l'essentiel l'encoche et, dans la réalisation de la figure 5, l'enroulement est représenté comme comprenant un fil long, par exemple un fil de cuivre qui a une section droite circulaire et qui s'étend avec six spires dans une direction radiale par rapport à l'axe A-A' du noyau et avec trois spires dans une direction axiale. Dans la réalisation de la figure 6, il est à noter que l'enroulement secondaire SW-1' est constitué d'un long ruban de cuivre ayant une largeur correspondant à la longueur axiale de l'encoche N-i, le ruban étant enroulé en hélice ou en spirale dans des encoches correspondants N-1 des différents supports 70 et coaxialement autour de l'axe A-A' avec plusieurs spires (six spires dans la construction illustrée). Dans les réalisations des figures 5 et 6, les enroulements secondaires SW-1 ou SW-1' sont représentés comme ayant une longueur radiale qui est sensiblement supérieure à la longueur axiale de l'enroulement. Cet agencement fait en sorte que la capacité parasite Cs ait une grandeur sensiblement réduite par rapport à celle qui se produirait si chaque enroulement secondaire était pourvu conventionnellement d'une longueur axiale supérieure à sa longueur radiale. En outre, en agençant des enroulements secondaires comme décrit ici, on obtient que la grandeur de la capacité parasite Cs existant entre chaque enroulement secondaire et la masse (ou l'enroulement primaire mis à la masse) soit la même. Ainsi la capacité du condensateur CSI est égale à la capacité du condensateur CS2, et ainsi de suite. Un modulateur progressif d'impulsions comprend plusieurs modules à progression unitaire reliés en série et comprenant chacun une source de tension continue et un moyen de commutation actionnable associé qui assure, quand il est actionné, une activation du module associé de façon à produire une tension à progression unitaire. Un circuit de sortie est relié aux modules connectés en série de façon à appliquer une tension de sortie à une charge, la grandeur de la tension de sortie étant égale à la somme des tensions de toutes les sources prévues dans les modules qui sont activés. Plusieurs signaux d'activation sont engendrés et ils servent chacun à actionner un des interrupteurs prévus dans les modules. Il est prévu un transformateur comportant un noyau allongé ayant un axe de symétrie. Un enroulement primaire est enroulé coaxialement autour du noyau sur une partie substantielle de la longueur axiale de ce dernier. Plusieurs enroulements secondaires sont enroulés coaxialement autour du noyau. Chaque module à progression unitaire comprend un des enroulements secondaires. Une capacité parasite est créée entre chaque enroulement secondaire et l'enroulement primaire. Chaque enroulement secondaire est enroulé dans des directions radiale et axiale autour de l'axe du noyau et l'étendue de l'enroulement dans la direction radiale est sensiblement plus grande que celle dans la direction axiale. R E V E N D I C A T I ON S 1. Modulateur progressif d'impulsions caractérisé en ce qu'il comprend: plusieurs modules à progression unitaire reliés en série et comprenant chacun une source de tension continue et un moyen de commutation actionnable associé qui, lorsqu'il est actionné, assure l'activation dudit module associé de façon à produire une tension à progression unitaire; un circuit de sortie relié auxdits modules connectés en série pour appliquer à une charge, une tension de sortie dont égale à la somme des tensions de toutes les sources des tensions des modules qui sont activés; - un moyen pour produire plusieurs signaux d'activation de modules, assurant chacun l'activation du moyen de commutation prévu dans chacun desdits modules; - un transformateur comportant un noyau allongé ayant un axe de symétrie, un enroulement primaire enroulé coaxialement autour dudit noyau sur une partie substantielle de la longueur axiale de ce dernier ainsi que plusieurs enroulements secondaires enroulés coaxialement autour dudit noyau; - chacun desdits modules à progression unitaire comprenant un desdits enroulements secondaires et une capacité parasite étant créée entre chaque enroulement secondaire et ledit enroulement primaire; - des moyens étant prévus pour réduire au minimum ladite capacité parasite en faisant en sorte que chacun desdits enroulements secondaires soit enroulé dans une direction axiale et dans une direction radiale autour dudit axe de noyau, l'étendue dudit enroulement dans ladite direction radiale étant sensiblement plus grande que son étendue dans ladite direction axiale. 2. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits enroulements secondaires comprend un fil long qui est enroulé coaxialement autour dudit axe dans une direction radiale et également dans une direction axiale, l'étendue dudit enroulement dans ladite direction radiale étant sensiblement plus grande que son étendue dans ladite direction axiale. 3. Modulateur selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chacun desdits enroulements secondaires comprend un conducteur analogue à un ruban long qui est enroulé en spirale autour dudit axe radialement vers l'extérieur par rapport à celui-ci, la largeur dudit conducteur dans ladite direction axiale étant sensiblement plus grande que la distance dont ledit enroulement s'étend dans ladite direction radiale en éloignement dudit axe. 4. Modulateur selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens formant supports d'enroulements secondaires, comportant plusieurs encoches de support d'enroulement espacés axialement et s'étendant chacune radialement vers l'extérieur par rapport audit axe et chacune desdites encoches s'étend dans une direction axiale sur une distance qui est sensiblement inférieure à son étendue dans ladite direction radiale. 5. Modulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que plusieurs supports d'enroulements secondaires sont répartis dans une rangée circulaire qui s'étend coaxialement autour dudit noyau.