Dispositif de commutation à deux états stables Dans les systèmes de communication électriques pour signaux modulés, par exemple dans les systèmes de com munication à basse fréquence, les lignes sont agencées de manière à être connectées entre elles et déconnectées en réponse à des signaux électriques momentanés. Les inter rupteurs utilisés pour connecter et déconnecter ainsi les lignes doivent évidemment être à autoblocage, c'est- à-dire qu'ils doivent rester fermés ou ouverts , sui vant le cas, après avoir été actionnés par un signal mo mentané jusqu'à l'apparition du signal momentané sui vant.
Dans les centraux téléphoniques, par exemple, on uti lise plusieurs milliers de ces interrupteurs et il est donc souhaitable que chaque interrupteur ait de petites dimensions pour des raisons d'économie d'encombrement et que les interrupteurs ne comportent pas de contacts mobiles, du fait que de tels contacts sont sujets à des défaillances, comme par exemple le collage et les vibra tions des contacts.
Dans le brevet principal No 389683 de la titulaire, il est décrit un dispositif de commutation à deux états sta bles comprenant un noyau magnétique à ouvertures mul tiples en une matière ayant une courbe d'hystérésis pra tiquement rectangulaire, ce noyau étant pourvu d'au moins une petite ouverture de signal et d'enroulements servant à appliquer à la matière du noyau entourant la petite ouverture, une force magnétomotrice porteuse, une force magnétomotrice de signal et une force magnétomo- trice de polarisation,
un enroulement supplémentaire étant couplé à la matière du noyau entourant la petite ouverture, le noyau étant pourvu en outre d'un enroule ment de commande destiné à lui appliquer d'une part une force magnétomotrice pour le commuter dans un état de rémanence magnétique dans lequel il est fermé et dans lequel la force magnétomotrice d'un signal d'entrée et la force magnétomotrice porteuse induisent un signal de sortie dans ledit enroulement supplémentaire, et d'au- tre part une force magnétomotrice pour le commuter dans un état de rémanence magnétique dans :
lequel il est ouvert et dans lequel aucun signal de sortie n'est induit dans l'enroulement supplémentaire.
On va décrire maintenant le fonctionnement d'un tel dispositif à titre d'introduction en se référant aux fig. 1 et 1A du dessin annexé, dans lequel la fig. 1 est un schéma de montage de cet interrup teur, et la fig. <B>IA</B> est un schéma se rapportant à la caractéris tique entrée-sortie de l'interrupteur de la fig. 1.
Comme représenté sur la fig. 1, un noyau 1 d'emma gasinage magnétique en ferrite ayant une boucle d'hysté- résis essentiellement rectangulaire comporte une grande ouverture centrale 2, une petite ouverture d'entrée 3 et une petite ouverture du signal 4. Un enroulement -de fermeture 5 est enroulé autour .de la branche externe de l'ouverture 3, c'est-à-dire autour du matériau du noyau entre l'ouverture 3 et le contour externe du noyau et un enroulement d'ouverture 6 traverse la grande ouverture 2 du noyau 1.
Un enroulement 7 de porteuse de signal traverse l'ouverture 4, un enroulement de signal 8 et un enroulement de signal supplémentaire 9 étant enroulés autour de la branche externe .de l'ouverture 4. L'enroulement 9 est connecté à un détecteur de signal 10 qui comprend un condensateur de blocage 11, un redresseur demi-onde 12, une résistance 13, un conden sateur 14 et des bornes de sortie 15.
En excitant l'enroulement 6 avec une impulsion de courant Io, on put commuter le noyau 1 à un état de repos ou ouvert de rémanence magnétique dans lequel tout le flux magnétique rémanent d'un chemin de flux, indiqué d'une manière générale par PM, qui s'étend au tour de la, grande ouverture 2 est polarisé dans le sens des aiguilles d'une montre (sur la fig. 1).
En excitant l'enroulement 5 avec une impulsion similaire, on peut commuter le noyau 1 à un état de travail ou fermé de rémanence magnétique, dans lequel la moitié sensible ment du flux magnétique rémanent qui entoure l'ouver ture 2 est polarisée dans le sens des aiguilles d'une mon tre (sur la fig. 1) et l'autre moitié sensiblement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (sur la fig. 1), le flux magnétique rémanent dans le matériau du noyau dans la partie externe du chemin, qui comprend les bran ches externes des ouvertures 3 et 4,
étant polarisé dans le sens des aiguilles d'une montre et celui adjacent à l'ouverture 2 étant polarisé dans le sens contraire des aiguilles d'une montre.
L'enroulement 7 est excité par un courant porteur le à haute fréquence, le nombre des spires N de l'enroule ment 7 traversant la petite ouverture 4 étant tel que NIc est inférieur à la valeur requise pour commuter le flux magnétique rémanent dans un chemin de flux Pm qui entoure l'ouverture 4 quand le noyau est dans son état ouvert, mais excède cette valeur quand le noyau est dans son état fermé.
Un courant Is de signal d'entrée à basse fréquence appliqué à l'enroulement 8 provoque l'applications d'une force magnétomotrice au chemin Pm qui module le flux commuté par le courant porteur Ic à haute fréquence pour exciter l'enroulement 9. Après éli mination de la composante haute fréquence Ic dans le détecteur 10, une tension de sortie Vo est appliquée aux bornes de sortie 15.
En maintenant l'amplitude et la durée maximum de la force magnétomotrice combinée produite par les courants le et Is à une valeur sensible ment inférieure au point de saturation du matériau du noyau du chemin Pm en appliquant un courant de pola risation continu Idc à l'enroulement 7 comme indiqué sur la fig. 1,
on peut maintenir la quantité de flux réma nent commuté en relation linéaire avec le signal d'en trée Is. La fréquence du courant le doit être sensible ment plus grande que la fréquence la plus haute signal Is.
Grâce à la valeur de NIc, l'enroulement 9 est excité quand le noyau est à son état fermé mais n'est pas excité quand le noyau est à son état ouvert. L'état ouvert du noyau peut donc être considéré comme un état d' ar rêt du noyau, l'état fermé étant considéré comme un état de marche du noyau.
Comme représenté sur la fig. <B>IA,</B> si le courant Idc n'était pas présent, l'interrupteur opérerait autour d'un point OP,. On supposera que la forme de la tension Vo en réponse à un cycle unique du courant Is est, par exemple, celle d'une onde de signal simple. Comme la tension Vo décroît à mesure que le courant Is augmente, d'un côté du point OP,, ou décroît à mesure que le cou rant Is augmente, de l'autre côté du point OP,,
la ten sion Vo comprend deux impulsions négatives par cycle du courant Is. La sortie du détecteur 10 apparaît donc à une fréquence double de celle du signal d'entrée Is. Pour éviter cela, on maintient le courant de polarisation Idc à une valeur supérieure à zéro de sorte que le courant à haute fréquence appliqué à l'enroulement 7 est asymé trique, comme indiqué sur la fig. 1, pour maintenir le ,point de fonctionnement en OP2 (fig. 1A)
de sorte qu'une partie essentiellement linéaire de la caractéristique entrée-sortie se trouve de part et d'autre de la ligne Is = O, de sorte que la tension Vo suit le courant Is.
L'instabilité en tension de la source de courant le ou de courant Ide a un effet défavorable sur la caractéristi que entrée-sortie et par suite sur la tension Vo du signal de sortie.
Du fait que, même quand le noyau est à l'état ou vert , une certaine quantité de flux dynamique ainsi qu'une petite quantité de flux magnétique rémanent peu vent être commutées par le courant porteur le de haute fréquence, des tensions parasites sont induites dans l'en roulement 9. Comme il ressort de la fig. 1A, la courbe pour Idc > O indique que, quand Is = O, Vo a une valeur notable.
Quand l'enroulement 5 est excité le cou rant porteur à haute fréquence modifie la valeur du cou rant de sortie aux bornes 15 de façon au moins aussi importante que l'amplitude la plus grande du courant d'entrée Is à appliquer. Ce signal de sortie parasite pro duit un battement audible quand les bornes 15 sont connectées, par exemple, à un appareil téléphonique et peut être gênant aussi quand les bornes sont connectées à un circuit de transfert de données. Il n'est pas possible d'éliminer par filtrage le signal de sortie parasite car les composantes de sa fréquence se trouvent dans la bande de fréquence à utiliser.
Le dispositif de commutation à deux états stables, objet de l'invention, est caractérisé en ce que chaque extrémité de l'enroulement de signal supplémentaire est connectée à un circuit redresseur demi-onde, l'enroule ment de signal supplémentaire présentant une prise cen trale connectée à un conducteur relié auxdits circuits redresseurs de manière que chacune des alternances posi tives des tensions induites par la force magnétomotrice porteuse de haute fréquence soit appliquée audit conduc teur commun pour produire une tension résultante pro duisant ladite force magnétomotrice de polarisation.
Ainsi, dans la présente invention, le courant continu de polarisation est fourni par la tension de sortie de l'en roulement supplémentaire. Cette disposition présente l'avantage suivant: lorsque la tension de polarisation est produite par la tension de sortie, la valeur de cette pola risation est toujours proportionnée à celle de la tension porteuse-de la haute fréquence, de sorte que ladite ten sion de polarisation a toujours une valeur correcte.
Les fig. 2 à 7 du dessin annexé représentent, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution du dispositif, objet de l'invention.
La fig. 2 est un schéma de circuit d'un dispositif de commutation à deux états stables constituant la première forme d'exécution ; les fig. 2A à 2C sont des schémas montrant les carac téristiques entrée-sortie du dispositif de la fig. 2 ; la fig. 3 est un schéma de montage d'un dispositif constituant la seconde forme d'exécution ; les fig. 3A à 3C sont des graphiques illustrant des caractéristiques entrée-sortie du dispositif de la fig. 3 ;
les fig. 4 à 6 sont des montages schématiques de dis positifs à deux états stables constituant encore d'autres formes d'exécution, et la fig. 7 est un graphique illustrant les caractéristi ques suivant la forme d'exécution de la fig. 6.
Comme représenté sur la fig. 2, un noyau magnétique 16 en un même matériau que le noyau 1 de la fig. 1 pos sède un enroulement de fermeture 17 enroulé autour de la branche externe d'une petite ouverture d'entrée 18 du noyau 16, un enroulement d'ouverture 19 traversant une grande ouverture centrale 20 du noyau 16. Un enroule ment de porteuse de signal 21 traverse dans le même sens les petites ouvertures de signal 22 et 23.
Un enroulement de signal 24 est enroulé autour de la branche externe de l'ouverture 23 et un enroulement de signal supplémen taire de sortie 25 traverse les deux ouvertures 22 et 23 dans le même sens, chaque extrémité de l'enroulement 25 étant connectée à une entrée de branchement d'un circuit redresseur demi-onde dans un détecteur de signal 26. Le circuit redresseur comprend des diodes 27 et 28, aux sor ties desquelles sont connectées des résistances 29 et 30, des condensateurs 31 et 32 et les bornes de sortie 33 du détecteur de signal. L'enroulement supplémentaire 25 comporte une prise centrale connectée à un conducteur 34 qui est connecté à son tour aux résistances 29 et 30 et aux condensateurs 31 et 32.
On peut commuter le noyau 16 entre un état fermé et un état ouvert en excitant les enroulements 17 et 19 res pectivement de la manière décrite ci-dessus en référence au noyau 1 de la fig. 1. Le courant porteur le à haute fréquence appliqué à l'enroulement 21 entraîne la pro duction d'une force magnétomotrice oscillante autour de chacune des ouvertures 22 et 23 pour commuter les deux flux magnétiques rémanent et dynamique autour de cha que ouverture à chaque demi-alternance du courant por teur, dans le même sens relatif, à l'état fermé du noyau 16. A l'état ouvert du noyau 16, une quantité insignifiante de flux magnétique est commutée.
A l'état fermé du noyau 16, quand est appliqué à l'enroulement 24 un courant de signal Is modulé par exemple à haute fréquence, une tension signal de sortie est induite dans l'enroulement 25 par la force magnéto- motrice porteuse à haute fréquence sur laquelle est su perposée la force magnétomotrice engendrée par le cou rant Is. Le courant est appliqué par conséquent aux deux diodes 27 et 28 qui laissent passer les demi-alternances positives du courant induit dans l'enroulement 25,
le cou rant appliqué à la diode 27 s'écoulant par la résistance 39 dans le conducteur 34 et le courant appliqué à la diode 28 s'écoulant par la résistance 30 dans le conduc teur 34. En réponse à chaque demi-alternance positive du courant porteur le à haute fréquence, des tensions Vl et V2 apparaissent aux bornes des condensateurs respec tifs 31 et 32 en opposition,
avec une tension de sortie résultante Vo = Vl - Vj Bien que l'enroulement 21 de porteuse de signal ne soit pas excité avec le courant continu de polarisation Ide comme dans le cas de l'interrupteur décrit en réfé rence à la fig. 1, les résistances 29 et 30 ont une valeur telle que l'excitation de l'enroulement 25 engendre un courant de polarisation dans l'enroulement 34 pour pola riser automatiquement le courant induit par le courant porteur à haute fréquence,
dans l'enroulement 25 de sorte que le flux commuté pendant la demi-alternance positive du courant Ic tend à être inférieur à celui com- muté pendant la demi-alternance négative de sorte que le matériau du noyau entourant les ouvertures 22 et 23 atteint la saturation dans un sens négatif.
Par suite, pour une valeur instantanée quelconque du courant le une quantité correspondante de flux est commutée pendant la demi-alternance positive, et pendant la demi-alter- nance négative suivante précisément la même quantité de flux est commutée dans le sens opposé mais à une vitesse plus grande.
Une forme d'onde de la tension de sortie asymétrique qui est proportionnelle à la force ma- gnétomotrice de commande appliquée est fournie ainsi jpar les courants Is et le. La tension de sortie Vo a par conséquent la même forme que le courant de signal d'en trée Is.
Il est clair d'après la fig. 2A que la valeur de la ten sion Vl n'est pas affectée par la valeur du courant Is. La fig. 2B montre la valeur de la tension V2 en fonc tion du courant Is, le déplacement vers la gauche (sur la fig. 2B) de la courbe étant dû à la polarisation automa tique décrite ci-dessus.
- La fig. 2C montre les valeurs de la tension de sor tie Vo en fonction du courant Is, le point de fonctionne ment OP5 sur la courbe résultant de la combinaison des courbes des fig. 2A et 2B (avec les points de fonctionne ment OP3 et OP,4 ). Comme représenté sur la fig. 2C une partie linéaire considérable de la courbe est dispo nible pour le fonctionnement<B>.</B> sans appliquer un courant continu de polarisation à l'enroulement 21.
Comme les signaux de bruit engendrés par la source qui fournit le courant porteur à haute fréquence ont un effet égal sur le matériau du noyau entourant les ouvertures 22 et 23, les composantes de la tension de bruit que laisse passer le détecteur 26 s'annulent l'une l'autre. Comme la ten sion de sortie Vo est sensiblement nulle quand le courant de signal d'entrée Is est à la valeur zéro, il n'apparaît aucun signal parasite correspondant au battement mentionné ci-dessus quand le noyau est commuté de l'état ouvert<B> </B> à l'état fermé .
Pour améliorer le rapport fermé-ouvert de l'inter rupteur, on peut rendre la petite ouverture 23 légèrement plus grande que n'importe laquelle des ouvertures restan tes du noyau pour réduire la section transversale du ma tériau du noyau qui doit être excité par le courant por teur à haute fréquence.
La fig. 3 montre un interrupteur magnétique similaire à celui décrit en référence à la fig. 2 et dont les parties constitutives ayant la même fonction que les parties cor respondantes de la fig. 2 portent les mêmes chiffres de références, mais affectés de l'indice prime. Sur la fig. 3, toutefois, un enroulement de signal 124 traverse dans des sens opposés les deux petites ouvertures de signal qui dans ce cas doivent avoir des dimensions identiques.
La force magnétomotrice fournie par le courant d'entrée de signal Is engendre ainsi des variations de flux de sens opposé par rapport au matériau du noyau qui entoure l'ouverture 22' et au matériau du noyau entourant l'ou verture 23'.
Les fig. 3A et 3B montrent les courbes caractéristi ques entrée-sortie en fonction de Vi et V2 respective ment. Les circuits redresseurs demi-onde du détecteur de signal 26 servent à produire une courbe caractéristique comme celle représentée sur la fig. 3C, la tension V, étant inversée de sorte que le point de fonctionnement OPE de l'interrupteur est placé dans une partie longue et linéaire de la courbe.
Deux courbes caractéristiques qui sont non linéaires sont combinées ainsi de la manière utilisée dans un amplificatuer push-pull pour assurer un fonctionnement sensiblement sans distorsion.
La fig. 4 montre un interrupteur magnétique similaire à celui décrit ci-dessus en référence à la fig. 3, mais dans lequel les signaux d'entrée sont appliqués directe ment à l'enroulement supplémentaire. Sur la fig. 4, les parties qui ont la même fonction que les parties décrites relativement à la fig. 3 portent les mêmes chiffres de réfé rence mais affectés de l'indice seconde. Comme indiqué sur la fig. 4 le courant de signal d'entrée Is est appliqué à un conducteur d'entrée 35 relié à l'enroulement de signal supplémentaire 25".
Le fonctionnement du cir cuit est exactement le même que celui décrit en référence à la fig. 3 et les caractéristiques entrée-sortie sont les mêmes que celles représentées sur les fig. 3A à 3C. L'avantage que présente l'interrupteur de la fig. 4 est que le nombre d'enroulements qui doivent être passés dans les petites ouvertures de signal 22" et 23" est réduit par rapport à l'interrupteur de la fig. 3.
Ceci réalise une économie considérable dans la fabrication eu égard au fait que comme le noyau 16" a en pratique une plus grande dimension inférieure à un centimètre, le diamètre des petites ouvertures étant de l'ordre d'un millimètre, le travail requis pour câbler les petites ouvertures entre pour une partie importante dans le prix total de pro duction du noyau de l'interrupteur.
La fig. 5 montre une forme d'exécution similaire à celle de la fig. 2, avec cette différence que le câblage du noyau est simplifié de façon considérable. Sur la fig. 5 les parties qui ont une fonction similaire à celles décrites en référence à la fig. 2 portent les mêmes chiffres de réfé rence que ceux employés pour la fig. 2 mais sont multi- pliés par dix.
Un enroulement 37 de porteuse de signal à haute fréquence et de signal est connecté à l'enroulement de signal supplémentaire 250 et reçoit le courant d'entrée Ic à fréquence porteuse et le courant Is d'entrée de signal dans des sens additifs pour appliquer les forces magnéto- motrices de signal et porteuse au matériau du noyau autour des petites ouvertures de signal 220 et 230 dans le même sens de sortie que les caractéristiques entrée-sortie sont celles représentées sur les fig. 3A à 3C.
La fig. 6 montre l'interrupteur de la fig. 4, muni d'un circuit de commande du gain comprenant une batterie 38 en série, une résistance variable 39 et une inductance 40. Le courant Ib dans le circuit de commande du gain peut être réglé en ajustant la résistance 39, l'inductance 40 jouant le rôle d'un filtre passe-bas.
Le courant Ib ren force le courant porteur à haute fréquence Ic pendant ses demi-alternances d'une certaine polarité et s'oppose à ce courant pendant les demi-alternances de l'autre polarité, ce qui assure une polarisation rendant le cou rant Ic asymétrique, comme le courant Idc mentionné ci-dessus.
On a découvert qu'en réglant la résistance 39 pour ajuster la valeur du courant lb, la pente de la courbe caractéristique Vo-Is est modifiée sans distorsion pour faire varier le gain de l'interrupteur comme indiqué sur la fig. 7, sur laquelle sont représentées les caractéris tiques Vo-Is correspondant à trois réglages Ri R2 et R3 respectifs de la résistance 39. Comme représenté sur la fig. 7, dans chaque cas une partie linéaire longue de la caractéristique est disponible pour le fonctionnement.
Le circuit de commande du gain peut être utilisé avec les autres formes d'exécution décrites ici.
La forme d'exécution de la fig. 2. doit être utilisée quand le nombre de spires de l'enroulement d'entrée de courant à fréquence porteuse et celui de l'enroulement de signal diffèrent, la forme d'exécution de la fig. 4 étant préférée quand ces spires sont en nombre égal.
Les interrupteurs conformes aux formes d'exécution décrites ci-dessus peuvent être agencés de manière à for mer une matrice de commutation, les enroulements fermé et ouvert étant disposés en coordonnées rectangulaires x-y. Un détecteur de signal unique peut être prévu pour chaque rangée ou colonne de la matrice en rendant un enroulement de signal supplémentaire uni que commun à tous les noyaux d'une ligne ou d'une colonne.
Conformément à un exemple spécifique d'un inter rupteur, le noyau est en ferrite fabriqué par la Indiana Général Corporation of Keezby, New Jersey sous le numéro d'identification 5209,
les enroulements d'entrée fermé et ouvert ayant respectivement trois et cinq spires et étant en fil N038 AWG Formvar. Les sour ces d'impulsions de ces enroulements sont agencées de manière à produire des impulsions d'un ampère environ en amplitude et de cinq microsecondes en duréé. L'en roulement du courant porteur à haute fréquence com porte deux spires dans chacune des ouvertures de signal et est en fil 40 AWG Formvar relié à une source à haute fréquence de 300 kHz. L'enroulement de sortie de signal a
six spires dans chacune des ouvertures de signal et est en fil 40 AWG Formvar. Le détecteur com porte des diodes I N 100, les résistances étant de 1000 ohms et les condensateurs de 0,01 microfarad. L'inter rupteur peut être employé pour laisser passer un signal à basse fréquence pour exciter un canal basse fréquence sans bruit de commutation notable ou distorsion sur une gamme de fréquence s'élevant jusqu'à 30 kHz.