Brevet FR2011169A1 — publié le 19700227

-1- 2011169 La présente invention concerne la régulation de l'énergie électronique et plus spécialement, un régulateur de puissance du type série à l'état solide en courant continu. Un régulateur fournit une sortie constante à des charges va-5 riables à partir d'une source d'énergie donnée. Au cas où la source d'énergie est relativement coûteuse, comme lorsqu'elle est représentée par un bloc de piles à combustible ou de piles solaires, ou bien lors-'que l;l encombrement^le poids ont une grande importance, il est essentiel que le régulateur consomme aussi peu d'énergie que possible de 10 la source d'énergie, c'est-à-dire que le régulateur présente un rendement élevé. Pour obtenir de faibles pertes d'énergie, à des intensités élevées £ans des régulateurs série à l'état solide, une condition fondamentale à satisfaire est une faible tension à la jonction, émetteur-conducteur aux bornes de l'élément de commande série . 15 Pour y parvenir, il faut une surexcitation considérable de la base. Jusqu'ici, on a obtenu une faible tension de saturation aux dépens du rendement global du régulateur. Par conséquent, la présente invention a principalement pour objet un régulateur de puissance du type série à l'état solide en 20 courant continu, présentant un rendement extrêmement élevé. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressorti-ront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif,mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. 25 Sur ce dessin : la figure 1 représente un régulateur série typique de la technique antérieure avec un montage représenté schématiquement et le reste sous forme simplifiée ; et la figure 2 représente le régulateur série perfectionné suivant 30 l'invention. En se référant à la figure 1, un régulateur classique à l'état solide du type série. 10, est représenté comme étant connecté électriquement entre une source de courant continu 12 et une charge 14. La source de courant continu 12 est du type général dans lequel plusieurs 35 piles ou éléments producteurs de tension a, b, c, d...-n sont reliés en série pour constituer la source d'énergie principale voulue. Les éléments&roducteurs de tension peuvent représenter une batterie 69 20420 -2- 2011169 à plusieurs piles ou une série de piles à combustible, de piles thermo-électriques, de piles solaires, etc. Il convient de noter qu'une batterie électrique,par définition, consiste en deux piles connectées ou plus, qui transforment une énergie chimique en énergie 5 électrique. La pile est l'élément unitaire de la batterie. Le circuit électrique équivalent d'une pile est constitué par une force électromotrice interne en série avec une résistance interne. Une régulation est nécessaire à cause de la chute de. tension cumulative aux bornes de la résistance interne de chaque pile, à mesure que la densité 10 de courant augmente. Le régulateur de puissance classique 10 comprent un élément de commande série Q1, un élément amplificateur Q2, un circuit comparateur 16, une source de référence 18 et un élément d'échantillonnage 20. La régulation est effectuée en comparant un échantillon de la tension 15 de sortie (Vout) avec la tension produite par la source de référence 18 toute erreur est transmise à l'élément amplificateur Q2 en relation de phase correcte pour commander le courant appliqué à l'élément de commande série Q1. L'élément amplificateur Q2 est, d'une façon typique un amplificateur à un seul transistor , comme représenté suirla figure 20 1. Dans certains cas, d'une façon générale pour augmenter la sensibilité, on utilise plusieurs amplificateurs montés en tandem. L'élément de commande série Q1 est un transistor de puissance ou autre dispositif à l'état solide, comme une tétrode. L'élément de commande Q1 est choisi pour satisfaire aux conditions initiales de tension et d'inten-25 sité pour le courant de sortie. A titre illustratif, on a choisi 15 ampères comme intensité de sortie maximale voulue. La "chute de tension aux bornes du circuit de l'émetteur 22 au collecteur 24» multipliée par l'intensité maximale 11, détermine la puissance maximale dissipée par l'élément de commande Q1. Pour maintenir une tension de saturation 30 minimale et obtenir encore une forte intensité de sortie, par exemple 15 ampères, un potentiel d'excitation considérable de la base est nécessaire. La valeur nécessaire du courant d'excitation de la base dépend du facteur d'amplification du courant de l'élément décommandé série Q1. Si le facteur d'amplification h^ de l'élément de commande 35 Q1 est de 15» un courant d'excitation de la base d'un ampère est nécessaire. En pratique, la plupart des transistors de puissance utilisables pour une opération de régulation, présentent des facteurs d'am 69 20420 -3- 2011169 plification de courant relativement faible. Si l'on suppose une tension aux bornes du bloc primaire des piles ou de la source d'énergie d'entrée 12 de 28 volts, et une intensité maximale nécessaire d'excitation de la base d'un ampère, alors^itncircuit classique de 5 la figure 1, il est nécessaire que la résistance chutrice R ait une valeur d'environ 27 ohms pour obtenir un fonctionnement correct. Par ailleurs, le transistor amplificateur Q2 ne peut pas tirer un courant suffisant pour commander le transistor de puissance Q1. D'autre part, si R1 est ramenéeê. zéro, une quantité de courant exces-10 sive serait tirée, ce qui détruirait la fonction régulatrice et endommagerait probablement le transistor amplificateur Q2. Dans les 2 conditions choisies, R1 provoquerait une perte de puissance I R d'environ 10 $ de la puissance de sortie voulue, ce qui rendrait le régulateur tout à fait inefficace. 15 On a découvert que le rendement du régulateur peut être consi dérablement amélioré en utilisant une partie des piles d'entrée comme source de tension secondaire ou auxiliaire, pour engendrer le potentiel nécessaire d'excitation de la base. Une telle disposition est représentée sur la figure 2,qui montre la construction perfectionnée 20 du régulateur série de la présente invention. Bien qu'il en résulte une augmentation totale de l'intensité par une partie seulement du bloc des piles, la régulation n'est pas affectée d'une façon notable. Le fonctionnement du circuit de la figure 2 équivaut à celui de la figure 1, la régulation étant effectuée de la même façon. Le compara-25 teur 16, la source de tension de référence 18 et l'élément d'échantillonnage 20 (habituellement un diviseur de tension) sont des circuits classiques. Les valeurs des composants des circuits individuels n'ont pas une importance primordiale pour la mise en oeuvre de la présente invention. Par conséquent, afin que la description reste claire et 30 succinte, et pour ne pas compliquer l'invention, on a représenté les circuits sous forme synoptique. La différencefentre le régulateur de la figure 1 et celui de la figure 2 réside dans l'utilisation d'une partie seulement du bloc des piles' de la source d'entrée 12 comme source auxiliaire d'énergie pour le transistor amplificateur Q2. En 35 supposant les mêmes conditions de fonctionnement pour les éléments de commande et d'amplification Q1 et Q2, la valeur de la résistance R1 est déterminée par la tension prélevée sur le bloc primaire de la 69 20420 -4- 20111697 source d'alimentation 12. Par suite, un§£r'ise de trois volts par exemple, suivant le choix de Q2, peut donner un courant maximal 12 d'excitation de la hase d'un ampère, la valeur de lg^ésistance R1 étant ramenée à zéro ohm . En pratique, R1 serait conservé comme 5 dispositif limiteur de courant à une valeur très faible. La puissance perdue I R,aux "bornes de cette résistance, serait négligeable. Les résistances R2, R3 et R4 et le condensateur C1 sont inutiles pour la mise en oeuvre de l'.invention. Ils ont été ajoutés pour montrer d'une façoii plus complète le régulateur tel qu'il est réellement construit. 10 R2 est utilisé pour adapter les caractéristiques de Q1 aux très faibles tensions de saturation. R4 adapte les caractéristiques de Q2 en jouant le même rôle que R2, par rapport à Q1. R3 ne joue aucun rôle utile pendant que le régulateur de tension fonctionne normalement son seul but est de mettre le régulateur de tension en circuit lorsque 15 la tension d'entrée est appliquée pour la première fois. Sans la résistance R3> le transistor Q1 peut ne pas conduire un courant suffisant pour fournir initialement la quantité 13 nécessaire pour exciter le comparateur 16, la source de référence 18 et le circuit d'échantillonnage 20, Dans ces conditions, l'étage amplificateur Q2 peut ne pas 20 fournir le courant de base à Q1, et part suite, Q1 peut ne jamais être en circuit,à moins d'un court-circuit momentané à par .tir du circuit émetteur-collecteur, ou bien qu'il soit shunté par une résistance comme R3. En outre, le condensateur C1 est incorporé pour faire passer les parasites électriques autour de Q1 qui, sinon, pourraient 25 fournir un signal de parasites amplifié à la sortie de Q1. Le régulateur classique représenté sur la figure 1, ainsi que le régulateur perfectionné de la figure 2, ont été représentés et décrits en se référant à une source positive par rapport à la masse. Il est évident que l'invention peut être également appliquée à une source 30 négative par rapport à la masse. On donne ci-après, un exemple du rendement exceptionnel obtenu avec le circuit de la figure 2,lorsqu'il est incorporé dans une source d'énergie comprenant des piles à combustible, à air et hydrazine, de 28 volts, à 300 watts, avec les caractéristiques et 35 composants suivants : 69 20420 -5- 2011169 Choix des composants Q1 Transistor 2H3597 Q2 Transistor 2N2697 R2 Résistance de ÎÛO ohms 5 R1 Résistance de 0,7 ohm R3 Résistance de 200 ohms La source de tension 12 est un "bloc de piles à combustible à air et hydrazine, de 38 piles. L'emplacement de la prise de tension pour l'étage amplificateur : 4 piles depuis l'extrémité négative. 10 Valeurs du circuit 11 = 12,6 ampères Tension aux bornes du bloc des piles (VI ) = 29,03 volts 12 = 0,9 ampère Tension aux borne^fre la prise sur la 4èrae Pile (V3) =2,4 volts 15 13 = 0,04 ampère Tension de sortie (Vout) aux bornes de la charge = 28,5 volts Puissance résultante fournie à la charge extérieure = 28,5 volts x 12,6 ampères = 359,10 watts Puissance brute engendrée par le bloc des piles à combustible : Puissance primaire appliquée au régulateur : 29,03 volts x 12,6 ampères = 365,78 watts Puissance pour exciter Q2 : 2,4 volts x 0,9 ampère = 2,16 watts Puissance perdue dans le comparateur, la source de 25 référence et le circuit d'échantillonnage : 28,5 volts x 0,04 ampère = 1,14 watt '« Puissance brute = 369,08 watts 20 30 , ^ Puissance de sortie nette 359.10 ^ Rendement = Puissance toute = 569^08 = 97'3 ^ 69 20420 -6- 2011169 REVEHDICATI0H3 1. Régulateur de puissance en courant continu à rendement élevé, caractérisé en ce quril comprend : un élément de commande monté en série • avec une souree de 5 potentiel d'excitation et une charge, la source de potentiel d'excitation comprenant plusieurs piles individuelles montées en séries, les unes avec les autres ; un élément d'échantillonnage sensible aux variations de tension aux bornes de lVcharge ; tO une source de tension de référence fixe ; un dispositif comparateur pour fournir un signal d'erreur de sortie proportionnel à la différence de tension entre le signal de sortie de l'élément d'échantillonnage et la tension de référence ; et 15 un dispositif pour exciter l'élément de commande en réponse au signal d'erreur , ledit dispositif étant connecté entre des piles individuelles de ladite source de potentiel d'excitation. 2. Régulateur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à exciter l'élément de commande est 20 un transistor ayant un collecteur, un émetteur et une base, le collecteur étant connecté entre les piles individuelles de la source de potentiel d'excitation pour en tirer le courant destiné à exciter le l'élément de commande. 3. Régulateur de puissance en courant continu à rendement 25 élévé, caractérisé en ce qu'il comprend ; un élément de commande monté en série avec une source primaine de potentiel d'excitation et une charge, la source de potentiel d'excitation comprenant plusieurs piles individuelles montées en série les unes avec les autres ; 30 un élément pour exciter l'élément de commande, comprenant un transistor ayant une base, un émetteur et un collecteur, le collecteur étant connecté à une source auxiliaire de potentiel d'excitation, formée par l'une au moins des diverses piles de la source principale, mais pas toutes, et 35 un dispositif sensible aux variations de tension dçfeortie aux "bornes de la charge pour appliquer au .dispositif d'excitation un signal d'erreur proportionnel auxdites variations,mais déphasé par rapport r à ces dernières.