Brevet FR2008826A1 — publié le 19700123

La présente invention est relative au secteur des circuits de protection de sécurité et concerne plus particulièrement un dip'ole électronique pour interrompre automatiquement un circuit lorsque l'intensité du courant traversant 5 ce dernier dépasse une valeur déterminée, c'est-à-dire un élément protecteur déclenchant en cas de courant excessif,, Des dispositifs protecteurs déclenchant en cas de courant excessif sont décrits aux pages 56 à 59 de la revue "Electronics" parue le 23 décembre 1960, ainsi que dans le 10 brevet français N° 1.245-906. L'élément commutateur de ces dispositifs est un transistor série d'un stabilisateur de tension et/ou de courant. Un transistor de commarde bloque le transistor précité dès que le courant de charge traversant une résistance de mesure dépasse une valeur déterminée, et une 15 boucle de rétrocouplage maintient le transistor série bloqué, après son blocage. Si on renonce à la fonction stabilisatrice de tension et/ou de courant de ces dispositifs connus, on n'éprouve pas de difficulté majeure pour les réaliser sous 20 forme de dipôles électroniques. Toutefois, ces dispositifs étant enclenchés, ils continueront à limiter le courant, tandis qu'étant déclenchés, ils laisseront passer un courant d'intensité non négligeable. Surtout en ce qui concerne ce dernier point, l'in-25 vention se propose de fournir un élément protecteur perfectionné déclenchant en cas de courant excessif et capable de remplacer avantageusement un fusible dans de nombreuses applications. L'invention repose sur une utilisation adéquate, d'une part d'une combinaison de transistors connue, par exemple par 30 le brevet français N0 1.077»7Ô7, e"t utilisée comme élément commutateur qui, à l'état conducteur, présente une résistance interne négligeable, et d'autre part d'une électrode auxiliaire, connue par le brevet britannique „1 o039->915» pour-la commande d'une telle combinaison de transistors. 35 Le dipôle électronique conforme à l'invention est remarquable en ce qu'il comporte le montage en série d'une combinaison de transistors p-n-p-n et d'une résistance de mesure de courant, en ce qu'un premier transistor de cette combinaison, le plus éloigné de la résistance de mesure, comporte 40 un collecteur supplémentaire "disposé de façon â pouvoir collec 69-15791 2008826 ter les porteurs de charge minoritaires se déplaçant vers le collecteur normal de ce transistor connecté à la hase de l'autre transistor de la combinaison, et en ce que ledit collecteur additionnel est raccordé â la borne de la résistance de mesure 5 la plus éloignée de la combinaison de transistors par l'intermédiaire d'un élément de couplage â seuil de tension, l'ensemble étant disposé de façon telle que, lorsque la somme de la chute de tension aux bornes de la résistance de mesure et de la -tension de seuil base-émetteur du deuxième transistor^ devient 10 supérieure au seuil de tension de l'élément de couplage, le collecteur additionnel intercepte le courant s'écoulant vers le collecteur normal du premier transistor et déclenche la combinaison de transis-cors p-n-p-n» la description suivante, en regard des dessins 15 annexés", le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que des figures du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention» La figo 1 montre le schéma d'un dispositif connu 20 suivant le brevet français N° 1o245°906o La figo 2 montre le schéma d'un dipôle électronique d'une disposition, connue par la revue "Electronics" ' précitée, permet de déduire du dispositif suivant la fig„ 1„ La fig„ 3 montre le schéma d'un premier mode dé 25 réalisation du dipôle électronique conforme à l'invention» La figo 4 est"la caractéristique courant-tension, du dipôle suivant la figo 3° " La figo 5 est une coupe longitudinale d'un-dipôle suivant la fig„ 39 réalisé sous forme monolithique» 30 La figo 6 montre le schéma d'un mode de réalisation du dipôle conforme à l'invention, apte à interrompre un courant alternatif» =- La figo 7 montre le schéma d'un autre-mode de réalisation du dipôle apte à interrompre "un courant- alternatif et 35 pouvant être fabriqué sous forme-monolithique-intégrée» La fig tension et/ou de courant comportant un dispositif protecteur s * enclenchant en cas .de surintensité de courant suivant le -brevet français N°»t»245o906„ Les bornes d'entrée (1) et (?) 40 reçoivent une tension continue, la borne (2+) étant raccordée BAD ORIGINAL 69.15791 2008826 - 3 - directement à une "borne de sortie correspondante (4)» tandis que la "borne (1-) est raccordée à la "borne de sortie correspondante (3) à travers le trajet collecteur-émetteur d'un transistor série de puissance (5) de type de conduction p-n=p, 5 monté en série avec une faible résistance de mesure de courant (6). A travers une résistance (7) et un transistor amplificateur (8) de type de conduction p-n-p monté avec collecteur â la "masse", le transistor de puissance (5) est commandé par un dispositif non représenté sensible â la tension de sortie et/ou 10 au courant de sortie. Le dispositif protecteur en cas de surintensité de courant comporte un transistor de commande (9) également de type de conduction p=n~p, dont l'émetteur est raccordé à la borne de sortie (3) et dont le collecteur est raccordé d'une 15 part â la base du transistor amplificateur (8) et d'autre part à celle du transistor de puissance (5) & travers une résistance (10). La base du transistor (9) est connectée à la prise inter~ médiaire d'un diviseur de tension formé par des résistances (11) et (12) raccordées entre l'émetteur du transistor (5) et 20 le conducteur positif 2+ (4)» de sorte que le transistor (9) est maintenu normalement bloqué par une tension inverse de base» La base du transistor (9) est raccordée aussi à la borne (1=-) à travers une résistance (13) et un commutateur normalement fermé (14). La valeur électrique de cette résistance (13) est telle-25 ment élevée que dans les conditions normales de fonctionnement, l'intensité du courant traversant cette résistance (13) est faible afin de rendre la prise du potentiomètre négative par rapport à la borne négative (3)« Lorsque, dans le cas de surcharge ou de court-30 circuit des bornes de sortie (3) et (4), l'intensité du courant traversant le transistor (5) devient supérieure â une valeur déterminée admissible, également la chute de tension aux bornes de la résistance (6) devient supérieure à celle aux bornes de la résistance (11), alors que la tension base-émetteur 35 - agissant maintenant dans le sens de conduction = du transistor (9) devient supérieure à la valeur de seuil de ce dernier, Ce dernier devient conducteur, et le montage en série des trajets base-émetteur des transistors (8) et (5) est pratiquement court circuité par son trajet collecteur-émetteur en série avec la 40 résistance (6) et polarisé dans le sens de blocage par la chute 69 15791 2008826 - 4 - de tension aux bornes de la résistance (6)«Ces transistors (8) et (5) se bloquent donc '-et lW4.ra jet entre les bornes ("-) et (3) est interrompu quasi indépendamment de la tension appliquée à la base du transistor (8) à travers la résistance (?)« Ce 5 blocage fait augmenter la tension aux bornes du trajet col-lecteur-émetteur du transistor (5) de manière tellement forte que le transistor (9) est maintenu maintenant conducteur â travers la résistance (13)« A travers la résistance (10), le transistor (5) également- est bloqué directement de sorte qu'il 10 laisse passer uniquement son courant de fuite de collecteur mais arrête le courant de fuite (amplifié) du collecteur du transistor (8). La cause de la surcharge était ensuite supprimée, une ouverture de courte durée du commutateur (14) peut à nouveau 15 bloquer le transistor (9) et rendre conducteur les transistors (5) et (8). En référence à la fig. 4» ladite revue "Electronics" fournit une description d'un stabilisateur de tension comportant un dispositif protecteur en cas de surintensité de courant 20 qui est étroitement lié à celui suivant le brevet français cité en premier lieu. Suivant une des variantes indiquées dans ladite revue, on a omis le diviseur de tension formé par les ré- -sistances (11) et (12) suivant la fig. 1, et une diode de Zener est montée en série avec la résistance (13). 25 En partant du stabilisateur de tension suivant la fig. 1 et en utilisant la boucle de rétrocouplage à diode de Zener (15) suivant ladite revue, on obtient le dipôle électronique simple de protection contre une surintensité de courant décrit suivant la fig. 2, en omettant le dispositif de commande 30 non représenté et le transistor amplificateur (8), et en polarisant la base du transistor de puissance (5) normalement dans le sens direct, cette polarisation résultant du fait que lfextrémité de la résistance (7) à laquelle était raccordée ledit dispositif de commande, est raccordée à la borne* d'entrée (*-). «r 35 Lorsque la somme de la chute de tension aux bornes de la résistance (6) et celle aux bornes du trajet collecteur émetteur du transistor (5) devient supérieure à la somme de la tension de la diode de Zener (15) et la tension de seuil base émetteur du transistor (9), ce dernier devient conducteur alors 40 que le transistor de puissance (5) se bloque. La chute de tension 69 15791 2008826 10 35 - 5 - aux bornes du trajet collecteur-émetteur de ce transistor devient de ce fait pratiquement égale à la tension d'entrée, de sorte que le transistor (9) reste conducteur et continue à bloquer le transistor (5)» Dans le dipôle qui vient d'être décrit eri référence à la fig. 2, l'intensité du courant de charge maximal admis-sible Imax est, abstraction faite de la coupure pour la protection envisagée en cas de surintensité de courant, pratiquement égale â «*'5- Ti H7 **5 *r6 expression dans laquelle o(désigne le facteur d'amplification du courant émetteur-base du transistor (5)» et la tension d'entrée à la borne (1-). De l'autre côté, l'intensité du courant qui, le transistor (jj) étant bloqué, peut encore passer 15 est égale à „ V. V. - V1c _ 1 1 15 sortie + Si l'on désire donc disposer d'un courant I „ de max forte intensité, et que le dipôle doive néanmoins pouvoir être réglé de façon qu'il déclenche à une intensité de courant inférieure résistance 20 àlmax,y élèôtïiqtié du composant R^ doit être choisie suffisamment petite, étant donné que le facteur a une valeur limitée, de sorte que l'intensité du courant de sortie peut encore atteindre une valeur trop grande. L'emploi d'un montage en cascade formé par les tran-25 sistors (8) et (5) et correspondant au montage du stabilisateur de tension suivant la fig. 1, augmente le prix de revient du dipôle et ne fournit pas une amélioration efficace, étant donné que la résistance (10) est indispensable et ne peut avoir une 30 valeur illimitées l'intensité maximale du courant I devient fficLX ct'g » ct'8 ° Vj R7 + de sorte que pour une valeur pas trop élevée de la résistance électrique du composant R^, le courant Imax est limité surtout par Rg„ L'intensité du courant de sortie ^este cependant égale à lî + Y* ~ Yi5 *7 R13 ' * la valeur R^ devant maintenant être plus petite, afin de pouvoir 69 15791 2008826 - 6 - maintenir bloqué également le transistor du puissance (5) à travers la résistance (10). La fig, 3 est le schéma illustrant un premier mode de réalisation du dipôle électronique conforme à l'invention* 5 Ce dipôle est constitué par le montage en série d'une combinaison de transistors p-n-p-n (16), (17) et d'une résistance de mesure de courant (6). Le premier transistor (16) de ladite combinaison, le plus éloigné de cette résistance, est de type de conduction p-n-p et comporte un collecteur additionnel agencé 10 tel que - comme indiqué dans le brevet britannique N°1.039.915--ce dernier puisse capter ou collecter les porteurs de charge minoritaires se déplaçant vers le collecteur normal connecté â la base de l'autre transistor (17) de la combinaison. Par l'intermédiaire d'un élément de couplage (18) à seuil de tension, 15 réalisé sous forme de deux diodes en série montées dans le sens de conduction, ledit collecteur additionnel est raccordé à la borne de la résistance de mesure (6) la plus éloignée de ladite combinaison. La fig. 4 est un diagramme illustrant l'allure du 20 courant I à travers le dipôle suivant la fig. 3 en fonction de la tension V aux bornes de celui-ci. Dans le cas où la borne (1) (fig. 3) serait néga- r tive, l'intensité du courant I resterait pratiquement égale à zéro jusqu'à- ce que la tension Y atteigne la vaieu|? delà ten-25 sion de claquage inverse (environ 120 volts) des la combinaison de transistors (16), (l7)f tension à laquelle le courant I , commencerait à s'écouler dans le sens négatif et augmenterait fortement en intensité. ; Pour une borne positive (1+), l'intensité du cou-30 rant I reste d'abord très faible, augmente par exemple progressivement jusqu'environ 100 micro-ampères jusqu'à ce que la tension V ait atteint la valeur de seuil, par exemple environ 1 volt, de la combinaison de transistors. A partir de ce seuil, la courbe illustrant la valeur de I présente une très 35 forte pente, qui correspond approximativement à la valeur de la résistance de mesure (6). Pour une valeur de la tension V par exemple égale à 1,5 volt, pour laquelle la somme de la chute de tension aux bornes de la résistance (6) et la tension de seuil base-émetteur du deuxième transistor (17) devient supérieure 40 au seuil de tension V., Q de l'élément de couplage. (18), celui-ci ; I O s f 69 15791 2008826 - 7 - peut être traversé par -an courant dirigé dans le sens de "blocage et s'écoulant du collecteur additionnel du transistor p~n-=p (16). Ce collecteur additionnel collecte alors les porteurs de charge minoritaires se déplaçant vers le collecteur normal du transistor 5 (16). Ces porteurs de charge sont essentiels et indispensables pour le fonctionnement et la conduction de la combinaison de transistors p-n-p-n, de sorte que le courant total traversant cette combinaison est interrompu par suite de l'évacuation prématurée de ces porteurs de charge minoritaires par le collecteur 10 additbnnel, du fait qu'il n'y a plus d'émission de tels porteurs de charge. Le courant I dans le sens de conduction est donc interrompu et est empêché d'atteindre une valeur déterminée V-lg/Rg. tension V continue à cr°ître, un courant de 15 faible intensité I - ^i continue à s'écouler, le symbole sortie 7 Ry désignant la valeur électrique d'une résistance (7) à travers laquelle la base du premier transistor (16) de la combinaison est polarisée dans le sens de conduction. Lorsque finalement la tension V atteint une valeur élevée, par exemple 60 volts, égaie 20 â la tension de claquage dans le sens de conduction de la com= binaison de transistors (16), (17)» 1'intensité du courant I augmente à nouveau brusquement. L'intensité de courant maximale disponible avec le ~ V dipôle décrit est égale à I - i , étant donné que la max =— 6 25 résistance de la combinaison de transistors (16), (17) est pra-= tiquement égale â zéro par suite du rétrocouplage régénératif mutuel de ces transistors (16) et (17)« D'autre part, lorsqu'on utilise une résistance (7) de valeur électrique élevée, par exemple 100 kilo.ohms, on peut rendre, dans l'état déclenché, 30 très faible la valeur de l'intensité du courant de sortie £ ]jL. En effet, cette résistance (7) n'influence pas le courant R? circulant dans l'état enclenché, le seul rôle de la résistance consiste à garantir que le transistor (16) et, avec lui, la combinaison de transistors, deviennent conducteurs lors de i 35 l'établissement d'une tension dans le sens de conduction à son émetteur, ladite résistance (7) laissant passer un courant initial d'amorçage émetteur-base ^présentant toutefois une très faible intensité. 69 15791 2008826 L.'i : ip. ! -jnf- ccupe longitudinale d ' une j ladue ct-mi- or.-iu- Tir. , rar : "C } jur lequfcj. le dix 51-1» électronique "uiv'tnt la f : r - î et t J réalisé £cu:; i rze n.cnoi * ;Laque. L'ilci ' - duc tien n et est ofctenu ptr croissance- éj itaxia-le cur an cul - ctrat (30) représenté partiellement. Sur la l'ace â ilei située j à l'opposé du sut:strat9 on a formé les domaines hachurés (.-0 | à (26) de type de conduction jd par une diffusion d'un accepteur I déterminé; our le:? faces supérieures des domaines (23), (25) et ! j "C (2t)f une diffusion d;un donneur déterminé a permis la formation des domaines (27), (28) et (29), de type de conduction n, La combinaison de transistors (16)> (1?) est donc constituée par la partie gauche de l'îiott le domaine (21) de conduction p est raccordé à une borne d:entrée positive (1) et forme 1'émetteur J 15 du transistor p-n-p (*>£.)' La majeure partie de l:31ot (20), ! ; restée inchangée, forme la base de ce transistor et le coller ' I teur du transistor n--r-n ( 17). Le domaine (22) de conduction p "j , ~ 1 i icrce le collecteur addi t ; cnnel du trar.s:?tor r-n-r i * 1. ■_ le; - : " - j domaine (23) de conduction- p forme son cl 1er teur r- ils! ainti -j 2C que la base du transist01 n-p- n (17), alors que le \;cr'ine (2-7) . • ! de conduction n formé dan::- le domaine (2J) renct: v:e l'émetteur i ! du transistor n-p-n ("7). Le -domaine (24) de conduction p roui- , . ; .perte deux connexions et forme la xésistance de mesure (6), tandis que les domaines (2'j) et ( f (. ) de conduction p, contenant «• Z chacun un domaine (2b) f i ' °) de conduction r., forment chacun une des diodes ("8)„ La résistance d'amorçaf-e (?) enfin ie-ut être r'alisée rie jlusieurs façons: jour des dispositifs fonctionnant à une faible tension, cette résistance (7) est par exemple noyée dans une partie de 1;îlot (2C) de conduction n, 30 tandis que pour des tensions plus élevées, la résistance (7) ; peut être déposée par évaporai ion ou être adjointe sens ferme [ de résistance extérieure ai i: t ion: ei 2 e. La iifco t est le schéma il lu';. Tant un me te de réalisation d'un dipcle électronique pour interrompre un ^cur-nt 35 alternatif o Ce coût set comporte une deuxième combina:vor. transistors p-n-p-n ("'é'), (I?1) montée en antipara] le 1 e avec la première combinaison (16), (17). Le transistor (16') ae la deuxième combinaison, le plus éloigné de la résistance (C), est de type de conduction opposé â celui du premier transistor (16) 40 de la première combinaison. Ledit transistor (16!) comporte un 69 15791 2008826 - 9 - collecteur additionnel qui est raccordé à la borne de sortie (3) à travers les diodes (181) qui, par rapport aux diodes (18), sont montées dans le sens de conduction opposé. Ce dipôle réagit évidemment sur la valeur de crête de l'intensité du courant al-5 ternatif qui le traverse, et enclenche à nouveau au début de chaque nouvelle demi-période de ce courant. Si l'on désire une interruption durable du courant après un seul dépassement de la valeur déterminée par la résistance (6) et les diodes (18), (18'), on peut, â l'aide de conducteurs (19) et (19')» maintenir pola-10 risé dans le sens de blocage les collecteurs additionnels des transistors (16) et (161) entre les demi-périodes successives du courant dans le sens de conduction par rapport aux bases de ces transistors. Dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit, 15 il suffit d'utliser une seule résistance commune de mesure de courant (6) et une seule résistance d'amorçage commune (7) pour les deux combinaisons de transistors (16), (17)» et (17)» (17*)• ïïn tel dipôle comporte donc un minimum de constituants. Toutefois, ce dipôle ne peut être intégré sous forme monolithique 20 dans un seul îlot semiconducteur. La fig. 7 est le schéma d'un autre dipôle électronique pour interrompre un courant alternatif conformément à l'invention. Contrairement au dipôle suivant la fig. 6, celui suivant la fig. 7 peut être intégré sous forme monolithique dans 25 un même îlot semiconducteur. Ce dipôle comporte un premier montage en série formé par une combinaison de transistors p-n-pn (16), (17) et une résistance de mesure de courant (6), ainsi qu'un deuxième montage - identique au premier - formé par les constituants (16"), (17")» (6") et monté en antiparallèle 30 avec le premier, les bases des premiers transistors (16), et (16") de ces deux combinaisons et les collecteurs des deuxièmes transistors (17) et (17") de celles-ci étant interconnectés directement. Le dipôle comporte en outre deux éléments de couplage identiques (18), (18") à valeur de seuil, ainsi qu'une résistance 35 d'amorçage (7") correspondant à la résistance d'amorçage (7) pour la première combinaison de transistors, ladite résistance (7") étant toutefois connectée aux bornes du trajet émetteur collecteur du premier transistor (16") de la deuxième combinaison de transistors. A ce circuit, on.peut adjoindre également des 40 condensateurs tels que les condensateurs (19) et (19') de la copY^ 69 15791 2008826 - 10 - fig. 6, de sorte que le dipôle est maintenu bloqué aussi pendant des demi-périodes successives de même polarité, et peut être rendu à nouveau conducteur uniquement par le déclenchement et le réenclenchement de la tension d'entrée ou d'alimentation 5 V\, par le réamorçage à travers les résistances (7) et (7"), ledit déclenchement devant être de durée plus longue que la constante de temps inverse - augmentée à l'aide des condensateurs (19) et (19") - de la partie (16), (18), (19) et (16"), (18")., (19") du dipôle. 69 15791 2008826 - 11 - REVENDICATIONS s 1. Dipôle électronique pour interrompre automatiquement un circuit lorsque l'intensité du courant traversant ce dernier dépasse une valeur déterminée, caractérisé en ce qu'il •-ompo.'t • 5 le montage en série d'une combinaison de transistors p-n-p-n et d'une résistance de mesure de courant, en ce qu'un premier transistor de cette combinaison, le plus éloigné de la résistance de mesure, comporte un collecteur supplémentaire disposé de façon à pouvoir collecter les porteurs de charge minoritaires se 10 déplaçant vers le collecteur normal de ce transistor connecté à la base de l'autre transistor de la combinaison, et en ce que ledit collecteux' addii±>nnel est raccordé â la borne de la résistance de mesure la plus éloignée de la combinaison de transistors, par l'intermédiaire d'un élément de couplage â seuil 15 de tension, l'ensemble étant disposé de façon telle que, lorsque la somme de la chute de tension aux bornes de la résistance de mesure et de la tension de seuil base-émetteur da deuxième transistor devient supérieure au seuil de tension de l'élément de couplage, le collecteur additionnel intercepte le courant s'écou-20 lant vers le collecteur normal du premier transistor et déclenche la combinaison de transistors p-n-p-n. 2. Dipôle électronique suivant 1, caractérisé en ce que la base du premier transistor et le collecteur de l'autre transistor sont raccordés â la borne de la résistance de mesure 25 la plus éloignée de la combinaison de transistors à travers une résistance d'amorçage relativement élevée. 3. Dipôle électronique suivant 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de couplage est formé par au moins deux diodes en série montées dans le sens de conduction. 30 4» Dipôle électronique suivant 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de couplage est une diode de Zener. 5. Dipôle électronique suivant au moins une des reven dications précitées et apte â interrompre un circuit parcouru par un courant alternatif, caractérisé en ce qu'une deuxième 35 combinaison de transistors p-n-p-n est montée en antiparallèle avec la première combinaison de transistors p-n-p-n,. le transistor de la deuxième combinaison le plus éloigné de la résistance de mesure étant de type de conduction opposé par rapport au type de conduction du premier transistor de la première combinaison 40 et comportant un collecteur additionnel. BAD ORIGINAL 69 15791 12 2008826 6. DipSle électronique suivant 5» caractérisé en ce que le collec teur additionnel du premier transistor de la deuxième combinaison de transistors est raccordé à la borne de la résistance de mesure la plus éloignée des comoinaisons de transistors à travers un deuxième élément de 5 couplage à seuil de tension. 7- DipSle électronique suivant 5 °u 6, caractérisé en ce que la ba se du premier transistor et le collecteur de l'autre transistor des deux combinaisons de transistors sont raccordés à la borne de la résistance de mesure la plus éloignée desdites combinaison» à travers une résistanoe 10 d'amorçage commune relativement élevée. 8. DipSle électronique suivant au moins une des revendications 1 à 4 et apte à interrompre un circuit parcouru par un courant alternatif, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième montage,en série formé par une combinaison de transistors p-n-p-n et une résistance de mesure de courant, 15 montage qui est identique au premier, est monté en antiparallèle avec celui-ci et comporte un deuxième élément de couplage à seuil de tension. 9. Dipôle électronique suivant au moins une des revendioatiohs précitées, caractérisé en ce qu'il est, - au moins en majeure partie - constitué pair un circuit intégré. 20 10. Dipôle électronique suivant 9» caractérisé en ce qu'il est au moins en majeure partie - constitué par un circuit monolithique.