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Générateur de courant et procédé de génération d'impulsions de courant
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention appartient au domaine de la génération de
signaux électriques, et concerne plus particulièrement un générateur de
courant adapté à appliquer aux bornes d'une charge des impulsions de courant
d'intensité régulée élevée sous haute tension.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Il s'avère en effet nécessaire, dans de nombreuses applications, de
soumettre une charge à des impulsions de courant d'intensité régulée.
C'est par exemple le cas pour des applications telles que l'électrolyse,
la stérilisation, l'obtention de plasmas, la caractérisation de sols, etc.
Par exemple, il est connu d'appliquer à une charge des impulsions de
courant de polarité alternée d'une impulsion de courant à une autre, obtenues
en appliquant aux bornes de la charge une tension tantôt positive, tantôt
négative. Deux impulsions de courant consécutives peuvent en outre être
séparées par un intervalle de temps, dit intervalle de relaxation , pendant
lequel aucun courant n'est appliqué aux bornes de la charge.
Au cours de chaque intervalle de relaxation, la réponse de la charge à
l'impulsion de courant précédemment appliquée est mesurée, et les
caractéristiques (résistivité, constante diélectrique, etc.) de la charge sont
ensuite déterminées en comparant les réponses mesurées avec les impulsions
de courant appliquées.
Chaque impulsion de courant se présente globalement sous la forme
d'un créneau temporel se décomposant en trois phases principales :
- une phase d'établissement de l'impulsion de courant,
- une phase d'impulsion de courant à proprement parler au cours de
laquelle la valeur du courant est régulée autour d'une valeur de
consigne prédéfinie d'impulsion de courant,
- une phase d'extinction de l'impulsion de courant.
La précision de la caractérisation de la charge dépend notamment de
la précision avec laquelle la valeur du courant est régulée autour de la
valeur
de consigne prédéfinie d'intensité de courant. En outre, plus la durée de la
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phase d'extinction de l'impulsion de courant est faible, et plus la
caractérisation
pourra être précise. C'est également le cas, dans une moindre mesure, pour la
phase d'établissement de l'impulsion de courant.
En outre, l'impédance d'un sol peut être très élevée, de sorte qu'il peut
s'avérer nécessaire d'avoir à générer des impulsions de courant d'intensité
régulée élevée, de l'ordre de plusieurs dizaines d'ampères, sous une tension
élevée, de l'ordre de plusieurs kilovolts.
De telles contraintes sont généralement incompatibles avec celles de
précision de la régulation et de faible durée de la phase d'extinction.
Les générateurs de courant connus sont en effet limités à un rayon
d'action réduit et développent des tensions limitées à quelques centaines de
volts et des courants limités à quelques centaines de milliampères.
Il existe donc un besoin pour un générateur de courant permettant de
générer des impulsions de courant de plusieurs dizaines d'ampères d'intensité
régulée avec une précision élevée, sous une tension élevée et avec des
phases d'extinction très brèves.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des
limitations des solutions de l'art antérieur, notamment celles exposés ci-
avant,
en proposant une solution qui permette de générer des impulsions de courant
de valeur élevée (quelques dizaines d'ampères) régulée avec une précision
également élevée (de l'ordre du pourcent).
En outre, la présente invention a également pour objectif de proposer
une solution qui permette de générer des impulsions de courant avec des
phases d'extinction brèves (de l'ordre de la milliseconde) y compris pour des
impulsions de courant élevées (quelques dizaines d'ampères).
A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne un
générateur de courant, adapté à fournir aux bornes d'une charge des
impulsions de courant d'intensité régulée. Ledit générateur de courant
comporte plusieurs étages secondaires dans lesquels :
- chaque étage secondaire comporte une source de tension continue
isolée des sources de tension des autres étages secondaires, et un
circuit de commutation comportant quatre commutateurs agencés
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en deux demi-ponts formés chacun de deux commutateurs montés
en série entre des bornes de la source de tension,
- les circuits de commutation sont reliés entre eux de sorte à former
une chaîne, un point milieu d'un demi-pont de chaque étage
secondaire étant relié à un point milieu d'un demi-pont d'un étage
secondaire suivant dans cette chaîne, les deux étages secondaires
aux extrémités de ladite chaîne comportant chacun un point milieu
d'un demi-pont destiné à être relié à une borne de la charge,
- un étage secondaire, dit étage de régulation , comporte, entre la
source de tension et le circuit de commutation, un circuit de
régulation comportant une inductance de lissage, un commutateur
agencé entre une borne de l'inductance de lissage et la source de
tension, et un moyen adapté à relier ladite borne de l'inductance de
lissage au circuit de commutation lorsque le commutateur du circuit
de régulation est dans un état bloqué,
Le générateur de courant comporte en outre un circuit de commande
adapté à commander les commutateurs des circuits de commutation et le
commutateur du circuit de régulation. Le circuit de commande est de
préférence configuré pour, lors de la génération d'une impulsion de courant :
- commander les commutateurs des circuits de commutation des
étages secondaires pour mettre en série les sources de tension
d'un groupe d'étages secondaires, dont l'étage de régulation,
sélectionnés en fonction d'une valeur de consigne d'intensité de
courant, et pour isoler les sources de tension des étages
secondaires non sélectionnés,
- commander des commutations successives du commutateur du
circuit de régulation pour réguler l'intensité d'un courant circulant
dans la charge autour de la valeur de consigne.
Grâce aux circuits de commutation et à la façon dont ils sont reliés
entre eux, il est possible, en fonction de la commande appliquée aux
commutateurs d'un circuit de commutation, de disposer la source de tension de
l'étage secondaire considéré en série ou en opposition avec celles des autres
étages secondaires, ou encore d'isoler la source de tension de l'étage
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secondaire considéré par rapport à celles des autres étages secondaires sans
pour autant interrompre le passage d'un courant dans la charge.
Dès lors, il est possible de sélectionner certains étages secondaires
dont l'étage de régulation, dits étages actifs , et de les monter en série
par
une commande adaptée des commutateurs des circuits de commutation, afin
d'obtenir une tension adaptée pour faire circuler un courant voulu dans la
charge, en fonction de l'impédance de celle-ci.
Les étages actifs autres que l'étage de régulation sont par exemple
choisis de sorte que la somme de leurs tensions respectives en circuit ouvert
est inférieure à la tension nécessaire pour faire circuler le courant voulu
dans la
charge, et de sorte que la somme des tensions respectives de tous les étages
actifs (y compris l'étage de régulation) est supérieure à la tension
nécessaire
pour faire circuler le courant voulu dans la charge.
Ainsi, il est possible de réguler l'intensité du courant circulant dans la
charge au moyen du seul étage de régulation. Pour cela, seul le commutateur
du circuit de régulation de l'étage de régulation est commandé au cours de la
génération d'une impulsion de courant.
En effet, lorsque le commutateur du circuit de régulation est dans un
état passant, une borne de l'inductance de lissage est reliée à la source de
tension continue de l'étage de régulation, de l'énergie est stockée dans
l'inductance de lissage et l'intensité du courant circulant dans ladite
inductance
de lissage croît progressivement. Lorsque le commutateur du circuit de
régulation est dans un état bloqué, la borne de l'inductance de lissage,
précédemment reliée à la source de tension continue, se retrouve isolée de
ladite source de tension continue. Le circuit de régulation comporte également
un moyen adapté à relier ladite borne de l'inductance de lissage au circuit de
commutation, tel qu'une diode, un commutateur, etc., par lequel l'inductance
de
lissage peut se décharger, et l'intensité du courant circulant dans ladite
inductance de lissage décroît progressivement.
Ainsi, il est possible de faire fluctuer l'intensité du courant circulant
dans la charge autour de la valeur de consigne par commutation successives
du commutateur du circuit de régulation. En outre, au cours de la génération
d'une impulsion de courant, seul le commutateur du circuit de régulation est
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commuté à une fréquence élevée, ce qui permet de limiter la puissance
dissipée par les commutations successives.
Dans des modes particuliers de réalisation, le générateur de courant
comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément
ou
5 selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans un mode particulier de réalisation, le circuit de commande est
configuré pour, entre la génération de deux impulsions de courant :
- commander le circuit de commutation de l'étage de régulation pour
placer tous les commutateurs d'un demi-pont dans un état passant,
- commander des commutations successives du commutateur du
circuit de régulation pour réguler l'intensité d'un courant circulant
dans le circuit de commutation de l'étage de régulation autour
d'une valeur non nulle.
De telles dispositions sont particulièrement avantageuses en ce
qu'elles permettent de réduire les durées respectives des phases
d'établissement et d'extinction d'une impulsion de courant dans la charge.
Il est à noter que, selon l'art antérieur, il était d'usage de monter une
inductance de lissage en sortie du générateur de courant, en série avec la
charge à caractériser, afin de lisser le courant fourni à ladite charge.
Toutefois,
l'ajout d'une telle inductance de lissage en sortie du générateur de courant
contribuait à augmenter les durées respectives des phases d'établissement et
d'extinction des impulsions de courant dans la charge.
Le générateur de courant selon l'invention comporte une inductance
de lissage intégrée dans le circuit de régulation de l'étage de régulation, de
sorte qu'il n'est plus nécessaire de monter une inductance de lissage en
sortie
du générateur de courant. Entre la génération de deux impulsions de courant,
la sortie du circuit de régulation de l'étage de régulation est court-
circuitée, de
sorte qu'il est possible de faire circuler un courant dans le circuit de
commutation de l'étage de régulation sans que celui-ci ne circule dans la
charge et ne perturbe la mesure, contrairement à l'art antérieur.
En régulant l'intensité du courant circulant dans le circuit de
commutation (court-circuit) autour d'une valeur non nulle, il sera possible de
réduire les durées respectives des phases d'établissement et d'extinction des
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impulsions de courant. En effet, si l'on considère par exemple la phase
d'établissement d'une impulsion de courant, le courant circulant au début de
la
phase d'établissement sera d'intensité sensiblement égale à la valeur non
nulle
considérée, et croîtra jusqu'à atteindre sensiblement la valeur de consigne.
On
comprend que la durée de la phase d'établissement dépend de la différence
entre ladite valeur non nulle et ladite valeur de consigne, et que celle-ci
est
inférieure en considérant une valeur de départ non nulle qu'en considérant une
valeur de départ nulle.
Dans un mode particulier de réalisation, le circuit de commande est
configuré pour, entre la génération de deux impulsions de courant, réguler
l'intensité du courant circulant dans le circuit de commutation de l'étage de
régulation autour de la valeur de consigne.
De telles dispositions sont particulièrement avantageuses en ce
qu'elles permettent de minimiser les durées respectives des phases
d'établissement et d'extinction des impulsions de courant, puisque les valeurs
de départ et d'arrivée sont toutes deux sensiblement égales à la valeur de
consigne, à la précision de la régulation près.
Dans un mode particulier de réalisation, l'étage de régulation
comporte, entre la source de tension et le circuit de commutation, plusieurs
circuits de régulation montés en parallèle, chaque circuit de régulation
comportant une inductance de lissage, un commutateur agencé entre une
borne de l'inductance de lissage et la source de tension, et un moyen adapté à
relier ladite borne de l'inductance de lissage au circuit de commutation
lorsque
le commutateur du circuit de régulation est dans un état bloqué.
En outre, le circuit de commande est configuré pour, lors de la
génération d'une impulsion de courant, commander des commutations
successives des commutateurs respectifs des circuits de régulation de l'étage
de régulation pour réguler l'intensité du courant circulant dans la charge
autour
de la valeur de consigne.
De telles dispositions sont avantageuses en ce qu'elles permettent de
réduire les dimensions requises pour chacune des inductances de lissage
grâce à une réduction du courant circulant dans chacune desdites inductances
de lissage. En effet, les circuits de régulation sont montés en parallèle, de
sorte
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que le courant circulant dans la charge est sensiblement égal à la somme des
courants circulant dans chacune des inductances de lissage.
Dans un mode particulier de réalisation :
- le nombre de circuits de régulation de l'étage de régulation est égal
à deux et les inductances de lissage desdits deux circuits de
régulation présentent les mêmes caractéristiques,
- le circuit de commande est configuré pour, lors de la génération
d'une impulsion de courant, commander les commutateurs
respectifs des deux circuits de régulation de sorte que lorsqu'un
desdits commutateurs est dans un état passant, le commutateur de
l'autre circuit de régulation est dans un état bloqué, les
commutateurs respectifs des circuits de régulation étant
alternativement commandés à l'état passant au cours d'intervalles
de temps successifs de même durée.
De telles dispositions sont avantageuses en ce qu'elles permettent
d'avoir une meilleure précision de la régulation de l'intensité du courant
circulant dans la charge.
En effet, et tel qu'indiqué précédemment, les commutations
successives du commutateur d'un circuit de régulation permettent de faire
fluctuer l'intensité du courant circulant dans l'inductance de lissage de ce
circuit
de régulation autour d'une valeur sensiblement égale à la moitié de la valeur
de
consigne (le courant circulant dans la charge étant égal à la somme des
courants circulant dans chacun des circuits de régulation). En commandant de
la sorte les commutateurs des deux circuits de régulation, les fluctuations
dans
les deux circuits de régulation seront sensiblement en opposition de phase, de
sorte que les fluctuations de l'intensité du courant circulant dans la charge
seront très réduites.
Dans un mode particulier de réalisation, les sources de tension des
étages secondaires présentent un étagement de leurs tensions de sortie
respectives. De telles dispositions permettent d'ajuster l'intensité du
courant
pour une large gamme d'impédances.
Dans un mode particulier de réalisation, les commutateurs des circuits
de commutation et de chaque circuit de régulation sont des transistors
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bipolaires à grille isolée. De telles dispositions sont avantageuses en ce que
les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT de l'expression anglo-saxonne
lnsulated Gate Bipolar Transistor ) permettent de commuter de fortes
tensions et/ou de forts courants sans exiger une énergie de commande
élevée, ce qui permet de les commander au moyen d'un étage de
commande simple et peu consommateur d'énergie.
Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé de
génération d'impulsions de courant aux bornes d'une charge, dans lequel la
génération d'impulsions de courant est effectuée au moyen d'un générateur de
courant comportant plusieurs étages secondaires dans lesquels :
- chaque étage secondaire comporte une source de tension continue
isolée des sources de tension des autres étages secondaires, et un
circuit de commutation comportant quatre commutateurs agencés
en deux demi-ponts formés chacun de deux commutateurs montés
en série entre des bornes de la source de tension,
- les circuits de commutation sont reliés entre eux de sorte à former
une chaîne, un point milieu d'un demi-pont de chaque étage
secondaire étant relié à un point milieu d'un demi-pont d'un étage
secondaire suivant dans cette chaîne, les deux étages secondaires
aux extrémités de ladite chaîne comportant chacun un point milieu
d'un demi-pont destiné à être relié à une borne de la charge,
- un étage secondaire, dit étage de régulation , comporte, entre la
source de tension et le circuit de commutation, un circuit de
régulation comportant une inductance de lissage, un commutateur
agencé entre une borne de l'inductance de lissage et la source de
tension, et un moyen adapté à relier ladite borne de l'inductance de
lissage au circuit de commutation lorsque le commutateur du circuit
de régulation est dans un état bloqué,
En outre, le procédé de génération d'impulsions de courant comporte,
pour générer une impulsion de courant, des étapes de:
- sélection d'un groupe d'étages secondaires comprenant l'étage de
régulation, dits étages actifs , en fonction d'une valeur de
consigne d'intensité de courant,
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- commande des commutateurs des circuits de commutation des
étages secondaires pour mettre en série les sources de tension
des étages actifs et pour isoler les sources de tension des étages
secondaires non sélectionnés,
- commande de commutations successives du commutateur du
circuit de régulation pour réguler l'intensité d'un courant circulant
dans la charge autour de la valeur de consigne.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé de
génération d'impulsions de courant comporte l'une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les
combinaisons techniquement possibles.
Dans un mode particulier de mise en oeuvre, le procédé de génération
d'impulsions de courant comporte, entre la génération de deux impulsions de
courant, des étapes de:
- commande du circuit de commutation de l'étage de régulation pour
placer tous les commutateurs d'un demi-pont dans un état passant,
- commande de commutations successives du commutateur du
circuit de régulation pour réguler l'intensité d'un courant circulant
dans le circuit de commutation de l'étage de régulation autour
d'une valeur non nulle.
Dans un mode particulier de mise en oeuvre, l'étage de régulation
comportant deux circuits de régulation montés en parallèle et d'inductances de
lissage respectives présentant les mêmes caractéristiques, les commutateurs
respectifs des deux circuits de régulation sont commandés au cours de la
génération d'une impulsion de courant de sorte que lorsqu'un desdits
commutateurs est dans un état passant, le commutateur de l'autre circuit de
régulation est dans un état bloqué, les commutateurs respectifs des circuits
de
régulation étant alternativement commandés à l'état passant au cours
d'intervalles de temps successifs de même durée.
PRÉSENTATION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante,
donnée à titre d'exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux
figures
qui représentent :
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- Figure 1 : une représentation schématique d'un mode particulier de
réalisation d'un générateur de courant selon l'invention,
- Figure 2 : des diagrammes temporels illustrant schématiquement la
mise en oeuvre du générateur de courant de la figure 1.
5 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
La figure 1 représente un mode particulier de réalisation d'un
générateur 10 de courant.
Tel qu'illustré par la figure 1, le générateur 10 de courant comporte
une pluralité d'étages secondaires 20 (20a ¨ 20n) comprenant chacun une
10 source 21 de tension continue et un circuit de commutation 22.
Dans la description suivante, les éléments analogues d'étages
secondaires différents sont désignés par la même référence. Lorsqu'il est
nécessaire de distinguer un élément d'un étage secondaire d'un élément
analogue d'un autre étage secondaire, la référence correspondante est
accompagnée d'un indice alphabétique spécifique à l'étage secondaire
considéré. Lorsqu'il n'est pas nécessaire de distinguer l'étage secondaire
auquel un élément appartient, seule la référence générique, sans indice, est
utilisée. Par exemple, le circuit de commutation de l'étage secondaire 20a
sera
désigné par 22a (le circuit de commutation de l'étage secondaire 20b sera
désigné par 22b, etc.). Considéré de manière générale, le circuit de
commutation d'un étage secondaire 20 quelconque sera désigné par 22.
Dans l'exemple illustré par la figure 1, chaque source 21 de tension
continue comprend un enroulement secondaire S (Sa ¨ Sn) d'un
transformateur 11 monophasé dont l'enroulement primaire 12 est alimenté par
un étage primaire (non représenté sur la figure 1), de sorte que les sources
21
de tension continue sont isolées galvaniquement les unes des autres. Le
courant alternatif monophasé fourni par l'enroulement secondaire S est dans
cet exemple redressé en double alternance par un pont de diodes et est filtré
dans un condensateur de filtrage de la source 21 de tension continue.
A titre d'exemple, si l'on souhaite pouvoir générer des impulsions de
courant d'une intensité maximale de 600 ampères sur une charge d'impédance
comprise entre 0.1 ohms et 50 kilohms, le générateur 10 de courant comporte
par exemple neuf étages secondaires 20 dont les tensions à vide s'étagent de
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200 volts (V) à 2000 V. Par exemple, le générateur 10 de courant comporte cinq
étages secondaires fournissant chacun une tension de 2000 V, les quatre
autres étages secondaires fournissant respectivement des tensions de 1000 V,
500 V, 300 V et 200 V (par exemple l'étage secondaire 20n) et pour une
tension totale maximale de l'ordre de 12 kilovolts (kV).
Rien n'exclut, suivant d'autres exemples, d'avoir des sources 21 de
tension continue fournissant toutes la même tension à vide. Dans le cas d'une
tension maximale requise de 12 kV, il est par exemple possible de prévoir
douze étages secondaires 20 délivrant chacun une tension à vide de 1 kV.
Chaque circuit de commutation 22 comporte quatre commutateurs Q1,
Q2, Q3, Q4 disposés selon un montage en deux demi-ponts montés en
parallèle. Les commutateurs Q1 et Q2 forment un premier demi-pont et sont
montés en série entre les bornes de la source 21 de tension continue. Les
commutateurs Q3 et Q4 forment un second demi-pont et sont également
montés en série entre les bornes de ladite source 21 de tension continue.
Les circuits de commutation 22 sont reliés entre eux de sorte à former
une chaîne entre des bornes du générateur 10 de courant.
Plus particulièrement, un point milieu d'un demi-pont (c'est-à-dire un
point entre les deux commutateurs de ce demi-pont) de chaque étage
secondaire 20 est relié à un point milieu d'un demi-pont d'un étage secondaire
suivant dans cette chaîne. Les deux étages secondaires 20a, 20n aux
extrémités de ladite chaîne comportent chacun un point milieu d'un demi-pont
destiné à être relié à une borne de la charge Z.
Dans l'exemple illustré par la figure 1, le point milieu du demi-pont de
l'étage secondaire 20a constitué par les commutateurs Q1a et Q2a forme une
première borne du générateur 10 de courant et est relié par une ligne 30 et à
une première borne de la charge Z. Le point milieu du demi-pont de l'étage
secondaire 20a constitué par les commutateurs Q3a et Q4a est connecté par
une ligne 25a au point milieu du demi- pont de l'étage secondaire 20b
constitué
par les commutateurs Q1b et Q2b, etc. Les circuits de commutation 22 des
étages secondaires 20 sont ainsi reliés en série de sorte à former la chaîne
susmentionnée entre l'étage secondaire 20a et l'étage secondaire 20n. Le
point milieu du demi-pont de l'étage secondaire 20n constitué par les
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commutateurs Q3n et Q4n forme une seconde borne du générateur 10 de
courant et est relié par une ligne 31 et à une seconde borne de la charge Z.
L'étage secondaire 20n, également désigné ci-après par étage de
régulation , se distingue des autres étages secondaires par la présence de
deux circuits de régulation 27a, 27b montés en parallèle entre la source 21n
de
tension continue et le circuit de commutation 22n.
Dans l'exemple illustré par la figure 1, chaque circuit de régulation 27a,
27b comporte :
- une inductance de lissage La, Lb,
- un commutateur Qa, Qb,
- une diode Da, Db.
Le circuit de régulation 27a comporte un commutateur Qa monté entre
une première borne (pôle positif) de la source 21n de tension continue et une
première borne de l'inductance de lissage La, une seconde borne de
l'inductance de lissage La étant reliée aux commutateurs Qin et Q3n du circuit
de commutation 22n. Le circuit de régulation 27a comporte également une
diode Da dont la cathode est reliée à la première borne de l'inductance de
lissage La, et dont l'anode est reliée à une seconde borne (pôle négatif) de
la
source 21n de tension continue ainsi qu'aux commutateurs Q2n et Q4n du
circuit de commutation 22n.
De manière analogue, le circuit de régulation 27b comporte un
commutateur Qb monté entre le pôle positif de la source 21n de tension
continue et une première borne de l'inductance de lissage Lb, une seconde
borne de l'inductance de lissage Lb étant reliée aux commutateurs Qin et Q3n
du circuit de commutation 22n. Le commutateur Qb et l'inductance de lissage
Lb du circuit de régulation 27b sont en outre montés en parallèle avec le
commutateur Qa et l'inductance de lissage La de l'autre circuit de régulation
27a. Le circuit de régulation 27b comporte également une diode Db dont la
cathode est reliée à la première borne de l'inductance de lissage Lb, et dont
l'anode est reliée au pôle négatif de la source 21n de tension continue ainsi
qu'aux commutateurs Q2n et Q4n du circuit de commutation 22n.
Les circuits de régulation 27a, 27b sont donc de constitution analogue
de celle de la partie commandable d'une alimentation à découpage abaisseuse
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de tension continue (connue sous le nom de convertisseur buck ).
Il est à noter que chaque diode Da, Db peut être remplacée par tout
moyen adapté à relier la première borne de l'inductance de lissage La, Lb aux
commutateurs Q2n et Q4n du circuit de commutation 22n lorsque le
commutateur Qa, Qb est dans un état bloqué. Suivant un exemple non limitatif,
la diode Da, Db d'un circuit de régulation 27a, 27b est remplacée par un
commutateur commandé à un état passant lorsque l'autre commutateur Qa, Qb
du circuit de régulation 27a, 27b est dans un état bloqué, et commandé à un
état bloqué lorsque l'autre commutateur Qa, Qb du circuit de régulation 27a,
27b est dans un état passant.
Dans l'exemple illustré par la figure 1, chaque commutateur du
générateur 10 de courant est réalisé au moyen d'un transistor (ou d'un groupe
de transistors) bipolaire à grille isolée (IGBT de l'expression anglo-saxonne
Insulated Gate Bipolar Transistor ), choisi dans une gamme adaptée aux
performances attendues du générateur 10 de courant.
Ainsi, par exemple, chaque commutateur est choisi pour être apte à
laisser circuler un courant d'une intensité comprise entre 0 et 600 A à l'état
passant et pour tenir une tension nominale à l'état bloqué.
Dans l'exemple illustré par la figure 1, les commutateurs Q1, Q2, Q3,
Q4 de chaque circuit de commutation 22 comportent chacun une diode 26
antiparallèle adaptée à permettre la circulation d'un courant inverse dans ces
commutateurs. Une telle diode est en général inhérente à la construction d'un
transistor IGBT, mais il peut s'avérer utile de doubler cette diode inhérente
par
une diode 26 antiparallèle externe, en particulier si l'on considère des
courants
pouvant atteindre une intensité de 600 A.
Le générateur 10 de courant comporte également un circuit de
commande 15 adapté à commander les commutateurs Q1, Q2, Q3, Q4 de
chaque circuit de commutation 22, ainsi que les commutateurs Qa, Qb de
chaque circuit de régulation 27a, 27b.
A cet effet, le circuit de commande 15 est relié auxdits commutateurs
des étages secondaires 20 du générateur 10 de courant.
Dans la suite de la description, on se place dans le cas où le circuit de
commande est relié aux commutateurs des étages secondaires 20 par
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l'intermédiaire d'une liaison à fibre optique. Rien n'exclut cependant,
suivant
d'autres exemples non détaillés, de considérer d'autres types de liaisons
comme notamment des liaisons électriques.
L'utilisation de liaisons en fibre optique est avantageuse en ce qu'elle
permet de garantir une meilleure fiabilité du générateur 10 de courant qu'avec
des liaisons électriques, dans la mesure où la commutation de forts courants
et/ou de fortes tensions est susceptible de parasiter des liaisons
électriques.
Par exemple, dans le cas de commutateurs de type transistors IGBT,
les grilles des commutateurs des étages secondaires 20 sont reliées à un
convertisseur optique 23 adapté à transformer une commande reçue sous
forme optique par l'intermédiaire d'une fibre optique 24 en une commande
électrique appropriée. Les fibres optiques 24a ¨ 24n véhiculant les commandes
respectives des étages secondaires 20a ¨ 20n sont reliées à l'extrémité
opposée aux convertisseurs optiques 23a ¨ 23n au circuit de commande 15.
Le circuit de commande 15 est également relié (liens non représentés
sur la figure 1) à des moyens de déterminer l'intensité du courant circulant
dans chacune des inductances de lissage La, Lb, par exemple des capteurs de
courant Ha, Hb (à effet Hall, à boucle de Rogowski, etc.). Par ailleurs, il
est
possible de prévoir un capteur de courant disposé sur la ligne 30 ou la ligne
31
(non représenté sur les figures) permettant de vérifier la somme des courants.
Le circuit de commande 15 peut être réalisé de toute manière connue
de l'homme du métier. Par exemple, le circuit de commande 15 comporte un
processeur et une mémoire électronique dans laquelle est mémorisé un
programme d'ordinateur, sous la forme d'un ensemble d'instructions de code
de programme à exécuter par le processeur. Dans une variante, le circuit de
commande 15 comporte des circuits logiques programmables, de type FPGA,
PLD, etc., et/ou circuits intégrés spécialisés (ASIC).
Le circuit de commande 15 comporte ainsi un ensemble de moyens
configurés de façon logicielle (produit programme d'ordinateur spécifique)
et/ou
matérielle (FPGA, PLD, ASIC, etc.) pour mettre en oeuvre les différentes
étapes d'un procédé de génération d'impulsions de courant.
On détaille à présent le fonctionnement du générateur 10 de courant
en décrivant les principaux états dans lesquels un étage secondaire 20 peut se
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trouver en fonction de la commande appliquée aux commutateurs Q1, Q2, Q3,
Q4 du circuit de commutation 22. Dans la suite de la description, on définit
arbitrairement un sens de circulation du courant comme positif lorsque le
courant entre dans la charge Z par la ligne 30 et en ressort par la ligne 31.
5 Lorsque le circuit de commande 15, par l'intermédiaire de la fibre
optique 24a et du convertisseur optique 23a, impose un état passant (ON) aux
commutateurs Q1a et Q4a, et un état bloqué (OFF) aux commutateurs Q2a et
Q3a de l'étage secondaire 20a, le pôle positif de la source 21a de tension
continue est connecté à la charge Z par l'intermédiaire du commutateur Q1a et
10 de la ligne 30. Le pôle négatif de la source 21a de tension continue est
relié au
point milieu du demi-pont constitué par les commutateurs Q1b et Q2b de
l'étage secondaire 20b par l'intermédiaire du commutateur Q4a et de la ligne
25a. En supposant que l'étage secondaire 20b est commandé de façon
similaire, le commutateur Q1b connecte alors le pôle négatif de la source 21a
15 de tension continue au pôle positif de la source 21b de tension
continue. En
raisonnant par analogie sur tous les étages secondaires 20a ¨ 20n, il apparaît
que toutes les sources 21 de tension continue sont alors montées en série et
font circuler un courant de sens positif dans la charge Z.
Lorsque le circuit de commande 15 impose a l'opposé un état passant
aux commutateurs Q2a et Q3a et un état bloqué à Q1a et Q4a, c'est le pôle
négatif de la source 21a de tension continue qui est connecté à la charge Z
par
l'intermédiaire de la ligne 30, et le pôle positif de la source 21a de tension
continue qui est relié au point milieu du demi-pont constitué par les
commutateurs Q1b et Q2b de l'étage secondaire 20b par l'intermédiaire du
commutateur Q3a et de la ligne 25a. En supposant que l'étage secondaire 20b
est commandé de façon similaire, le commutateur Q2b connecte alors le pôle
positif de la source 21a de tension continue au pôle négatif de la source 21b
de
tension continue. En raisonnant par analogie sur tous les étages secondaires
20a ¨ 20n, il apparaît que toutes les sources 21 de tension continue sont
alors
montées en série et font circuler un courant de sens négatif dans la charge Z.
Il est possible également de commander les commutateurs Q1, Q2,
Q3, Q4 de façon à isoler la source 21 de tension continue d'un ou plusieurs
étages secondaires 20 de la charge Z sans pour autant interrompre la
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circulation d'un courant dans la chaîne des étages secondaires 20.
Par exemple, on suppose que la plupart des étages secondaires ont
été commandés pour faire passer un courant positif dans la charge et que l'on
désire isoler la source 21b de tension continue de l'étage secondaire 20b. En
commandant les commutateurs Q1b et Q3b à l'état bloqué et le commutateur
Q4b à l'état passant, le courant circule dans l'étage secondaire 20b en
entrant
par la ligne 25b au point milieu du demi-pont constitué par les commutateurs
Q3b et Q4b, traverse Q4b et la diode 26 antiparallèle du commutateur Q2b, et
sort de l'étage secondaire 20b par la ligne 25a. On constate ainsi que la
source
21b de tension continue est isolée, c'est-à-dire qu'elle ne contribue pas à la
tension appliquée aux bornes de la charge Z, sans pour autant interrompre la
circulation d'un courant dans la chaîne des étages secondaires 20. En outre,
l'état du commutateur Q2b n'est pas déterminant.
Lorsque le courant dans la charge Z circule dans le sens négatif, le
rôle des commutateurs Q2b et Q4b est inversé, le courant entrant par la ligne
25a, traversant le commutateur Q2b alors nécessairement à l'état passant et la
diode antiparallèle de Q4b pour repartir par la ligne 25b.
Compte tenu de la symétrie du circuit de commutation 22, il est
possible d'isoler la source 21 de tension continue d'un étage secondaire 20 en
commandant les commutateurs Q2 et Q4 a l'état bloqué et les commutateurs
Q1 et Q3 à l'état passant en fonction du sens du courant dans la charge.
Le tableau ci-après résume les commandes à appliquer aux
commutateurs Q1, Q2, Q3, Q4 pour insérer la source 21 de tension continue
respectivement en série dans le sens positif, en série dans le sens négatif ou
pour isoler ladite source 21 de tension continue en fonction du sens de
circulation du courant dans la charge Z.
Q1 ON OFF OFF ON OFF X
Q2 OFF ON X OFF ON OFF
Q3 OFF ON OFF X OFF ON
Q4 ON OFF ON OFF X OFF
source 21 sens + sens ¨ isolée (sens +) Isolée (sens ¨)
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La figure 2 représente des diagrammes temporels illustrant un
exemple de mise en oeuvre d'un générateur 10 de courant selon l'invention.
Tel qu'indiqué précédemment, il peut s'avérer nécessaire, pour
caractériser une charge Z, d'appliquer des impulsions de courant récurrentes
d'intensité régulée à ladite charge Z, pouvant être de polarité alternée d'une
impulsion de courant à l'autre.
Chaque impulsion de courant se présente globalement sous la forme
d'un créneau temporel comportant par exemple un intervalle de temps de
durée Ti, dit intervalle d'impulsion , au cours de laquelle une impulsion
de
courant est appliquée à la charge Z. L'intervalle d'impulsion est suivi d'un
intervalle de temps de durée T2, dit intervalle de relaxation , pendant
lequel
aucun courant n'est appliqué à la charge Z. Les durées Ti et T2 sont par
exemple égales et réglables.
Dans premier temps, on décrit un exemple de mise en oeuvre du
générateur 10 de courant de la figure 1 au cours d'un intervalle d'impulsion,
c'est-à-dire lors de la génération d'une impulsion de courant.
En fonction de la charge Z à caractériser, on définit de manière
conventionnelle une valeur de consigne d'intensité de courant pour chaque
impulsion de courant. De préférence, les impulsions de courant sont régulées,
en valeur absolue, autour d'une même valeur de consigne IC. La valeur de
consigne IC est par exemple réglable entre 0 et 600 A par pas de 0,1 A.
Le circuit de commande 15 est adapté pour commander les
commutateurs Q1 à Q4 des étages secondaires 20 pour mettre en série au
moins un étage secondaire 20, dont l'étage de régulation 20n, et établir un
courant dans la charge Z. En fonction de mesures de l'intensité du courant
circulant dans la charge Z, par exemple effectuées par les capteurs de courant
Ha et Hb des circuits de régulation 27a, 27b, le circuit de commande 15 est
configuré pour mettre en oeuvre deux stratégies de régulation distinctes et
complémentaires pour la génération d'une impulsion de courant d'intensité
régulée autour de la valeur de consigne.
La première stratégie de régulation consiste à effectuer un réglage
approximatif de l'intensité du courant circulant dans la charge Z. A cet
effet, le
circuit de commande 15 sélectionne, en fonction de l'impédance estimée de la
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charge Z, un groupe d'étages secondaires 20 comprenant l'étage de
régulation 20n, dits étages actifs .
Les étages actifs sont sélectionnés de sorte que :
- la somme des tensions respectives des étages actifs autres que
l'étage de régulation 20n est inférieure à la tension nécessaire pour
faire circuler un courant d'intensité 10 dans la charge Z,
- la somme des tensions respectives de tous les étages actifs (dont
l'étage de régulation 20n) est supérieure à la tension nécessaire
pour faire circuler un courant d'intensité 10 dans la charge Z.
Les commutateurs Q1, Q2, Q3, Q4 des circuits de commutation 22
des étages actifs sont alors commandés pour que ces étages actifs soient
connectés en série, en commandant leurs commutateurs Q1 et Q4 à l'état
passant et les commutateurs Q2 et Q3 à l'état bloqué. Les commutateurs Q1,
Q2, Q3, Q4 des circuits de commutation 22 des étages secondaires 20 non
sélectionnés sont commandés de manière à isoler leurs sources 21 de tension
continue de la charge Z.
La seconde stratégie consiste à effectuer un réglage précis de
l'intensité du courant circulant dans la charge Z. A cet effet, le circuit de
commande 15 impose, au cours de l'intervalle d'impulsion, des commutations
successives aux commutateurs Qa, Qb des circuits de régulation 27a, 27b pour
réguler l'intensité du courant circulant dans la charge Z autour de la valeur
de
consigne 10 pendant la durée Ti dudit intervalle d'impulsion.
On suppose de manière non limitative, que les deux inductances de
lissage La, Lb présentent sensiblement la même constante de temps
(déterminée principalement par les caractéristiques inductives et résistives
desdites inductances de lissage La, Lb).
Avantageusement, au cours d'un intervalle d'impulsion, les
commutateurs Qa, Qb des deux circuits de régulation 27a, 27b sont
commandés de sorte que lorsqu'un desdits commutateurs est dans un état
passant, le commutateur de l'autre circuit de régulation est dans un état
bloqué, les commutateurs Qa, Qb respectifs des circuits de régulation 27a, 27b
étant alternativement commandés à l'état passant au cours d'intervalles de
temps successifs IT1, IT2 de même durée. La durée de ces intervalles de
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temps IT1, IT2 est déterminée en fonction de la fluctuation tolérée AIC pour
l'intensité du courant circulant dans chaque inductance de lissage La, Lb.
La partie a) de la figure 2 représente l'évolution au cours du temps de
l'intensité du courant IA circulant dans l'inductance de lissage La, tandis
que la
partie b) de la figure 2 représente l'évolution au cours du temps de
l'intensité
du courant IB circulant dans l'inductance de lissage Lb.
Il est à noter que, sur la figure 2, on considère à des fins de clarté des
figures que la durée Ti de l'intervalle d'impulsion correspond à quatre
intervalles de temps (ITt IT2, IT1, IT2). En pratique, la durée des
intervalles de
temps IT1, IT2 pourra être très inférieure à la durée Ti (par exemple de
l'ordre
de la dizaine de microsecondes pour les intervalles de temps IT1, IT2 et de
l'ordre de la seconde pour l'intervalle d'impulsion de durée Ti).
Au cours d'un intervalle de temps IT1, le commutateur Qa du circuit de
régulation 27a est commandé à l'état passant. La première borne de
l'inductance de lissage La et la cathode de la diode Da sont alors reliées au
pôle positif de la source 21n de tension continue. La diode Da ne laisse pas
passer de courant et l'intensité du courant IA dans l'inductance de lissage La
croît progressivement depuis la valeur (10/2 ¨ AIC/2) vers la valeur (10/2 +
AIC/2) qui est atteinte vers la fin de l'intervalle de temps IT1.
Au cours d'un intervalle de temps IT1, le commutateur Qb du circuit de
régulation 27b est lui commandé à l'état bloqué. La première borne de
l'inductance de lissage Lb est isolée du pôle positif de la source 21n de
tension
continue et le courant circule dans la diode Db. L'intensité du courant IB
dans
l'inductance de lissage Lb décroît progressivement depuis la valeur (10/2 +
AIC/2) vers la valeur (10/2 ¨ AIC/2) qui est atteinte vers la fin de
l'intervalle de
temps IT1.
Au cours d'un intervalle de temps IT2, le commutateur Qa du circuit de
régulation 27a est commandé à l'état bloqué. La première borne de
l'inductance de lissage La est isolée du pôle positif de la source 21n de
tension
continue et le courant circule dans la diode Da. L'intensité du courant IA
dans
l'inductance de lissage La décroît progressivement depuis la valeur (10/2 +
AIC/2) vers la valeur (10/2 ¨ AIC/2) qui est atteinte vers la fin de
l'intervalle de
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temps IT2.
Au cours d'un intervalle de temps IT2, le commutateur Qb du circuit de
régulation 27b est lui commandé à l'état passant. La première borne de
l'inductance de lissage Lb et la cathode de la diode Db sont alors reliées au
5 pôle positif de la source 21n de tension continue. La diode Db ne laisse
pas
passer de courant et l'intensité du courant IB dans l'inductance de lissage Lb
croît progressivement depuis la valeur (I0/2 ¨ AIC/2) vers la valeur (I0/2 +
AIC/2) qui est atteinte vers la fin de l'intervalle de temps IT2.
Tel qu'illustré par les parties a) et b) de la figure 2, au cours d'un
10 intervalle d'impulsion, les fluctuations des intensités des courants IA,
IB
circulant respectivement dans les inductances de lissage La, Lb, sont alors
sensiblement en opposition de phase.
La partie c) de la figure 2 représente l'évolution au cours du temps de
l'intensité du courant IZ circulant dans la charge Z qui correspond, au cours
de
15 l'intervalle d'impulsion de durée Ti, sensiblement à la somme des
courants IA,
IB circulant respectivement dans les inductances de lissage La, Lb.
Du fait que les fluctuations des intensités des courants IA, IB se font
sensiblement en opposition de phase, elles tendent à s'annuler mutuellement
lorsque les courants IA, IB sont additionnés. Par conséquent, au cours de
20 l'intervalle d'impulsion, l'intensité du courant IZ circulant dans la
charge Z est
régulée autour de la valeur de consigne IC et présente peu de fluctuations.
Il est à noter que si l'asservissement en courant réalisé par l'étage de
régulation 20n s'avère insuffisant, le circuit de commande 15 peut commander
l'insertion en série d'un étage actif supplémentaire ou bien la suppression ou
le
remplacement d'un des étages actifs par un autre étage secondaire.
On décrit à présent un exemple de mise en oeuvre du générateur 10
de courant de la figure 1 au cours d'un intervalle de relaxation, c'est-à-dire
entre la génération de deux impulsions de courant consécutives.
Pour la réalisation d'un intervalle de relaxation, le circuit de commande
15 impose par exemple un état bloqué aux commutateurs Q1, Q2, Q3, Q4 de
tous les circuits de commutation 22, à l'exception de ceux du circuit de
commutation 22n de l'étage de régulation 20n.
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Les commutateurs Qin, Q2n, Q3n et Q4n sont commandés de sorte à
établir un court-circuit aux bornes des circuits de régulation 27a, 27b. A cet
effet le circuit de commande 15 impose un état passant aux commutateurs d'au
moins un demi-pont du circuit de commutation 22n.
Par exemple, le circuit de commande 15 impose un état passant aux
commutateurs Qin et Q2n et un état bloqué aux commutateurs Q3n et Q4n.
On peut également imposer un état passant à Qin, Q2n, Q3n et Q4n afin de
diviser l'intensité du courant circulant dans chacun des deux demi-ponts.
Du fait de ce court-circuit dans le demi-pont constitué par les
commutateurs Qin et Q2n, il est possible de faire circuler un courant dans
l'étage de régulation sans que celui-ci ne circule dans la charge Z et ne
perturbe la mesure. On constate d'ailleurs sur la partie c) de la figure 2
que, au
cours d'un intervalle de relaxation, aucun courant ne circule dans la charge
Z.
Avantageusement, les commutateurs Qa, Qb des circuits de régulation
27a, 27b de l'étage de régulation 20n sont commandés comme au cours de
l'intervalle d'impulsion, de sorte à réguler les intensités des courants IA,
IB
circulant respectivement dans les inductances de lissage La, Lb autour de
I0/2.
Par conséquent, au cours d'un intervalle de relaxation, l'intensité du courant
circulant dans le circuit de commutation 22n dans les commutateurs Qin et
Q2n est régulée autour de la valeur de consigne 10.
Ceci est avantageux car aucune augmentation (respectivement
aucune diminution) substantielle de l'intensité du courant circulant dans les
inductances de lissage La, Lb ne se produira lors de l'établissement
(respectivement l'extinction) d'une impulsion de courant dans la charge Z, de
sorte que lesdites inductances de lissage La, Lb n'impacteront pas ou peu les
durées des phases d'établissement et d'extinction d'impulsion de courant.
Rien n'exclut, suivant d'autres exemples, de réguler l'intensité du
courant circulant dans le circuit de commutation 22n dans les commutateurs
Q1n et Q2n autour d'une valeur non nulle inférieure à la valeur de consigne
10.
En effet, tant que la différence entre cette valeur non nulle et la valeur de
consigne IC est inférieure en valeur absolue à la valeur de consigne 10, les
durées d'établissement et d'extinction d'impulsion de courant seront réduites
par rapport au cas où la circulation du courant est interrompue dans l'étage
de
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régulation 20n.
En outre, les commutateurs Qa, Qb respectifs des circuits de
régulation 27a, 27b peuvent également être commandés alternativement à
l'état passant au cours d'intervalles de temps IT1 , IT2 successifs de même
durée. Il est noter que la durée des intervalles de temps IT1 , IT2 est
normalement très inférieure au cours d'un intervalle de relaxation que la
durée
de ces intervalles de temps au cours d'un intervalle d'impulsion. En effet, au
cours d'un intervalle de relaxation, la charge Z est remplacée par une
impédance très faible (court-circuit), de sorte que l'intensité du courant
dans
une inductance de lissage La, Lb croîtra / décroîtra beaucoup plus rapidement
au cours d'un intervalle de relaxation qu'au cours d'un intervalle
d'impulsion.
De manière plus générale, la portée de la présente invention ne se
limite pas aux modes de mise en oeuvre et de réalisation décrits ci-dessus à
titre d'exemples non limitatifs.
Par exemple, il a été décrit un générateur 10 de courant dont l'étage
de régulation 20n comporte deux circuits de régulation 27a, 27b. Ce mode de
réalisation est particulièrement avantageux en ce qu'il constitue un bon
compromis sur le nombre et le volume des inductances de lissage La, Lb par
rapport à la précision de la régulation de l'intensité du courant circulant
dans la
charge Z (par une commande adaptée des commutateurs Qa, Qb desdits deux
circuits de régulation). Rien n'exclut, suivant d'autres exemples, de
considérer
un seul circuit de régulation (mais pour obtenir la même valeur d'inductance ¨
en henrys ¨ avec une seule inductance de lissage, le volume de celle-ci sera
plus important) ou de considérer au moins trois circuits de régulation montés
en parallèle (davantage d'inductances de lissage de volumes inférieurs).
Il est également possible d'avoir un générateur de courant comportant
plusieurs étages de régulation.
En outre, il a été décrit un générateur de courant dont les sources de
tension continue des étages secondaires sont des enroulements secondaires
d'un transformateur monophasé, comportant chacune un pont redresseur à
diodes et une capacité de filtrage. On comprend que la réalisation des sources
de tension continue (et la façon dont elles sont éventuellement alimentées)
sort
du cadre de l'invention et est considérée comme à la portée de l'homme de
l'art,
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et qu'une réalisation particulière des sources de tension continue ne
constitue
qu'une variante de réalisation d'un générateur de courant selon l'invention.
