Brevet FR2117707A1 — publié le 19720728

La présente invention concerne des convertisseurs de tension du type "continu-continu", applicables notamment à l'alimentation en tensions auxiliaires dans des installations de téléphonie. Les organes électroniques ou semi-électroniques nécessitent souvent des dispositifs d'adaptation aux équipements périphériques faisant partie ou non desdits organes. La réalisation de ces dispositifs d'adaptation, également appelés circuits atinterface, requiert fréquemment des tensions d'alimentation auxiliaires avec de faible débits, par exemple pour réaliser des fonctions de polarisation ou de translation de signaux. I1 en est de même de la commande de relais électromécaniques éloignés d'un dispositif de commande. Ltemploi d'une tension auxiliaire conduit à des circuits de commande plus économiques et permet de tolérer des écarts de potentiel dans la distribution de 1 'énergie prévue pour alimenter ces relais, ce qui entraîne une diminution du coût de cette distribution qui est particulièrement importante en télépnonie et de plus améliore les marges de fonctionnement. Dans le domaine des autocommutateurs téléphoniques, où la source d'énergie principale est une tension continue, les tensions autres que celles définies par cette source principale sont généralement fournies par des convertisseurs de tension du type "continu-continu". Les convertisseurs de tension "continu-continu" actuellement connus sont bien adaptés pour traiter des puissances supérieures ou égales à la dizaine de watts. Relais pour des puissances inférieures ou égales au watt avec des intensités de courant inférieures à l'ampère, ces dispositifs restent onéreux et relativement volumineux. La présente invention vise donc un -convertisseur continucontinu présentant notamment la particularité de'ne pas comporter de bobinage et d'occuper un faible volume. Le convertisseur selon l'invention comprend en outre un circuit de régulation de l'amplitude de la tension de sortie particulièrement économique, et peut comporter un dispositif complémentaire de protection et de régulation pouvant être mis en oeuvre lorsque le domaine d'application le nécessite. Le convertisseur de base assure, outre la production d'une tension de sortie, les trois fonctions suivantes - Protection contre le court-circuit des bornes de sortie - Régulation de la tension de sortie (complémentaire à la régulation indiquée ci-dessus) - Obtention d'une tension de sortie très proche de la tension d'entrée en cas de non fonctionnement accidentel de la par tie de conversion de tension. Le convertisseur selon l'invention du type ne comportant pas de bobinage et réalisé à partir de semi-conducteurs et transistors, est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison, un multivibrateur astable dont les sorties sont respectivement reliées à au moins deux éléments de circuit formant circuit de commutation, eux-mêmes reliés à un circuit de transfert relié à un condensateur-accumulateur dont la sortie est reliée à la borne de sortie du convertisseur, ladite sortie comportant en parallèle un circuit de régulation en relation avec lesdits éléments du circuit de commutation. Suivant d'autres caractéristiques - le multivibrateur est du type à démarrage automatique, comprenant eseentiellement deux transistors ; - les éléments du circuit de commutation sont chacun constitués par un transistor dont la base et le collecteur sont reliés au circuit collecteur de chaque transistor du multivibrateur, par l'intermédiaire d'une diode respective, le circuit d'émetteur d'au moins l'un d'entre eux étant relié à l'entrée du circuit de transfert - le circuit de transfert est constitué par deux transistors complémentaires dont les deux bases réunies constituent l'entrée et dont les circuits d'émetteurs sont reliés au condensateuraccumulateur - le circuit de régulation est constitué par un transistor dont la base est alimentée par la tension d'entrée et dont l'emet- teur est relié à la sortie du condensateur-accumulateur par l'intermédiaire d'une diode en série avec ledit condensateur et d'une diode de Zener en série avec ledit émetteur, et dont le collecteur oet relié par l'intermédiaire de diodes respectives aux bases de chacun des deux transistors du circuit de commutation ;; - le convertisseur peut comporter deux circuits symétriques de commutation, suivant la puissance de sortie demandée. Le convertisseur tel que défini ci-dessus peut en outre comporter un circuit complémentaire de protection et de régulation, comprenant essentiellement un transistor dont le circuit collecteurémetteur est en série avec la ligne de sortie en aval du condensateur-accumulateur et la base est reliée à un circuit de commande comprenant deux transistors de commutation dont les bases sont polarisées par la tension de la ligne de sortie. Suivant une autre caractéristique, dans le convertisseur muni du circuit de protection et de régulation ci-dessus, la base du transistor de régulation est alimentée en aval du transistor dont le circuit collecteur-émetteur est en série avec la ligne de sortie. D'autres caractéristiques et avantages résultant de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, de formes de réalisation possibles de l'invention, faite en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un schéma synoptique d'un convertisseur de base ; - la figure 2 représente un schéma synoptique d'un convertisseur comportant le circuit complémentaire de protection et de régulation - la figure 3 représente un schéma du circuit d'un convertisseur de base de la figure 1 ; et - la figure 4 représente un schéma du circuit complémentaire de protection et de régulation adaptable au circuit de la figure . En se référant à la figure 1, un convertisseur selon l'invention comprend quatre parties principales, à savoir, un multivibrateur astable 1, un circuit de commutation 2, un circuit de transfert 3 et un circuit de régulation 4. Les parties 1, 2 et 3 du convertisseur sont alimentées par la tension continue Vcc par rapport à la masse, le convertisseur délivrant une tension continue de sortie Vs. Le circuit de régulation 4 est connecté entre le circuit de commutation 2 et la borne de sortie. Les parties 1, 2 et 3 permettent de produire une tension de sortie indépendante de la tension d'entrée, de même signe ou de signe contraire. Le circuit de régulation 4 peut par-contre être réglé de telle sorte que la tension de sortie Vs soit égare ou différente de la tension d'entrée Vcc. On ne décrira ci-après l'ensemble du dispositif que dans le cas de l'obtention d'une tension Vs supérieure à Vcc, cette dernière tension étant positive, bien que les circuits soient facilement adaptables à une tension Vcc négative. En se référant à la figure 2, un convertisseur selon l'invention comprend les mêmes parties 1 à 4 et il est muni en outre d'un circuit complémentaire 5 de protection et de régulation, connecté entre le circuit de transfert 3 et la sortie, et alimenté également entre la tension Vcc et la masse. En se référant à la figure 3, le multivibrateur astable 1, à démarrage automatique, est constitué par les éléments suivants transistors T1 et T2, condensateurs Ci et C2, diodes D1 à D6, résistances Ri à R8. Les diodes D1 et D2 ont pour rôle de protéger les jonctions émetteur-base des transistors T1 et T2 lors de leur commutation à l'état repos. Les diodes D3 et D4 assurent la fonction démarrage automatique. Quant aux réseaux D5, R3 et D6, R4, ils ont pour but d'offrir un chemin de charge aux condensateurs C1 et C2. Ainsi, les potentiels apparaissant entre le collecteur de Ti et la résistance R5 et entre le collecteur de T2 et la résistance R6,sont indépendants des courants de charge et de décharge d ces condensateurs C1 et C2.Dans le cas présent, il est particulièrement souhaitable que les potentiels existants aux points précités ne soient pas affectés par la circulation des courants de charge et de décharge des condensateurs C1 et C2. Sinon, il s'ensuivrait une diminution du rendement énergétique du dispositif et une augmentation inutile de la dissipation dans les éléments de l'étape de commutation. L'étage de commutation comporte une partie commune et deux circuits symétriques rigoureusement identiques. Il est à noter que si le domaine d'application ne nécessite qu'un courant faible, un seul circuit pourra être conservé. Dans un but de simplification, on ne décrira ci-après qu'un seul des deux circuits, par exemple celui tel que représenté sur la figure 3, où l'étage de commutation 2a-2b comprend les transistors T3 et T4. Afin de faciliter la compréhension du fonctionnement, les fonctions de commutation et de régulation seront dissociées bien qu'elles soient intimement liées, comme ce sera expliqué ci-après. Le transistor T2 du multivibrateur 1 ne peut occuper que deux états stables qui sont l'état saturé et l'état bloqué. En supposant que T2 soit dans l'état saturé, le potentiel existant sur le collecteur de T2 est très proche de Vcc. De ce fait, les diodes D8 et D10 sont passantes et la différence de potentiel appliquée entre les électrodes émetteur et base du transistor T4 est nulle, à la dispersion près des caractéristiques directes des diodes D8 et D10. Le transitor T4 est donc dans l'état bloqué.Le potentiel du point B est égal à Vcc - Vce sat T2 - V D10 --- Vcc - 1 volt Par conséquent, la jonction émetteur base du transistor T5 du circuit de transfert 3 est polarisée dans le sens passant et le potentiel du point C est égal à Vb - Veb T5 - VR12 Le potentiel du point C est nécessairement négatif par rapport au potentiel du point B, ce qui entraîne le blocage du transistor T6 du circuit de transfert 3. Dans le cas où le transitor T2 est commuté dans l'état bloqué, le potentiel apparaissant sur le collecteur de T2 est nul. Les diodes D8 et D10 sont polarisées en inverse et présentent donc une résistance très élevée. De ce fait, les potentiels existants aux points A et B sont indépendants du potentiel collecteur du transistor T2. Le condensateur-accumulateur C3, maintenant le potentiel du point C à une valeur comprise entre Vcc et la masse, assure la polarisation, dans l'état passant, des transistors T4 et T6. Le courant de polarisation de la base du transistor T4 est très faible. Le potentiel du point B est proche du potentielmasse et négatif par rapport au potentiel du point C ; il définit le blocage du transistor T5. Le potentiel du point C peut occuper deux valeurs respectivement voisines, soit de Vcc a soit de la masse, aux tensions de déchet près des semi-conducteurs. Ces potentiels sont présentée avec une impédance extrêmement faible, fonction des résistances R11, R12, Ri3 et Ri4 dont le rôle sera précisé ci-après. A chaque changement d'état du potentiel du point C, le condensateur C3 se charge ou se décharge et,de ce fait, transmet périodiquement de l'énergie vers le point E de la borne de sortie. Si l'on dés-ire transmettre une énergie de l'ordre du watt, tout en conservant un rendement convenable et des valeurs de condensateurs peu élevées, il faut disposer d'un circuit de charge et d'un circuit de décharge ayant des résistances internes aussi faibles que possible. Les circuits R11, T5, R12 et R13, T6, R14 répondent à cet impératif. Les résistances Ril à Ri4 répondent par ailleurs à un triple but, à savoir - Elles limitent le courant de charge ou de décharge du condensateur lors de la commutation des transistors. - Elles limitent le courant de court-circuit dans les transistors lors de leur commutation, dû aux charges stockées dans les jonctions émetteurs-bases. - Elles diminuent les tensions collecteur-émetteur VCE des transistors et évitent leur échauffement. Plus précisément, les résistances R12 et R13 limitent l'amplitude maximum des courants circulant dans les transistors et permettent le cas échéant la mise en parallèle de plusieurs transistors identiques à T5 et T6 en contrôlant la répartition des courants. Les résistances Ril et R14 diminuent la valeur des tensions VCE appliquées à ces transistors. Le dispositif de régulation 4 comporte un transistor T9, une diode zener dz l, une résistance R19 et une diode D12. Son principe de fonctionnement est extrêmement simple. En supposant que la tension de sortie augmente, le courant qui circule dans le transistor T9 augmente, entraînant une élévation du potentiel de repos du point A, base du transistor T4. De ce fait, la variation de potentiel appliquée au condensateur C3 est réduite ainsi que l'énergie transmise. Par contre, dans le cas où la tension de sortie diminue, le courant qui circule dans le transistor T9 diminue, entraînant un abaissement du potentiel de repos du point A. De ce fait, la variation de potentiel appliquée au condensateur C3 est augmentée ainsi que l'énergie transmise.Une augmentation de l'énergie transmise implique une augmentation de la puissance disponible et se traduit sous la forme d'une augmentation de la tension de sortie. La résistance R20 a simplement pour but d'assurer le fonctionnement à vide du dispositif. Comme mentionné ci-dessus, le dispositif de commutation est symétrique par rapport aux points B et B'. Suivant la puissance désirée, le convertisseur comportera un seul ou les deux circuits. De plus le dispositif de commutation a été étudié pour permettre la mise en parallèle de plusieurs réseaux de commutation. Cette disposition permet l'emploi de transistors de grande diffusion, donc au meilleur prix. De plus, il est ainsi possible d'utiliser les semi-conducteurs dans des conditions de fiabilité optimum. Dans de nombreuses applications, il est souhaitable que les dispositifs d'alimentation ne soient pas endommagés par d'éventuels courts-circuits des bornes de sortie. Le circuit 5 décrit ci-après, pour résoudre cet impératif, présente trois fonctions distinctes qui sont 1. Le blocage du courant de sortie lorsque les bornes de sortie sont en court-circuit. 2. La régulation de la tension de sortie, régulation qui est complémentaire à celle décrite précédemment. 3. Dans lthypothèse où l'un des trois premiers étages du dispositif serait inopérant, ie circuit présente une impédance serie très faible entre le + Vcc et la sortie. De ce fait, dans le cas d'une telle défaillance, la tension de sortie reste voisine de Vcc tout en assurant le débit. I1 va de soi que, même dans cette hypothèse, le circuit conserve également ces qualités de protection en cas de courts-circuits. En se référant à la figure 4, le circuit de protection et de régulation, se rattachant au schéma de la figure 3 par les points A, A' et E, comprend essentiellement un transistor T10 en série dans la ligne de sortie vers le point G, dont la base est polarisée par le collecteur d'un transistor Tii dont l'émetteur est relié à l'émetteur du transistor de régulation T9 et la base est polarisée par le collecteur d'un transistor T13 lui-même commandé par la tension présente sur la ligne de sortie par rapport à la masse. La base du transistor de régulation T9 est alimentée en aval du transistor T10, un transistor T12, dont le circuit collecteur-émetteur est monté en dérivation sur la ligne de sortie étant commandé par le courant de sortie par l'intermédiaire d'une diode Zener dz 2. La description du fonctionnement de ce circuit, illustré sur la figure 4, dans les mêmes conditions que celles choisies précédemment c'est-à-dire Vs > Vcc, permettra de comprendre les caractéristiques du dispositif et les différentes fonctions des constituants. 1. Fonctionnement du circuit en cas de court-circuit : si la sortie du dispositif est en court-circuit, le potentiel du point G est le potentiel masse. Le potentiel du point I est donc à une valeur insuffisante pour assurer la conduction du transistor Ti3 qui possède une diode D20 en série dans son circuit base. Le blocage du transistor T13 a pour conséquence le blocage des transistors T10 et Tii. Par contre, le transistor T9 est le siège d'un courant base élevé. Le principe du fonctionnement de T9 a déjà été décrit et une augmentation de courant dans ce transistor entraîne une augmentation du potentiel de repos du point A et, en conséquence, une diminution de l'énergie transmise. Donc en cas de court-circuit de la sortie, le transistor T10 est bloqué et élimine la circulation du courant de sortie. De plus, l'énergie transmise par ce circuit est limitée à une valeur minimum correspondant à l'énergie nécessaire à l'alimentation du transistor T9. En fait, il existe une circulation de courant de très faible valeur entre les bornes de sortie. Ce courant défini par les réseaux R19-D18 et R21-D19 est suffisamment faible pour être négligé mais permet au dispositif de retrouver son état de fonctionnement en régulateur dès la disparition du court-circuit. 2. Fonctionnement du circuit en régulateur : Le principe de fonctionnement de ce circuit, défini par les transistors T10, T11, T12 et T13, est assez proche du fonctionnement d'un régulateur classique, hormis les diodes Di9 et D20 dont le rôle a été décrit ci-dessus. L'association des transistors T10 et T11 est cependant différente et elle a été préférée afin de répondre à la troisième caractéristique, qui sera décrite ci-après. Le transistor T9 fonctionne en prérégulateur et a pour but de limiter la tension Vce du transistor Ti0 en jouant sur l'amplitude de l'énergie commutée. Cette prérégulation permet de réduire la puissance dissipée par le transistor T10 et permet d'éviter l'emploi de refroidisseurs, qui sont toujours des dispositifs volumineux. 3. Fonctionnement du circuit lorsque le circuit de transfert ne délivre plus d'énergie: il est possible que par suite de la défectuosité d'un composant, le point E ne soit plus alimenté. Or, dans certains domaines d'emploi, il est souhaitable que la tension de sortie conserve une valeur très proche de Vcc, tout en permettant la circulation d'un courant de sortie correspondant à cette nouvelle valeur de tension. La diode D17, dont une électrode est raccordée à la tension Vcc, alimente les transistors T10 et T11. Dans ce mode de fonctionnement, le circuit ne fonctionne plus en régulateur mais doit transmettre la tension Vcc à la sortie en occasionnant une chute de potentiel aussi faible que possible. La tension de sortie étant obligatoirement inférieure à Vcc, le transistor T12 est bloqué tandis que le transistor T13 est conducteur. Le courant collecteur de T13 assure la polarisation du transistor T11, de sorte que celui-ci et à fortiori le transistor T10, soit saturé. L'emploi de transistors complémentaires offre la chute de tension minimale. En cas de court-circuit des bornes de sortie, le dispositif conserve les qualités qui ont été décrites précédemment. Le retour au fonctionnement du circuit de transfert permet au dispositif de retrouver sa qualité de régulateur. Le convertisseur selon l'invention trouve des applications dans les aomaines où des dispositifs font appel à des tensions ne nécessitant que des faibles débits en exigeant des alimentations de très faible encombrement comme pour des circuits imprimés enfichables, de faible épaisseur, pour paniers et assurant par exemple la coupure de relais distants, la fourniture d'une tension de blocage ou de polarisation pour dispositifs à semi-conducteurs, l'alimentation de petits sous-ensembles à circuits intégrés logiques à partir d'une tension de signe donné. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de tension continu/continu, du type à semiconducteurs et ne comport-ant pas de bobinage caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison, un multivibrateur astable dont les sorties sont respectivement reliées à au moins deux éléments de circuit formant circuit de commutation, eux-mêmes reliés à un circuit de transfert relié à un condensateur-accumulateur dont la sortie est reliée à la borne de sortie du convertisseur, ladite sortie comportant en parallèle un circuit de régulation en relation avec lesdits éléments au circuit de commutation. 2. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le multivibrateur est du type à démarrage automatique, comprenant essentiellement deux transistors. 3. Convertisseur selon la revendication 2, dans lequel les éléments du circuit de commutation sont chacun constitués par un transistor dont la base et le collecteur sont reliés au circuit collecteur de chaque transistor du multivibrateur, par l'intermédiaire d'une diode respective, le circuit d'émetteur d'au moins l'un d'entre eux étant relié à l'entrée du circuit de transfert. 4. Convertisseur selon la revendication 3, dans lequel le circuit de transfert est constitué par deux transistors complémentaires dont les deux bases réunies constituent l'entrée et dont les circuits d'émetteurs sont reliés au condensateur-accmu- lateur. 5. Convertisseur selon la revendication 4, dans lequel le circuit de régulation est constitué par un transistor dont la base est alimentée par la tension d'entrée et dont l'émetteur est relié à la sortie du condensateur-accumulateur par l'intermédiaire d'une diode en série avec ledit condensateur et d'une diode de Zener en série avec ledit émetteur, et dont le collecteur est relié par l'intermédiaire de diodes respectives aux bases de chacun des deux transistors du circuit de commutation. 6. Convertisseur selon la revendication 5 comportant deux circuits symétriques de commutation. 7. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, comportant en outre un circuit complémentaire de protection et de régulation, comprenant essentiellement un transistor dont le circuit collecteur-émetteur est en série avec la ligne de sortie en aval du condensateur-accumulateur et la base est reliée à un circuit de commande comprenant deux transistors de commutation dont les bases sont polarisées par la tension de la ligne de sortie. 8. Convertisseur selon la revendication 7, dans lequel la base du transistor de régulation est alimentée en aval du transistor dont le circuit collecteur-émetteur est en série avec la ligne de sortie.