Brevet FR2026816A1 — publié le 19700918

La présente invention se rapporte à un élément électrique de commande de type bypolaire, comportant des valeurs caractéristiques qui sont fonction d'un circuit extérieur de commande. Elle a trait plus particulièrement à un élément dont la résistance est modifiée lors d'une augmentation d'une tension à régler au delà d'une valeur maximale admissible Pour protéger les circuits contre des surcharges, notamment des surintensités et des surtensions qui dépassent une valeur prescrite, on connait des éléments de sécurité qui ouvrent le circuit à protéger et qui protègent ainsi les appareils de consommation ou charge contre des altérations Dans le cas le plus simple, on utilise des fusibles de sécurité, mais on peut. également employer des disjoncteurs ou des appareils similaires.Pour protéger des régulateurs de tension à semi-conducteurs intervenant dans des génératrices de véhicules, notamment des alternateurs de véhicules et des batteries de véhicules, ces éléments de sécurité ne conviennent cependant pas pour la raison suivante Les regulateurs de tension de types connus maintiennent la tension de sortie de la génératrice à une valeur moyenne prédéterminée. De petits écarts vers des tensions supérieures ou inférieures sont produits en cours de marche du régulateur. Lors- que la tension de sortie de la génératrice à régler augmente au delà d'une valeur limite supérieure, le régulateur coupe l'alimentation en courant électrique de l'enroulement d'excitation et la rétablit lorsque la tension diminue en dessous d'une valeur limite inférieure (régulateur à deux points).Si le régulateur tombe en panne et ne coupe pas le courant d'exitation quand la tension de sortie de la génératrice a atteint la valeur-limite supérieure, cette tension continue à augmenter en fonction de la vitesse de rotation du rotor et elle prend des valeurs excessivement élevées. Ce risque existe surtout dans des régulateurs qui utilisent pour la commande du courant dBkeitation un semi-conducteur commandé, par exemple un transistor, car on doit toujours compter dans ce cas sur. un certain pourcentage de semi-conducteurs défectueux. Ces éléments deviennent constamment conaucteurs lors d'une liaison par alliage de leurs voies émetteur -collecteur. Si la tension de sortie de la génératrice augmente au delà d'une valeur maximale admissible, il existe le risque de grillage des fils des lampes du véhicule, de surcharge de la batterie du véhicule et de vaporisation du liquide de la batterie. les conséquences d'un défaut du régulateur de tension peuvent par conséquent etre lourdes. Des dispositifs de sécurité qui réagissent à un courant excessi! ne conviennent pas dans ce cas,car la différence entre le courant normal et le courant passant en cas de surtension est trop faible pour commander de façon sûre un élément de pratection. On utilise dans ce cas des dispositifs qui, pour éviter les altérations précitées en cas de panne, coupent le courant d'exitation, par exemple à l'aide d'un relais pour surtensiono Ces dispo sitifs mécaniques sont cependant ews-mêmes sujets à des pannes et ils sont trop gros et par conséquent trop motteux pour de nombreux cas i'application3Qn a par conséquent cherché à mettre au point des dispositifs de sécurité qui, en cas de surtension, mettent en court circuit la tension de sortie de la génératrice et qui annulent également le courant d'excitation. Un circuit connu comportant un thyristor nécessite cependant de très nombreux composants individuels et a un encombrement très important. Le problème de l'invention est de constituer un dispositif qui étabIà faibles frais et avec un organe de commande non-sujet à des pannes un court-circuit entre ses bornes de connexion aussitôt que la tension appliquée à ces bornes dépasse une valeur maximale admissible. Ce problème est résolu d'une manière simple et efficace, dans un élément de commande du type précité, en ce que cet élément comporte un transistor bipolaire, en ce qu'il présente dans une eondition normale de marche une résistance interne élevée et en ce que, lors de l'application à ses bornes de connexion d'une tension supérieure à une valeur prédéterminée, sa résistance interne varie de façon eontmnue en dixect-ion dune valeur inférieure par génération de chaleur On peut obtenir l'effet désiré lorsque, sui vant-une autre caractéristique de iiinvention, la voie de commande du transistor est branchée entre la première et la seconde borne de connexion et lorsqutil est prévu entre une borne de connexion et l'électrode de commande du transistor une résistance. Un élément conforme à l'invention est représenté à titre d'exemple nos limitatif sur les figures ci-jointes, dans lesquelles - La figure d est un schéma du circuit d.'un régulateur de tension servant à régler la tension de sortie d'tin alternateur de véhicule également représenté , ce régulateur comportant un élément électrique bipolaire de commande selon l'invention;; - la figure 2 représente un exemple d'agencement électrique d'un élément bipolaire de commande selon l'invention, Un alternateur de véhicule, désigné par 10, comporte trois enroulements triphasés 11, 12, 13 et un enroulement 14 qui se déplace d'une manière connue par rapport aux enroulements triphasés Il, 12, 13 et qui produit dans ceu -ci trois tensions alternatives déphasées de 1200 entre elles. Les enroulements triphasés ll à 13 sont reliés par l'intermédiaire de trois redresseurs 15 à un conducteur négatif commun 17 relié à la masse et par l'intermédiaire de trois redresseurs 16 à uq premier conducteur positif 18. Les redresseurs 15, 16 sont ainsi branchés en formant un pont redresseur triphasé. Un accumulateur 19 est branché entre les conducteurs 17 et 18, Un second conducteur positif 22 est également relié par l'intermédiaire de trois redresseurs 23 aux enroulements triphasés li à 13. Les redresseurs 23 constituent avec les trois redresseurs 15 un second pont redresseur, de sorte qu'il existe entre les conducteurs 18 et 17 à peu près la même tension qu'entre les conducteurs 22 et 17. Entre les conducteurs 22 et 17 il est prévu un élément bipolaire de commande 21 selon llinvention. Une résistance 24 est reliée par une borne au conducteur 22 et par son autre borne à un-point de jonction 25 raccordé à une résistance 26 qui est elle-mdme reliée à la masse par ltintermddiaire d'un point de jonction servant de prise 27 et d'une résistance 28. Les résistances 24, 26, 28 constituent ainsi un diviseur de tension qui est sollicité par la tension de sortie de la génératrice 10 qui est à régler. Entre le point de jonction 25 et la masse, il est prévu un condensateur de filtrage 29 qui filtre des variations de tension de courte durée entre les conducteurs 17 et 22. La cathode d'un composant non-linéaire constitué par une diode Zener 32 est reliée à la prise 27. L'anode de la diode Zener 32 est connectée à la base d'un transistor 33 de type npn servant de transistor de commande et dont l'émetteur, de même que celui dtun second transistor 34 de type npn, est relié directement à la masse. Une résistance 35 est branchée entre la base du transistor 33 et la massez Le collecteur du transistor 33 est relié d'un côté directement à la base du transistor 34 et de l'autre côté et par lvintermédiaire dgune résistance 36 au conducteur 22.Le collec- teur du transistor 34 est relié à luise des bornes de l'enroulement d'exitation 14 ainsi qusà la prise 27 par lfintermëdiaire d'une ré sistance 37 L'autre borne de l'enroulement d'exatation 14 est-reliée, de même que la cathode d'une diode 38 branchée en parallèle, au conducteur 22 Les composants 32 à 37 entourés par une ligne 39 en traits mixtes constituent une unité d'amplification qui est seulement formée de résistances et de transistors et qui peut par conséquent être facilement réalisée sous forme deun circuit intégré, Entre le conducteur 22 et le conducteur positif 18, il est prévu l'ensemble-série formé par une lampe diindica- tion de charge 40 et un interrupteur d'allumage 41 Le circuit décrit fonctionne de la manière suivante: lorsque la génératrice 10 fournit une tension trop faible, le potentiel à la prise 27 est suffisamment réduit pour bloquer la diode Zener 32 et pour que le transistor 33 ne reçoive plus aucun courant de base et soit par conséquent bloquéO Son collecteur a alors un potentiel positif par rapport au conducteur 17 de sorte qu'il passe dans le transistor 34 un courant de base rendant ce transistor conducteur, ce qui provoque le passage dgun courant dans l'enroule- ment dbzeitation 14 et une augmentation de la tension de sortie de la génératrice 10. Le collecteur du transistor 34 prend alors un potentiel correspondant à peu près à celui du conducteur négatif 17s de sorte que,dans ce cas, la résistance 37 fonctionne comme si elle était branchée entre la prise 27 et la massez Elle réduit par conséquent la tension dans la résistance partielle 28 du diviseur de tension 24, 26, 28 et elle maintient bloqué le transistor de commande 33 et la diode Zener.32, Lorsque la tension de sortie de la génératrice 10 augmente, le potentiel à la prise 27 devientfinalement suffisamment positif pour que la diode Zener 92 commence à devenir conductrice et pour qu'il passe dans le transistor 33 courant de base de sorte -que celui-ci commence également à devenir conducteur. Son courant de collecteur augmentewfortement de sorte que le courant de base du transistor 34 diminue Le potentiel de collecteur du transistor 34 devient alors plus positif et il atteint la valeur correspondant au potentiel du conducteur 22. La résistance 37 agit maintenant comme si elle était branchée entre la prise 27 et le conducteur 22 et elle augmente par conséquent le potentiel de la prise 27, par exemple de ,2 Va La diode Zener 32 devient complètement conductrice sous l'effet de l'augmentation de potentiel. Le transistor 34 est alors complètement- bloqué Le couplage assuré par la résistance 37 permet une commutation très rapide du transistor 34 de sa condition de blo cage dans sa condition de conduction et inversement Grâce au branchement avantageux du condensateur de filtrage 29 le couplage assuré par la résistance 37 peut avoir sa pleine efficacité. Après le blocage du transistor 34, le courant passant dans lQenroulement d'exitation 14 ^ qui continue dans ce cas à passer dans la diode 38 = diminue exponentiellement,de sorte que la tension de sortie de la génératrice 10 diminue également à partir de sa limite supérieure, à savoir jusqu'à ce que la diode Zener 32 soit rebloquée Pour cette valeur limite inférieure de la tension de sortie, le transistor 34 redevient conducteur - comme décrit plus haut g et il passe maintenant à nouveau un courant dans l'enroulement d'exitation 14, de sorte que la tension de sortie recommence à augmenter et que le cycle de réglage est à nouveau amorcé, Le transistor 34 établit et coupe le courant passant dans lçenroule ment d'etation 14 à peu près dix à cent fois par seconde en fonc- tion de la charge de la génératrice. Si le transistor 34 n'est plus bloqué pour une raison quelconque, par exemple parce que la connexion entre le point de jonction 27 et la base du transistor 33 a été coupée par suite d'un défaut de la diode Zener 32 ou bien sous l'effet d'un claquage du transistor 34, il passe en permanence un courant dans l'enroule- ment d'excitation 14o il en résulte une augmentation indésirable de la tension de sortie de la génératrice 10. L'élément bipolaire de commande 21 a été représenté également sur la figure 20 Entre sa première borne de conne xion 45 et sa seconde borne de connexion 46 est branchée la voie de commande d'un transistor 47 dont le collecteur est relié à la première borne 45e La voie émetteur-base du transistor 47 est mise en court-circuit par une résistance 48 tandis que la voie collecteur émetteur de ee transistor. est mise en court circuit par un condensateur 49. L'élément bipolaire de commande 21 est branché dans le circuit du régulateur de tension de manière que la première borne de connexion 45 soit reliée au conducteur positif 22 et la seconde borne 46 au conducteur négatif 170 Si on utilise comme batterie 19 un accumulateur présentant une tension nominale de t2 volts, la tension ma animale de charge s'élève en serviee normal à environ 14,5 volts Pour cette valeur de la tension, l'élément bipolaire de commande 21 présente une résistance interne très élevée Si la tension de char- ge augmente d'une valeur déterminée, par exemple par suite dgun défaut du régulateur de tension 39, au delà de cette tension limite, la résistance interne de l'élément bipolaire de commande tombe à une valeur très faible a Il en résulte que la tension de claquage coliect-eur-émetteur du transistor 47, à savoir la tension collecteurémetteur, au-dessus de laquelle la voie de commande du transistor 47 devient conductrice, est choisie de manière i être supérieure d'environ 2 volts à la tension maximale de chargea Si, en cas de panne, la tension appliquée par l'intermédiaire des deux bornes de connexion 45, 46 dépasse cette valeur de claquage, un courant commence à passer dans la voie de commande du transistor 47 sans qu'il existe à sa base un courant de commande a Butant donné que ce transistor 47 fonctionne sous la tension de charge - trop élevée = sans qu'une résistance de protection soit branchée en série avec sa voie de- commande, le courant passant dans la voie collecteur émetteur prend une valeur très élevée.En conséquence, le transistor 47 est également très fortement échauffé a La chaleur qui est produite lors d'un échauffement localisé de l'élément semi-conducteur peut ne pas Entre évacuée de façon suffisamment rapide, de sorte que la voie col- lecteur émetteur devient conductrice par alliages Ce processus, qui est- connu sous le nom de second claquage",est irréversible.La voie collecteur- émetteur du transistor 47 présente ensuite une très fai- ble valeur ohmique qui ne varie plus sensiblement0 Ea résistance 4B sert, en marche normale, à relier la base du transistor 47 à l'émetteur et par conséquent.à maintenir le transistor 47 dans la condition de blocage Ie conden- sateur 51 a pour fonction d'éliminer les pointes de tension qui peuvent être transmises par l'intermédiaire de l'élément bipolaire de commande et qui provoqueraient un déclenchement intempestif de lVé lément de sécurité Tous les éléments 47,48,49 peuvent oestre placés sur une plaquette suivant la technique des circuits intégrés Lorsqu'en cas de panne l'élément bipolaire de commande 21 présente en permanence une très faible résistance de claquage, la tension de sortie de la génératrice 10 est coupée, le courant passant dans l'enroulement d'excitation 14 diminue et la génératrice est ainsi automatiquement désexcBéee il passe dans la lampe de contrôle de charge 40, qui est maintenue allumée, un courant entre le polie positif 18 de là batterie 19 et le pôle négatif 17 par l'intermédiaire des transistors conducteurs, de 12 enroulement d'excitation 14 et du régulateur Le processus décrit n'est pas réversible a En cas de panne, l'ensemble du régulateur doit par conséquent être contrôlé sans qu'on puisse initialement imputer la panne à une manipulation incorrecte du circuit a Le branchement d'un élément bipolaire de commande selon l'invention aux bornes de sortie d'une génératrice de véhicule en parallèle aux entrées du régulateur de tension associé crée un dispositif de protection qui coupe à peu de frais et d'une manière sûre le courant dBxcitatiOn lorsque, par suite dsun défaut du régulateur de tension, la tension de sortie de la génératrice atteint une valeur excessivement élevée a On évite d'une manière particulièrement simple les conséquences désastreuses provoquées par des surtensions dans un réseau de borda L'invention concerne un élé ment de sécurité d'une construction très simple, d'un fonctionnement sûr et peu encombrant qui met en court circuit de façon continue un circuit lorsque les tensions dépassent une valeur prédéterminée. L'invention s'étend à un régulateur de tension servant à régler la tension de sortie d'Xmr génératrice munie d'un enroulement d'excitation, notamment un alternateur de véhicule0 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés a On pourra, au besoin, recourir à d'autres modes et à d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention0 REVEND ICÂT IONS Elément bipolaire de commande présentant des valeurs caractéristiques qui sont fonction deun circuit extérieur de commande, élément caractérisé en ce qu'il comporte un transistor bipolaire, en ce qugil présente dans la condition normale de marche une résistance interne-très élevée et en ce que, dans le cas où une tension supérieure à une valeur prédéterminée est appliquée à ses bornes de connexion, sa résistance interne varie de façon continue en direction d'une valeur plus faible par production de chaleurs 2 Elément bipolaire de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voie de commande du transistor est branchée entre la première et la seconde borne de sortie a 3 Elément bipolaire de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu une résistance entre une borne de connexion et l'électrode de commande du transistor. 40 Elément bipolaire de commande selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la première borne de connexion est reliée au collecteur du transistor, et en ce que la seconde borne de connexion est reliée à l'émetteur du transistor et à l'une des bornes de la rdistaheepla base du transistor étant reliée à l'autre borne de la résistance 5 Régulateur de tension servant à régler la tension de sortie d'une génératrice munie d'un enroulement deexcita tion, notamment un alternateur de véhicule,