Brevet FR2778511A1 — publié le 19991112

l L'invention concerne un circuit d'amplification et concerne spécialement, mais non exclusivement, des circuits de ce type qui peuvent être utilisés en association avec des cellules électrochimiques configurées pour détecter du monoxyde de carbone, ou CO, de manière à permettre d'engendrer un avertissement de la présence du gaz. Il est connu que ce gaz est dangereux en lui-même et qu'il est de plus un produit typique des incendies. Sa détection sensible et fiable est donc intéressante pour au moins deux raisons. La technologie des cellules électrochimiques se révèle être l'une des plus adaptées pour construire des détecteurs de CO, mais le développement et le traitement des signaux électriques engendrés par de tels détecteurs sont associés à certaines difficultés, entre autres parce qu'ils fonctionnent dans un mode ampérométrique, dans lequel il est critique (a) de maintenir les électrodes de cellules au potentiel correct pour minimiser des sensibilités parasites, et (b) de réguler des pointes de tension qui seraient fortement amplifiées en durée en raison du comportement capacitif typique de ces cellules. C'est le but de la présente invention que de réaliser un circuit qui remédie aux difficultés mentionnées ci-dessus. Selon la présente invention, il est réalisé un circuit d'amplification prévu pour être utilisé en association avec une cellule électrochimique fonctionnant en mode ampérométrique, caractérisé en ce qu'il comprend: un amplificateur opérationnel couplé à ladite cellule de façon à en dériver des signaux de sortie, et un circuit de miroir de courant qui inclut au moins un composant connecté dans un trajet de rétroaction dudit amplificateur opérationnel. Il a été proposé dans le brevet GB-2-307 753 d'utiliser un circuit de miroir de courant en association avec un amplificateur opérationnel et une cellule électrochimique. Mais les circonstances envisagées dans cette proposition diffèrent sensiblement de la situation traitée par la présente invention. En particulier, la cellule électrochimique fonctionne en mode à impédance et le circuit de miroir de courant, qui n'est pas connecté dans le trajet de rétroaction de l'amplificateur opérationnel, est au contraire utilisé dans l'alimentation en énergie de l'amplificateur et ne fait donc pas partie du trajet des signaux de sortie de la cellule. Selon une modalité avantageuse de la présente invention, ledit circuit de miroir de courant peut comprendre une paire de transistors, dont l'un constitue ledit au moins un composant et, on peut alors prévoir en particulier que les électrodes de base desdits transistors soient connectées entre elles et que leur jonction soit connectée comme trajet de rétroaction dudit amplificateur opérationnel. Un circuit de miroir de courant conforme à la modalité avantageuse décrite ci-dessus peut comprendre en outre un dispositif conducteur unidirectionnel respectif connecté aux bornes du trajet collecteur-émetteur de chacun desdits transistors. Le circuit peut comprendre un autre amplificateur opérationnel couplé de façon à recevoir des signaux de sortie de l'amplificateur opérationnel mentionné en premier lieu et configuré pour produire un signal de sortie dudit circuit. Dans ce cas, lesdits amplificateurs opérationnels peuvent fonctionner à des tensions différentes de palier. Le circuit peut inclure en outre un transistor à effet de champ connecté de manière à mettre en court circuit des électrodes de travail de ladite cellule et couplé à un moyen capacitif agencé pour accumuler une charge lorsqu'une alimentation en énergie de ladite cellule est mise sous tension, l'agencement étant tel que le débit d'accumulation de ladite charge par ledit moyen capacitif provoque un blocage progressif dudit transistor à effet de champ et donc l'enlèvement dudit court-circuit. Afin que l'invention puisse être comprise plus clairement et soit plus facile à mettre en ceuvre, on va maintenant en décrire un mode de réalisation, à titre d'exemple seulement, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 représente, sous une forme simplifiée, un circuit classique de l'art antérieur associé à une cellule électrochimique qui fonctionne en mode ampérométrique, et la Figure 2 représente, elle aussi sous une forme simplifiée et quelque peu schématique, une telle cellule couplée à un circuit conformément à un exemple de l'invention. En se référant à la Figure 1, une cellule électrochimique 1 est couplée d'une manière classique à un circuit d'amplification et de traitement qui inclut une paire d'amplificateurs opérationnels 2 et 3. Alors que les électrodes C de compteur et S de détection de la cellule 1 sont nominalement maintenues au même potentiel, ce circuit se fie fortement à la qualité des étages d'entrée des amplificateurs opérationnels 2 et 3, auxquels l'électrode S est connectée par l'intermédiaire d'une faible résistance 5 (22R). Une résistance 6 est connectée d'une manière connue dans le trajet de rétroaction de l'amplificateur 3. Il faut en pratique utiliser des amplificateurs onéreux, dans le cas de ce circuit, afin d'assurer que des différences significatives de polarisation entre les deux amplificateurs n'introduisent pas de courants d'erreur dans la sortie. En outre, l'amplificateur 3 est typiquement d'un gain extrêmement élevé, de sorte que des variations de la charge de sortie, ou de la résistance de gain, peuvent produire des effets parasites. Le problème de loin le plus important dans ce type de circuit est cependant que les deux amplificateurs 2 et 3 se comportent très différemment en réponse à des fluctuations dans la tension de palier appliquée à la borne 4, en raison de la capacité élevée de la cellule 1. Par conséquent, la durée d'une brève pointe de tension peut être considérablement prolongée. Le circuit de la présente invention isole l'un de l'autre le circuit de polarisation de la cellule et le circuit utilisé pour mesurer le courant engendré par l'effet du CO sur la cellule en connectant un miroir de courant modifié dans la boucle de rétroaction de l'amplificateur opérationnel. L'invention permet aussi de mettre effectivement la cellule en courtcircuit pendant des périodes o elle n'est pas alimentée, ce qui minimise l'impact sur les temps de mise sous tension et de restauration du détecteur. On se réfère maintenant à la Figure 2, dans laquelle des composants communs à la Figure 1 portent les mêmes références numériques, bien qu'il faille comprendre que les spécifications des amplificateurs opérationnels représentés à la Figure 2 puissent être différentes de celles des amplificateurs désignés par des références numériques semblables dans le circuit de l'art antérieur de la Figure 1. À la Figure 2, la borne du capteur S de la cellule 1 est connectée, par l'intermédiaire de la faible résistance 5, à la tension de palier appliquée à la borne 4. Un circuit de miroir de courant, désigné généralement par 7 est connecté dans la sortie de l'amplificateur 2 et dans sa boucle de rétroaction. Le circuit de miroir 7 comprend une paire de transistors NPN 8, 9 et une paire de diodes 10 et 11. Lorsque l'électrode S tente de devenir plus négative, ceci est équilibré par l'amplificateur 2 qui abaisse le courant provenant de l'électrode C à travers le transistor 8. L'amplificateur 3 produit alors un sortie de tension proportionnelle au courant qui traverse le transistor 9, qui reproduit en miroir le courant qui traverse le transistor 8 situé dans la boucle de rétroaction de l'amplificateur 2. Le seul courant existant dans le circuit est celui qui peut être attribué à la faible tension de déport d'entrée aux entrées de l'amplificateur 2. En outre, des pointes de tension superposées à la tension de palier n'interviennent que pour élever le potentiel du circuit entier, sans créer aucun signal différentiel qui pourrait être amplifié. Dans l'ensemble, le circuit intervient pour mettre en concordance le courant de rétroaction dans les deux amplificateurs 2 et 3, tout en isolant l'amplificateur 2 des problèmes de polarisation de déport, de charge et de concordance associés à l'amplificateur 3. Les diodes 10 et 11 modifient le circuit de miroir de courant pour permettre à un courant de passer en sens inverse, ce qui empêche des variations de tension qui se produiraient dans le cas contraire si des variations électrochimiques engendraient un signal légèrement positif à l'électrode S de la cellule 1. Une autre particularité avantageuse du circuit représenté à la Figure 2 est que des excursions très élevées ou très basses de la sortie de I'amplificateur 2 au démarrage, qui pourraient se produire par suite d'une amplification de la polarisation de déport initiale, sont supprimées parce que le transistor à effet de champ 12 continue à mettre en court circuit les entrées de l'amplificateur jusqu'à ce que le condensateur 13 ait développé une charge suffisante pour bloquer le transistor 12. Le blocage du transistor 12 s'effectue en outre progressivement et la cellule 1 n'est donc pas soumise à des variations soudaines au démarrage. Par conséquent, le temps de stabilisation du circuit est suffisamment bref pour être acceptable. La réponse normale de la cellule 1 à la détection de CO est d'engendrer un courant qui passe de l'électrode C à l'électrode S, et la polarité du transistor du miroir de courant, ainsi que celle des diodes 10 et 11, est réglée pour un tel fonctionnement. En revanche, si le circuit devait être utilisé pour détecter d'autres gaz qui amènent la cellule à engendrer un courant d'une polarité opposée, le fonctionnement des composants diodes et transistors du circuit 7 de miroir de courant pourrait être inversé. Dans le cas o la cellule exige un potentiel de polarisation pour détecter des gaz autres que CO, ce dernier peut être fourni de façon commode au moyen d'une tension différentielle appliquée entre l'électrode C de la cellule 1 et la boucle de rétroaction. On comprend que la présente invention permet au moins de bénéficier des avantages fonctionnels suivants: (i) les électrodes de la cellule sont maintenues au potentiel optimal pour la détection de CO; (ii) une variation de la tension de palier n'affecte pas de façon significative la différence de potentiel entre les électrodes de la cellule électrochimique, de sorte que la résistance du capteur aux bruits électriques est d'un niveau suffisant pour être acceptable; (iii) des variations de la charge d'impédance du circuit de mesure n'affectent pas de façon significative le circuit de polarisation de la cellule; (iv) la tension de déport d'entrée d'un seul des amplificateurs opérationnels détermine principalement les potentiels d'électrodes; (v) le courant d'arrière plan de cellule peut être de l'une ou l'autre des polarités sans affecter de façon significative les potentiels d'électrodes; (vi) aucune amplificateur opérationnel additionnel n'est requis pour entrer des signaux de sortie du circuit en tampon, avant de fixer le niveau de sensibilité du détecteur; et (vii) le trajet de courant du capteur est maintenu, même en l'absence de toute alimentation en énergie. Bien que la description du présent mode de réalisation se soit référée à une paire de transistors, des variations peuvent être apportées au mode de réalisation. Par exemple, d'autres composants possédant les mêmes caractéristiques ou susceptibles d'exercer la même fonction peuvent être utilisés en substitution à la paire de transistors. De tels composants incluent deux paires de transistors ou un dispositif mis en concordance à composant unique, ou un dispositif à circuit intégré spécifique, ou ASIC selon le terme anglo-saxon, ou encore tout composant approprié qui exerce une tâche de "miroir de courant" équivalente à celle des transistors dans le circuit de miroir de courant. R E V E N D I C A T I ON S 1. Circuit d'amplification prévu pour être utilisé en association avec une cellule électrochimique (1) fonctionnant en mode ampéro- métrique, caractérisé en ce qu'il comprend: un amplificateur opérationnel (2) couplé à ladite cellule (1) de façon à en dériver des signaux de sortie, et un circuit (7) de miroir de courant qui inclut au moins un composant (8) connecté dans un trajet de rétroaction dudit amplificateur opérationnel (2). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit (7) de miroir de courant comprend une paire de transistors (8, 9), dont l'un (8) constitue ledit au moins un composant. 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes de base desdits transistors (8, 9) sont connectées entre elles et leur jonction est connectée comme trajet de rétroaction dudit amplificateur opérationnel (2). 4. Circuit selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit circuit (7) de miroir de courant comprend en outre un dispositif conducteur unidirectionnel (10, 11) respectif connecté sur le trajet collecteur-émetteur de chacun desdits transistors (8, 9). 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un autre amplificateur opérationnel (3) couplé de façon à recevoir des signaux de sortie de l'amplificateur opérationnel (2) mentionné en premier lieu et configuré pour produire un signal de sortie dudit circuit. 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits amplificateurs opérationnels (2, 3) fonctionnent à des tensions de paliers différentes. 7. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il inclut en outre un transistor à effet de champ (12) connecté de manière à mettre en court circuit des électrodes de travail de ladite cellule (1) et couplé à un moyen capacitif (13) agencé pour accumuler une charge lorsqu'une alimentation en énergie de ladite cellule (1) est mise sous tension et en ce que l'agencement est tel que le débit d'accumulation de ladite charge par ledit moyen capacitif (13) provoque un blocage progressif dudit transistor à effet de champ (12) et donc l'enlèvement dudit court-circuit.