Brevet FR2083614A1 — publié le 19711217

La présente invention concerne un circuit de protection d'un amplificateur à transistors pour limiter les courants traversant les transistors. En général, un court-circuitage de la ^charge 5 dans un amplificateur à transistors ouvre la possibilité qu'un excès de courant circulant dans un transistor de sortie produise une augmentation des pertes dans son collecteur et qu'il en résulte la destruction du transistor. Pour éviter cela les amplificateurs à transistors de la technique antérieure connue 10 utilisent un circuit limiteur de courant ou de puissance, au moyen duquel on contrôle la condition de. fonctionnement du transistor afin de le protéger contre une destruction due à un court-circuit instantané de la charge. Cependant, un court-circuit permanent de la 15 charge produit une augmentation de la température à la jonction du transistor et sa destruction. On évite cela en général en utilisant un circuit protecteur sensible à la température qui est destiné à détecter un état de surcharge et à protéger le transistor. 20 Par suite, la technique antérieure nécessite un circuit limiteur de courant ou de puissance et un circuit protecteur sensible à la température. Elle présente, en conséquence, des inconvénients tels que la complexi té de construction des circuits et l'imprécision de la fonction de protection à cause 25 de la réponse lente du circuit protecteur sensible à la température. L'invention a pour objet un circuit de protection pour amplificateur comprenant deux transistors avec un premier circuit pour détecter une tension proportionnelle au courant traversant le premier transistor et un second circuit pour dé-30 tecter une tension proportionnelle à l'écart de tension entre les électrodes du transistor, le second transistor agissant pour limiter, suivant les valeurs détectives, le courant traversant le premier transistor. le circuit de l'invention est caractérisé en ce 35 qu'un troisième circuit est branché entre le second circuit et la terre, ce troisième circuit comprenant au moins une diode et faisant varier la condition de limitation du courant traversant le premier transistor en réponse à la tension détectée par le second circuit. 40 La présente invention a pour but de réaliser 71 10841 2.- 2083614 un circuit protecteur amélioré pour amplificateur à transistor qui ne présente pas les défauts mentionnés plus haut qu'on rencontre dans les circuits protecteurs classiques. L'invention doit fournir un circuit protecteur 5 pour transistors constituant un amplificateur, qui limite avec sûreté et efficacité les courants circulant dans les transistors afin de protéger ces derniers, circuit agissant en fonction de la dissipation de puissance des transistors et c"e la valeur de l'impédance de charge de l'amplificateur. 10 Suivant l'invention, l'état de protection du circuit est modifié suivant une tension de sortie aux bornes d'une charge de l'amplificateur, de manière à éviter la détérioration des signaux de sortie fournis à la charge. La description se rapporte à des exemples de 15 réalisation représentés aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est un schéma de branchement représentant un exemple d'un circuit de protection d'un amplificateur conforme à cette invention, - la figure 2 est un graphique d'explication du 20 fonctionnement du circuit donné à titre d'exemple dans la figure 1, - la figure 3 est un circuit équivalent de la partie principale du circuit décrit dans la figure 1, - les figures 4 à 6, inclusivement* sont des 25 graphiques d'explication du fonctionnement du circuit représenté sur la figure 1, - la figure 7 est un schéma de branchement illustrant une forme modifiée de cette invention, - la figure 8 est un graphique d'explication 30 du fonctionnement du circuit décrit sur la figure 7. Dans la figure 1, un amplificateur à audiofréquence 1 comporte un étage préamplificateur et vin étage d'excitation d'un circuit de sortie 2, sans transformateur de sortie. * 35 Ce circuit de sortie 2 consiste en des transistors ÏÏPN Qj et Q2, un transistor PNP ' et un transistor NPN Q0' qui sent montés en Darlington, c'est-à-dire que les circuits Darlington 2A et 2B sont reliés en série l'un avec l'autre à travers des résistances de protection et R1, de relativement 40 faible valeur. Des sources de puissance positive et négative 71 10841 2083614 +B et -B sont connectées aux deux extrémités du circuit série, et une charge I (telle que par exemple un haut parleur) est branchée entre le- point de connexion des résistances R,j et R^' et la terre» A chaque demi-période positive et négative du 5 signal, les transistors de sortie Qg et Qg' sont alternativement mis en circuit et hors circuit de manière à alimenter directement la charge 1. Comme le circuit 2B qui fonctionne pendant la demi-période négative du signal est de construction identique 10 au circuit 2À, seule une description détaillée sera faite du circuit 2À qui fonctionne pendant la demi-période positive» Un circuit série consistant en deux résistances Rg et Rj et une diode Dj branchée entre elles est connecté en parallèle avec le circuit série constitué de 1% résistance R^ 15 et de la charge L, ce qui constitue ainsi un circuit en pont avec la résistance R., la charge I«, les résistances Rn et R~ 1 et la diode . l'émetteur d'un transistor de commutation est relié au point de connexion A de la résistance avec la 20 charge 1 et la base du transistor de commutation Qy est branchée par une résistance R^, si cela est nécessaire, au point de connexion du circuit en pont opposé au point A de connection de la résistance R^ avec la charge L, c'est-à-dire au point de connexion de la résistance Rg avec la diode . De plus, la 25 base du transistor est alimentée par une tension de polarisation continue venant de la source de puissance +B à travers une résistance R^« Le collecteur du transistor est branché, par 1 * intermédiaire d'une diode Dg, à un circuit d'alimentation en signal des transistors dé sortie, c'est-à-dire à la base 30 du transistor-. la diode Dg est destinée à empêcher la destruction du transistor qui serait causée par l'arrivée d'une tension inverse au transistor pendant la demi-période négative du signal. Un condensateur C1 connecté en parallèle avec la résistance Rg est destiné à empêcher l'oscillation du -35 circuit qui se produirait, lorsqu'on a rendu la charge L induc-tive, par une composante haute fréquence du signal fourni à la charge. Le fonctionnement du circuit de construction ci-dessus est le suivant î l'impédance Rg de la charge L et les 40 valeurs de résistance r^, rg, r^, r^ et r^ des résistances R^, 71 10841 4.- 2083614 R g, R^f R^ et R^ sont choisies de telle manière que R-^ et r1 soient beaucoup plus petites que r2, r^> r^ et r^, et les ■valeurs de résistance r2, et des résistances Rg» R^ et R^ sont choisies de telle manière que r- soit beaucoup 5 plus grande que r2 et r^. Grâce à cela le transistor est maintenu dans un état de non conduction par les tensions divisées des résistances Rg, et R^ quand le transistor Q2 est dans l'état coupé. Par exemple, les valeurs de résistance de ces résistances sont choisies telles que r1 = 0,5 -2Î- f r2 = r^ = 10 1k SL , r^ = 270 k SL- et r^ = 2 k _£-u * I>a tension de conduction de la diode D^, la tension de conduction du transistor ( la tension entre sa base et son émetteur) et la tension entre l'émetteur et le collecteur du transistor de sortie Qg sont désignées respectivement par et V^. En pratique, les 15 tensions et "V"BE sont couramment d'environ 0,6 à 0,7 volt. la description qui suit s'applique au fonctionnement du circuit protecteur. En supposant que les transistors de sortie Qg et Q'g sont tous les deux dans l'état coupé, et que le potentiel du point de sortie A est égal 20 au potentiel de terre, la base du transistor est alimentée par des tensions qui sont produites aux bornes des résistances P-4, Rg et R^ en divisant la tension de la source de puissance -h* par les résistances R^, R^, Rg et . Dans ce cas, le transistor Q^ n'est pas rendu conducteurs car les valeurs de résis-25 tance de ces résistances sont choisies de telle manière que r^ est beaucoup plus grande que r^, r2 et r^« De plus, le circuit en série formé de la diode D^ et de la résistance R^ est alimenté par des tensions produites aux bornes des résistances R2 et R^, mais ces tensions n'atteignent pas la tension de conduction V ^ 30 de la diode D^. Par suite, la diode D^ est maintenue dans l'état coupé. De la même façon, le transistor Q'^ et la diode D'1 sont également maintenus dans l'état coupé. Quand la demi-période positive du signal arrive à la base du transistor Q^, le transistor de sortie Qg est 35 rendu conducteur, de manière à fournir un courant de sortie I s ✓ , C a la résistance R^ et à la charge ls produisant ainsi à leurs bornes des tensions basées sur le courant de sortie Iq. Quand les tensions dépassent la tension de conduction VD1 de la diode D1, la diode D^ est rendue conductrice et il en résulte qu'une 71 10841 5.- 2083614 30 partie du courant de sortie I est shuntée par le cberin de v la résistance Rg ~ diode - la résistance ha condition pour laquelle» quand la diode D.j est coupée, le transistor Qj est mis en circuit pour déclencher l'opération de protection, est la suivante ï VBE >To • ^ ^ + r1 Xc " r2 . r4 r5 •jq II en résulte que *0 ^ VBE Vc - r2 + r4 (2) 0 ^ r1 r1 r2 + r4 + r5 Sur le graphique, l'équation (2) est celle qui 15 est indiquée par la droite a de la figure 2, c'est-à-dire oue l'équation (2) e?t satisfaite dans la région située au-dessus de la droite a, afin de mettre en circuit le trsnsist-or Q-, pour déclencher l'opération de protection# Dans ces conditions, le transistor est contrôlé par une tension correspondant 20 à la somme d'une tension entre le collecteur et l'émetteur du transistor Q2 et d'une tension induite par le courant de collecteur du transistor Q2« En pratique cependant le transistor est à peine rendu conducteur dans la région de non fonctionnement de la diode , et ce phénomène se produit dans le cas oîi une 25 différence de phase est produite entre le courant de sortie I c et la tension V quand la charge L est par exemple inductive. Quand la tension V est nulle, le courant maximal est limité c à et la pente de la droite a s'exprime par Ï1 1 r2 + r4 r1 r2 + r4 + r5 Dans la région où la diode D^ est en circuit, c'est-à-dire quand l'équation suivante est valable 35 > VD1 Vc r2 r1 + rL r1 + Ri r2 + r4 + r5 40 les équations suivantes se déduisent -du circuit équivalent de la figure 3 Vc = ^r5 + r4 + r2^ I1 ~ r2 I2 *** 71 10841 6,- 2083614 20 + Rl) I0 - VD1 = - r1 I1 + (r2 + r3) I2 ... (4) En résolvant les équations (3) et (4) ci-dessus en obtient les équations suivantes î (i *1 (5) + r3^ Vc + L ^r1 + *L> Ic " VD1J r2 (r5 + r4 + r2) (r2 + r?) - r2 I = (r-5 + r4 + r2) f De plus, l'équation suivant s'obtient à partir du circuit équivalent de la figure 3. 15 V-ffR = r4 + ^2 ^"'1 ** ^2^ "^1 *c *** En récrivant l'équation (7) pour y substituer 1^ et I2 tirés des équations (5) et (6)s on obtient l'équation suivante i TBE^(r2 * r3> (r4 + r5> + r2 • r3> J ' VB1 ' r8 • r5 c r1 [r2 > r4 + r3 (r5 + r4 + r2} ] - RL • r2 • r5 Yc * r4 . (r2 + r3) + rg . r3 _ (8) 25 r1 [r2 * r4 + r3 (r5 + r4 + v2)] ' RL * r2 * r5 Dans le cas où. Hj,\ r1 CT2 " r4 + r3 (rS + r4 + t2>] r2 ' r5 jO le courant de sortie IQ est plus petit que zéro dans l'équation (8). En pratique cependant IQ ^ 0, de sorte que quand l'impédance R^ de la charge L est plus grande que cette valeur, le transistor reste dans l'état coupé et il ne s'exerce aucune influence sur l'amplification. C'est-à-dire qu'une courbe qui pourrait s'exprimer 25 par l'équation (8) prend la forme indiquée par une courbe b sur la •figure 4. Dans la région A située au-dessus de la courbe b, le transistor est mis en circuit de manière à limiter le couran-t de sortie I le long de la courbe b. Par suites dans le cas où l'impédance R^ de la charge D est inférieure à W R. _ r1 T r2 • rA + r, (r„ + r4 + x,opératlon de O ' r2 ' r5 71 10841 7.- 2083614 protection est déclenchée et le courant de sortie Ic est limité à la courbe b. De plus, quand l'impédance de la charge 1 est plus grande que R^ , le transistor n'est pas mis en circuit et le courant de sortie I n'est pas limité par le circuit pro- c 5 tecteur. Dans ce cas, un courant de sortie possible est généralement limité par une courbe c qui peut s'exprimer par j E + B r1 + rL L'opération de protection précédente va être ■jO décrite plus en détail dans ce qui suit à l'aide des caractéristiques du transistor de sortie. Les relations données par l'équation (8) sont représentées sur la figure 5. C'est-à-dire que les droites dQ, d^, dg et d^ de la figure 5 représentent les caractéristiques de limitation du circuit protecteur quand l'impédance •15 de charge R^ est plus petite que R^ décrite sur la figure 4, où. en particulier la droite dQ est °la caractéristique de limitation du circuit quand l'impédance de charge Rr est nulle. La droite d^ de plus grande pente est la caractéristique'de limitation lorsque l'impédance de charge R^ est égale ou légèrement inférieure 20 ^ ®L * ^vec ces impédances de charge, le circuit permet d'obtenir l'opiration de protection dans les zones situées au-dessus de ces droites et les courants maximaux dans le cas de ces impédances de charge sont limités respectivement par les droites dQ, , dg et d,. C'est-à-dire que, si la tension de la source de 25 puissance E+^ est prise égale à E+B1» la tension Y^ entre l'émetteur et le collecteur du transistor de sortie Qg varie entre zéro et . Dans le cas où la droite de charge due à l'impédance de charge R^ est comprise dans un angle 0 ^, (l'angle d'inclinaison de la droite de charge avec l'axe des abscisses est plus petit que ^ ^), c'est-à-dire quand l'impédance de charge R^ est plus grande que R^ , les droites de limitation dQj, d^, dg et d^ n'existent pas et le circuit fonctionne normalement sans in.poser aucune limitation au courant de sortie I « c Au contraire, dans le cas où l'impédance de charge R^ est située dans un angle 0 g le courant de sortie Ic est limité aux intersections des droites de charge ZqJ> „ Zg et avec les droites dQ, d^, dg et d^ et les courants dont les valeurs dépassent celles déterminées par ces intersections ne circulent plus. De plus, même si la tension de la source de 40 puissance est modifiée de à les relations précédentes 71 10841 8.- 2083614 demeurent inchangées. Les droites de chargé dans ce cas sont représentées par Z'o, Z1^, Z'g et L'opération de protection du circuit 2 basée sur les caractéristiques précédentes est celle qui est décrite 5 sur la figure 6. Dans cette figure, la référence Z représente * une droite de charge dans le cas où. l'impédance de charge a une certaine valeur dépassant RjjQ » Quand les tensions Vc entre les collecteurs et les émetteurs des transistors Qg et Q'g sont respectivement dans la gamme de zéro à B+B^ (E^ étant la 10 tension de la source de puissance et 2E+g^(-E+ ) se troupeau; ^pliqué entre le collecteur du transistor Qg et l'émetteur du transistor Q'g sur la figure 1),. ies diodes et D~ sont dans l'état conducteuro le courant de sortie I est c. c alors limité par les droites de limitation dQ,d^, dg, d^ et d^ 15 correspondant aux impédances de charge répondant à la condition de conduction du transistor Q,. Quand les tensions V des 5 c transistors Qg et Q'g entre leurs émetteurs et leurs collecteurs sont plus grandes que la tension de la source de puissance, les diodes D1 et D^ sont dans l'état coupé. Les transistors Q^ 20 et Q'^ sont alors dans l'état coupé, et, peur suite, le courant de sortie Ic est limité par la droite a représentée sur la figure 2, c'est-à-dire que les zones A et A" sont des zones de * protection des transistors Qg et Q'g dans lesquelles les courants de sortie I ne circulent pas dans les transistors. c 25 Dans ce qui précède, la droite de charge Z est une droite de charge dans le cas où. l'impédance de la charge L est une résistance ; pure et, par exemple, un haut parleur réel qui présente une caractéristique inductive. Dans ce cas, la ligne de charge forme une ellipse ayant la droite de charge Z comme 30 grand.axe, comme on peut le voir indiqué par Z^. Quand la puissance de sortie est faible, l'ellipse ^ Z^ ne pénètre pas dans les zones A et A', mais quand la puissance de sortie est grande, il est possible que l'ellipse Z^ pénètre dans les zones A et A*, de sorte que la protection des transistors 35 Qg et Q'g mette en:circuit le transistor de commutation Q^ qui coupe la forme d'onde de sortie. Eour éliminer cette possibilité» dans un autre exemple de la présente invention, une tension de polarisation, produite en redressant la tension de sortie aux bornes de la 40 charge L, est appliquée d'un côté du pont constitué par la 71 10841 9.- 2083614 10 résistance R^, la charge 1 et les résistances Rg niveau de commutation du transistor de commutation change alors suivant la tension de"sortie, de manière à modifier les gammes des zones A et A* de fonctionnement de la protection,, évitant ainsi la coupure de la forme d'onde dans le cas d'une charge indue tive la figure 7 représente une forme modifiée de l'invention s*adaptant à ce fonctionnement « Dans 13 exemple présent, la tension.produite aux bornes de la charge L est redressée par les diodes D^ et D'^» et la sortie redressée est-appliquée aux points de division auxquels les résistances R^ et formant un côté du circuit de pont sont divisées respectivement en résistances R^a» R^ et R^»» ; Les potentiels des cathodes et des anodes des diodes D^ et Dg sont polarisés suivant 15 la tension de sortie, de manière à modifier ainsi les niveaux de commutation des. transistors de commutation et Q!^. Ainsi, les zones de fonctionnement de la protection A et A' se déplacent vers 1'extérieur suivant +et - E^, afin d'empêcher la:ligne de charge elliptique de pénétrer 20 dans les zones A et A*. C'est-à-dire que, lorsque la ligne de charge elliptique..-^ devient plus renflée, le niveau de sortie augmente, de sorte £ue les quantités de déplacement + et - E^ des zones A et A1 augmentent, de manière à éviter la coupure de la forme d'onde de sortie-25 Avec la présente invention, les zones d'opération de la-protectionsse déplacent suivant la Tension de sortie de manière à éviter-l'interruption de la forme d'onde de sortie, même dans le cas où la charge est inductive* De plus, quand on a court-circuité la charge de manière à réduire ainsi l'impédance 30 de charge R^ à uneuvaleur inférieure à une certaine valeur prédéterminée Rjj0» l'opération de protection se déclenche et sa vitesse de. réponse est extrêmement élevée, ce qui a pour résultat de protéger le transistor de sortie, La.valeur de l'impédance de charge R^o à laquelle 35 démarre l'opération de protection peut être convenablement réglée et cette valeur peut être fixée à une impédance relativement faible, de sorte que la charge peut être choisie dans une grande plage, par exemple on peut utiliser un grand nombre de haut-parleurs .branchés en parallèle . 40 Dans le cas où l'impédance de charge RjjQ de 71 10841 io.- 2083614 déclenchement de l'opération de protection est relativement basse, le circuit protecteur gagne à être adapté pour ne fonctionner seulement qu'à l'instant du court-circuit de la charge pour la raison qu'il est vrai qu'un fort courant circule instantanément 5 dans le cas d'un son musicalP mais que la valeur moyenne de ce fort courant est relativement faible» Bien que la présente invention ait été décrite en se rapportant aux cas où l'on utilise des sources de puissance positive et négative, et où la charge L est branchée directement 10 entre le point de sortie A et la terre, l'invention est également applicable à une conception de circuit dans laquelle on utilise une source de puissance positive ou négative, et dans laquelle un condensateur est branché en série avec la charge I. Dans ce dernier cas, le condensateur est branché entre la charge L et 15 la terre et le point de connexion du condensateur avec la charge 1 est utilisé comme point de mise à la terre du système de circuit protecteur en termes de courant continu» Il est évident que de nombreuses modifications et variantes peuvent être effectuées sans sortir du domaine de 20 cette invention» 71 10841 n — 2083614 REVENDICATIONS . 1°/ Circuit de protection d'amplificateur à transistors comprenant un premier transistor pour l'amplification de signaux d'entrée arrivant à la première électrode de celui-ci, 5 la seconde électrode étant branchée à une source de tension, un premier circuit pour brancher une troisième électrode du premier transistor à une charge et pour détecter une tension proportionnelle au courant traversant le premier transistor, un second circuit branché entr* la seconde et la troisième électrode du 10 premier transistor, pour détècter une tension proportionnelle à une tension existant entre la seconde et la troisième électrode-et un second transistor branché sur la première' électrode du premier transistor, afin de limiter le courant traversant le premier transistor, la première électrode de ce second transistor étant 15 branchée sur le second circuit de telle manière que le second transistor soit mis en fonctionnement par les niveaux de sortie détectés dans le premier et le second circuit, circuit caractérisé en ce qu'un troisième circuit est branché entre le second circuit et la terre, ce troisième circuit comprenant au moins une diode 20 et faisant varier la condition de limitation du courant traversant le premier transistor en réponse à la tension détectée par le second circuit. 2°/ Circuit protecteur d'amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit 25 comprend une résistance branchée entre la troisième électrode du premier transistor et la chargée 3°/ Circuit protecteur d'amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le second circuit comprend un certain nombre de résistances branchées en série 30 et le troisième circuit est branché à un point de connexion situé entre les dites résistances branchées en série, 4°/ Circuit protect eur d 'amplificateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la première électrode du second transistor est branchée à l'un des points de connexion situés entre les résistances branchées en série » 5°/ Circuit protecteur d'amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une troisième électrode du second transistor est connectée à la charge. .6°/ Circuit protecteur d'amplificateur suivant 40 la revendication lf caractérisé en ce que le troisième circuit comprend 35 71 10841 12 — 2083614 un circuit série composé d'une diode et d'au moins une résistance. 7°/ Circuit protecteur d'amplificateur suivant la revendication 1( caractérisé en ce que le premier transistor est de type NPN'et ses première, seconde et troisième 5 électrodes sont respectivement la base, le collecteur et l'émetteur. 8°/ Circuit protecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'en outre, un quatrième circuit, branché entre le troisième circuit et la charge, sert à alimenter le troisième circuit par une tension correspondant à la tension 1C de sortie aux bornes de la charge. 9V Circuit protecteur d'amplificateur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le troisième circuit comprend un circuit série constitué par une diode et au moins une résistance, le quatrième circuit alimentant la dioçLe par une 15 tension correspondant à la tension de sortie aux bornes de la charge, afin de faire varier la condition de commutation de celle-ci. 10°/ Circuit protecteur d'amplificateur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le quatrième 20 circuit comprend un circuit série constitué par une diode et une résistance, ladite diode détectant la tension de sortie aux bornes de la charge et alimentant en niveau de sortie détecté la diode du troisième circuit.