Brevet FR2789257A1 — publié le 20000804

La présente invention concerne un dispositif transducteur piézoélectrique ou ana- logue à circuit oscillant excitable par un circuit de commande, lequel circuit de commande présente un générateur de tension alternative qui délivre aux bornes du circuit oscillant une tension d'excitation alternative de fréquence déterminée, afin que le circuit oscillant soit parcouru par un courant opératoire alternatif sinusoïdal de même fréquence. Dans les dispositifs transducteurs piézoélectriques connus de ce type, la fréquence d'excitation diffère de la tension de résonance du circuit oscillant; il en résulte que le courant traversant le circuit oscillant n'est pas en phase avec la tension d'excitation, de sorte que le transducteur n'est pas exploité dans des conditions de rendement maximal. Comme la fréquence de résonance d'un transducteur piézo- électrique est susceptible d'une variation assez sensible, par exemple de plus ou moins 15%, il n'est pas envisageable de l'exciter à l'aide d'un oscillateur de fré- quence fixe. De plus, dans les dispositifs transducteurs connus, I'organe transducteur propre- ment dit est relié au circuit de commande par deux fils quand on ne souhaite pas de signal en retour. Il lui est relié par trois fils quand on souhaite au contraire dis- poser d'un signal en retour. L'invention a pour but d'optimiser de manière simple le rendement énergétique d'un dispositif transducteur piézoélectrique ou analogue du type décrit ci-dessus. Elle vise aussi à permettre une telle optimisation au moyen de deux fils de liaison seulement entre l'organe transducteur et son circuit de commande. Selon l'invention, le générateur de tension alternative est une bascule à laquelle sont couplés des moyens de commande tels que la bascule change d'état quand le courant opératoire change de signe. Les moyens de commande comportent de préférence un organe de mise en phase de la tension d'excitation alternative avec le courant opératoire, cet organe étant relié au circuit oscillant et à une entrée de la bascule pour délivrer à celle-ci un si- 2 2789257 gnal de commande qui commute quand le courant opératoire change de signe, afin d'ajuster la fréquence d'excitation au niveau de la fréquence de résonance du cir- cuit oscillant. La liaison entre I: circuit oscillant et le circuit de commande s'effectue avantageusement au moyen de deux fils seulement et une résistance de réglage du niveau d'émission du transducteur peut être disposée sur l'un de ces fils. Dans une forme d'exécution très simple, les moyens de commande comprennent au moins un couple de transistors de puissance interposés entre la bascule et le circuit oscillant de la manière suivante: leurs trajets base-émetteur sont aptes à relier une sortie de la bascule à une borne du circuit oscillant et leurs collecteurs sont reliés à une entrée de la bascule via des diodes respectives, de polarité in- verse; de la sorte, le courant de base des transistors constitue sensiblement le courant opératoire et leur courant de collecteur engendre des impulsions périodi- ques constituant le signal de commande de la bascule. La bascule comprend de préférence des inverseurs montés selon une structure en H en tête bêche par rapport au circuit oscillant et elle peut être agencée pour for- mer un oscillateur de démarrage. La description va être faite ci-après d'un mode de réalisation non limitatif, en re- gard des dessins annexés. La figure 1 est un schéma synoptique d'un dispositif transducteur piézoélectrique conforme à l'invention. La figure 2 en illustre un mode de réalisation préféré. Les figures 3 à 6 montrent diverses phases de fonctionnement du circuit de com- mande. La figure 7 illustre la variation de différentes grandeurs propres au circuit de com- mande. 3 2789257 La figure 8 illustre l'usage d'un oscillateur de démarrage. Le dispositif transducteur illustré sur les figures est de type piézoélectrique doté d'un organe transducteur proprement dit 10 à circuit oscillant série 11 et d'un circuit de commande 12. Le dispositif transducteur peut être utilisé dans un vibreur so- nore (buzzer) et le circuit oscillant série 11 est alors assimilable à un ensemble formé par un circuit série RLC et une capacité CO intrinsèque en parallèle à ce cir- cuit seérie. Le circuit de commande 12 comprend un générateur de tension alternative 13 qui délivre au circuit oscillant 11 une tension d'excitation alternative Ve de fréquence déterminée F, afin que le circuit oscillant soit parcouru par un courant opératoire alternatif sinusoïdal i de même fréquence. Le circuit oscillant 11 présente une fré- quence de résonance F0. Le générateur de tension 13 est, de préférence et de manière classique, une structure en H fonctionnant en double push-pull pour engendrer aux bornes du circuit oscillant une tension utile Ve alternative et double de la tension d'alimentation Vdd. La structure en H est agencée en bascule à résistance de bou- clage R1 dont une sortie 13a est reliée au circuit oscillant 11. Le circuit de commande 12 comprend d'autre part, à titre de moyens de commande associés à la bascule, un organe 14 assurant la mise en phase de la tension d'excitation alternative Ve avec le courant opératoire i, ceci afin que les fronts de Ve coïncident avec les passages à zéro du courant i. Il résulte de cette disposition que la fréquence d'excitation F de Ve est égale à la fréquence de résonance F0 du circuit oscillant. L'organe 14 présente une entrée 14a reliée à une borne 1 b du circuit oscillant 11, une autre entrée 14b reliée à une sortie 13b de la bascule 13 et une sortie 14c reliée à une entrée 13c de la bascule 13. La sortie 13a de la bascule 13 est reliée à une autre borne 11a du circuit oscillant 11. Il convient de noter que, selon une caractéristique intéressante du dispositif, les bornes 1 la,1 1 b du circuit oscillant 11 4 2789257 sont au nombre de deux et sont reliées par seulement deux fils 15,16 aux bornes 13a,14a du circuit de commande 12. Comme on le voit figure 2, l'organe 14 de mise en phase comporte de préférence un couple de transistors T1,T2 de types inverses npn et pnp dont les émetteurs sont conjointement reliés, par un point commun 18, à une borne 1 b du circuit os- cillant via une résistance de réglage de gain R4. Les collecteurs des transistors T1,T2 sont reliés à un point commun 17 par des diodes D1,D2 de polarité inverse et le point commun 17 est relié à l'entrée 13c de la bascule 13 via une résistance R3. Les bases des transistors T1,T2 sont conjointement reliées à la sortie 13b de la bascule. La bascule 13 est donc reliée à une borne 1 lb du circuit oscillant via le trajet base-émetteur de transistors, tandis que le collecteur des transistors est bou- clé sur l'entrée de la bascule. Dans le mode de réalisation de la figure 8, la bascule 13 constitue de plus un os- cillateur de démarrage. Elle comprend deux buffers inverseurs cmos 20,21 dont le point milieu E, situé entre la sortie de 20 et l'entrée de 21, est relié par un buffer inverseur 23 à l'organe transducteur 10. La sortie 13b de l'inverseur 20 est con- nectee par un buffer inverseur 24 aux bases des transistors T1,T2. Les inverseurs 23,24 ont un rôle d'isolement et d'amplification. Le point E est d'autre part con- necté via une résistance R1 à un point intermédiaire entre une résistance R2 et une capacité C1; les éléments R2,C1 sont montés en parallèle aux inverseurs ,21 et il en est de même pour une capacité C2. La bascule 13 oscille au démar- rage avec une fréquence légèrement inférieure à la fréquence de résonance F0 du circuit oscillant puis, en cours de fonctionnement, vient à osciller à la fréquence F0. Les éléments R1,C1 définissent la fréquence de l'oscillateur de démarrage, tandis que C2 augmente sa vitesse de basculement. La résistance R3 placée entre le point 17 et la bascule-oscillateur 13 limite l'effet capacitif des jonctions base- collecteur des transistors T1,T2. La résistance R4 placée entre l'organe transduc- teur 10 et le point commun 18 des émetteurs des transistors T1,T2 permet de ré- gler le niveau sonore du transducteur. Le réglage de niveau sonore peut aussi s'effectuer par modification de la tension d'alimentation Vdd. Bien entendu, on peut disposer plusieurs inverseurs en parallèle pour piloter le circuit oscillant 11. 2789257 Le fonctionnement du transducteur selon l'invention est à présent expliqué en re- gard des figures 3 à 7. A l'instant to, le courant i traverse le circuit oscillant dans le sens indiqué figure 3, qui sera considéré comme courant positif; comme la sortie de l'organe de mise en phase 14 est connectée sur une charge à relativement haute impédance, le cou- rant de collecteur du transistor T2 est faible devant le courant de base ib de T2 et le courant i est donc sensiblement égal à ib; le transistor T1 est bloqué. Le signal S disponible à la sortie 14c de l'organe 14 est dans un état indéterminé et la ten- sion Ve d'excitation du circuit oscillant 11 est donc positive, de même signe que le courant i. A l'instant t, (voir figure 4), le courant i passe par zéro pour changer de signe, et il en résulte un courant de collecteur ic qui entraîne un signal de sortie S à l'état haut (1); la bascule 13 délivre donc une tension Ve qui devient négative, de manière synchrone au courant i. Jusqu'à l'instant t2 (voir figure 5), le signal S a un état indéterminé et la tension Ve reste négative. A l'instant t2 (voir figure 6), le courant i passe par zéro pour redeve- nir positif et le signal S passe à l'état bas (0); la bascule 13 délivre une tension Ve qui devient positive, de manière synchrone au courant i. 6 2789257 Revendications 1. Dispositif transducteur piézoélectrique ou analogue comprenant un organe transducteur (10) à circuit oscillant (11) et un circuit de commande (12) apte à ex- citer le circuit oscillant, lequel circuit de commande présente un générateur de ten- sion alternative (13) qui délivre au circuit oscillant une tension d'excitation alterna- tive (Ve) de fréquence déterminée (F), afin que le circuit oscillant soit parcouru par un courant opératoire alternatif (i) sensiblement sinusoïdal et de même fréquence, caractérisé parle fait que le générateur de tension alternative (13) est une bascule à laquelle sont couplés des moyens de commande (14) tels que la bascule (13) change d'état quand le courant opératoire (i) change de signe. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de commande (14) constituent un organe de mise en phase de la tension d'excitation alternative (Ve) avec le courant opératoire alternatif (i), lequel organe est relié au circuit oscillant (11) et à une entrée de la bascule (13) pour délivrer à cette entrée un signal de commande (S) qui commute quand le courant opératoire change de signe, afin d'ajuster la fréquence d'excitation (F) au niveau de la fréquence de ré- sonance (F0) du circuit oscillant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'organe (14) de mise en phase comprend au moins un couple de transistors de puissance (T1,T2) dont les bases sont reliées à une sortie (13b) de la bascule(13), les émetteurs au circuit oscillant (11) et les collecteurs à une entrée (13c) de la bascule via des dio- des respectives (D1,D2) montées en inverse, de manière que le courant de base des transistors constitue sensiblement le courant opératoire (i) et que le courant de collecteur des transistors engendre à l'entrée (13c) de la bascule des impulsions périodiques constituant son signal de commande (S). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bascule (13) est agencée selon une structure en H, cette structure comprenant des inverseurs montés tête bêche par rapport au circuit oscillant (11). 7 2789257 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit oscillant (11) est relié au circuit de commande (12) par deux fils (15,16). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bascule (13) est agencée pour former un oscillateur de démarrage. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une résistance (R4) de réglage du niveau d'émission du transducteur est disposée sur un fil (16) reliant l'organe transducteur (10) aux moyens de commande (14).