Brevet FR2028130A1 — publié le 19701009

La présente invention se rapporte à un élément électrique de commande de type bipolaire, comportant des valeurs caractéristiques qui sont fonction d'un circuit extérieur de commande. Elle a trait plus particulièrement 5 à un élément dont la résistance varie lors d'une augmentation d'une tension à régler au-delà d'une valeur maximale admissible» Pour protéger des circuits contre des surcharges, notamment des surintensités et des surtensions qui dépassent une valeur prescrite, on connaît des élé-10 ments 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 ten-15 sion à semiconducteurs intervenant dans les génératrices de véhicules, notamment les alternateurs de véhicules et les batteries de véhicules, ces éléments de sécurité ne conviennent cependant pas pour la raison suivante s Les régulateurs de tension 20 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 au cours de la marche du régulateur qui, lorsque la tension de sortie de la génératrice à régler augmente au-delà d'une valeur limite 25 supérieure, coupe 1'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'excitation lorsque la tension de sortie de la génératrice 30 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 d'excitation un semi-conducteur commandé, par exemple un transis-35 tor, car on doit toujours compter dans ce cas sur un certain pourcentage de semi-conducteuis défectueux» Ces éléments deviennent constamment conducteurs lors d'une liaison par alliage de leurs voies émetteur-collecteur» Si la tension de sortie de 40 la génératrice augmente au-delà d'une valeur maximale admissible. 70 00796 2 2028130 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 être lourdes» 5 Des dispositifs de sécurité qui réagissent à un courant excessif 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 protection» On utilise dans ce cas des 10 dispositifs qui, pour éviter les altérations précitées en cas de panne, coupent le courant d'excitation par exemple à l'aide d'un relais pour surtension» Ces dispositifs mécaniques sont cependant eux-même sujets à des pannes et ils sont trop gros et par conséquent trop coûteux pour de nombreux cas d'applications» On 15 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 annulent également le courant d'excitation» Un circuit connu comportant un thyristor nécessite cependant de très nombreux composants individuels et à 20 un encombrement très important» Le problème de l'invention est de constituer un dispositif qui établit à faible frais et avec un organe de commande non sujet à des pannes un court-circuit entre ses bornes de connexion aussitôt que la tension appli-25 quée à ces bornes dépasse une valeur maximale admissible» Ce problème est résolu d'une manière simple et efficace, dans un é3-ément de commande du type précité, en ce que cet élément comporte deux transistors bipolaires, en ce qu'il présente dans une condition normale de marche 30 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 continue en direction d'une valeur inférieure par production de chaleur» 35 On petit obtenir l'effet désiré lorsque, suivant une autre caractéristique de l'invention, la voie de commande du premier transistor est branchée en série avec la voie de commande du second transistor, tandis que cette combinaison-série est branchée entre la première et la seconde 40 borne de connexion, et lorsqu'il est prévu, entre une borne de 70 00796 3 2028130 connexion et l'électrode de commande d'un transistor, un élément présentant une caractéristique de claquage» Un élément électrique conforme à l'invention est représenté à titre d'exemple non limitatif 5 sur les-figures ci-jointes, dans lesquelles s - La figure 1 est un schéma du circuit d'un régulateur de tension servant à régler la tension de sortie d'un alternateur de véhicule également représenté, le régulateur comportant un élément électrique bi-polaire de com-10 mande selon l'invention» - Les figures 2 et 3 représentent des exemples d'agencements électriques d'un élément bipolaire de commande selon l'invention» Un alternateur de véhicule, 15 désigné par 10, comporte trois enroulements triphasés 11, 12, 13 et un enroulement d'excitation l4 qui se déplace d'une manière connue par rapport aux enroulements triphasés 11, 12, 13 et qui produit dans ceux-ci trois tensions alternatives déphasées de 120° entre elles. 20 Les enroulements triphasés 11 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 l6 à un premier conducteur positif l8„ Les redresseurs 15, l6 sont ainsi branchés en for-25 mant 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 11 à 13» Les redresseurs 23 cons-30 tituent avec les trois redresseurs 15 un second pont redresseur, de sorte qu'il existe entre les conducteurs l8 et 17 à peu près la même tension qu'entre les conducteurs 22 et 17° Entre les conducteurs 22 et 17, est prévu un élément bipolaire de commande 21 selon l'in- 35 vention. Une résistance 2k 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-même reliée à la masse par 1'intermédiaired'un point de jonction ser-kO vant de prise 27 et d'une résistance 28. Les résistances 24, 26, 70 00796 4 2028130 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, est prévu un condensateur de filtrage 29 qui filtre des variations de tension 5 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 10 et dont l'émetteur, de même que celui d'ion 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 masse. Le collecteur du transistor 33 est relié d'un côt.é directement à la base du transistor 34 et 15 de l'autre côté au conducteur 22 par l'intermédiaire d'une résistance 36. Le collecteur du transistor 34 est relié à l'une des bornes de l'enroulement d'excitation l4 ainsi qu'à la prise 27 par l'intermédiaire d'une résistance 37. L'autre borne de l'enroulement d'excitation l4 est reliée, de même que la cathode 20 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 25 sous la forme d'un circuit intégré. Entre le conducteur 22 et le conducteur positif l8, est prévu l'ensemble-série formé par une lampe d'indication de charge 40 et un interrupteur d'allumage 4l. 30 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' 35 le transistor 33 ne reçoive plus aucun courant de base et soit par conséquent bloqué. 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 d'un courant dans l'enroulement 40 d'excitation l4 et une augmentation de la tension de sortie- de 70 00796 5 2028130 la génératrice 10. Le collecteur du transistor 34 prend alors un potentiel correspondant à peu près à celui du conducteur négatif" 17 de sorte que dans ce cas la résistance 37 5 fonctionne comme si elle était branchée entre la prise 27 et la masse» 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 po-10 tentiel à la prise 27 devient finalement suffisamment positif pour que la diode Zener 32 commence à devenir conductrice et pour qu'il passe dans le transistor 33 un courant de base de sorte que celui-ci commence également à devenir conducteur» Son courant de collecteur augmente fortement, de sorte que le courant 15 de base du transistor 34 diminue» Le potentiel de collecteur du transistor 34 devient alors davantage positif et il atteint la valeur correspondant au potentiel du conducteur 22. La résistance 37 agit maintenant comme si elle était branchée entre la pris 27 et le conducteur 22 et elle augmente par conséquent le poten-20 tiel de la prise 27, par exemple de 0,2 V» 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 25 34 de sa condition de blocage 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 30 34, le courant passant dans l'enroulement d'excitation l4 - qui continue dans ce cas à passer dans la diode 38 - diminue expo-iientiellement, 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 35 valeur limite inférieure de la tension de sortie, le transistor 34 redevient conducteur - comme décrit plus haut - et il passe maintenant à nouveau un courant dans l'enroulement d'excitation 14, de sorte que la tension de sortie recommence à augmenter et que le cycle de réglage est à nouveau amorcé. Le transistor 34 40 établit et coupe le courant passant dans 11 enroulement d'excita- 70 00796 6 2028130 tion l4 à peu près dix à cent fois par seconde en fonction de la charge de la génératrice» Si le transistor 34 n'est plus bloqué pour une raison quelconque, par exemple parce que 5 la connexion entre le point de jonction 27 et la base du transistor 33 a été coupée par suite d'un défaxit de la diode Zener 32 ou bien sous l'effet d'un claquage du transistor 34, il passe en permanence un courant dans l'enroulement- d'excitation l4» Il en résulte une augmentation indésirable de la tension de sortie 10 de la génératrice 10» L'élément bipolaire de commande 21 a été représenté également sur la figure 2» La première borne de connexion 45 de cet élément est reliée à l'émetteur d'un premier transist.or 46, à savoir un transistor de type pnp, 15 ainsi qu'une borne d'une résistance 47».L'autre borne de la ré-sitance 47 est reliée à la base du transistor 46 ainsi qu'au collecteur d'un transistor 48,. à savoir un transistor de type npn, et à la cathode d'une diode Zener 49» Le collecteur du premier transistor 46 est relié à la base du second transistor 20 48. L'anode de la diode Zener 49 et l'émetteur du second transistor 48 sont reliés à une.seconde borne 51 de l'élément bipolaire de commande 21» Un condensateur de mise en court-circuit 52 eçt branché entre la première borne de connexion 45 et la seconde borne de connexion 51° 25 Sur la figure 3, on a repré senté une seconde variante de l'élément bipolaire de commande 21. Une première borne de connexion 145 est reliée à l'émetteur d'un premier transistor 146, de type pnp; et à la cathode d'une diode Zener 149° L'anode de la diode Zener 149 est reliée au 30 collecteur du premier transistor 146, à la base d'un second transistor 148, de type npn, et à l'une des bornes d'une résistance 147. La base du premier transistor l46 est reliée au collecteur du second transistor l48. L'autre borne de la résistance 147 et l'émetteur du second transitor l48 sont re3-iés à une seconde 35 borne de connexion 151 de l'élément bipolaire de commande 21° Entre la première borne de connexion 145 et la seconde borne de connexion 1519 est prévu un condensateur de mise en court-cir cuit 152. L'élément bipolaire de com-40 mande 21 est branché dans le circuit du régulateur de tension? bad ORIGINAL 70 00796 7 2028130 de manière que la première borne 45 soit en liaison avec le conducteur positif 22 et la seconde borne 51 en liaison avec le conducteur négatif 17, la même considération étant applicable alix bornes de connexion 145, 151» 5 Lorsqu'on utilise comme bat terie 19 un accumulateur fournissant une tension nominale de 12 volts, la tension maximale de charge en service normal est d'environ 14,5 volts. Pour cette tension, l'élément bipolaire de commande 21 présente une résistance interne très élevée, car 10 les deux transistors 46, 48 sont bloqués» Cependant, lorsque la tension de charge dépasse, par exemple du fait d'un défaut du régulateur de tension 395 cette limite supérieure d'une valeur déterminée, la résistance interne de l'élément bipolaire de commande tombe à une très faible valeur. Cela a la conséquence sui-15 vante : La tension de claquage de la diode Zener 49 au delà de laquelle cette diode devient conductrice est choisie de façon à être supérieure d'environ 2 volts à la tension maximale de charge. Si la tension appliquée aux deux bornes de connexion 45, 51 atteint, en cas de panne, une valeur qui est supérieure à la 20 somme de la tension de claquage de la diode 49 et de la tension base-émetteur nécessaire pour bloquer le transistor 46, la diode Zener 49 devient conductrice et rend conducteur le.transistor 46 Cela signifie que la voie de commande du transistor 46,à savoir sa voie émetteur-collecteur, 25 présente une résistance très faible. En conséquence, la tension maximale de charge est appliquée à la voie émetteur-base du second transistor 48 qui devient également conducteur» Etant donné que maintenant la voie de.commande, à savoir la voie émetteur-collecteur du second transistor 48, a une faible valeur 30 ohmique, la totalité de la tension de charge est également appliquée à la voie base-émetteur du premier transistor 46, indépendamment de ce que la diode Zener 49 soit conductrice ou non. Les deux transistors 46, 48 ont par conséquent des comportements opposés dans la condition de conduction. Ils sont rendus conduc-35 teurs la première fois ensemble. En conséquence, la voie de commande d'un transistor est branchée en série avec la voie de commande de l'autre transistor et ces deux ensembles-séries sont branchés en parallèle entre eux. Du fait que ce circuit-parallèl formé par la combinaison-série des deux transistors 46, 48 est 40 soumis à la tension de charge - excessive - lorsqu'il n'est pas 70 00796 8 2028130 prévu une résistance de travail servant de résistance de protection, le courant passant dans les voies collecteur-émetteur et les voies base-émetteur branchées respectivement en série prend des valeurs très élevées. En conséquence, les transistors 46, 48 5 sont également très fortement chauffés. La chaleur qui se produit lors d'un échauffement localisé des éléments semi-conducteurs peut ne pas être évacuée suffisamment rapidement, de sorte que les deux voies collecieur-émetteur sont liées par alliage. Ce processus est irréversible. Les voies collecteur-émetteur des 10 transistors 46, 48 présentent une très faible valeur ohmique qui ne varie pas sensiblement. La diode constituée par la voie émetteur-base du premier transistor 46 et la diode constituée par la voie base-émetteur du second transistor 48 sont dans ce cas branchées en parallèle et dans le sens de conduction. 15 La résistance 47 sert, en marche normale, à relier la base du premier transistor 46 à son émetteur et par conséquent à maintenir bloqué ce premier transistor 46. Le condensateur 52 a pour fonction d'arrêter des pointes de tension qui pourraient être appliquées à l'élément bipolaire 20 de commande et provoquer intempestivement un déclenchement de l'élément de sécurité. Tous les éléments 46, 47, 48, 49, 52 peuvent être placés sur une plaquette suivant la technique des circuits intégrés. Lorsqu'en cas de panne l'élé-25 ment bipolaire de commande 21 présente en permanence line très faible résistance de claquage, la tension de sortie de la génératrice 10 est coupée, le courant passant dans l'enroulement d'excitation l4 diminue et la génératrice est ainsi automatiquement désexcitée. Il passe dans la lampe de contrôle de charge 30 40, qui est maintenue allumée, un courant entre le pôle positif 18 de la batterie 19 et le pôle négatif 17 par l'intermédiaire des transistors conducteurs, de l'enroulement d'excitation 14 et du régulateur. Le processus décrit n'est 35 pas réversible. 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. Le branchement d'un élément bipolaire de commande selon l'invention aux bornes de sortie 40 d'une génératrice en parallèle aux entrée du régulateur de ten 70 00796 9 2028130 sion associé crée un dispositif de protection qui coupe à peu de frais et d'une manière sûre le courant d'excitation lorsque, par suite d'un défaut du régulateur de tension, la tension de sortie de la génératrice atteint une valeur excessivement élevée. On 5 évite d'une manière particulièrement simple les conséquences désastreuses provoquées par des surtensions dans un réseau de bord. L'invention concerne un élément 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 ten-10 sions dépassent une valeur prédéterminée. L'invention s'étend à un régulateur de tension servant à régler la tension de sortie d'une génératrice munie d'un enroulement d'excitation, notamment tin alternateur de véhicule, régulateur caractérisé en ce qu'il est 15 équipé d'un élément bipolaire de commande. 0! Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, pour lesquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du 20 cadre de l'invention. 70 007$6 10 2028130 REVENDICATIONS 1°) Elément électrique bipolaire de commande présentant des valeurs caractéristiques qui . sont fonction d'un circuit extérieur de commande, élément carac-5 térisé en ce qu'il comporte deux transistors bipolaires, en ce qu'il présente en marche normale une résistance interne élevée et en ce que, lorsqu'une tension appliquée à ses bornes de connexion dépasse une valeur prédéterminée, sa résistance interne varie de façon continue en direction d'une valeur inférieure par 10 génération de chaleur. 2°) Elément bipolaire de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voie de commande du premier transistor est branchée en série avec la voie de commande du second transistor et en ce que cet ensemble-15 série est branché entre la première borne et la seconde borne de connexion. 3°) Elément bipolaire de commande selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la base du premier transistor est reliée au collecteur du 20 second transistor et en ce que la base du second transistor est reliée au collecteur du premier transistor. 4°) Elément bipolaire de commande selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier transistor est agencé sous forme d'un 25 transistor pnp, en ce que son émetteur est relié à la première borne de connexion, en ce que le second transistor est agencé sous la forme d'un transistor npn et en ce que son émetteur est relié à la seconde borne de connexion. 5°) Elément bipolaire de com-30 mande selon l'une quelconque des revendications de 2 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu, entre -une borne de connexion et une électrode de commande d'un transistor, un élément à caractéristique de claquage. 6°) Elément bipolaire de com-35 mande selon la revendication 5S caractérisé en ce que l'élément à caractéristique de claquage est constitué par une diode Zener. 7°) Elément bipolaire de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'anode de la diode Zener est reliée à l'émetteur du second transistor 40 et en ce que la cathode de la diode Zener est reliée au collec 70 00796 ii 2028130 teur du second transistor. 8°) Elément bipolaire de com-/mande selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est prévu une résistance entre la base et l'émetteur du premier transis de la diode Zener est reliée à l'émetteur du premier transistor et en ce que l'anode de la diode Zener est reliée au collecteur 10 du premier transistor. commande selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est prévu une résistance entre la base et l'émetteur du second transistor. servant à régler la tension de sortie d'une génératrice munie d'un enroulement d'excitation, notamment un alternateur de véhicule, régulateur caractérisé en ce qu'il est équipé d'un élément bipolaire de commande suivant l'une quelconque des revendica-20 tions de 1 à 1Q 10°) Elément bipolaire de 15 11°) Régulateur de tension