Brevet FR2172103A1 — publié le 19730928

La présente invention concerne la régulation des tensions et plus particulièrement un bloc d'alimentation à tension régulée pour faibles puissances et des tensions d'entrée nominales très diverses. Il est souvent avantageux de réaliser des appareils électriques alimentés par des sources de courant industrielles de tensions nominales variées. Les tensions des secteurs industriels existant dans les différents pays du monde varient en général de 110 T à 240 v alternatifs avec une fréquence de 50 ou 60 Hz en général. I1 existe dans de nombreux pays plusieurs types de secteurs industriels de tensions diverses. Quand des appareils électriques sont destinés à fonctionner sur diverses tensions nominales, un transformateur d'alimentation à plusieurs prises différentes au primaire pour ces différentes tensions nominales est souvent utilisé pour obtenir la tension de fonctionnement désirée.Cependant, il faut, pour brancher ces appareils électriques, que l'utilisateur connaisse la tension nominale de la source de courant et choisisse la prise du transformateur d'alimentation correspondant à la tension du secteur. Si l'appareil électrique est réglé par erreur pour fonctionner sur une tension relativement basse, par exemple sur 110 V et s'il est branché à une source de tension plus élevée, par exemple un secteur à 220 V, cet appareil tombe généralement en panne. I1 est donc souhaitable de réaliser des appareils électriques qui peuvent etre alimentés par la plupart des secteurs industriels sans modification par l'utilisateur. Etant données les fluctuations de tension dans le temps d'un secteur d'alimentation donné, les appareils électriques ne peuvent fonctionner avec un bon rendement sous une tension insuffisante, ou risquent d'etre accidentellement détériorés par une surtension. Ces fluctuations de tension du secteur sont parfois corrigées par un bloc d'alimentation à courant constant à régulateur magnétique, tel celui décrit Stats-Unis dnAmeriaue dans le brevet des j NO 243 745. Malheureusement un bloc d'alimentation de ce type est sensible à la fréquence et un bloc d'alimentation donné ne peut fonctionner à la fois sur les secteurs à 50 Hz et 60 Hz sans modification. Un bloc d'alimentation de faible puissance est réalisé selon l'invention de manière à pouvoir être alimenté par diverses sources d'électricité avec des tensions nominales variant entre certaines limites sans qu'il soit nécessaire de le modifier pour qu'il puisse fonctionner sur chaque tension différente entre ces limites. Le fonctionnement de ce circuit repose sur l'utilisation d'une résistance de limitation du courant à coefficient positif élevé de variation de sa valeur ohmique en fonction de la température, associée à une "diode de Zener à double anode". Sa valeur ohmique de cette résistance de limitation augmente automatiquement lorsque la tension augmente pour maintenir le courant dans le diode de Zener entre des limites acceptables. Cette diode de Zener à double anode est branchée en parallèle sur l'entrée d'un appareil électrique constitué, par exemple, par l'enroulement primaire d'un transformateur d'alimentation. Sa diode de Zener adoptée a une tension d'avalanche inférieure à la tension nominale la plus basse du secteur industriel auquel le bloc d'alimentation doit être raccordé. La résistance de limitation est branchée en série entre le primaire du transformateur d'alimentation et le secteur industriel. Dans une forme de réalisation avantageuse, la résistance de limitation comprend une ou plusieurs lampes à incandescence à filaments en matière telle que le tungstène qui a un coefficient de température positif de résistivité.Du fait du coefficient de température positif de la résistivité de cette résistance, une augmentation de la tension du secteur industriel augmente l'intensité du courant passant par la résistance de limitation, ce qui l'échauffe et augmente sa valeur ohmique. L'augmentation de cette valeur ohmique limite le courant passant par la diode de Zener à une valeur acceptable. La sortie du circuit régulateur ou du transformateur d'alimen-tation est redressée et appliquez à un appareil électrique ou, quand cet appareil consomme du courant alternatif, elle est appliquée directement à cet appareil.Pour les appareils électriques qui nécessitent des tensions de fonctionnement très élevées, par exemple les appareils de peinture électrostatique qui nécessitent une tension de l'ordre de 40 000 V sous une très faible puissance pour charger électriquement un jet de peinture, la tension de sortie du transformateur d'alimentation peut être redressée et multipliée par un réseau en échelle de condensateurs et de diodes. L'invention a donc pour objet un bloc d'alimentation régulé perfectionné qui débite une faible puissance, qui est peu coûteux, qui limite le courant dans un régulateur de tension à diodes de Zener et limite ainsi la puissance consommée par cette diode de Zener; le circuit régulateur de tension selon l'invention est capable de fonctionner sans modification à partir de source de courant de fréquences différentes. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure 1 représente schématiquement les circuits de bloc d'alimentation à tension régulée pour faibles puissances selon l'invention, destinés à alimenter un appareil d'enduction par projection de particules chargées électriquement; la figure 2 est une courbe représentant les caractéristiques de résistance de deux lampes à incandescence de 110 ?, 15 W montées en série; et la figure 3 représente une courbe typique de tension de sortie pour le bloc d'alimentation régulé de la figure 1. La figure 1 représente un bloc d'alimentation 10 perfectionné selon l'invention, à tension régulée, pour faible puissance. Bien que les blocs d'alimentation construits selon l'invention puissent alimenter divers appareils électri ques de faible puissance, le bloc d'alimentation 10 est représenté et décrit sous une forme de réalisation convenant pour alimenter un pistolet électrostatique. Ces pistolets nécessitent en général un courant continu très peu intense sous une tension élevée de l'ordre de 40 000 V. Bien que cette tension soit très élevée, la consommation de puissance est faible. Xe bloc d'alimentation 10 comprend un transformateur d'alimentation 11 avec un enroulement primaire 12 et un enroulement secondaire 19. Une diode de Zener à double anode 14 est branchée en parallèle sur le primaire 12 pour limiter la tension maximale appliquée à ce primaire, de manière à réguler la tension aux bornes du secondaire 13. L'expression "diode de Zener à double anode" signifie, dans le présent document, deux diodes de Zener séparées branchées en opposition série et aussi une diode de Zener à double anode logée dans un seul bloc pour courant alternatif. Si le bloc d'alimentation 10 est destiné à fonctionner sur divers secteurs industriels avec des tensions nominales comprises entre 110 V alternatifs et 240 V alternatifs, la diode de Zener 14 doit avoir une tension d'avalanche légèrement inférieure à 110 V, par exemple 100 V. Une borne du primaire 12 est raccordée directement à une borne d'entrée 15 et l'autre borne du primaire 12 est raccordée, par une résistance de limitation 16 et un interrupteur d'alimentation 17 à une seconde borne d'entrée 18. Bes bornes d'entrée 15 et 18 sont destinées à être raccordées au secteur industriel d'alimentation. La résistance de limitation 16 est réalisée en une matière ayant un coefficient de température de résistivité fortement positif. Par conséquent, une augmentation du courant passant dans la résistance de limitation 16 échauffe ladite résistance de limitation et, par conséquent, augmente sa valeur ohmique. L'augmentation de la valeur ohmique de la résistance 16 limite le courant passant par la diode de Zener 14 quand la tension du secteur appliquée aux bornes d'entrée 15 et 18 augmente. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, un ensemble d'une ou plusieurs lampes à incandescence 19 a été jugé particulièrement intéressant pour servir de résistance de limitation 16, par exemple avec deux lampes 19 branchées en série dans le cas de la figure 1. les lampes à incandescence du commerce ont en général des filaments en tungstène ou alliage de tungstène qui ont un coefficient de température de résistivité convenant pour une résistance de limitation 16. Les lampes à incandescence 19 ont été jugées particulièrement intéressantes comme résistances de limitation 16 étant donné leur faible prix, leur disponibilité facile et leur dissipation de puissance relativement élevée. Une résistance avec un coefficient de température positif de valeur ohmique et ayant la même capacité de dissipation d'énergie qu'une lampe à incandescence serait beaucoup plus coûteuse qu'une telle lampe. Dans le bloc d t alimentation 10 destiné à alimenter un pistolet électrostatique, deux lampes à incandescence 19 montées en série, de caractéristiques nominales 110 V, 15 W chacune, présentent des caractéristiques satisfaisantes de valeur ohmique. Des caractéristiques types de valeur ohmique pour ces deux lampes en série sont représentées sur la figure 2. Quand 110 V alternatifs sont appliqués aux bornes d'entrée 15 et 18, 100 V apparaissent aux bornes du primaire 12 et de la diode de Zener 14. Le reste de la tension apparait aux bornes des deux lampes 19 branchées en série. Entant donné que la tension 110 V du secteur est une tension efficace, la tension maximale de ce secteur est de 147 V et la tension maximale entre les deux lampes 19 est de 47 V.Par conséquent, les lampes 19 sont relativement froides et ont une résistance totale relativement faible. Si la tension appliquée aux bornes d'entrée 15 et 18 est portée à 220 V alternatifs, la tension de crête est de 294 V. Une tension de 100 V apparait encore aux bornes du primaire 12 et de la diode de Zener 14 et les 194 V de crête restants apparaissent aux bornes des deux lampes 19 en série. L'auOmentation du courant passant par les lampes 19 élève la température de ces lampes dont la résistance totale augmente alors considérablement. Du fait de l'augmentation de la résistance des deux lampes 19, le courant passant par la diode de Zener 14 est maintenu entre des limites raisonnables.Si l'ensemble 16 était remplacé par une résistance fixe classique, de valeur ohmique indépendante de la température, le courant traversant la diode de Zener 14 serait beaucoup plus élevé provoquant une perte de puissance considérable et obligeant à choisir une puissance nominale plus élevée pour la diode de Zener 14. Une résistance 20 et une lampe au néon 21 peuvent être branchées en série entre la jonction des deux lampes à incandescence 19 et la borne d'entrée 15. La lampe au néon 21 joue le rôle de lampe témoin pour indiquer quand l'interrupteur 17 est fermé. La résistance 20 limite le courant traversant la lampe au néon 21. Comme on l'a indiqué ci-dessus, il est souhaitable d'alimenter les pistolets électrostatiques sous une tension de l'ordre de 40 000 V. Le transformateur 11 est réalisé de manière que 100 V au primaire produisent 7 000 V aux bornes de son secondaire 13. Six condensateurs 22 à 27 et six diodes 28 à 33 sont représentés branchés de manière à former un réseau en échelle pour redresser la tension de sortie aux bornes de l'enroulement secondaire 13 et pour multiplier cette tension au total par six pour obtenir une tension de sortie d'environ 40 000 V. Au cours de la première alternance de la tension aux bornes du secondaire 13, le condensateur 22 est chargé par la diode 28 et la tension de crête aux bornes du secondaire 13.Au cours de l'alternance suivante, le condensateur 23 est chargé par une diode 29 à une tension égale à la somme de celle aux bornes du condensateur 22 et de la tension de crête aux bornes du secondaire 13. la diode 28 n'est pas conductrice pendant cette alternance. Cette série d'opérations continue au cours des périodes sul- vantes et conduit à une augmentation en échelle de la tension, les condensateurs 23, 25 et 27 étant chargés chacun à une tension double de la tension de crête aux bornes du secondaire 13. Etant donné que les condensateurs 23, 25 et 27 sont en série, les tensions s'ajcutent et dans un ensemble sans aucune perte une tension de l'ordre de 42 000 V apparaitra entre une borne 34 branchée entre ltenroulement 13 et le condensateur 23 et une borne 35 branchée entre le condensateur 27 et la diode 33. Des courbes typiques de tension de sortie à vide en fonction de la tension du secteur appliquée aux bornes 15 et 18 pour des secteurs à 50 et 60 Hz sont représentées sur les courbes de la figure 3. Comme l'indique la figure 3, la tension de sortie aux bornes 34 et 35 augmente rapidement jus qu'à 39 000 V quand la tension d'entrée à 60 Hz appliquée aux bornes 15 et 18 augmente de 0 à 100 V. Une nouvelle augmentation de la tension d'entrée de l"0 Y à 250 V provoquerait une augmentation de la tension de sortie d'environ 39 000 V à environ 42 000 V. Une variation de tension dans cet intervalle est acceptable pour un équipement de peinture électrostatique. Il est clair, d'après les courbes de la figure 3, que le bloc d'alimentation 10 peut etre utilisé aussi bien sur un secteur industriel 110 V que sur un secteur industriel 220 V sans avoir à modifier le bloc d'alimentation 10 pour cette variation de tension. Bien que la tension d'entrée ait doublé, la tension de sortie a augmenté seulement d'environ 39 000 V à 42 000 V. I1 est aussi évident, d'après la figure 3, que des variations de tension d'un secteur d'alimentation ayant une tension nominale donnée ont peu d'effet sur la tension de sortie.Comme indiqué, on observe une petite diminution de la tension de sortie quand les bornes d'entrée 15 et 18 sont débranchées d'un secteur à 60 Hz et raccordées à un secteur à 50 Hz de meme tension. I1 est évident, d'après les courbes, que la tension de sortie du bloc d'ali mentation 10 est sensiblement la même pour une alimentation 110 V 60 Hz et une alimentation 220 V,50 Hz, étant donnée cette diminution. Par conséquent, un seul bloc d'alimentation 10 convient pour l'alimentation par les sources d'élec aux Etats-Unis tricité 110 V, 60 Hz qui sont généralement disponibles/d'e'ri que et convient aussi bien pour fonctionner avec des sources d'électricité 220 V, 50 Hz qui existent dans de nombreux autres pays. Il va de soi que les lampes à incandescence ne sont pas disponibles avec un choix étendu de valeurs différentes de leurs résistances. Cependant, les lampes du commerce sont disponibles avec pas mal de consommations nominales différentes et par conséquent ont des valeurs ohmiques différentes. Diverses combinaisons en série et parallèle de ces lampes existantes peuvent etre réalisées pour obtenir une valeur ohmique choisie afin de réaliser un bloc d'alimentation particulier. I1 va également de soi que des résistances de limitation peuvent être réalisées de manière à avoir les caractéristiques de résistivité désirées. Une résistance bobinée en un fil de tungstène ou d'alliage de tungstène peut, par exemple, être réalisée pour obtenir la valeur ohmique choisie. Ou bien la caractéristique température-résistance peut être modifiée en réalisant cette résistance de limitation en une matière ayant le coefficient de température de résistivité désiré. Divers autres changements et modifications peuvent être apportées au bloc d'alimentation décrit ci-dessus sans s'écarter de l'esprit de la présente invention. Par exemple, quand le bloc d'alimentation est destiné à fonctionner à partir d'une source de courant continu, le transformateur d'alimentation est évidemment supprimé et la diode de Zener à double effet peut être remplacée par une diode de Zener à anode unique. Un tel bloc d'alimentation aura une tension de sortie égale à la tension d'avalanche de la diode de Zener. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention0 REVESTDICATIOMS 1. Régulateur de tension, caractérisé en ce qu'il comprend des bornes d'entrée, de sortie et de masse, une diode de Zener branchée entre lesdites bornes de sortie et de masse et une résistance branchée entre lesdites bornes d'entrée et de sortie, ladite résistance ayant un coefficient de température positif de résistivité. 2. Régulateur de tension selon la revendication l, caractérisé en ce que ladite diode de Zener est une diode de Zener à double anode. 3. Régulateur de tension selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite diode de Zener à double anode est constituée par deux diodes de Zener à anode unique branchées en opposition-série. 4. Régulateur de tension selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite.résistance est constituée par au moins une lampe à incandescence. 5. Bloc d'alimentation à tension régulée, destiné à être alimenté par des sources d'électricité de tensions variées, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur d'alimentation à enroulements primaire et secondaire, un dispositif régulateur à tension d'avalanche de valeur prédéterminée inférieure à la tension minimale des sources d'électricité, des organes branchant ledit dispositif régulateur en parallèle sur ledit enroulement primaire, une résistance à coefficient de température de résistivité positif, deux bornes d'entrée destinées au raccordement auxdites sources d'électricité, des organes branchant ladite résistance entre une borne dudit enroulement primaire et une borne d'entrée et des organes raccordant l'autre borne dudit enroulement primaire à l'autre borne d'entrée. 6. Bloc d'alimentation à tension régulée selon la revendication 5, destiné à être alimenté par des sources d'électricité ayant des tensions variables, caractérisé en ce que ledit dispositif régulateur est une diode de Zener à double anode 7. Bloc d'alimentation à tension régulée selon l'une des revendications 5 et 6 destiné à fonctionner avec des sources d'électricité de tensions variables, caractérisé en ce que ladite résistance est constituée par au moins une lampe à incandescence.