Brevet FR2077478A1 — publié le 19711029

. La présente invention concerne un microconvertisseur fournissant du courant continu sous une tension d'une dizaine de volts à partir d'une source de courant continu prélevé sous une tension inférieure à un volt, dans lequel la régulation de la tension fournie au circuit d'utilisation et le démarrage sont effectués de 5 façon automatique. Il existe déjà depuis fort longtemps des dispositifs fournissant une puissance de quelques centaines de microwatts sous forme de courant continu à partir d'une source constituée en général par une petite pile fournissant une tension continue de quelques volts. 10 De tels dispositifs comprennent en général aux bornes de la source l'enrou lement primaire d'un transformateur. En série avec le primaire on place un dispositif coupant le circuit à une certaine fréquence. Aux bornes du secondaire à la suite d'une diode on branche le circuit utilisateur. Le dispositif coupant le circuit entraîné à intervalles réguliers a été d'abord un microvibreur et c'est 15 sous cette forme qu'ont été réalisés notamment les premières alimentations haute tension des tubes transformateurs d'image utilisés en infra-rouge. Au cours de ces dernières années on a perfectionné ce montage en remplaçant le dispositif commutateur par un circuit transistorisé. Dans ce cas, la variation d'intensité dans l'enroulement primaire du transformateur s'obtient en agissant 20 sur la conductlvité entre le collecteur et l'émetteur par l'intermédiaire d'un circuit de polarisation de la base de ce transistor. Ces montages sont simples et robustes mais ils n'assurent pas la régulation de la tension lorsque la charge varie. On est donc amené à adjoindre un dispositif complémentaire entraînant une consommation non négligeable et par suite une perte 25 de rendement toujours très préjudiciable lorsque la puissance mise en jeu est limitée à quelques centaines de microwatts. Pour le démarrage, ces montages nécessitent un réseau de démarrage qui fait également perdre de la puissance utile. Pour des raisons d'économie on est donc obligé de déconnecter ce réseau après chaque nouveau démarrage s on est finale-30 ment amené à contrôler manuellement la mise en service d'un tel montage. En outre ces dispositifs sont, toutes proportions gardées, assez volumineux et leur volume descend rarement au-dessous de 10 cm3 (1 cl). ■ Le rendement global des meilleurs montages connus ne dépasse guère 50 % en raison des cervitudes exposées ci-dessus. 35 Enfin, il n'existe pas à la connaissance de l'inventeur de microconvertisseur du genre en question prélevant son énergie à une source de quelques dixièmes de volts et débitant de façon fiable et prolongée une tension de sortie parfaitement régulée de l'ordre d'une dizaine de volts à un circuit d'utilisation consommant une énergie de plusieurs centaines de microwatts. 40 Pour fournir à un circuit d'utilisation, une tension de sortie très stable 70 00704 2 2077478 de l'ordre d'une dizaine de volts avec un rendement amélioré à partir d'une source de tension continue de quelques dixièmes de volt, l'inventeur a été conduit à perfectionner les dispositifs microconvertisseurs existants dans lesquels la source de tension alimente le primaire d'un transformateur élévateur de tension 5 placé en série avec un transistor. Il a été amené à placer la base dudit transistor dans une boucle de contre-réaction comportant une résistance variable dont la valeur dépend directement de la tension de sortie, obtenant ainsi une stabilisation de cette tension avec un rendement très élevé, tout en assurant un démarrage particulièrement économique 10 du convertisseur. L'objet de l'invention est donc un dispositif convertisseur-élévateur de tension fournissant, à partir d'une source de tension continue, une tension continue régulée, et comprenant essentiellement un circuit d'entrée relié à la source et un circuit de sortie relié au circuit d'utilisation, le circuit d'entrée 15 comprenant le primaire d'un transformateur à trois enroulements monté en série avec la jonction collecteur-émetteur d'un transistor tandis que le circuit de sortie comprend essentiellement le secondaire haute tension dudit transformateur et une diode, dispositif caractérisé en ce que la base dudit transistor est polarisée par un circuit de réaction relié à la source, comprenant le troisième 20 enroulement du transformateur en série avec un élément électronique à résistance variable, ce dernier étant relié par ailleurs au circuit de sortie. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention décrite ci-dessus, l'élément électronique à résistance variable est constitué par un transistor à effet de champ dans lequel la grille (gâte] est portée à la tension de sortie 25 tandis que le drain et 1s source sont inclus dans le circuit de réaction. Selon un autre mode ds réalisation, l'élément électronique à résistance variable est constitué par un èransistor dans lequel la résistance variable est formée par la jonction émetteur-collecteur dudit transistor alors que la base est alimentée par une tension sensiblement proportionnelle à la tension de sor-30 tie. Selon un autre mode de réalisation applicable au cas où le circuit d'utilisation comprend une source lumineuse, l'élément électronique à résistance variable comprend essentiellement une cellule photorésistive sensible à 1'éclairement de ladite source. 35 On a décrit ci-après le principe de fonctionnement d'un dispositif conforme à l'invention ainsi que deux exemples de dispositifs, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Cette description en référence aux dessins annexés fera apparaître d'autres caractéristiques et avantages de l'invention. 40 Dans les dessins : 70 00704 3 2077478 » la figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 représente le schéma correspondant à un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 3 représente schématiquement un dispositif de mise en oeuvre corres-5 pondant au deuxième mode de réalisation de l'invention. Si on se reporte à la figure 1, représentant le schéma de principe d'un dispositif réalisé selon l'invention, on voit que le circuit d'entrée comporte en série le primaire (2') d'un transformateur (2) à 3 enroulements, et la jonction émetteur-collecteur d'un transistor 13). 10 Le circuit de sortie comprend l'enroulement secondaire 2" du transformateur 2, une diode 4 et une capacité 5. Le circuit de sortie débite dans une charge RL. Le circuit de réaction qui alimente la base 3' du transistor (3) comprend en série le troisième enroulement 2"' du transformateur (2) et l'élément électronique à résistance variable (6) dont la borne 6' est reliée au circuit de sortie. 15 Le fonctionnement d'un tel dispositif se comprend aisément : Lorsque la base C3'] du transistor (3) est polarisée positivement, la jonction collecteur-émetteur conduit, le courant collecteur croit linéairement avec le temps, puisque la tension appliquée aux bornes de la bobine primaire [2'1 du transistor (2) est constante. Le courant circulant dans le circuit de réaction 20 est créé par la tension sensiblement constante appliquée aux bornes de l'enroulement 2"'. Ce courant est limité par la valeur de la somme de la résistance 6 et de la résistance base-émetteur du transistor (3). Au bout d'un certain intervalle de temps très court, défini par la valeur de la résistance (6] le courant de base devient insuffisant pour assurer la saturation du transistor. L'intensité 25 du courant collecteur tolérée par le transistor (2) devient alors égale au courant de base multiplié par le gain. Le courant circulant dans l'enroulement primaire 2' se limite à cette valeur. La tension aux bornes du primaire décroit, en conséquence l'intensité du courant dans le circuit de réaction diminue, la polarisation de la base (3') du transistor (3) diminue, le transistor (3) se 30 bloque. L'énergie accumulée au primaire passe dans l'enroulement secondaire 2", se déverse à travers la diode dans le réseau comprenant la capacité (5) et la charge RL et donne aux bornes de la charge RL une tension V2. Puis le courant dans la diode 14} diminue et tend vers zéro. Lorsqu'il s'annule, il apparaît dans l'enroulement 2" un flux suffisant pour induire un courant dans l'enroule-35 ment 2"' et polariser à nouveau la base 3' du transistor 3. Le cycle de fonctionnement recommence. La régulation de la tension aux bornes de la charge RL est assurée par l'élément électronique à résistance variable 6 piloté par la tension de sortie V2. Si la résistance de charge RL diminue, la tension de sortie V2 a tendance à dimi-40 nuer, l'effet de contre-réaction est transmis par l'entrée 6' à la résistance 70 00704 4 2077478 variable (6]. Cette résistance 6 décroît, le potentiel de la base 3' du transistor 3 s'élève et la valeur maximale du courant collecteur augmente; en conséquence, la tension de sortie V2 aura tendance à augmenter. En conclusion on voit que selon l'invention toute chute de la tension V2 entraîne une diminution de la résistance 5 6, prolonge la durée de la croissance du courant dans l'enroulement primaire 2', augmente l'énergie transmise au circuit d'utilisation et finalement élève la tension \I2 aux bornes de la charge RL. Le dispositif selon l'invention comporte donc un circuit autorégulateur fonctionnant sans perte d'énergie appréciable lorsque l'élément électronique 6 mis en oeuvre ne consomme que très peu d'énergie. 10 Le démarrage du circuit est évidemment assuré automatiquement dans les mêmes conditions chaque fois que la tension V2 aux bornes de la charge est nulle. Suivant la valeur attribuée à la résistance 6, on obtient des circuits oscillant à des fréquences comprises entre 10 herz et 50 KHz. Les valeurs donnant un couplage satisfaisant entre les enroulements étant comprises entre 1 KHz et 15 30 KHz. La figure 2 représente un exemple de réalisation dans lequel l'élément électronique (6) est constitué très simplement par un transistor à effet de champ du type à jonction ou du type Moss. Aux bornes de la source de tension continue 11, on dispose comme précédemment 20 l'enroulement primaire 12' d'un transformateur à trois enroulements. L'enroulement 12' est monté en série avec la jonction collecteur-émetteur d'un transistor 13, dont la base 13' est reliée à la source à travers l'enroulement 12"' du même transformateur et à travers le circuit source-drain d'un transistor à effet de champ 16. La grille (gâte) 16' de ce transistor 16 est reliée à la sortie 17 du 25 microconvertisseur. Le circuit de sortie comprend le secondaire 12" du transformateur à trois enroulements, une diode 14 et la capacité 15 de valeur élevée. On note également la présence d'une résistance de polarisation 18 et d'une résistance de filtrage 19. Les valeurs de ces résistances étant assez faibles pour éviter une consomma-30 tion préjudiciable d'énergie. Une capacité de valeur élevée (20) est placée aux bornes de la source. Une capacité de découplage 21 est placée entre la source et la sortie de l'enroulement 12"' du transformateur. Le fonctionnement de ce dispositif est en tous points semblable à celui du schéma de principe de la figure 1. On note simplement que les pertes d'énergie 35 sont limitées au minimum puisque le circuit de commande de grille du transistor à effet de champ ne consomme que très peu d'énergie. □n obtient donc un dispositif dans lequel le rendement demeure très élevé, de l'ordre de 80 % pour une tension d'entrée de 0,5 V. Dans une série d'appareils de ce type réalisées avec des transistors au 40 silicium, les caractéristiques moyennes suivantes ont été déterminées : 70 00704 5 2077478 r volume de l'appareil : 4 cm3 >0,4 cl), - puissance fournie : 400 microwatts, - tension d'entrée : de 0,3 V à 1 volt, - tension de sortie : ajustable de 5 V à 7 volts, 5 - régulation de la tension de sortie : une augmentation de puissance de 25 % entraîne une variation de la tension de sortie de l'ordre de 1 %, - le dispositif démarre sans action extérieure, - la fréquence de travail est de l'ordre de 20 KHz. Le dispositif supporte les courts-circuits avec démarrage automatique du 10 retour aux conditions initiales. Le dispositif représenté à la figure 3 représente schématiquement une forme de réalisation dans laquelle on retrouve comme précédemment un circuit d'entrée comprenant la source 31, le primaire 32' d'un transformateur 32 à trois enroulements monté en série avec la jonction collecteur-émetteur d'un transistor 33. Le 15 circuit de sortie comprend comme précédemment le secondaire 32" du transformateur 32, une diode 34 et une capacité 35. Le circuit de réaction alimentant la base 33' du transistor 33 comprend l'enroulement 32"' du transformateur 32 à trois enroulements ainsi qu'un transistor 36 dont la résistance entre collecteur et émetteur est commandée par la ten-20 sion appliquée à la base 36'. Cette tension est prélevée entre les bornes du circuit de sortie entre deux résistances 37 et 38 représentant schématiquement un dispositif destiné à fournir à la base 33' du transistor 33, une tension proportionnelle à la tension fournie à la sortie du microconvertisseur. De tels convertisseurs trouvent leur plein emploi dans tous les dispositifs 25 demandant une alimentation de très petite dimension et d'un poids très réduit fournissant une tension très stable. Le dispositif est susceptible de convertir les tensions fournies par des piles thermoélectriques alimentées par exemple par une source de chaleur d'origine nucléaire ou solaire ou par des éléments photosensibles . 30 L'emploi d'un tel convertisseur a été préconisé tant pour la réalisation d'alimentation de stimulateurs du coeur ainsi que pour diverses applications aérospatiales . Bien que les dispositifs qui viennent d'être décrits paraissent les plus avantageux pour la mise en oeuvre de l'invention dans une situation technique 35 particulière, on comprendra que diverses modifications puissent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certains de ces éléments pouvant être remplacés par d'autres susceptibles d'y assurer la même fonction technique. 40 BAD ORIGINAL 70 00704 B 2077478 REVENDICATIONS 1/ Convertisseur élévateur de tension fournissant une tension continue régulée à partir d'une source de tension continue, constitué essentiellement d'un circuit d'entrée relié à la source et d'un circuit de sortie relié au circuit, d'utilisa-5 tion, le circuit d'entrée comprenant l'enroulement primaire d'un transformateur à trois enroulements monté en série avec la jonction collecteur-émetteur d'un transistor tandis que le circuit de sortie comprend essentiellement l'enroulement secondaire dudit transformateur et une diode, dispositif caractérisé en ce que la base dudit transistor est polarisée par un circuit de réaction relié à la source, comprenant le troisième enroulement dudit transformateur en série avec un élément électronique à résistance variable, ce dernier étant relié par ailleurs au circuit de sortie. 2/ Mode de réalisation de l'invention selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément électronique à résistance variable est constitué par un transistor 15 à effet de champ dans lequel la grille (gâte) est portée à la tension de sortie tandis que la jonction entre le drain et la source est inclue dans le circuit de réaction. 3/ Mode de réalisation de l'invention selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément électronique à résistance variable est constitué par un transistor 20 dans lequel l'élément formant la résistance variable est constitué par la jonction émetteur-collecteur du transistor alors que la base est maintenue à un potentiel sensiblement proportionnel à la tension de sortie. 4/ Mode de réalisation de l'invention selon la revendication 1, applicable au cas où le circuit d'utilisation comprend une source lumineuse, caractérisé en ce que 25 l'élément électronique à résistance variable comprend essentiellement une cellule photorésistive sensible à 1'éclairement de ladite source. 30 35 40 ÔAD ORIGINAL