[0001] L'invention concerne un dispositif pour alimenter en courant un filament d'une cathode
d'un tube radiogène et pour réguler ledit courant à une valeur sélectionnée.
[0002] Un tube radiogène est généralement constitué comme une diode, c'est-à-dire par deux
électrodes dont l'une, appelée cathode, émet des électrons tandis que l'autre, appelée
anode, reçoit ces électrons sur une petite surface qui constitue la source de rayonnement
X.
[0003] La cathode comporte un filament chauffé qui constitue la source d'électrons. Quand
la haute tension, fournie par un générateur, est appliquée aux bornes des deux électrodes,
de façon que la cathode soit à un potentiel négatif, un courant dit anodique s'établit
au travers du générateur et traverse l'espace entre la cathode et l'anode sous la
forme d'un faisceau d'électrons dont l'intensité dépend de la température du filament,
cette température étant fonction de la puissance dissipée dans le filament, c'est-à-dire
du courant, appelé courant de chauffage, qui circule dans le filament.
[0004] La quantité de rayons X émis par l'anode dépend principalement de l'intensité du
courant anodique et donc du courant de chauffage du filament. Aussi, le courant de
chauffage de filament constitue un des paramètres importants qui doivent être déterminés
pour chaque pose de radiographie ou de radioscopie au cours d'un examen radiologique
d'un patient.
[0005] Les paramètres de la pose sont déterminés en fonction de la nature de l'examen. Généralement,
ces paramètres sont prédéterminés par un opérateur qui en affiche les valeurs sur
un pupitre de commande par lequel est commandé le fonctionnement des différents organes
d'une installation de radiologie tels que, par exemple, le générateur haute tension
et le générateur du courant de chauffage du filament. De plus en plus souvent, les
valeurs de ces paramètres sont déterminées à l'aide d'un dispositif à microprocesseur
qui calcule et programme les valeurs optimales de ces paramètres en fonction, par
exemple, du type d'examen désiré par le praticien et des caractéristiques spécifiques
de l'installation.
[0006] Les paramètres qui sont calculés et programmés sont, par exemple, la durée du temps
de pose, l'énergie du rayonnement X par le choix de la valeur de la haute tension
appliquée entre la cathode et l'anode et l'intensité du courant anodique par le choix,
notamment, d'une valeur de l'intensité du courant de chauffage du filament.
[0007] Il est à remarquer que l'intensité du courant de chauffage doit pouvoir être modifiée
de manière importante, d'une pose à la suivante, par exemple de 1,5 ampère à 5,5 ampères
mais aussi au cours d'une même pose. En outre, ces valeurs de courant doivent être
obtenus rapidement et automatiquement et être maintenues pendant le temps requis.
[0008] Il existe de nombreux dispositifs d'alimentation et de régulation du courant de chauffage
de filament d'un tube radiogène et l'un d'entre eux est décrit dans le brevet français
2 597 285. Ce dispositif de l'art antérieur, dont le schéma de principe est donné
par la figure 1, comprend un circuit d'alimentation en courant 11 et un circuit de
régulation 12 (y compris un circuit 8).
[0009] Le circuit d'alimentation 11 comprend une source de tension continue 13 représentée
par une pile 13′ et un circuit onduleur 14. Le circuit onduleur 14 comprend un circuit
hâcheur 31 comportant des interrupteurs 20 et 21 commandés par un circuit de commande
19 et des diodes 22 et 23, et un circuit résonant 10 comportant les condensateurs
24 et 25 et la bobine 26. Le circuit résonant 10 est connecté à un enroulement primaire
28 d'un transformateur d'isolement 9 dont le circuit secondaire 27 comporte le filament
15 de la cathode du tube radiogène 30. Le filament 15 est éventuellement alimenté
par l'intermédiaire d'un circuit redresseur 29 qui est par exemple du type à diodes
et à condensateur de filtrage.
[0010] Le circuit de régulation 12 comprend un circuit de détection 8 du courant de chauffage
du filament et un circuit de mesure 16 de ce courant de chauffage du filament, un
circuit comparateur 17 du courant mesuré avec une valeur prédéterminée, dite de consigne,
un circuit convertisseur 18 tension-fréquence variable qui est appliqué au circuit
onduleur 14 de manière à en modifier la fréquence et ainsi obtenir un courant de chauffage
dont la valeur est égale à une valeur de consigne Ic.
[0011] Le dispositif qui vient d'être décrit succinctement présente les inconvénients suivants.
Le blocage brutal des transistors des interrupteurs 20 et 21 du circuit onduleur 14
donne naissance à des variations rapides du courant qui créent des signaux parasites,
ces derniers perturbant les circuits environnants et, notamment, le circuit primaire
28 du transformateur qui comporte le circuit de détection 8 du courant de chauffage.
Les signaux de mesure comportent donc des parasites qui créent une erreur dans le
circuit de régulation 12. Lorsque cette erreur est reproductible, elle peut-être corrigée
par étalonnage du dispositif.
[0012] Une telle reproductibilité n'est possible que si le régime de fonctionnement est
stable, ce qui est obtenu par une régulation de la tension E de la source 13.
[0013] Le blocage brutal des transistors du circuit onduleur 14 a aussi pour effet que le
courant qui circule dans le filament 15 a une forme évoluant entre la sinusoïde et
la dent de scie lorsque la tension E de la source varie. Or, dans le circuit de régulation
12, il est prévu de calculer le courant efficace qui caractérise la température du
filament en portant au carré la mesure effectuée. Lorsque le courant de chauffage
se rapproche de la dent de scie, sa valeur au carré présente des pointes qui correspondent
à des harmoniques de rang élevé que le circuit de mesure de la valeur efficace ne
peut reproduire car sa bande passante est insuffisante. Pour éviter un tel phénomène,
il est connu de réguler la tension E de la source de tension 13.
[0014] Un but de la présente invention est donc de réaliser un circuit d'alimentation dans
lequel les phases de fonctionnement du circuit onduleur ne comportent pas de blocage
brutal du courant dans les semi-conducteurs, ni de forme d'onde de courant de filament
présentant des harmoniques élevés.
[0015] Pour atteindre ce but, l'invention propose un circuit onduleur du type hyporésonant
à fonctionnement discontinu dans lequel la fréquence de commutation des semi-conducteurs
du circuit onduleur est inférieure à la fréquence de résonance du circuit résonant
et dans lequel la commutation des semi-conducteurs est effectuée lorsque le courant
dans ces derniers est nul.
[0016] L'invention concerne donc un dispositif d'alimentation et de régulation du courant
d'un filament d'une cathode d'un tube radiogène comportant un circuit d'alimentation
en courant dudit filament et un circuit de régulation dudit courant, ledit circuit
d'alimentation comprenant :
- une source de tension continue,
- un circuit onduleur pour obtenir des impulsions de courant à partir de la source de
tension continue, et
- un transformateur d'isolement dont l'enroulement primaire est connecté à la sortie
du circuit onduleur, caractérisé en ce que :
- le circuit onduleur est du type hyporésonant et fournit des impulsions de courant
haute fréquence, et en ce que
- le transformateur d'isolement, du type impulsionnel, a son enroulement secondaire
qui est directement connecté audit filament de la cathode.
[0017] Le circuit de régulation de la figure 1, correspondant à l'art antérieur, présente
un temps de retard important entre l'application d'une valeur de consigne et la réalisation
de cette consigne au niveau du courant de filament. Ce temps de retard est dû au filtrage
introduit par le circuit de calcul de la valeur efficace du courant de filament dans
la chaîne de mesure. Or, tout filtrage dans la chaîne de mesure est équivalent à une
dérivation dans la chaîne directe, dérivation qui est source d'instabilité. Pour éviter
cette instabilité, la chaîne directe comporte un filtrage qui limite beaucoup la bande
passante de la boucle d'asservissement, ce qui se traduit par le retard signalé ci-dessus.
[0018] Un autre but de la présente invention est donc de réaliser un circuit de régulation
qui ne comporte pas de circuit de filtrage dans la chaîne de mesure.
[0019] Pour atteindre un tel but, le signal de mesure est élevé du carré et est comparé
à la valeur au carré d'une consigne et il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un
circuit de calcul de la racine carrée qui comporterait un circuit de filtrage.
[0020] Ainsi le circuit de régulation est caractérisé en ce qu'il comprend :
- un circuit de mesure du courant I(t) dans le filament,
- un circuit de calcul du carré I²(t) du courant I(t),
- un circuit différentiateur pour obtenir la différence ε entre I²(t) et un signal I²ref représentant le carré du courant Iref à obtenir dans le filament,
- un circuit intégrateur de la différence ε,
- un circuit comparateur pour comparer le signal intégré à un seuil et obtenir un signal
de sortie dès que le signal intégré dépasse ledit seuil,
- un circuit de commande du circuit onduleur qui est commandé par le signal de sortie
du deuxième circuit comparateur et fournit des signaux de commande des interrupteurs
du circuit onduleur de manière à créer une impulsion de courant dans l'enroulement
primaire du transformateur.
[0021] D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront
à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite
description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un dispositif d'alimentation et de régulation
du courant de filament d'un tube radiogène selon l'art antérieur,
- la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un dispositif d'alimentation et de régulation
du courant de filament d'un tube radiogène selon la présente invention.
- la figure 3 est un schéma fonctionnel simplifié du circuit de commande 51 du schéma
de la figure 2, et
- les figures 4-a à 4-h sont des diagrammes de signaux en fonction du temps qui sont
utiles pour la compréhension du fonctionnement du dispositif d'alimentation et de
régulation selon la présente invention.
[0022] Le schéma de la figure 1 a été décrit succinctement dans le préambule pour montrer
certains inconvénients des dispositifs d'alimentation et de régulation du courant
de filament de tubes radiogènes selon l'art antérieur.
[0023] Le dispositif d'alimentation et de régulation du courant d'un filament 40 de cathode
d'un tube radiogène 41 comportant une anode 42 comprend un circuit d'alimentation
en courant 43 et un circuit de régulation 44 du courant circulant dans le filament
40.
[0024] Le circuit d'alimentation 43 comprend une source de tension continue 45, un circuit
onduleur 46 et un transformateur d'isolement 50.
[0025] La source de tension continue 45 peut être de tous types connus sans régulation de
tension. Elle comprend, par exemple, une source 47 de tension alternative qui est
connectée à des diodes D1 à D4 montées en pont redresseur double alternance. Les bornes
de sortie du pont redresseur sont connectées au circuit onduleur 46 par l'intermédiaire
d'une cellule de filtrage qui est constituée principalement d'un condensateur électrolytique
C1.
[0026] Le circuit onduleur 46 comprend un circuit hâcheur 48 et un circuit résonant 49.
[0027] Le circuit hâcheur 48 comprend, par exemple, deux transistors à effet de champ T1
et T2 qui sont connectés en série sur les bornes de sortie du circuit d'alimentation
45 et deux diodes D5 et D6 qui sont connectées respectivement en parallèle entre le
drain et la source des transistors T1 et T2 dont les sorties sont connectées chacune
à la grille de commande du transistor T1 ou T2 de manière que leur anode soit connectée
à la source du transistor correspondant. Il comprend également un circuit de commande
51 des transistors T1 et T2.
[0028] Le circuit résonant 49 comprend, par exemple, deux condensateurs C2 et C3 qui sont
connectés en série sur les bornes de sortie du circuit onduleur 48 et une bobine L1
dont une borne est connectée directement à l'anode de la diode D5 et dont l'autre
borne est connectée, par l'intermédiaire d'un enroulement primaire 52 du transformateur
50, au point commun C des condensateurs C2 et C3.
[0029] Le transformateur d'isolement 50, du type à impulsions, comporte, outre l'enroulement
primaire 52, un enroulement secondaire 53 dont les bornes de sortie sont connectées
directement au filament 40 de la cathode du tube radiogène 41. Il est à remarquer
que, par rapport au schéma de la figure 1, il n'y a pas de circuit redresseur dans
le circuit secondaire de sorte que le filament 40 est alimenté en courant impulsionnel.
Cependant, le dispositif selon l'invention peut être mis en oeuvre dans le cas où
un circuit redresseur est connecté entre l'enroulement secondaire 53 et le filament
40.
[0030] Le circuit onduleur 46 est du type hyporésonant, c'est-à-dire que la fréquence de
commutation des transistors T1 et T2, telle que définie par le circuit de commande
51, est inférieure à la fréquence de résonance du circuit résonant 49.
[0031] Le circuit de régulation 44 comprend un circuit 54 de détection et de mesure du courant
de chauffage I(t) qui est connecté, par exemple, dans le circuit primaire 52 du transformateur
50. Le signal détecté par ce circuit de mesure est appliqué à un circuit multiplieur
55 qui effectue la multiplication du signal d'entrée proportionnel à I(t) par lui-même
de sorte que le signal à la sortie est proportionnel à I²(t). Le signal sortie proportionnel
à I²(t), est appliqué à une entrée d'un circuit différentiateur 56 qui reçoit par
ailleurs, sur son autre entrée, un signal de référence I²
ref correspondant au courant I
ref que l'on souhaite obtenir dans le filament 40. Ce signal I²
ref est fourni par un dispositif de commande 59. Le signal d'erreur ε = I²
ref - I²(t) est appliqué à un circuit intégrateur 57 dont le signal de sortie est appliqué
à un comparateur 58 dont le potentiel de référence est la masse. Le comparateur 58
fournit une impulsion dès que le signal intégré est, par exemple, supérieur au potentiel
de la masse et cette impulsion dure jusqu'au moment où ledit signal intégré devient
inférieur au potentiel de la masse. Cette impulsion, fournie par le comparateur 58,
est appliqué au circuit de commande 51 pour déclencher la conduction de l'un ou l'autre
transistor T1 ou T2 selon que le transistor qui a été précédemment conducteur a été
T2 ou T1.
[0032] La figure 3 est un schéma fonctionnel simplifié du circuit de commande 51; ce dernier
comprend un circuit logique ET 60 dont une entrée 60-a est connectée à la sortie du
circuit comparateur 58 et dont l'autre entrée 60-b est connectée à un circuit retardateur
64. La sortie du circuit ET 60 est connectée, d'une part, à une entrée d'un circuit
bistable 61 et, d'autre part, à l'entrée de deux circuits retardateurs, l'un référencé
64 et l'autre référencé 65. Le circuit bistable 61 comporte deux sorties 61-a et 61-b,
correspondant la première à l'état 1 et la deuxième à l'état
0, qui sont connectées respectivement à une des deux entrées de circuits logiques ET
62 et 63. L'autre entrée des circuits ET 62 et 63 est connectée à la sortie du circuit
retardateur 65.
[0033] Le circuit ET 60 fournit une impulsion de commande de changement d'état du circuit
bistable 61 chaque fois que le circuit 58 fournit une impulsion et qu'un certain temps
ou délai Θ₁ s'est écoulé depuis la dernière impulsion. Ce délai Θ₁ est obtenu à l'aide
du circuit retardateur 64.
[0034] Le circuit bistable 65 fournit les signaux de commande des transistors T1 et T2 par
l'intermédiaire des circuits ET 62 et 63 dont l'ouverture est commandée par le signal
du circuit retardateur 65 qui fixe la durée minimale de conduction Θ₂ desdits transistors.
[0035] Les valeurs de Θ₁ et Θ₂ peuvent être respectivement de 50 microsecondes et 37 microsecondes
dans le cas où la fréquence maximale de commutation est de 20 kilohertz.
[0036] Le fonctionnement du dispositif d'alimentation et de régulation selon l'invention
sera maintenant expliqué à l'aide des figures 2, 3 et 4 en supposant qu'une impulsion
T′1, (figure 4-g) est appliquée au temps t
o à l'électrode de commande du transistor T1. Cette impulsion T′1 rend et maintient
conducteur le transistor T1 et un courant i₁ (figure 4-a) dit positif, circule dans
le transistor T1, la bobine L1, l'enroulement primaire 52 du transformateur 50, les
condensateurs C2 et C3 et la source 45 (en fait i₁/2 dans chaque condensateur).
[0037] Ce courant i₁ donne naissance à une tension V (figure 4-b) de forme sinusoïdale aux
bornes de l'enroulement primaire 52 et il en résulte un courant I(t) (figure 4-c)
dans l'enroulement secondaire 53 du transformateur 50, courant d'allure identique
au courant i₁ circulant dans l'enroulement primaire.
[0038] Le courant i₁ charge le condensateur C3 et décharge le condensateur C2 du circuit
résonant et leur tension de charge s'oppose à la circulation du courant i₁ de sorte
que ce dernier s'annule au temps t₁. Le condensateur C3 se décharge ensuite alors
que le condensateur C2 se charge et un courant i₂ (figure 4-a), dit négatif, circule
dans les condensateurs C2 et C3 (en fait i₂/2 dans chaque condensateur), l'enroulement
primaire 52, la bobine L1 la diode D5 et la source 45. Ce courant négatif donne naissance
à une tension négative (figure 4-b) aux bornes de l'enroulement primaire 52 et, par
voie de conséquence, à un courant I(t) (figure 4-c) négatif dans l'enroulement secondaire
53. Lorsque le courant i₂ s'annule, l'impulsion est terminée.
[0039] Après un temps variable qui est déterminé par le circuit de régulation, une impulsion
T′2 est appliquée à l'électrode de commande du transistor T2 au temps t′
o pour le rendre conducteur. Un courant i′₁, dit négatif, circule alors dans le transistor
T2, la source 45, les condensateurs C2 et C3 (en fait i′₁/2 dans chaque condensateur),
l'enroulement primaire 52 du transformateur 50 et la bobine L1. Ce courant négatif
donne naissance à une tension V négative (figure 4-b) aux bornes de l'enroulement
primaire 52 et il en résulte un courant I(t) négatif (figure 4-c) dans l'enroulement
secondaire 53 du transformateur 50, courant d'allure identique au courant i′₁ circulant
dans l'enroulement primaire.
[0040] Le courant i′₁ négatif charge le condensateur C2 et décharge le condensateur C3 et
leur tension de charge s'oppose à la circulation du courant i′₁ de sorte que ce dernier
s'annule au temps t′₁. Le condensateur C2 se décharge ensuite tandis que le condensateur
C3 se charge et un courant i′₂ positif circule dans les condensateurs C2 et C3 (en
fait i′₂/2 dans chaque condensateur), l'enroulement primaire 52, la bobine L1, la
diode D6 et la source 45. Ce courant positif donne naissance à une tension positive
(figure 4-b) aux bornes de l'enroulement primaire 52 et, par voie de conséquence,
à un courant I(t) positif (figure 4-c) dans l'enroulement secondaire 53. Lorsque le
courant i′₂ s'annule, l'impulsion est terminée.
[0041] Le circuit de commande 51, décrit en relation avec la figure 3, fonctionne de la
manière suivante en supposant que le transistor qui vient d'être conducteur est le
transistor T2. Lorsque le circuit 58 fournit l'impulsion 70 (figure 4-f), son front
avant commande le changement l'état (mise à l'état 1) du circuit bistable 61 par l'intermédiaire
du circuit ET 60 à condition que la deuxième entrée de ce circuit ET reçoive le signal
d'autorisation 71 (figure 4-h) donnée par le circuit retardateur 64. Le signal fourni
par le circuit ET 60 remet à zéro les deux circuits retardateurs 64 et 65 de manière
que le circuit ET 60 se ferme pendant le temps Θ₁ (figure 4-h) et que les circuits
ET 62 et 63 s'ouvrent pendant le temps Θ₂ (figure 4-g). Cependant, seul le circuit
ET 62, qui reçoit le signal d'état 1 du circuit bistable 61, fournit un signal qui
rend conducteur le transistor T1.
[0042] Comme on l'a indiqué précédemment, la durée de ce signal est déterminée par la durée
Θ₂ du signal T′1 fourni par le circuit retardateur 65, c'est-à-dire au moins égale
à la demi-période de la fréquence maximale de commutation, de manière que le transistor
T1 (ou T2) soit maintenu dans l'état conducteur pendant le temps Θ₂. Le signal T′1
(ou T′2) se termine donc toujours après l'instant t₁ (ou t′₁).
[0043] Un temps Θ₁ après l'impulsion 70, le circuit retardateur 64 fournit un signal 71′
d'ouverture du circuit ET 60 de sorte que l'impulsion suivante 70′ change l'état du
circuit bistable 61 qui passe à l'état
0, termine le signal 71′ par l'intermédiaire du circuit retardateur 64 et fournit le
signal T′2 par l'intermédiaire du circuit retardateur 65. Le circuit ET 63 fournit
alors un signal de durée Θ₂ qui rend conducteur le transistor T2.
[0044] Lors du cycle suivant, le transistor T1 sera conducteur car le circuit bistable 61
reviendra à l'état 1.
[0045] Le circuit de commande 51 décrit en relation avec la figure 3 comporte deux circuits
retardateurs 64 et 65 mais on comprend qu'ils peuvent être réalisés à l'aide d'un
seul circuit retardateur.
[0046] Dans le dispositif d'alimentation et de régulation du courant de filament selon l'invention,
la régulation de la valeur du courant est obtenue par des impulsions alternatives
de courant qui sont sensiblement identiques mais inverses à chaque cycle mais dont
la fréquence varie pour obtenir la valeur souhaitée I
ref. Ainsi, dans le cas où I
ref augmente la différence ε augmentera et la pente (partie 73-fig. 4-e) du signal intégré
augmentera également de sorte que l'impulsion 70′ apparaîtra un peu plus tôt et déclenchera
donc le transistor T2 plus tôt.
[0047] Dans la description du fonctionnement du circuit onduleur, on a indiqué que les courants
i₁, i₂, i′₁ et i′₂ circulaient dans les condensateurs C2 et C3 mais il est clair que
chacun de ces courants se divise en deux parties égales au point C, une moitié vers
la branche contenant le condensateur C2 et l'autre moitié vers la branche contenant
le condensateur C3.
1. Dispositif d'alimentation et de régulation du courant d'un filament (40) d'une cathode
d'un tube radiogène (41) comportant un circuit d'alimentation en courant (43) dudit
filament comprenant :
- une source de tension continue (45),
- un circuit onduleur (46) pour obtenir des impulsions de courant à partir de la source
de tension continue (45), et
- un transformateur d'isolement (50) dont l'enroulement primaire (52) est connecté
à la sortie du circuit onduleur (46), caractérisé en ce que :
- le circuit onduleur (46) est du type hyporésonant et fournit des impulsions de courant
audit transformateur d'isolement (50),
- ledit circuit onduleur (46) est commandé par des impulsions haute fréquence qui
sont fournies par un circuit de régulation, et
- le transformateur d'isolement (50), du type impulsionnel, a son enroulement secondaire
(53) directement connecté audit filament (40) de la cathode.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de régulation
(44) comprend :
- un circuit de détection (54) du courant I(t) dans le filament (40),
- un circuit de calcul (55) du carré I²(t) du courant I(t),
- un circuit différenciateur (56) pour obtenir la différence ε entre I²(t) et un signal
I²ref représentant le carré du courant Iref à obtenir dans le filament (40),
- un circuit intégrateur (57) de la différence ε,
- un circuit comparateur (58) pour comparer le signal intégré à un seuil et obtenir
un signal de sortie dès que le signal intégré dépasse ledit seuil,
- un circuit de commande (51) du circuit onduleur (46) qui est commandé par le signal
de sortie dudit deuxième circuit comparateur (68) et fournit des signaux de commande
des interrupteurs (T1,T2) du circuit onduleur (46) de manière à créer des impulsions
de courant dans l'enroulement primaire (52) du transformateur.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de commande
(51) comprend :
- un premier circuit ET (60) dont une des deux entrées est connectée à la sortie du
deuxième circuit comparateur (58),
- un circuit bistable (61) dont l'entrée de commande est connectée à la sortie du
premier circuit ET (60) de manière à changer d'état à chaque signal fournit par ce
dernier,
- un deuxième circuit ET (62) dont une des deux entrées est connectée à la sortie
du circuit bistable (61) correspondant à l'état 1,
- un troisième circuit ET (63) dont une des deux entrées est connectée à la sortie
du circuit bistable (61) correspondant à l'état 0,
- un premier circuit retardateur (64) dont l'entrée est connectée à la sortie du premier
circuit ET (60) et dont la sortie est connectée à la deuxième entrée du premier circuit
ET (60), et
- un deuxième circuit retardateur 65 dont l'entrée est connectée à la sortie du premier
circuit ET (60) et dont la sortie est connectée à l'autre entrée des deuxième et troisième
circuits ET (62,63).