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La présente in vention a pour objet un nouveau procédé permettant d' obtenir ,à partir d'une source de courant alternatif qui peut être variable en tension et en fréquence, une référence de tension ou de courant, utilisable notamment dans les régulateurs industriels. Ce nouveau procédé est essentielle- ment caractérisé en ce que l'on dispose, dans un circuit alternatif, au moins: une self saturable, une diode à effet Zener et une résistance en série, un tel groupement ayant la propriété de maintenir constante la valeur moyenne de la tension aux bornes de la résistance, qui, dans le cas d'une référence de tension, pourra être-la résistance de charge et qui, dans le cas d'une référence de cou- rant, sera parcourue par le courant à maintenir constant.
Ce nouveau procédé présente les avantages d'un.bon rendement, d'une grande simplicité de construction, d'une insensibilité à la fréquence et à la tension et d'une grande facilité de réglage de la valeur de référence.
En se référant aux figures schématiques ci-jointes, on va décrire des exemples, donnés à titre non limitatif, de mise en oeuvre de l'invention. Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemples, devront être considérées comme aisant patie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront être aussi bien utilisées sans sortir du ca- dre de celle-ci.
La Fig. 1 représente un exemple, très simple, de mise en oeuvre de l'invention en vue d'obtenir une référence de tension. Aux bornes de la source 1 de courant alternatif, sont montées en série une self saturable 2, une diode à effet Zener 3 et la résistance de charge 4, que l'on veut alimenter à tension constante.
On sait qu'une diode à effet Zener présente, dans-le sens direct une caractéristique normale de redresseur sec et que, dans le sens inverse, le courant est nul jusqu'à une certaine tension, de l'ordre de quelques volts, qui sera désignée par Uz, puis augmente brutalement à tension constante. Le courant admissible dans le sens direct est très nettement supérieur à celui qui peut être toléré dans le sens inverse.
La self 2 sera choisie telle que son courant magnétisant soit infé- rieur au courant inverse maximum de la diode et qu'elle soit capable d'absorber une tension supérieure à la tension inverse de la diode.
On désignera par U la tension moyenne de la source 1, par W. la valeur moyenne de la force contre-électromotrice produite par la variation de flux dans la self 2 pendant l'alternance inverse, par W2 cette valeur moyenne pen- dant l'alternance directe, par R la valeur de la résistance de charge 4, et par I la valeur moyenne du courant traversant le circuit pendant l'alternance posi- tive.
On appellera positives les alternances de la tension d'alimentation qui correspondent au sens direct de passage dans la diode 3.
La Fig. 2 représente la courbe, en fonction du temps, de la tension d'alimentation.
@ La Fig. 3 représente le cycle d'hystérésis idéalisé du noyau magné- tique de la self 2, les flux étant portés en ordonnée et les ampères-tours magné- tisants en abscisse.
La tension d'alimentation fournie en 1 doit avoir une valeur de crête supérieure à Uz, sinon l'ensemble fonctionnerait comme un amplificateur magné- tique autosaturé.
Pendant l'alternance négative, entre les instants t1 et t2, la tension dela source 1 est inférieure à Uz et aucun courant ne circule dans le circuit.
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La self 2 ayant été saturée pendant l'alternance précédente, demeure saturée et l'on reste au point A sur le cycle d'hystérésis. De l'instant t2 à l'instant t3, un courant circule dans le sens inverse de la diode 3 et produit une variation de flux dans la self 2, ce qui correspond au parcours A B C D sur le cycle d'hys- térésis. De l'instant t3 à l'instant t4, la tension inverse est à nouveau infé- rieure à Uz et l'on reste au point D sur le cycle d'hystérésis.
Pendant cette alternance négative, la tension moyenne U de la source 1, dont une image est donné par la somme des aires S. et S2 de la Fig. 2, est é- égale à la somme de W.. et de sensiblement Uz
U = W1 Uz
Pendant l'alternance positive, entre les instants t4 et t5, un fai- ble courant circule dans le circuit pour saturer la self 2 ce qui correspond au parcours D E F sur le cycle d'hystérésis. A partir de l'instant, t5 le noyau de la self 2 est saturé et toute la tension est appliquée aux bornes de la résistance de charge 4; de l'instant t5 à l'instant t6, le cycle d'hystérésis est parcouru de F vers X et de X à A.
Pendant cette alternance positive, la tension moyenne U de la source 1, représentée par la somme des aires S3 et S4,est égale à la somme de W2 et de RI @
U = W2 RI
En comprenant les deux valeurs de U ainsi exprimées et en remarquant que W. est nécessairement égal à W2, on voit que la tension moyenne de RI, aux bornesde la charge 4 pendant l'alternance positive, est sensiblement égal à Uz.
La Fig. 4 représente la tension moyenne de RI, aux bornes de la char- ge , portée en ordonnée, en fonction de la tension moyenne U de la source 1 portée en abscisse. La tension RI est pratiquement constante lorsque la tension U se trouve comprise entre Uz et une valeur Um telle que la différence ¯ U Um - Uz soit égale à la tension maxima que peut absorber la self 2. Cette tension maxima est fixée par la fréquence de la source d'alimentation et par la varia- tion de flux maxima dans la self.
Dans cette plage ¯ U qui vient d'être définie, on peut obtenir une valeur rigoureusement constante de la tension d'utilisation, en partant d'une tension d'alimentation alternative à onde rectangulaire.
Dans le raisonnement qui précède, on a négligé la chute de tension directe dans la diode 3. Cette chute de tension étant constante, en tenir comp- te ,revient simplement à retrancher de la tension d'utilisation une tension constante égale à la chute directe dans la diode.
Le cycle d'hystérésis du noyau magnétique de la self 2 a été suppo- sé de forme rectangulaire; cette condition n'est pas impérative et on peut tout aussi bien réaliser cette self avec des matériaux qui ne sont pas saturés en 1' absence d'ampères-tours magnétisants.
Dans l'exemple de la Fig. 1, on n'utilise qu'une alternance de la source d'alimentation. La Fig. 5 montre un exemple d'utilisation des deux alternar ces; les références identiques à celles de la Fig. 1 désignent des organes ana- logues et 5 désigne deux redresseurs secs ordinaires.
Lorsque les deux alternances sont redressées, la puissance maxima que l'on peut obtenir aux bornes de la charge est égale au produit de la tension
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inverse des diodes à effet Zener par le courant maximum qu'on peut y admettre dans le sens direct. On dispose ainsi d'une référence de tension de puissance relativement très élevée.
La Fig. 6, où les mêmes références désignent des organes analogues à ceux de la Fig. 1, représente un exemple d'application de l'invention à la production d'une tension de référence, dans le cas d'une alimentation triphasée, ce qui a l'avantage de réduire sensiblement les ondulations de la tension de ré- férence.
La Fig. 7 représente un exemple d'application de l'invention à l'ali- mentation d'une résistance de charge 4 à partir d'une source de courant alterna- tif 1, comme dans la Fig.l, mais en vue d'obtenir un courant constant. Deux bran- ches , montées en parallèle entre les points 6 & 7, contiennent chacune une self saturable 2, une diode à effet Zener 3 et, de plus, une résistance réglable 8.
Un pont de redresseurs 9 a été ajouté car on a supposé que la.charge 4 devait être alimentée en courant redressé. Il serait simplement supprimé si la charge 4 de- vait être alimentée en courant alternatif.
Le fonctionnement du schéma de la Fig. 7 est le suivant Si l'on considère une alternance et que l'on désigne par v la valeur moyenne de-la tension entre les points 6 et 7, par r la valeur des résistances 8, et par i la valeur moyenne du courant passant dans la charge 4, W. et W2 ayant la même signification que précédemment, on a, dans la branche parcourure dans le sens inverse,-la relation : v = W2 + Uz et, dans la branche parcourue , dans le sens direct , la relation : v -1 +ri On déduit, de la symétrie des phénomènes dans les deux alternances , que ri = Uz.
Le courant i ne dépend ainsi que de la valeur r des résistances 8. Il est pratiquement indépendant de la tension et de la fréquence de. la source d'alimentation 1 et de la valeur de la résistance de charge 4. Le courant i sera rigoureusement constant sï l'on part d'une tension d'alimentation 1 à onde rectangulaire.
Comme précédemment, on a négligé, dans le raisonnement, la chute de tension directe dans les diodes et les redresseurs secs. Cette chute de tension étant constante, il suffit pour en tenir compte de retrancher de la tension d' alimentation une tension constante égale à cette chute directe.
Dans le cas où l'on débite sur une charge formée d'une résistance et d'une self de filtrage, les forces électro-motrices induites dans la self par les pulsations de tension troublent le fonctionnement de l'appareil. On peut y remédier en branchant aux bornes du pont 9, en parallèle avec la charge 4, un condensateur, dont la capacité C sera, de préférence, telle que f étant la fré- quence de la source d'alimentation 1, et R la valeur de la résistance de charge 4, RC soit supérieur ou égal à 1 f
La Fig. 8 représente un autre exemple de réalisation d'une référence de courant, conforme à l'invention.
La charge 4 est alimentée par la source 1, en courant redressé dansle pont 10; les bornes alternatives 11 et 12 de ce pont 10 sont reliées, par l'intermédiaire de deux branches comportant chacune une self durable 2 et une résistance réglable 8, à une borne 13 de la source 1.
Entre les bornes 11 et 12, on monte une diode à effet Zener 3.
Le fonctionnement dans la période est le même que celui du schéma représenté sur la Figo 7 et les résultats obtenus sont comparables. L'avantage du schéma de la Fig. 8 sur celui de la Fig 7 est que la diode à effet Zener n' est pas traversée par le courant de débit, mais seulement par le courant magné- tisant. Par conséquent, le courant de sortie n'est plus limité, comme dans le pre- mier schéma, par--le courant direct des diodes à effet Zener. Ce schéma est donc
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plus souple et permet avec les mêmes diodes à effet Zener d'obtenir des puissances de sortie plus importantes.
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The subject of the present invention is a new process making it possible to obtain, from an alternating current source which can be variable in voltage and in frequency, a voltage or current reference, which can be used in particular in industrial regulators. This new process is essentially characterized in that one has, in an AC circuit, at least: a saturable inductor, a Zener effect diode and a series resistor, such a group having the property of keeping the value constant. mean of the voltage across the resistor, which, in the case of a voltage reference, may be the load resistance and which, in the case of a current reference, will be traversed by the current at keep constant.
This new process has the advantages of a good efficiency, great simplicity of construction, insensitivity to frequency and voltage and great ease of adjustment of the reference value.
With reference to the accompanying schematic figures, examples, given without limitation, of implementation of the invention will be described. The embodiments which will be described with reference to these examples should be considered as being part of the invention, it being understood that all equivalent arrangements can be used equally well without departing from the scope thereof.
Fig. 1 represents a very simple example of implementation of the invention with a view to obtaining a voltage reference. At the terminals of the alternating current source 1, a saturable inductor 2, a Zener effect diode 3 and the load resistor 4, which are to be supplied at constant voltage, are connected in series.
We know that a Zener effect diode presents, in the forward direction, a normal characteristic of a dry rectifier and that, in the reverse direction, the current is zero up to a certain voltage, of the order of a few volts, which will be denoted by Uz, then suddenly increases at constant voltage. The admissible current in the forward direction is very clearly greater than that which can be tolerated in the reverse direction.
The choke 2 will be chosen such that its magnetizing current is less than the maximum reverse current of the diode and that it is capable of absorbing a voltage greater than the reverse voltage of the diode.
We will denote by U the mean voltage of source 1, by W. the mean value of the back-electromotive force produced by the variation of flux in choke 2 during the reverse half-wave, by W2 this mean value during the direct halfwave, by R the value of load resistor 4, and by I the average value of the current flowing through the circuit during positive halfwave.
The alternations of the supply voltage which correspond to the direct direction of passage through diode 3 will be called positive.
Fig. 2 represents the curve, as a function of time, of the supply voltage.
@ Fig. 3 represents the idealized hysteresis cycle of the magnetic core of inductor 2, the fluxes being plotted on the ordinate and the magnetizing ampere-turns on the abscissa.
The supply voltage supplied at 1 must have a peak value greater than Uz, otherwise the assembly would function as a self-saturated magnetic amplifier.
During the negative half-wave, between the instants t1 and t2, the voltage of the source 1 is lower than Uz and no current flows in the circuit.
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The choke 2 having been saturated during the previous alternation, remains saturated and we remain at point A on the hysteresis cycle. From instant t2 to instant t3, a current flows in the opposite direction to diode 3 and produces a variation in flux in choke 2, which corresponds to the path A B C D over the hysteresis cycle. From time t3 to time t4, the reverse voltage is again lower than Uz and we stay at point D on the hysteresis cycle.
During this negative half-wave, the average voltage U of source 1, an image of which is given by the sum of the areas S. and S2 in FIG. 2, is equal to the sum of W .. and substantially Uz
U = W1 Uz
During the positive half-wave, between the instants t4 and t5, a weak current circulates in the circuit to saturate the choke 2 which corresponds to the path D E F on the hysteresis cycle. From the moment, t5 the core of the choke 2 is saturated and all the tension is applied to the terminals of the load resistor 4; from time t5 to time t6, the hysteresis cycle is traversed from F to X and from X to A.
During this positive half-wave, the average voltage U of source 1, represented by the sum of the areas S3 and S4, is equal to the sum of W2 and of RI @
U = W2 RI
By understanding the two values of U thus expressed and by noting that W. is necessarily equal to W2, it can be seen that the average voltage of RI, at the terminals of load 4 during the positive half-wave, is substantially equal to Uz.
Fig. 4 represents the average voltage of RI, at the terminals of the load, plotted on the ordinate, as a function of the average voltage U of source 1 plotted on the abscissa. The voltage RI is practically constant when the voltage U is between Uz and a value Um such that the difference ¯ U Um - Uz is equal to the maximum voltage that the choke 2 can absorb. This maximum voltage is fixed by the frequency of the power source and by the maximum flux variation in the choke.
In this range ¯ U which has just been defined, it is possible to obtain a strictly constant value of the operating voltage, starting from an alternating rectangular wave supply voltage.
In the foregoing reasoning, we have neglected the forward voltage drop in diode 3. This drop in voltage being constant, to take it into account, simply amounts to subtracting from the operating voltage a constant voltage equal to the forward drop. in the diode.
The hysteresis cycle of the magnetic core of inductor 2 was assumed to be rectangular in shape; this condition is not imperative and it is just as possible to achieve this choke with materials which are not saturated in the absence of magnetizing ampere-turns.
In the example of FIG. 1, only one alternation of the power source is used. Fig. 5 shows an example of the use of the two alternar ces; the references identical to those in FIG. 1 denote analogous members and 5 denote two ordinary dry rectifiers.
When the two halfwaves are rectified, the maximum power that can be obtained at the terminals of the load is equal to the product of the voltage
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inverse of the Zener effect diodes by the maximum current that can be admitted in the forward direction. This provides a relatively very high power voltage reference.
Fig. 6, where the same references designate members similar to those of FIG. 1, represents an example of application of the invention to the production of a reference voltage, in the case of a three-phase supply, which has the advantage of significantly reducing the ripples of the reference voltage.
Fig. 7 shows an example of application of the invention to the supply of a load resistor 4 from an alternating current source 1, as in FIG. 1, but with a view to obtaining a constant current. Two branches, connected in parallel between points 6 & 7, each contain a saturable choke 2, a Zener effect diode 3 and, moreover, an adjustable resistor 8.
A rectifier bridge 9 was added because it was assumed that the load 4 was to be supplied with rectified current. It would simply be deleted if the load 4 were to be supplied with alternating current.
The operation of the diagram of FIG. 7 is the following If we consider an alternation and we denote by v the average value of the voltage between points 6 and 7, by r the value of resistors 8, and by i the average value of the passing current in load 4, W. and W2 having the same meaning as previously, we have, in the branch traversed in the opposite direction, the relation: v = W2 + Uz and, in the branch traversed, in the direct direction, the relation: v -1 + ri We deduce, from the symmetry of the phenomena in the two half-waves, that ri = Uz.
The current i thus depends only on the value r of the resistors 8. It is practically independent of the voltage and the frequency of. the power source 1 and the value of the load resistor 4. The current i will be strictly constant if one starts from a supply voltage 1 with a rectangular wave.
As previously, the reasoning has neglected the forward voltage drop in the diodes and the dry rectifiers. Since this voltage drop is constant, it suffices to take it into account to subtract from the supply voltage a constant voltage equal to this direct drop.
In the case where one discharges on a load formed by a resistance and a filtering choke, the electro-motor forces induced in the choke by the voltage pulsations disturb the operation of the device. This can be remedied by connecting to the terminals of the bridge 9, in parallel with the load 4, a capacitor, the capacity C of which will preferably be such that f being the frequency of the power source 1, and R the value of load resistance 4, RC is greater than or equal to 1 f
Fig. 8 shows another embodiment of a current reference, in accordance with the invention.
Load 4 is supplied by source 1, with current rectified in bridge 10; the alternating terminals 11 and 12 of this bridge 10 are connected, by means of two branches each comprising a durable self-inductor 2 and an adjustable resistor 8, to a terminal 13 of the source 1.
Between terminals 11 and 12, a Zener effect diode 3 is fitted.
The operation in the period is the same as that of the diagram shown in Figo 7 and the results obtained are comparable. The advantage of the diagram of FIG. 8 on that of Fig. 7 is that the Zener diode is not traversed by the flow current, but only by the magnetizing current. Consequently, the output current is no longer limited, as in the first diagram, by the direct current of the Zener effect diodes. This diagram is therefore
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more flexible and allows with the same Zener effect diodes to obtain higher output powers.