Brevet FR2118921A1 — publié le 19720804

L presente invention se rapporte généralement à des dispositift formant régulateur de tension électrique 3 plus particulièrement, elle concerne et a essentiellement pour objet un appareil régulateur de tension électrique du type commutateur ou analogue ainsi que les diverses applications et utilisations résultant de sa mise en oeuvre et les systèmes, ensembles, machines, circuits, équipements et installations pourvus de tels appareils. Desrégulateurscommutateursde tension électrique sont communément employés dans des systèmes fonctionnant à partir d'une tension électrique d'entrée à courant continu non réglée, telle que celle d'une batterie d'accumulateurs électriques et où des tensions électriques réglées plus basses sont également nécessaires. Dans de tels -cas, la perte de puissance, accompagnant la translation de tension électrique, devient excessive. Cependant en utilisant un régulateur commutateur, un haut rendement de translation peut être obtenu me me si la tension électrique ce sortie est une fraction de la tension électrique d'entrée. Par conséquent, le régulateur commutateur a trouvé usage dans divers équipements actionnés par batterie dtaccumulateurs électriques, tels que certains appareils récepteurs, caméras ou appareils de prise de vues cinématographiques ou photographiques analogues, viseurs et ainsi disuite. I1 s'ensuit souvent qu'un système, dans lequel un régulateur commutateur est utilisé, emploie aussi divers autres niveaux de potentiel qui ont à être réglés et qui diffèrent de la source primaire disponible. De tels systèmes sont alors amenés à utiliser des dispositifs et systèmes de circuit actifs supplémentaires tels que des convertisseurs de courant électrique continu en courant électrique continu afin de fournir les potentiels nécessaires. Un mode de réalisation de cette invention utilise un régulateur de commutation du type comprenant un dispositif actif comme élément en série. le dispositif actif, tel qu'un transistor, est en outre en série avec une première bobine dSinductance ou analogue La régulation est assurée en commutant le dispositif actif sur l'état de conduction et hors de lSétat de conduction conformément au potentiel de sortie désiré. Pendant la période, durant laquelle le dispositif actif est non conducteur, la tension électrique dans la bobine d'inductance est constante comme étant principalement déterminée par le potentiel de sortie.Pendant une autre période quand le dispositif actif est dans l'état de conduction, le potentiel dans la bobine d'inductance varie. En raison du fonctionnement du régulateur, la valeur moyenne des formes d'onde produites dans la bobine d'inductaoce reste relativement constante. Un autre potentiel réglé est alors obtenu par une seconde bobine d'inductance qui est mutuellement couplée à la première bobine dsinductance pour produite dans celle-ci une tension électrique proportionnelle à la tension électrique existant aux bornes de la première bobine d'inductance.Un dispositif redresseur est connecté à la seconde bobine d'inductance précitée et a ses pales connectés de façon à être susceptible de réagir ou sensible à la période durant laquelle la tension électrique de pointe ou de crête aux bornes de la première bobine d'inductance est onstante (c'est-à-dire quand le dispositif actif est non conducteur) pour redresser par conséquent la portion de pointe ou de crête de la forme d'onde pour produire une autre tension électrique réglée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lequel la figure unique représente un schéma des connexions d'un régulateur de commutation conforme à cette invention. Un circuit typique pour un régulateur de commutation est représenté sur la figure. Le circuit de base du régulateur comprend un ou plusieurs dispositifs actifs, tels que les transistors 10 et 11, qui sont commutés sur l'état de conduction et hors de l'état de cnnduction conformément à la grandeur de la tension électrique réglée de sortie V0. La commutation a lieu en réponse à un circuit de commande de régulateur 15 représenté comme étant enfermé à l'intérieur de la ligne discontinue entraits interrompus. Le circuit de commande 15 du régulateur est normalement réalisé de façnn à osciller à une fréquence fixe et une partie du cycle ou de la période d'oscillation est utilisée pour commander ou contrôler la conduction des dispositifs actifs à transistor 10 et 11 en fonction de la variation de la tension électrique de sortie V0 à partir d'une valeur prédéterminée. En fonctionnement normal, les transistors 10 et 11 sont mis en circuit ou conduisent quand la tension électrique à l'électrode de base du transistor 20 dans le circuit de régulateur 15 est inférieure à la tension électrique de référence sur liélectrode de base du transistor 21. Cette action sert à élever le potentiel de référence effectif à l'électrode de base du transistor 21, dû à l'injection de courant électrique réalisée par la résistance de réaction ou de rétroaction 25. Les transistors 10 et 11 resteront conducteurs jusqu'à ce que la tension électrique à l'électrode de base du transistor 20 augmente jusqu'à être égale à la tension électrique sur l'électrode de base du transistor 21.Ceci force les transistors 10 et 11 à cesser la conduction et à rester hors circuit jusqu'à ce que la tension électrique sur ltélectrode de base du transistor 20 décroisse. En fonctionnement quand les transistors 10 et 41 sont conducteurs, l'énergie est délivrée par la source de tension électrique non réglée V. à la charge 37 par l'intermédiaire in de la bobine d'inductance en série 26. Par ailleurs quand les transistors 10 et 11 sont non conducteurs, la bobine d'inductance 26 continue à fournir du courant électrique à la charge 57 avec la diode 27 alimentant le tu 'et de retour. Le régulateur commutateur brièvement déerie constitue l'une des nombreuses configurations différentes de circuits qui fonctionnent d'une manière similaire. Cette invention particulière tire avantage de la forme tonde développée dans la bobine diinductance 26 pour produire une autre tension électrique réglée qui est developpée sans la nécessité de circuits actifs supplémentaires quelconques. En principe pendant la période durant laquelle les transistors 10 et 11 sont non conducteurs, la tension électrique aux bornes dela bobine d'inductance 26 est relativement constante comme étant principalement déterminée par la tension électiique V0 moins la chute relativement petite dans la diode 27. La chute de tension électrique dans la diode 27 peut être négligée en raison de la valeur beaucoup plus grande de la tension électrique de sortie V0.Par conséquent, la configuration d'onde dans la bobine d'inductance 26 pour l'état de non conduction des transistors 10 et Il est un signal à amplitude constante et modulé en largeur ou durée d'impulsion. Quand les transistors 10 et 11 sont conducteurs, la largeur ou durée d'impulsion et l'amplitude de pointe ou de crête dans la bobine d'inductance 26 changent selon la valeur de la tension électrique d'entrée V. et l'impédance in dela charge 37. Cependant pour maintenir constante la valeur moyenne ou de courant continu ou direct, la forme d'onde possède des surfaces égales au-dessus et en dessous d'une ligne de base de référence. La bobine d'inductance 26 est fabriquée sous forme d'un transformateur ayant un enroulement secondaire 28 qui est mutuellement connecté à la bobine d'inductance servant d'enroulement primaire. Avec le réglage ou la position dephase correct du transformateur, un dispositif conducteur de courant électrique unidirectionnel ou redresseur 30 est connecté à l'enroulement secondaire 28. Le redresseur 30 forme un détecteur de pointe ou de crête conjointement avec le condensateur 31. Le circuit redresseur de pointe ou de crête produit une tension électrique aux bornes du condensateur 31 ayant une valeur approximativement égale à la tension électrique de crête ou de pointe développée dans l'enroulement secondaire pendant lakériode durant laquelle les transistors 10 et 11 sont non conducteurs.Comme cela a été indiqué ci-dessus, cette tension électrique de crête ou de pointe est constante par rapport à la valeur moyenne ou la ligne de base de la forme d'onde et par conséquent la tension électrique, développée aux bornes du condensateur 31 pendanfeette période, est également constante. L'utilisation d'un détecteur de pointe ou de crête est réalisée en choisissant le condensateur 31 conjointement avec la charge 60. Ce critère établit que la constante de temps, fournie par la résistance de la charge 60 multipliée par la valeur du condensateur 31, est beaucoup plus grande que la fréquence d'oscillation produite par le circuit de commande de régulateur 15.Des enroulements supplémentaires peuvent être ajoutés conjointement avec des redresseurs et condensateurs supplémentaires pour produire des potentiels de sortie supplémentaires obtenus d'une manière similaire. Par conséquent, des potentiels négatifs peuvent aussi être développés en inversant le réglage de phase des enroulements de transformateur tels que 26 et 28 et des redresseurs tels que 30. Une description plus détaillée du circuit représenté sur la figure ne sera pas donnée. Le dispositif actif ou le transistor "passant" 10 a son électrode de collecteur connectée à une borne d'une source de potentiel de courant électrique continu V. non réglé qui peut par exemple être une batterie in d'accumulateurs wlectriques. L'électrode de collecteur zu transistor 10 est également connectée à l'électrode d'émetteur d'un transistor 11 à conductivité opposée qui est connecté en cascade avec celui-ci pour produire l'excitation et la capacité de manipulation de courant électrique supplémentaire nécessaires.Par conséquent, l'électrode de collecteur du transistor 11 est connectée en retour à l'électrode d'émetteur du transistor 10 à travers une petite résistance de limitation d'intensité de courant électrique 35 L'électrode de collecteur du transistor 11 est aussi directement connectée à l'électrode de base du transistor 10. La connexion, entre le ccteur du transistor 10 et l'électrode ' tueur du transistor 11, est reliée à l'autre borne de la source de tension non réglé V. par l'intermédiaire d'un gros condensateur 36. Le in condensateur 36 sert à isoler la borne négative de la source d'alimentation non réglée de cette jonction. Comme cela a été brièvement indiqué ci-dessus, l'électrode d'émetteur du transistor 10 est en sérine avec l'enroulement primaire ou la bobine d'inductance 26 du transformateur précité. La bobine d'inductance 26 a une borne connectée à l'électrode d'émetteur du transistor 10 et l'autre borne connectée à une borne d'une charge appropriée 37. Un condensateur de filtrage 38 apparaît comme étant monté en dérivation ou en shunt par rapport à la charge 37 et sert à contribuer à maintenir la tension électrique de sortie V0 relativement constante. La conduction des transistors 10 et 11 est commandée ou contrôlée au moyen du circuit de commande de régulateur 15 qui fonctionne fondamentalement comme suit. Le potentiel de fonctionnement pour le circuit de commande de régulateur 15 est obtenu en connectant la borne positive de la source d'alimentation non réglée Vin n à une in barre ou ligne omnibus de potentiel 40. Cette connexionpeut aussi comprendre un dispositif chuteur de tension électrique tel qu'une diode de Zéner ou un atténuateur pour produire une tension électrique plus basse que V. sur la ligne omnibus 40. iii Une référence pour le régulateur est obtenue au moyen d'une source de courant électrique 41 qui a une borne connectée à la ligne omnibus 40 et l'autre borne connectée à l'électrode de base d'un transistor suiveur ou cathode 42. L'électrode de collecteur du transistor 42 est également connectée en retour à la ligne omnibus 40 tandis que l'électrode d'émetteur est connectée à un transistor 43 à collecteur connecté à la base. Le transistor 43 à collecteur connecté à la base fonctionne comme une diode.L'électrode d'émetteur du transistor 43, analogue à la cathode de la diode, est connectée à la masse ou à la terre à travers une combinaison en s-érie de résistances 44 et 45 et d'un autre transistor 46 à collecteur connecté à la- base, ayant son électrode d'émetteur directement connectée au point de potentiel de référence. La source de courant électrique 41 fournit un courant électrique à l'électrode de base du transistor 42 et à une diode à tension électrique de référence 50 qui est connectée entre ltélectrode de base du transistor 42 etlla masse ou terre et a ses pôles connectés de façon à conduire suivant un mode d'amorçage inverse. Le circuit régulateur précité, tel que représenté simplement, est connu dans latechniqueet sert à réaliser un fonctionnement compensé en température en plus du fait de fournir une tension éLectrique de référence relativement basse. La diode d'amorçage 50, telle que polarisée par une source de courant électrique appropriée telle que 40, fonctionne à partir de l'alimentation d'entrée non réglée pour produire une tension électrique de référence stable. Le transistor 42 est actionné comme un émettodyne et sert à isoler la tension électrique de sortie de la diode 50 pourkroduire, à son électrode d'émetteur, une tension électrique représentative de la tension électrique aux bornes de la diode 50.La diode d'amorçage normale 50 possède un coefficient de température positif et ce coefficient est accru par l'adjonction du transistor 43 connecté en diode. Lesdiviseursà résistances 44 et 45 révisent cette tension électrique ainsi que le coefficient de température pour compenser exactement le coefficient de température négatif ^ 46 connecté en dl le. Ce fonctionnement produit ainsi une tension électrique de référence à la jonction entre les résistances 44 et 45 qui est compensée en température. Dandin circuit régulateur typique, cette tension électrique de sortie est normalement d'environ + 1,7 V, laquelle tension est celle obtenue pour la compensation optimale. La tension électrique de référence, à la jonction entre les résistances 44 et 45, est la tension électrique de référence qui est appliquée à l'électrode de base du transistor 21 comme cela a été indiqué ci-dessus. Le circuit régulateur comprend la configuration d'amplificateur différentiel réalisée par les transistors 20 et 21, qui ont des électrodes émetteur connectées ensemble et connectées en retour à la masse ou à la terre à travers la résistance 47 D'une façon fondamentale, le régulateur est un amplificateur différentiel à un seul étage avec une sortie d'émettodyne de Darlington comprenant les transistors 48 et 49. Le gain de l'amplificateur différentiel est grand par rapport à celui que l'on escompterait normalement à l'avance. ce grand gain est procuré par l'emploi destransistors52 et 53 servant de charges de collecteur pour les transistors 20 et 21. Les transistors 52 et 53 sont représentés comme étant des dispositifs du type PNP et sont des types à conductivité opposés en comparaison avec les transistors 20 et 21. Les électrodes d'émetteur des transistors 52 et 53 sont connectées en retour à la ligne omnibus d'alimentation 40 tandis que les électrodes de collecteur sont respectivement connectées aux électrodes de collecteur des transistors 21 et 20. Les électrodes de base des transistors 52 et 53 sont connectées ensemble ou entre elles et l'électrode de base du transistor 52 est en autre connectée en retour à son électrode de collecteur. Si les transistors 52 et 53 sont choisis de façon à procurer un grand gain de courant électrique et sont des dispositifs adaptés de façon optimale, leur fonctionnement garantit que le courant électrique de collecteur du transistor 53 sera égal en intensité au courant électrique de collecteur du transistor 21. Le fonctionnement de la configuration décrite ci-dessus, comprenant les transistors 52 et 53, est parfois dénommé dans la technique par l'appellation "miroir de coursent électrique" et est bien connu en tant que tel. Par conséquent, l'amplificateur différentiel, comprenant les transistors 20 et 21, sera équilibré de façon relativement indépendante de l'intensité des courants électriques de collecteur des transistors 20 et 21 dans le domaine complet des réglages de tension électrique de sortie et des variations de tension électrique d'entrée. Le circuit de commande de régulateur 15, tel que décrit ci-dessus, est une reEr ésentation schématique simple d'un circuit typique employé.Pour plus de détails concernant la configuration exacte du circuit, on se réfèrera à uniote d'application numéro AN1 intitulée "A Versatile, Monolithic Voltage Regulator" de R.J.Widlar, publiée aux états Unis d'dmérique par la Société dite : National Semiconductor Corporation en février 1967. Cette note d'application décrit un circuit régulateur typique qui peut être utilisé à l'intérieur de la ligne discontinue en traits interrompus 15. La note d'application montre également l'emploi d'un tel circuit régulateur incorporé à un régulateur commutateur de haut rendement et tel que plus particulièrement décrit et représenté sur la figure 19 de cette note d'application. En fonctionnement, la tension électrique de sortie V est o contrôlée ou surveillée par le transistor 20 qui a son électrode de base connectée en retour à un diviseur de tension électrique connecté aux bornes du circuit de charge 37. Le diviseur de tension électrique comprend les deux résistances 61 et 62. La résistanee 61 est contournée en dérivation par un condensateur 63, ce qui force la pleine tension ondulatoire ou ondulée de sortie à être appliquée à l'électrode de base du transistor 20. Si la tension électrique de sortie décroit, la tension électrique à l'électrode de base du transistor 20 est inférieure à la tension électrique sur la borne de référence ou l'électrode de base du transistor 21.Ceci force l'électrode de collecteur du transistor 20 à devenir négative, lequel potentiel négatif est appliqué à l'électrode de base du. transistor commutateur 11 en le forçant à conduire. Quand le transistor 11 conduit, a tension électrique à l'électrode de collecteur devient plus positive en forçant ainsi le transistor 10 à conduire également. Cette action force l'alimentation non réglée V. à être appliquée à la charge 37 in en servant ainsi à élever la tension électrique. Elle sert également à-accroitre la tension électrique de référence à l'électrode de base du transistor 21 au moyen de la résistance de réaction 25. Les transistors commutateurs 10 et 11 continuent à conduire jusqu'à ce que la tension électrique à l'électrode de base du transistor 20 augmente.Le régulateur alors déclenche ou met hors circuit en abaissant la tension électrique de référence et reste hors circuit ou inactif jusqu'à ce que la tension électrique de sortie décroisse de nouveau. En raison de l'action du régulateur commutateur, le circuit sera constamment commuté de façon à être enclenché et déclenché. La durée de la période respectivement d'enclenchement et de déclenchement est convenablement exprimée par les équations suivantes où V. = la tension électrique d'entrée non réglée, in V = la tension électrique de sortie réglée, o R R = la tension ondulatoire de crête à crête, La période du fonctionnement de commutation est alors la somme de la période de l'enclenchement à l'état actif plus la période de déclenchement ou d'état hors circuit ou inactif. Ces équations montrent que la fréquence de fonctionnement du régulateur est relativement non affectée par la grandeur de la charge 37. Pendant la période de déclenchement à l'état hors circuit, l'amplitude de crête aux bornes de la bobine d'inductance 26 est constante et est approximativement égale à la tension électrique de sortie V moins une petite chute o à la conduction de d= ldeX La régulation du circuit commutateur ainsi décrit est réalisée en s'assurant que les formes d'onde, produites pour différents potentiels (Vin) de batterie d'accumulateurs électriques, possèdent une valeur moyenne constante égale à la tex ion électrique de sortie. Pour l'état de non conduction du transistor 10, le produit de la tension électrique de sortie V et de la période o variable de conduction est égal au produit de la tension électrique et de,tLa période variables pendant la conduction du transistor. Par conséquent en utilisant la bobine d'inductance 26 comme partie d'un transformateur et en choisissant une polarité de redresseurs correcte, ce signal de pointe ou de crête constant, pendant la période inactive ou déclenchée à 1état hors circuit du régulateur, peut être redressé pour produire une autre tension électrique constante de courant continu à partir du régulateur sans nécessiter des dispositifs actifs supplémentaires quelconques. La figure montre une borne dg?'enroulement secondaire 28 connectée en retour à la borne V pour produire un potentiel de sortie > ieur à Vo o Cependant, cette borne peut être aussi bien connectée en retour à la masse ou à un potentiel différent pour produire d'autres tensions électriques. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au modeAe réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVEND i C A T iONS 1. - Dispositif formant régulateur commutateur du type employant un dispositif actif et une première bobine d'inductance connectée en série avec celui-ci entre une source d'alimentation de potentiel de courant électrique continu non réglé et une borne à laquelle est produite un potentiel de courant électrique continu réglé sous la commande dudit dispositif actif, le dispositif actif étant commuté sur l'état de conduction ou hors l'état de conduction pendant des première et seconde durées pour maintenir la grandeur dudit potentiel réglé à une valeur relativement constante, ladite bobine d'inductance servant à fournir du 'courant électrique à une charge connectée à ladite borne quand ledit dispositif actif est non conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde bobine d'inductance mutuellement connectée à ladite première bobine d'inductance pour produire une forme d'onde dans celle-ci conformément à la forme d'onde dans ladite première bobine d'inductance ; et des moyens redresseurs connectés à ladite seconde bobine dtinductance pour produire une seconde tension électrique de courant continu en réponse à laportion de ladite forme d'onde existant dans ladite première bobine d'inductance représentative de l'état non conducteur dudit dispositif actif. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première bobine d'inducta'nce précitée et la seconde bobine d'inductance précitée sont mutuellement connectées de façon à produire une action de transformateur dans laquelle ladite première bobine d'inductance sert d'enroulement primaire et ladite seconde bobine d'inductance sert d'enroulement secondaire 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen redresseur précité comprend une diode à semiconducteur ayant une électrode formant anode et une électrode formant cathode, l'une desdites électrodes étant connectée à l'enroulement secondaire précité, un condensateur ayant des première et seconde bornes, ladite première borne étant connectée à ladite autre électrode de ladite diode et ladite seconde borne étant connectée à un point à potentiel de référence, ledit condensateur étant choisi avec une valeur permettant de produire une composante de courant électrique continu dans celui-ci en réponse à la portion de la forme d'onde précitée existant dans la première bobine d'inductance précitée. 4. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen redresseur précité est une configuration de circuit de redresseur de pointe ou de crête,