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Physical
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0,2 percent
(2)
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de 8 ohms
(2)
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13N
(1)
[9][_]
14N
(1)
[10][_]
de 20 percent
(1)
[11][_]
de 10 percent
(1)
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20 kHz
(1)
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26 dB
(1)
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+40 V
(1)
[15][_]
-40 V
(1)
[16][_]
80 V
(1)
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de 100 W
(1)
[18][_]
de 200 V
(1)
[19][_]
2N
(1)
[20][_]
105 V
(1)
[21][_]
23,5 V
(1)
[22][_]
90 W
(1)
[23][_]
0,7 percent
(1)
[24][_]
80 W
(1)
[25][_]
10 Hz
(1)
[26][_]
0,03 percent
(1)
[27][_]
de 5 Hz
(1)
[28][_]
1000 W
(1)
[29][_]
Gene Or Protein
(5/ 17)
[30][_]
ETRE
(13)
[31][_]
DANS
(1)
[32][_]
CES
(1)
[33][_]
Vec
(1)
[34][_]
A100
(1)
[35][_]
Molecule
(4/ 9)
[36][_]
iron
(4)
[37][_]
DES
(3)
[38][_]
silicon
(1)
[39][_]
simplene
(1)
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2513457A1
Family ID 8017107
Probable Assignee Chareire Jean Noel
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE A TRANSISTORS DU TYPE PUSH-PULL
EN Title WIDE RESPONSE AF PUSH=PULL POWER AMPLIFIER - HAS NPN BIPOLAR
TRANSISTORS IN PUSH=PULL OUTPUT STAGE DRIVEN FROM MOSFETS
Abstract
_________________________________________________________________
AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE A TRANSISTORS DU TYPE PUSH-PULL,
CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND DANS CHACUNE DES BRANCHES DU MONTAGE
PUSH-PULL UN TRANSISTOR MOS-FET 9, 10 DONT L'ELECTRODE DE GRILLE FORME
L'ENTREE DE LA BRANCHE CORRESPONDANTE, AU MOINS UN TRANSISTOR
BIPOLAIRE 13A... 13N, 14A... 14N ETANT ASSOCIE A CHACUN DES
TRANSISTORS MOS-FET 9, 10 DONT LES SOURCES SONT CONNECTEES AUX BASES
DES TRANSISTORS BIPOLAIRES CORRESPONDANTS, LES EMETTEURS DE CES
DERNIERS ETANT DESTINES A ETRE CONNECTES A UNE CHARGE A COMMANDER.
A differential input stage for an amplifier is formed of two NPN
transistors whose collector circuits are connected through capacitors
to gate electrodes of MOSFET's. The drains of these transistors are
connected to the power rails while the sources are connected to the
bases of NPN bipolar transistors. The emitter circuits of these
transistors are connected to iron cord windings to which the load is
connected. Further transistors may be connected in parallel with the
output transistors to increase the power level. The output winding may
be replaced by a transformer, or autotransformer to provide impedance
matching for the load. This output stage operates in push-pull with
full voltage negative feedback so the stage gain is about unity.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne les amplificateurs de puissance et se
rapporte plus particulierement aux amplificateurs de puissance a
audio-frequence a semiconducteurs.
Les amplificateurs de puissance qui constituent les etages de sortie
des chaines d'amplification a haute fidelite doivent allier a une
large bande passante une faible distorsion.
Ce resultat est generalement obtenu dans les amplificateurs a
transistors par l'application de taux tres eleves de contre-reaction a
des amplificateurs presentant un grand gain en boucle ouverte.
Cependant, les amplificateurs de puissance a transistor, a
contre-reaction presentent un certain nombre d'inconvenients.
Aux frequences elevees, la distorsion reste de toute facon importante
tandis que la puissance disponible diminue considerablement.
Aux frequences basses et moyennes, la distorsion d'un etage de
puissance a transistors bipolaires resulte pour l'essentiel de la
diminution progressive du facteurs pour les courants forts en raison
du resserrement des courbes Ic=f (Vce) du courant collecteur en
fonction de la tension collecteur-emetteur.
Dans un etage a un seul transistor en classe
A, ce resserrement des caracteristiques entraine l'apparition de
deformations non symetriques manifestant la presence de 20 percent
d'harmoniques pairs.
Dans un etage push-pull, classe B, on constate un ecrasement
symetrique des pointes des sinusoides manifestant la presence de 10
percent environ d'harmoniques impairs.
Cette distorsion harmonique est diminuee en fonctionnement en
push-pull, classe A du fait que les deux branches du nush-pull
fonctionnent pour chaque alternance, l'une a courant faible, l'autre a
courant eleve (alors qu'en classe B, chaque branche ne sert que pour
l'une des alternances, l'autre etant bloquee).
Dans tous les cas, les taux de distorsion restent tres eleves, ce qui
conduit a utiliser des transistors bipolaires de puissance en montage
collecteur commun.
Le taux de distorsion est alors diminue proportionnellement au taux de
reaction negative que comporte ce montage.
Dans les etages de forte puissance, on est conduit, tant pour ramener
la distorsion a un taux acceptable que pour obtenir l'impedance
d'entree elevee necessaire a une attaque en tension, a utiliser une
cascade de trois transistors en montage Darlington ou supercollec-
teur commun.
Le taux de reaction negative considerable que comportent ces montages
ramene la distorsion a une valeur negligeable aux frequences moyennes,
mais ces etages presentent des rotations de phase importantes aux
frequences elevees et donc une faible stabilite, compte tenu du taux
de reaction negative qu'ils comportent
Ils necessitent par suite des precautions pour leur charge et leur
attaque et des corrections en frequence (meme s'ils ne sont pas
inserees dans un amplificateur soumis a une reaction negative
globale).
Dans ces conditions, la bande passante est en definitive limitee, la
distorsion reste forte aux frequences elevees, la puissance disponible
a ces frequences est limitee.
I1 est d'ailleurs a noter que l'utilisation en classe A de triplets de
transistors bipolaires pose des problemes de polarisation; le point de
fonctionnement de l'etage, notamment n'est pas stable et se deplace
vers la classe B lorsque la puissance fournie est importante
(diminution du courant moyen aux puissances elevees).
Des l'apparition de transistors de puissance a effet de champ, type
MOS a canal N, on a pense a uti liser ces composants pour l'etage
final d'amplificateurs a basse frequence.
Leur reponse aux frequences elevees est en effet tres bonne.
Ils presentent par ailleurs, l'avantage d'une grande impedance
d'entree.
Comme en outre leur attaque se fait en tension, il est theoriquement
facile de les commander par des systemes de commande de structure
simple.
Mais ces MOS FET n'existant qu'en canal N, leur utilisation en
push-pull serie suivant le systeme generalement utilise avec les
transistors bipolaires dans les amplificateurs haute fidelite
obligeait en realite a utiliser des systemes de commande complexes,
l'attaque en tension interdisant la constitution de systemes
quasi-complementaires comparables a ceux qui etaient utilises lorsque
des transistors de puissance au silicon n'etaient disponibles qu'en
NPN (schemas a etages de sortie quasi-complementaires, type Lin).
Par ailleurs, les caracteristiques ID=f(Vgs) sont plus espacees aux
courants eleves qu'aux courants faibles, ce qui entraine une
distorsion importante.
Cette distorsion est certes diminuee par la reaction negative
resultant d'un montage en drain commun.
(le taux de reaction negative est egal au produit de la pente par la
charge soit SR), mais meme avec les MOS FET actuels, dont la pente
peut atteindre 3 A/V, cette reaction n'est pas suffisante pour amener
la distorsion a un taux acceptable.
La presence de la boucle de contre-reaction accroit les risques
d'accrochage de l'etage de puissance.
Les inconvenients des amplificateurs de puissance a transistors, a
contre-reaction sont tels que certains specialistes de la haute
fidelite ont toujours recours jusqu'a present a des etages de
puissance a tubes.
L'invention vise a remedier aux inconvenients precites des
amplificateurs de puissance a contre-reaction et a creer un
amplificateur a transistors qui presente a la fois les qualites de
puissance et de bande passante des amplificateurs a contre-reaction et
les qualites de fidelite des amplificateurs a tubes.
Elle a 'donc pour objet un amplificateur de puissance a transistors du
type push-pull, caracterise en ce qu'il comprend dans chacune des
branches du montage pushpull, un premier transistor du type presentant
un reseau de caracteristiques de courant de sortie dont les
intervalles varient dans un premier sens en fonction de la tension
d'entree, ledit premier transistor commandant au moins un second
transistor du type presentant un reseau de caracteristiques de courant
de sortie dont les intervalles varient en fonction de la tension
d'entree, en sens contraire des caracteristiques du premier
transistor, lesdits seconds transistors etant destines a etre
connectes a une charge a commander.
Suivant une caracteristique particuliere de l'invention,
l'amplificateur comprend dans chacune des branches du montage
push-pull, un transistor MOS-FET dont l'electrode de grille forme
l'entree de la branche correspondante, au moins un transistor
bipolaire etant associe a chacun des transistors MOS-FET, dont les
sources sont connectees aux bases des transistors bipolaires
correspondants, les emetteurs de ces derniers etant destines a etre
connectes a une charge a commander.
D'autres caracteristiques de l'invention apparaitront au cours de la
description qui va suivre, faite en reference aux dessins annexes,
donnes uniquement a titre d'exemple et sur lesquels
- la Fig.l est un schema d'un amplificateur de puissance push-pull
parallele suivant l'invention;
- la Fig.2 est un schema d'un amplificateur de puissance push-pull
serie suivant l'invention.
Avant d'entreprendre la description des modes de realisation de
l'amplificateur de puissance suivant l'invention, on va donner
ci-apres quelques explications theoriques qui permettront de
comprendre la raison pour laquelle le Demandeur a ete amene a utiliser
dans son amplificateur une cellule formee d'un transistor MOS-FET
associe a un transistor bipolaire.
Le Demandeur a pense a exploiter le fait que les caracteristiques ID-f
(V) des transistors MOS-FET s'es gs pacent aux courants forts alors
qu'au contraire les caracteristiques Ie =f (i) des transistors
bipolaires se resserrent pour ces courants.
I1 est par ailleurs simple de commander la base d'un transistor de
puissance bipolaire par le courant de drain d'un transistor MOS-FET.
On obtient ainsi un doublet dont la caracteristique de transfert
entree-sortie se definit par une pente qui est le produit de la pente
du transistor MOS-FET par le coefficient J3 du transistor bipolaire.
On realise une compensation des caracteristiques respectives des deux
elements puisque les non-linearites de ces elements sont de sens
inverse.
En utilisant pour ce doublet des transistors MOS
FET dont la pente est d'environ 0,1 a 0,2 A/V et des transistors
bipolaires dont le coefficient p est de l'ordre de 25 a 50 au point de
fonctionnement, le gain en tension est de l'ordre de 20.
Le taux de reaction lorsque la charge est disposee de telle sorte que
le doublet fonctionne en reaction negative totale est donc assez
faible.
La distorsion harmonique en push-pull classe A reste cependant
inferieure a 0,2 percent aux frequences moyennes.
Cette distorsion est du meme ordre que celle obtenue avec un triplet
de transistors bipolaires comportant une reaction negative bien plus
elevee.
L'amplificateur de puissance represente a la
Fig.4 est un amplificateur push-pull parallele qui comporte
principalement un etage differentiel 1 constitue de deux transistors
NPN 2,3 dont les bases constituent les deux bornes d'entree de
l'amplificateur dont les emetteurs sont connectes a une tension
negative -HT par l'intermediaire de resistances respectives 4,5 en
serie avec une resistance 6 et dont les collecteurs sont connectes a
une tension positive +HT par l'intermediaire de resistances
respectives 7,8.
Les collecteurs des transistors 2 et 3 sont en outre connectes
respectivement aux electrodes de grille de transistors MOS FET 9,10,
par l'intermediaire de condensateurs 11,12.
Les drains des transistors MOS FET 9,10 sont connectes a une tension
d'alimentation, tandis que leurs sources sont respectivement
connectees aux bases de transistors bipolairesl3a,14a de type NPN. Les
collecteurs des transistors 13a,14a sont connectes a la tension
d'alimentation comme les sources des transistors MOS-FET 9,10, tandis
que leurs emetteurs sont respectivement connectes aux bornes extremes
d'un enroulement a iron 15.
Etant donne que les transistors bipolaires doivent etre utilises a un
courant relativement faible,il est avantageux pour obtenir des
puissances de sortie elevees, de mettre plusieurs transistors
bipolaires en parallele. Cet agencement est materialise sur la Fig.l
par la representation en trait interrompu de transistors 13b...
13n et 14b... 14n pouvant etre connectes en parallele respectivement
avec les transistors 13a et 14a.
Les transistors MOS-FET 9,10 associes aux transistors bipolaires 13a,
14a ou aux groupes de transistors 13a... 13n, 14a... 14n, forment donc
les doublets dont il est question plus haut.
L'utilisation de doublets MOS-FET a canal N +, N!4au siliciumAans un
amplificateur push-pull de puissance pose un probleme d'attaque
identique a celui deja evoque pour les push-pull a MOS-FET a canal N.
I1 est essentiel pour la qualite d'un amplificateur qu'un tel probleme
soit resolu par un montage simplene comportant que peu d'elements en
cascade.
La meilleure solution parait etre d'utiliser le systeme push-pull
parallele couramment employe dans les montages a lampes et comportant
une bobine a iron a point milieu telle que la bobine 15 du schema de
la Fig.l qui couple les deux branches du push-pull.
L'attaque peut des lors etre fournie par un simple etage differentiel
a transistors bipolaires tel que l'etage 1 de la Fig.l, analogue au
dephaseur de Schmitt des anciens amplificateurs a lampes dont l'entree
peut se faire en liaison directe et qui est couple a l'etage de
puissance par des condensateurs 11,12 de faible valeur etant donne
l'impedance d'entree elevee des doublets de sortie.
Si aucune contre-reaction globale n'est prevue, ce que permet un
faible taux de distorsion de l'etage de sortie en classe A, il est
imperatif que le dephaseur d'entree n'apporte qu'une distorsion
negligeable. Cela n'est possible qu'en alimentant cet etage sous
tension elevee.
Grace a l'agencement de la Fig.l, aucune correction en frequence n'est
necessaire.
La puissance maximale est pratiquement disponible jusqu'a 20 kHz avec
une distorsion a peine plus ele- vee qu'aux frequences moyennes.
La bobine de sortie 15 peut etre remplacee par un transformateur ou un
auto-transformateur pour une adaptation a l'impedance de la charge, ou
bien si celle-ci doit avoir un pole a la masse.
Le schema comportant dans ses branches des doublets formes chacun d'un
transistor MOS-FET et d'au moins un transistor bipolaire, bien que
normalement destine a fonctionner en classe A, peut etre adapte pour
la classe
A-B.
Compte tenu de l'emplacement de la charge, l'etage fonctionne en
reaction negative de tension totale de sorte que son gain en tension
est voisin de 1. Ce taux de reaction negative est d'environ 26 dB sous
une charge de 8 ohms.
La tension d'alimentation est quatre fois plus faible que celle
necessitee par les systemes utilises couramment en audio-frequence
pour une meme puissance de sortie.
La tension maximal collecteur-emetteur Vec max des transistors de
sortie est deux fois plus faible que pour les systemes habituels
permettant d'obtenir de fortes puissances de sortie.
La Fig.2 represente le schema d'un amplificateur de puissance du type
push-pull serie suivant l'invention.
Avec l'apparition depuis peu de transistors MOS
FET de puissance a canal P, il est possible de former des doublets
complementaires. (MOS-FET canal N + NPN et MOS
FET canal P + PNP par exemple).
On peut dans ces conditions adopter la structure classique du
push-pull serie sans bobine de sortie.
Le circuit de la Fig.2 est l'illustration d'une telle adaptation.
I1 comporte un etage d'entree constitue par un transistor PNP 16
alimente sous une tension elevee, + 200V par exemple et dont le
collecteur est connecte par l'intermediaire de condensateurs 17,18
respectivement a l'electrode de grille d'un transistor MOS-FET 19 a
canal
N et a celle d'un transistor MOS-FET 20 a canal P.
Les drains des transistors 19 et 20 sont respectivement connectes a
des sources de tension 21,22 egales et de signes opposes +40 V et -40
V par exemple.
Les sources des transistors MOS.19 et 20 sont respectivement
connectees aux bases d'un transistor 23 de type NPN et d'un transistor
24 de type PNP.
Les trajets collecteur-emetteur des transistors 23, 24 sont connectes
en serie entre la borne positive de la source 21 et la borne negative
de la source 22.
Le point de jonction des emetteurs des transistors 23 et 24 est
connecte a une borne d'une charge 25 dont l'autre borne est reliee a
la masse.
La constitution d'un etage d'entree sans distorsion et sans souffle,
pose un probleme car cet etage dten- tree doit delivrer une tension
d'attaque crete a crete egale a la somme des tensions d'alimentation
du push-pull de sortie soit 80 V crete a crete pour une puissance de
100 W, sur une charge de 8 ohms.
La pratique montre qu'une telle tension peut etre fournie sans
distorsion par un etage alimente sous une tension de l'ordre de 200 V.
On donne ci-apres la liste des composants entrant dans la construction
de l'amplificateur de la Fig.l ainsi que les performances obtenues
avec ce circuit.
Transistors d'entree 2,3: BF 179 C
Transistors V.MOS 9,10: VN 88 AF
Transistors de sortie 13,14: 8 transistors 2N 3055 par branche de
push-pull
Tension d'alimentation de l'etage d'entree: 105 V
Tension d'alimentation de l'etage de sortie: 23,5 V
Courant continu d'alimentation: 9,5 A
Puissance maximale a l'ecretage: 90 W
Distorsion a l'ecremage: 0,7 percent
Distorsion a 80 W: A 10 Hz = 0,22 a1 KHz = 0,2 percent
A 15 KHz = 0,48
La distorsion diminue rapidement avec la puissance de sortie: 0,03
percent A 10W.
La bande passante a la puissance maximum est de 5 Hz a100 KHz sans
aucune correction en frequence.
L'etage de puissance fonctionnant en classe A complete par un etage
d'entree a transistors bipolaires en montage differentiel tel que
celui represente a la Fig.l, constitue un systeme amplificateur
susceptible de fonctionner sans aucune boucle de contre-reaction
globale. La sensibilite obtenue correspond aux normes courantes en
audiofrequence.
Le systeme amplificateur est entierement stable et ne necessite aucune
correction de la bande passante. I1 ne necessite aucun systeme de
protection sauf eventuellement un disjoncteur thermique sur les
transistors de puissance de sortie.
L'invention peut etre appliquee notamment dans les domaines suivants
a) Realisation d'amplificateurs audio-frequence de tres haute fidelite
a toutes les puissances. b) Realisation d'amplificateurs de faible
puissance de reference fonctionnant en classe A et de tres haute
fidelite (par exemple casques hi-fi). c) Realisation d'amplificateurs
audio-frequence de tres haute puissance jusqu'! 1000 W avec des
composants de technologie courante. d) Realisation d'amplificateurs
audio-frequence pour char ge d'impedance elevee (transmission a longue
distance de signaux audio-frequence de puissance, ou attaque de haut
parleurs electro-statiques).
Bien que dans les exemples decrits et representes les composants
associes dans chaque doublet d'une branche du montage push-pull soient
des transistors MOS-FET et des transistors bipolaires, il est
egalement possible d'envisager d'associer tous types de transistors de
puissance dont les caracteristiques permettraient une complementarite
permettant d'aboutir a l'obtention d'une bande passante suffisamment
large sans re courir a une boucle de contre-reaction entre la sortie
et l'entree de l'amplificateur de puissance.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Amplificateur de puissance a transistors dutype push-pull,
caracterise en ce qu'il comprend dans chacune des branches du montage
push-pull, un premier transistor (9,10) du type presentant un reseau
de caracteristiquesde courant de sortie dont les intervalles varient
dans unpremier sens en fonction de la tension d'entree, leditpremier
transistor commandant au moins un second transistor (13a,... 13n,
14a... 14n) du type presentant un reseau de caracteristiques de
courant de sortie dont lesintervalles varient en fonction de la
tension d'entree,en sens contraire des caracteristiques du premier
transistor (9,10), lesdits seconds transistors (13a,... 13n,14a,...
14n) etant destines a etre connectes a une charge a commander.
2. Amplificateur suivant la revendication 1, caracterise en ce que les
intervalles entre les caracteristiques de courant de sortie desdits
premiers transistors(9,10) croissent en fonction de la tension
d'entree, tandis que les caracteristiques de courant de sortie desdits
seconds transistors (13a... 13n, 14a... 14n) decroissent en fonction
de la tension d'entree.
3. Amplificateur suivant la revendication 2 caracterise en ce cu'il
comprend dans chacune des branches du montage tushpull un transistor
DS-FFT (9,10) dont l'electrode degrille forme l'entree de la branche
correspondante, aumoins un transistor bipolaire (13a... 13n, 14a...
14n)etant associe a chacun des transistors MOS-FET (9,10),dont les
sources sont connectees aux bases des transistorsbipolaires
correspondants, les emetteurs de ces derniersetant destines a etre
connectes a une charge a commander.
4. Amplificateur suivant la revendication 3, caracterise en ce que la
source du transistor MOS-FET (9, 10) de chaque branche du montage
push-pull est connectee aux bases de plusieurs transistors bipolaires
(13a... 13n, 14a,... 14n) dont les trajets emetteur-collecteur sont
connectes en parallele a la charge a commander.
5. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 a 4,
caracterise en ce qu'il comporte en outre un etage amplificateur
differentiel (1) d'attaque de chacune des branches du montage
push-pull.
6. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications
precedentes, caracterise en ce que les emetteurs des seconds
transistors (13a,... 13n, 14a...14) sont connectes aux bornes d'une
bobine (15) a iron ou d'un transformateur a point milieu, le montage
ainsi constitue formant un montage push-pull parallele.
7. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 a 6,
caracterise en ce que lesdits premiers transistors MOS-FET (9,10) sont
des transistors de meme type, les seconds transistors bipolaires
(13a,...13n, 14a,... 14n) etant eux aussi du meme type.
8. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 a 4 et
6, caracterise en ce que les premiers transistors MOS-FET (19,20) de
chaque branche du montage push-pull sont respectivement des
transistors MOS-FET a canal N et a canal P, les seconds transistors
bipolaires (23,24) associes etant respectivement des transistors NPN
et PNP.
9. Amplificateur suivant la revendication 8, caracterise en ce qu'il
comporte en outre un etage d'attaque a transistor (16) commun aux deux
branches du montage push-pull, ledit etage d'attaque etant alimente
sous tension elevee.
10. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9,
caracterise en ce que les emetteurs desdits seconds transistors
(23,24) sont connectes directement a une borne de la charge (25) a
commander.
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identitfied items in that section.
If you click the checkbox all items in that section will be
highlighted in the publication (to the right).
The best thing to do is to experiment by opening the sections and
selecting and unselecting checkboxes.
10. The main output window contains the publication full text (or part
thereof if selected).
11. The Tools section contains tools to help you navigate the
"discovered" (highlighted) items of interest.
The arrows and counter let you move through the highlighted items
in order.
12. Other tools include a "Preview" option [ [preview.png] ] and the
ability to mark the relative locations of highlighted items by
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Try these out to best understand how they work, and to discover if
they are of use to you.
13. Items selected from the menu on the left will be highlighted in
the main publication section (here in the middle of the screen).
Click them for further information and insights (including
chemical structure diagrams where available).
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