Brevet FR2765747A1 — publié le 19990108

DISPOSITIF DE TRANSMISSION DE TENSION CONTINUE AVEC ISOLEMENT L'invention a pour objet un dispositif de transmission de tension continue avec isolement, et un procédé correspondant de transmission de tension continue, avec isolement. Elle concerne aussi un convertisseur fréquence tension, utilisable dans un tel convertisseur. Il existe un besoin pour des dispositifs de transmission de tension continue, présentant des propriétés d'isolement. De tels dispositifs trouvent notamment leur application dans l'alimentation des métropolitains. Traditionnellement, la transmission de tels tensions continues s'effectue en utilisant des amplificateurs isolés. Ce mode de transmission est sensible aux variations et aux dérives des amplificateurs. FR-A-2 598 049 décrit un amplificateur d'isolation, transmettant des signaux à travers une barrière d'isolation. L'amplificateur comprend un codeur. une barrière d'isolation, et un décodeur. Il est proposé, dans ce document, d'utiliser comme codeur un convertisseur tension fréquence combiné avec un circuit d'attaque différentiel, de prévoir comme barrière d'isolation des condensateurs. et d'employer comme décodeur un circuit à boucle à verrouillage de phase. Cette solution est compliquée, et chère. Elle présente aussi la caractéristique d'assurer un temps de réaction rapide pour le décodeur; cette caractéristique est désavantageuse pour l'application à l'isolement, dans la mesure où elle conduit à un bruit plus important sur la tension de sortie. FR-A-2 568 429 décrit un convertisseur tension fréquence, par charge et décharge du condensateur d'un intégrateur. La tension d'entrée est appliquée à une borne d'une résistance reliée par ailleurs un additionneur. L'additionneur reçoit par ailleurs la sortie d'un circuit de commutation de courant; la sortie de l'additionneur est reliée à l'entrée de l'intégrateur. Le circuit dc commutation de courant fournit à l'additionneur, pendant une durée fixe, un courant constant. supérieur à la valeur du courant traversant la résistance d'entrée. Le circuit de commutation de courant est commandé par un comparateur, en fonction de la comparaison de la tension de sortie à une valeur de seuil. I,e fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Pendant un cycle, le condensateur est déchargé par le courant induit dans la résistance par la tension d'entrée, et est chargé par le courant fourni par le circuit de commutation pendant la durée fixe. On obtient en sortie un signal dont la fréquence est proportionnelle à la tension d'entrée. FR-A-9 568 429 décrit en outre un circuit monostable perlllett11lt de piloter avec précision le circuit dc commutation de tension. La société TELEDYNE COMPONENTS commercialise aussi sous référence TC9400, TC9401 et Tu9402 un convertisseur tension fréquence exploitant la charge et la décharge du condensateur d'un intégrateur; à l'inverse du dispositif décrit dans FR-A-2 56X 429 ce convertisseur propose de connecter à l'entrée dc l'intégrateur un condensateur de référence, chargé par une tension de référence. dc sorte à appliquer brutalement une charge donnée au condensateur de l'intégrateur Sous la même référence, cette société commercialise un convertisseur fréquence tension. Chaque passage à zéro de la tension d'entrée provoque l'application à l'entrée inverseuse d'un amplificateur additionneur d'une charge précise, égale au produit d'une tension de référence par une capacité de référence; cette charge génère une tension de sortie, en s'écoulant à travers la contre-réaction résistivc de I'amplificateur. Un condensateur en parallèle à la contre-réaction résistive moyenne les impulsions en une tension continue proportionnelle à la fréquence. L'invention propose un dispositif de transmission d'une tension continue, avec isolement, présentant des propriétés d'isolement, qui pallie les inconvénients de l'art antérieur. Le dispositif de l'invention permet de transmettre de façon simple une tension continue; il est robuste et peu sensible aux variations et aux dérives des amplificateurs. Il est aussi insensible aux variations et dérives des condensateurs d'intégration. Elle propose aussi un procédé de transmission d'une tension continue, avec isolement, et un convertisseur fréquence tension. L'invention propose en conséquence un convertisseur fréquence tension. comprenant - un intégrateur, fournissant en sortie la tension; - un générateur d'impulsions calibrées recevant une tension alternative à convertir et commandant l'application répétée d'un courant constant à l'entrée de l'intégrateur pendant une durée déterminée; - une résistance reliant l'entrée de l'intégrateur et sa sortie; le générateur d'impulsion commandant l'application du courant constant avec une fréquence de répétition fonction de la fréquence de la tension alternative. Dans un mode de réalisation, le générateur d'impulsions est commandé par le passage à zéro de la tension altcrnative. Avantageusement. I'intégrateur comprend un amplificateur opérationnel à contre réaction capacitive. De préférence, le générateur d'impulsions comprend au moins un oscillateur à quartz. L'invention propose aussi un dispositif de transmission d'une tension continue avec isolement, comprcnant: - un convertisseur tension fréquence fournissant une tension alternative dont la fréquence est fonction de la tension d'entrée du dispositif; - des moyens d'isolement recevant la tension alternative provenant du convertisseur et fournissant en sortie une tension alternative isolée; - un convertisseur fréquence tension recevant la tension alternative isolée et fournissant en sortie une tension de sortie fonction de la fréquence de la tension alternative isolée. Dans un mode de réalisation, le convertisseur tension fréquence comprend - un intégrateur avec un condensateur, fournissant la tension alternative; - un générateur d'impulsions calibrées commandant l'application répétée d'un courant constant à l'entrée de l'intégrateur pendant une durée déterminée, avec une fréquence de répétition fonction de la fréquence de la tension alternative; - une résistance d'entrée à travers laquelle la tension d'entrée est appliquée à l'entrée de l'intégrateur. De préférence, les moyens d'isolement comprennent au moins un optocoupleur, une fibre optique, ou un faisceau laser. Le dispositif de transmission peut aussi comprendre un convertisseur fréquence tension selon l'invention. Enfin, I'invention propose un procédé de transmission d'une tension continue avec isolement, comprenant les étapes de - conversion dc la tension d'entrée en une tension alternative de fréquence proportionnelle à la tension d'entrée; - transmission dc la tension alternative à travers des moyens d'isolement; - conversion de la tension alternative en une tension de sortie d'amplitude moyenne proportionnelle à la fréquence reçue. Dans un mode de réalisation, la conversion de la tension d'cntrée s'effectue par charge et décharge d'un condensateur d'un intégrateur, le condensateur étant chargé par l'application de la tension d'entrée à travers une résistance, et étant déchargé par application répétée pendant une durée déterminée d'un courant constant. Dans un mode de réalisation, la conversion de la tension alternative s'effectue par charge et décharge d'un condensateur d'un intégrateur, le condensateur étant déchargé par l'application de la tension de sortie à travers une résistance, et étant chargé par application répétée pendant une durée déterminée d'un courant constant. Dans ce cas, le courant constant est avantageusement appliqué avec une fréquence de répétition égale à la fréquence de la tension alternative. Les moyens d'isolement comprennent avantageusement au moins Liii optocoupleur, une fibre optique, ou un faisceau laser. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture dc la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui montrent: - figure 1, un schéma d'un dispositif de transmission de tension selon l'invention; - figure 2, une représentation d'un mode de réalisation du convertisseur tension fréquence de la figure 1; - figure 3, une représentation d'un mode de réalisation du convertisseur fréquence tension de l'invention. - figure 4. une représentation schématique de la tension de sortie du convertisseur de la figure 3. Dans le suite, les mêmes numéros de référence identifient sur toutes les figures des éléments analogues ou identiques. La figure 1 montre un schéma d'un dispositif de transmission de tension selon l'invention. Le dispositif de la figure 1 comprend un convertisseur tension fréquence 1 qui reçoit en entrée 2 la tension à transmettre, et qui fournit en sortie 3 une tension alternative analogique, dont la fréquence est fonction de la tension d'entrée, ou un signal logique dont la fréquence est fonction dc la tension d'entrée. Le convertisseur 1 peut fonctionner avantageusement par charge et décharge du condensateur d'un intégrateur, comme expliqué en référence à la figure 2 et fournir une tension proportionnelle à la tension d'entrée. La tension alternative en sortie 3 du convertisseur est fournie à l'entrée 4 de moyens d'isolement 5. Ceux-ci fournissent en sortie 6 une tension alternative à la même fréquence, ou à une fréquence proportionnelle, qui est isolée par rapport à la tension d'entrée. Les moyens d'isolement peuvent utiliser la conversion de la tension en un signal optique, et une conversion inverse du signal optique en une tension. Pour cela, on peut prévoir un optocoupleur. ou encore une fibre optique avec des diodes electroluminescentes appropriés, ou encore un faisceau laser modulé par Ii tension alternative et une diode photosensible. D'autres types d'isolement restent possibles, et par exemple on pourrait utiliser des radiofréquences, avec un émetteur et un détecteur appropriés. L,a fréquence de sortie du convertisseur tension fréquence 1 peut etre adaptée à la plage de fréquence optimale des moyens d'isolement, de sorte à simplifier le dispositif. De ce point de vue, il n'est pas nécessaire que la fréquence de la tension alternative fournie par le convertisseur 1 soit proportionnelle à la tension d'entrée: on peut prévoir que cette fréquence est une fonction non linéaire de la tension d'entrée. qui présente dans la plage de fonctionnement requise une fonction inverse. La tension alternative provenant dc la sortie 6 des moyens d'isolement 5 est fournie en entrée 7 à un convertisseur S fréquence tension: en sortie 9, ce convertisseur fournit une tension dont l'amplitude ou l'amplitude moyenne est fonction de la fréquence de la tension alternative reçue. On peut avantageusement utiliser comme convertisseur le convertisseur décrit plus bas en référence à la figure 3. Dans ce cas, la tension de sortie présente une amplitude moyenne proportionnelle à la fréquence de la tension alternative reçue. Comme dans le cas du convertisseur 1, il n'est pas indispensable que la tension de sortie soit une fonction linéaire de la fréquence. Il est possible de choisir une fonction non linéaire. Dans un mode de réalisation de l'invention, la fonction fF/v associant dans le convertisseur 8 à la fréquence la tension de sortie est l'inverse de la fonction fv/F associant dans le convertisseur 1 à la tension de sortie la fréquence. On assure de la sorte la transmission en sortie du dispositif d'un tension égale, au moins en moyenne à la tension d'entrée. 11 est clair qu'il est aussi possible que ces deux fonctions ne soient pas inverses l'une de l'autre, et dans ce cas le dispositif de la figure 1 peut avoir en outre une fonction d'amplificateur, avec une fonction de transfert égale à la composition iFXV.fvxF des deux fonctions visées plus haut. Le dispositif de la figure 1 permet la transmission d'une tension d'entrée continue ou alternative de fréquence faible par rapport aux constantes de temps des convertisseurs, en assurant un isolement. Le fonctionnement du dispositif de la figure I est clair et n'a pas besoin d'être plus détaillé. La figure 2 montre une représentation d'un mode de réalisation du convertisseur tension fréquence dc la figure 1; le convertisseur de la figure 9 comprend un intégrateur 20 avec un condensateur. L'intégrateur 20, dans le mode de réalisation de la figure 2, est constitué d'un amplificateur opérationnel 21, dont l'entrée non-inverseuse est reliée à la masse, et qui présente une contre réaction capacitive C 22, entre son entrée inverseuse et sa sortie. L'entrée inverseuse est en outre reliée d'une part à un générateur de courant -lc constant 24, via un commutateur 23, tel qu'un interrupteur analogique; elle est reliée d'autre part à une borne d'une résistance RC d'entrée 26. La tension d'entrée V, e à convertir est appliquée entre la masse et l'autre borne de la résistance Kc. Le commutateur 23 est commandé par un générateur d'impulsions calibrées 27. qui commandant l'application répétée du courant fourni par le générateur une durée Tc déterminée, avec une fréquence de répétition fonction de la fréquence de la tension alternative. Pour cela, le générateur 27 peut comprendre un comparateur 28 comparant à la masse le signal fourni par la sortie de l'amplificateur opérationnel 20: le signal de sortie du comparateur 28 commande l'application par le circuit 29 d'une impulsion de durée Tc au commutateur 23. Le circuit 29 peut comprendre avantageusement un oscillateur à quartz pour la mesure de la durée Tc. Le signal de sortie du convertisseur est prélevé en sortie du générateur d'impulsions calibrées 27, qui fournit un signal logique. On pourrait aussi prélever le signal dc sortie du convertisseur en sortie de l'amplificateur opérationnel 21 si l'on souhaite traiter un signal analogique. Le fonctionnement du dispositif de la figure 2 est le suivant. L'application de l'impulsion calibrée provoque une décharge du condensateur C par le courant -Ic, pendant la durée Tc; entre deux impulsions, pendant la période T de la tension alternative de sortie du convertisseur. le condensateur C est chargé par le courant 1 = Ve/R. A l'équilibre, on a IC.TC = I.T = T.véR. La fréquence F = I/T de la tension alternative de sortie vaut donc F = Ve/(R.IC.TC). II faut noter que cette fréquence. proportionnelle à la tension d'entrée, ne dépend pas de la capacité C du condensatct On assure ainsi la conversion de la tension d'entrée en une tension alternative de fréquence proportionnelle à la tension d'entrée, par charge et décharge du condensateur de l'intégrateur, le condensateur étant chargé par l'application de la tension d'entrée à travers une résistance, et étant déchargé par application répétée pendant une durée déterminée d'un courant constant. La figure 3 montre une représentation d'un mode de réalisation du convertisseur fréquence tension de l'invention. Le convertisseur de la figure ; comprend un générateur d'impulsions calibrées 40, qui reçoit le signal alternatif d'entrée, et délivre en sortie des impulsions calibrées d'une durée Tc. Ces impulsions sont appliquées à un commutateur 41, par exemple un interrupteur analogique. 1 e commutateur 41 relie un générateur 42 de courant constant -Ic à l'entrée dun intégrateur 43. L'intégrateur 43 est typiquement constitué d'un amplificateui opérationnel 44, dont l'entrée non-inverseuse est reliée à la masse, et qui présente une contre réaction capacitive C 45, entre son entrée inverseuse et sa sortie. L'entrée inverseuse est reliée au commutateur 41. En outre, une résistance Rc 46 relie l'entrée de l'intégrateur et sa sortie. Le générateur d'impulsions calibrées commande ainsi l'application répétée e courant constant -Ic à l'entrée de l'intégrateur pendant la durée Tc, avec une fréquence de répétition fonction de la fréquence de la tension alternative. Le fonctionnement du convertisseur de la figure 3 est expliqué en référence à la figure 4, qui montre une représentation schématique de la tension de sortie du convertisseur de la figure 3, en fonction du temps. La tension de sortie est un signal en dents de scie. Le front montant, d'une durée Tc, correspond à la charge du condensateur de l'intégrateur par le courant 1G. pendant l'impulsion calibrée. Le front descendant, sur le reste T - Tc de la période -r. correspond à la décharge du condensateur de I'intégrateur à travers la résistance Rc 46. Le fonctionnement du convertisseur de la figure 3 est le suivant. Le signal à convertir déclenche le générateur d'impulsion et l'application pendant la durée TC du courant le à l'entrée de l'intégrateur. Si le signal à convertir est un signal logique, il suffit dans le générateur de repérer son front montant; si l'on utilise un signal analogique, on peut déclencher le générateur à l'aide d'un comparateur. Le condensateur C reçoit le courant IC pendant la durée Tc, et est ainsi chargé. I,e condensateur est déchargé pendant l'ensemble de la période T du signal de sortie par le courant Vs/RC, Vs étant la tension moyenne en sortie de l'amplificateur; à l'équilibre, on a ?'.V,/RÇ = Ic.Tc, et donc Vs =RC Ic-Tc/T = Rc.Ic.Tc.F La tension moyenne de sortie est donc proportionnelle à la fréquence du signal d'entrée. Le montage du convertisseur de la figure 3 et du convertisseur de la figure 2 dans le dispositif de la figure 1 permet d'obtenir une tension de sortie Vs qui vaut Vs = RC.IC.TC.F = RC.ICTC.Ve./(RC.IC.TC) = Ve Pour la simplicité de l'exposé, on a considéré dans le mode de réalisation de la figure 3 une durée Tc et un courant IC identiques à ceux de la figure 2. Comme expliqué plus haut, ceci n'est qu'un mode de réalisation et pas une nécessité. Il est clair que l'on peut. en faisant varier les valeurs des résistances. des courants, et des durées des impulsions, obtenir un dispositif de transmission ayant un gain différent de l'unité. I1 est clair que l'invention décrite en référence à une tension continue s'applique aussi à des tensions alternatives de basse fréquence, i.e. de période importante par rapport à la constante de temps R.C des circuits intégrateurs. On entend par tension continue dans les revendications couvrir aussi une tension alternative avec une telle fréquence faible. REVENDICATIONS 1.- Un dispositif de transmission d'une tension continue avec isolement, comprenant: - un convertisseur tension fréquence (1) fournissant une tension alternative dont la fréquence est fonction de la tension d'entrée du dispositif; - des moyens d'isolement (5) recevant la tension alternative provenant du convertisseur et fournissant en sortie une tension alternative isolée; - un convertisseur fréquence tension (8) recevant la tension alternative isolée et fournissant en sortie une tension de sortie fonction de la fréquence de la tension alternative isolée. 2.- Un dispositif de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur tension fréquence comprend - un intégrateur (20) avec un condensateur (22), fournissant la tension alternative; - un générateur d'impulsions calibrées (27) commandant l'application répétée d'un courant constant à l'entrée de l'intégrateur pendant une durée déterminée, avec une fréquence de répétition fonction de la fréquence de la tension alternative; - une résistance d'entrée (26) à travers laquelle la tension d'entrée est appliquée à l'entrée de l'intégrateur. 3.- Un dispositif de transmission selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'isolement comprennent au moins un optocoupleur, une fibre optique, ou un faisceau laser. 4.- Un dispositif de transmission selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le convertisseur fréquence tension comprend - un intégrateur (43), fournissant en sortie la tension; - un générateur d'impulsions calibrées (40) recevant une tension alternative à convertir et commandant l'application répétée d'un courant constant à l'entrée de l'intégrateur pendant une durée déterminée; - une résistance (46) reliant l'entrée de l'intégrateur et sa sortie; le générateur d'impulsion commandant l'application du courant constant avec une fréquence de répétition fonction de la fréquence de la tension alternative. 5.- Un dispositif de transmission selon la revendication 4, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions est commandé par le passage à zéro de la tension alternative. 6.- Un dispositif de transmission selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'intégrateur comprend un amplificateur opérationnel (44) à contre réaction capacitive (45). 7.- Un dispositif de transmission selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions comprend au moins un oscillateur à quartz. 8.- Un procédé de transmission d'une tension continue avec isolement, comprenant les étapes de - conversion de la tension d'entrée en une tension alternative de fréquence proportionnelle à la tension d'entrée; - transmission de la tension alternative à travers des moyens d'isolement; - conversion de la tension alternative en une tension de sortie d'amplitude moyenne proportionnelle à la fréquence reçue. 9.- Un procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la conversion de la tension d'entrée s'effectue par charge et décharge d'un condensateur (22) d'un intégrateur (20), le condensateur étant chargé par l'application de la tension d'entrée à travers une résistance (26), et étant déchargé par application répétée pendant une durée déterminée d'un courant constant. 10.- Un procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la conversion de la tension alternative s'effectue par charge et décharge d'un condensateur (45) d'un intégrateur (43), le condensateur étant déchargé par l'application de la tension de sortie à travers une résistance (46), et étant chargé par application répétée pendant une durée déterminée d'un courant constant. 11.- Un procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le courant constant est appliqué avec une fréquence de répétition égale à la fréquence de la tension alternative. 12.- Un procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que les moyens d'isolement comprennent au moins un optocoupleur, une fibre optique, ou un faisceau laser.