FR2588706A1

FR2588706A1 - Amplifier for weak signals without auxiliary supply

Info

Publication number: FR2588706A1
Application number: FR8614265A
Authority: FR
Inventors: Giorgio Giardini
Original assignee: Elettrocondutture SpA
Current assignee: ABB Elettrocondutture SpA
Priority date: 1985-10-15
Filing date: 1986-10-14
Publication date: 1987-04-17
Anticipated expiration: 2006-10-14
Also published as: DE3634581C2; IT1185437B; IT8522483A0; ATA271286A; DE3634581A1; FR2588706B1; AT399971B

Abstract

Static amplifier for weak signals without auxiliary supply comprising, in combination, a regulator 1 of the sensitivity to the input signal, connected to a voltage multiplier 10 supplying an energy storage set 20 consisting of a capacitor 21 of small capacitance in parallel with which is placed a resistor 22 of ohmic value inversely proportional to the value of voltage at its ends for the rapid discharging of transient charges from the said capacitor, the said storage set 20 being connected to a break-in threshold circuit 30 driving an electronic make/break switch 40 for switching stored energy to the load.

Description

ÂMPLIFICÀTEUR POUR SIGNAUX FÂI3LES SÂNS Â1IMETÂTI0N
AUXILIARE
La présente invention concerne un amplificateur statique pour signaux faibles sans alimentation auxiliaire.AMPLIFIER FOR SENSE SIGNALS Â1IMETÂTI0N
AUXILIARY
The present invention relates to a static amplifier for weak signals without auxiliary power supply.

Ainsi qu'on le sait, en particulier dans la protection des lignes à basse tension, on utilise des dispositifs amplificateurs qui sont destinés à amplifier un signal ayant une amplitude de quelques millivolts et une puissance de l'ordre de la dizaine de microvoltampères pour pouvoir piloter au moyen du signal de sortie un actionneur qui absorbe une puissance de quelques dixièmes de milliwatt.As is known, in particular in the protection of low voltage lines, amplifier devices are used which are intended to amplify a signal having an amplitude of a few millivolts and a power of the order of ten microvoltamperes in order to be able to control by means of the output signal an actuator which absorbs a power of a few tenths of milliwatt.

Pour résoudre ce problème, on a généralement recours à une alimentation auxiliaire qui a pour fonction fournir la puissance nécessaire au pilotage de l'actionneur.To solve this problem, an auxiliary power supply is generally used which has the function of supplying the power necessary for controlling the actuator.

Le but que se propose l'invention est de réaliser un amplificateur statique pour signaux faibles qui offre la possibilité d'élaborer un signal de quelques millivolts avec une puissance d'une dizaine de microvoltampères pour piloter des actionneurs qui absorbent quelques dixièmes de millivatt sans devoir recourir à une alimentatioi.auxi- liaire, mais en utilisant l'énergie du signal d'entrée qui se trouve précisément accumulée Jusqu'au niveau d'utilisation désiré.The object of the invention is to produce a static amplifier for weak signals which offers the possibility of developing a signal of a few millivolts with a power of ten microvoltamperes to drive actuators which absorb a few tenths of a millivatt without having to resort to an auxiliary power supply, but using the energy of the input signal which is precisely accumulated up to the desired level of use.

Un objectif particulier dans le cadre de l'invention exposé ci-dessus est de réaliser un amplificateur statique pouvant être obtenu au moyen de semiconducteurs actifs et passifs normalement disponibles sur le marché, et qui puisse être éventuellement fabriqué industriellement en faisant usage, entre autres techniques, de la technique des circuits intégrés. A particular objective in the context of the invention described above is to produce a static amplifier which can be obtained by means of active and passive semiconductors normally available on the market, and which can possibly be manufactured industrially by making use, among other techniques , the technique of integrated circuits.

Un autre objectif de l'invention est encore de réaliser un amplificateur statique de fiabilité sure et en mesure d'offrir de larges garanties de sécurité et de fonctionnement opportun.Another objective of the invention is also to produce a static amplifier of reliable reliability and able to offer broad guarantees of safety and timely operation.

Encore un autre objectif de l'invention, mais nullement le dernier, est de réaliser un amplificateur statique qui soit d'un cout très restreint, facilitant ainsi sa diffusion sur le marché.Yet another objective of the invention, but by no means the last, is to produce a static amplifier which is of very limited cost, thus facilitating its distribution on the market.

Les objectifs précités, ainsi que d'autres qui apparaltront mieux dans ce qui suit, sont atteints selon l'invention par un amplificateur statique pour signaux faibles sans alimentation auxiliaire, caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison, un régulateur de la sensibilité au signal d'entrée connecté à un multiplicateur de tension alimentant un groupe d'accumulation d'énergie constitué par un condensateur de petite capacité en parallèle auquel est placée une résistance de valeur ohmique inversement proportionnelle à la valeur de tension à ses extrémités pour la décharge en temps brefs de charges transitoires dudit condensateur, ledit groupe d'accumulation étant connecté à un circuit de seuil d'intervention pilotant un interrupteur électronique de commutation sur la charge de l'énergie accumulée.The aforementioned objectives, as well as others which will appear more clearly in the following, are achieved according to the invention by a static amplifier for weak signals without auxiliary power supply, characterized in that it comprises, in combination, a regulator of the sensitivity to the input signal connected to a voltage multiplier supplying an energy storage group constituted by a small capacity capacitor in parallel to which is placed a resistance of ohmic value inversely proportional to the voltage value at its ends for the discharge in short time of transient charges from said capacitor, said accumulation group being connected to an intervention threshold circuit controlling an electronic switch for switching on the charge of the accumulated energy.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ap paraferont plus clairement à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'une forme de réalisation préférée, mais nullement exclusive, d'un amplificateur statique pour signaux faibles sans alimentatixtau2iliaire, représenté à titre indicatif, mais nullement limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel
La Figure unique représente le schéma de l'amplificateur.Other characteristics and advantages of the invention appear more clearly on reading the detailed description which follows, of a preferred, but by no means exclusive, embodiment of a static amplifier for weak signals without auxiliary power supply, shown in indicative, but not limiting, with reference to the accompanying drawing in which
The single figure shows the diagram of the amplifier.

En se référant à la Figure unique, on peut voir que l'amplificateur statique pour signaux faibles sans alimenta tion auxiliaire comprend un régulateur de la sensibilité au signal d'entrée, indiqué globalement par le repère numérique 1, qui est constitué par un diviseur ohmique présentant une première résistance variable 2, disposée en parallèle sur la ligne d'entrée du signal 3, et par une seconde résistance 4 disposée en série sur la ligne. Ledit diviseur ohmique est de type connu en soi et a pour fonction de réduire le signal d'entrée à la valeur de réponse que l'on désire obtenir.Referring to the single figure, it can be seen that the static amplifier for weak signals without auxiliary power includes a regulator of the sensitivity to the input signal, indicated overall by the numerical reference 1, which is constituted by an ohmic divider having a first variable resistor 2, arranged in parallel on the input line of the signal 3, and by a second resistor 4 arranged in series on the line. Said ohmic divider is of a type known per se and has the function of reducing the input signal to the response value which it is desired to obtain.

Ledit régulateur de la sensibilité au signal d'entrée 1 est connecté à un multiplicateur de tension, indiqué globalement par le repère numérique 10 qui, dans l'exemple considéré, est constitué par un quadruplicateur de tension réalisé par l'intermédiaire de quatre diodes 11, 12, 13 et 14 et de quatre condensateurs 15, 16, 17 et 18.Said regulator of the sensitivity to the input signal 1 is connected to a voltage multiplier, indicated overall by the numerical reference 10 which, in the example considered, consists of a voltage quadruplifier produced by means of four diodes 11 , 12, 13 and 14 and four capacitors 15, 16, 17 and 18.

Evidemment, au lieu d'un quadruplicateur de tension,il est également possible d'utiliser un circuit duplicateur de tension ou, dans le cas où le signal d'entrée est suffisamment élevé, un simple pont redresseur à onde pleine ou à demi-onde.Obviously, instead of a voltage quadruplifier, it is also possible to use a voltage duplicator circuit or, in the case where the input signal is sufficiently high, a simple rectifier bridge with full wave or half wave .

La particularité du multiplicateur de tension faisant partie de l'amplificateur statique de l'invention, est due au fait que les éléments constituant le multiplicateur de tension sont calculés de telle façon que les composants en parallèle du circuit prélèvent au générateur d'entrée, au total, un courant inférieur ou au maximum êgal à un dixième du courant du générateur qui émet le signal 3, en permettant ainsi d'obtenir une multiplication effective de la tension d'entrée sans les pertes qui, en l'absence de cette caractéristique, rendraient particulièrementinutile la fonction du multiplicateur de tension.The peculiarity of the voltage multiplier forming part of the static amplifier of the invention is due to the fact that the elements constituting the voltage multiplier are calculated in such a way that the components in parallel of the circuit draw from the input generator, the total, a current less than or at most equal to one tenth of the current of the generator which emits signal 3, thus making it possible to obtain an effective multiplication of the input voltage without the losses which, in the absence of this characteristic, would make the function of the voltage multiplier particularly useless.

Le multiplicateur de tension 10 précité est connecté à un groupe d'accumulation 20 qui est constitué par un premier condensateur 21 de petite capacité, en parallèle auquel est placée une résistance 22 de valeur ohmique inversement proportionnelle à la valeur de tension à ses extrémités pour la décharge en temps brefs de charges transitoires dudit condensateur.The aforementioned voltage multiplier 10 is connected to an accumulation group 20 which is constituted by a first capacitor 21 of small capacity, in parallel to which is placed a resistance 22 of ohmic value inversely proportional to the voltage value at its ends for the discharge in short time of transient charges of said capacitor.

Le condensateur peut avoir une capacité très réduite et, par suite une fiabilité très élevée, lorsqu'on utilise des condensateurs à facteur de pertes tang.50.103, une constante de vieillissement Kry-5 et une résistance d'isolement égale au minimum à 10 Mohms.The capacitor can have a very reduced capacity and, consequently, a very high reliability, when capacitors with loss factor tang.50.103 are used, an aging constant Kry-5 and an insulation resistance equal to at least 10 Mohms .

La résistance de décharge 22 utilisée pour éviter que le condensateur reste chargé après un événement transitoire qui n'a pas atteint la valeur d'intervention et qui provoquerait un phénomène d'accumulation indésirable dans la capacité, est du type non linéaire, c'est-8-dire qu'elle présente une valeur ohmique qui est inversement proportionnelle à la valeur de tension appliquée à ses extrémités, de telle manière que les charges du condensateur avec des valeurs de tension élevées soient rapidement déchargées par la résistance en parallèle qui a pris une basse valeur ohmique. Inversement, des charges du condensateur avec des valeurs de tension modérées sont lentement déchargées à travers la résistance en parallèle qui a pris dans ce cas une valeur ohmique élevée.The discharge resistance 22 used to prevent the capacitor from remaining charged after a transient event which has not reached the intervention value and which would cause an undesirable phenomenon of accumulation in the capacitor, is of the non-linear type, it is -8 to say that it presents an ohmic value which is inversely proportional to the value of tension applied to its ends, in such a way that the charges of the condenser with values of high tension are quickly discharged by the resistance in parallel which took a low ohmic value. Conversely, charges from the capacitor with moderate voltage values are slowly discharged through the parallel resistor which in this case has assumed a high ohmic value.

Le groupe d'accumulation est connecté à un circuit de seuil 30 qui détermine le seuil d'intervention de l'amplificateur qui est constitué, de préférence, par une diode de référence 31 en série à laquelle est placée une seconde résistance 32 ayant en parallèle un second condensateur 33.The accumulation group is connected to a threshold circuit 30 which determines the intervention threshold of the amplifier which is preferably constituted by a reference diode 31 in series to which is placed a second resistor 32 having in parallel a second capacitor 33.

Le circuit de seuil peut être également réalisé avec d'autres systèmes analogues, comme par exemple une diode Zener avec une résistance, ou par une lampe à décharge avec une résistance et ainsi de suite. Leur caractéristique commune est de présenter une résistance extrêmement élevée pour des tensions inférieures à une certaine valeur qui diminue soudainement de manière sensible, lorsque la tensimappliquée dépasse une valeur déterminée.The threshold circuit can also be implemented with other similar systems, such as for example a Zener diode with a resistance, or by a discharge lamp with a resistance and so on. Their common characteristic is to present an extremely high resistance for tensions lower than a certain value which suddenly decreases appreciably, when the tensimapplied exceeds a determined value.

Le circuit de seuil 30 est connecté à un interrupteur électronique 40 du type "off-on" , qui peut être constitué par une diode commandée 41, mais qui pourrait être réalisé par système équivalent quelconque, par exemple un commutateur électronique, une diode de commutation ou un déclancheur (trigger).The threshold circuit 30 is connected to an electronic switch 40 of the "off-on" type, which can be constituted by a controlled diode 41, but which could be produced by any equivalent system, for example an electronic switch, a switching diode or a trigger.

Ledit interrupteur électronique est calculé de façon que le rapport Voff/VOn soit au moins égal à 1/20 et soit réalisé en maintenant la polarisation de la borne d'entrée, qu il s'agisse de la base d'un transistor ou de la porte d'une diode commandée, au-dessus de sa valeur naturelle de commutation avec un circuit d'accumulation d'énergie convenable qui en prolonge ultérieurement la fonction. Ledit circuit d'accumulation d'énergie peut être constitué par une capacité retardatrice.Said electronic switch is calculated so that the ratio Voff / VOn is at least equal to 1/20 and is achieved by maintaining the polarization of the input terminal, whether it is the base of a transistor or the carries a controlled diode, above its natural switching value with a suitable energy storage circuit which subsequently extends its function. Said energy accumulation circuit can be constituted by a delaying capacity.

De cette manière, il est possible d'utiliser pleinement toute la charge qui est accumulée dans le condensateur 21.In this way, it is possible to make full use of all the charge which is accumulated in the capacitor 21.

Lors du fonctionnement en pratique, lorsque le signal d'entrée 3 atteint la valeur établie de la résistance variable 2, sa valeur est augmentée par le multiplicateur de tension 10 pour alimenter le groupe d'accumulation 20.During operation in practice, when the input signal 3 reaches the established value of the variable resistor 2, its value is increased by the voltage multiplier 10 to supply the accumulation group 20.

La tension aux bornes de l'armature du condensateur 21 augmente Jusqu'à une valeur supérieure à celle qui détermine la variation subite de résistance de la diode de référence 31. Il se produit ainsi l'amorçage du circuit de l'interrupteur électronique 40 qui décharge le condensateur 21 sur l'élément de sortie à alimenter, schémati- quement indiqué par 50 et qui peut être constitué par un actionneur électronique ou électromagnétique ou par d'autres appareils utilisateurs analogues.The voltage at the terminals of the capacitor armature 21 increases up to a value greater than that which determines the sudden variation in resistance of the reference diode 31. This thus occurs the initiation of the circuit of the electronic switch 40 which discharges the capacitor 21 on the output element to be supplied, schematically indicated by 50 and which can be constituted by an electronic or electromagnetic actuator or by other similar user devices.

Il y a également lieu de préciser qu'avec des techniques plus modernes et avec une industrialisation plus poussée, le circuit peut être réalisé au moyen d'un ou plusieurs modules intégrés ou avec des procédés industriels à technologie de pointe, sur une plaquette en céramique avec les composants déposés intérieurement sur une couche ou en tant qu'hybrides, en diminuant ainsi au minimum les dimensions et les probabilités de rebuts pour raison de soudage incorrect entre les composants individuels.It should also be noted that with more modern techniques and with further industrialization, the circuit can be produced by means of one or more integrated modules or with industrial processes using advanced technology, on a ceramic plate. with components deposited internally on a layer or as hybrids, thereby minimizing the dimensions and the likelihood of scrap due to improper welding between the individual components.

D'après ce qui est décrit ci-dessus, on peut voir que l'invention atteint les objectifs proposés et -on soulignera en particulier le fait que l'on a réalisé un amplificateur statique qui n'exige pas de source auxiliaire d'énergie, apte à être complètement alimenté par le signal d'entrée qui présente une puissance inférieure à 10 microvoltampères, pour piloter des actionneurs qui absorbent une puissance de quelques dixièmes de milliwatt.From what is described above, it can be seen that the invention achieves the proposed objectives and -we will emphasize in particular the fact that a static amplifier has been produced which does not require an auxiliary energy source , able to be fully supplied by the input signal which has a power of less than 10 microvoltamperes, to drive actuators which absorb a power of a few tenths of a milliwatt.

L'invention ainsi conçue est susceptible d'être mise en oeuvre suivant de nombreuses -modifications et variantes sans s'écarter de son cadre et son esprit.The invention thus conceived is capable of being implemented according to numerous -modifications and variants without departing from its scope and spirit.

En outre, tous les détails peuvent être remplacés par d'autres éléments techniquement équivalents.In addition, all details may be replaced by other technically equivalent elements.

En pratique, les matériaux utilisés ainsi que les dimensions et les formes contingentes peuvent être quelconques suivant les exigences. In practice, the materials used as well as the contingent dimensions and shapes can be any according to the requirements.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S

1 - Static amplifier for weak signals without auxiliary power supply, characterized in that it comprises, in combination, a regulator of the sensitivity to the input signal (1) connected to a voltage rectifier (10) supplying a group of accumulation of energy (20) constituted by a small capacitor (21) in parallel to which is placed a resistor (22) of ohmic value inversely proportional to the voltage value at its ends for the discharge in short time of transient charges of said capacitor (21), said accumulation group (20) being connected to an intervention threshold circuit (30) controlling an electronic switch (40) for switching on the charge of the accumulated energy.

2 - Static amplifier according to the preceding claim, characterized in that said small capacity capacitor (21) has a loss factor tg. # 50.10 3, an aging constant E -5, an insulation resistance 10 M ohms.

3 - Static amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that said rectifier (10) is a voltage multiplier.

4 - Static amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that said voltage multiplier (10) has components in parallel calculated so as to draw from the generator of the input signal a current equal to or less than a tenth of the amplifier's input current, for producing an effective signal multiplication.

5 - Static amplifier according to any one of the preceding claims, characterized in that the said intervention threshold circuit has a blocking voltage / operating voltage (Voff / Von) ratio less than 1/20 to keep primed. discharge of the capacity as long as the voltage across the capacitor 21 is not lowered to 1/20 of the initial voltage, for the total use of the charge accumulated in said capacitor 21.