Brevet FR2186772A1 — publié le 19740111

La pressente invention concerne les dispositifs convertisseurs de courant électrique continu destinés à fournir, à partir d'une source de courant continu, une tension électrique prédéterminée, inférieure à celle de la source. I1 existe déjà des dispositifs répondant à cette définition et pouvant être considérés comme des convertisseurs. La plupart de ces dispositifs utilisent des montages potentiométriques, qui ont l'avantage de permettre d'ajuster la tension fournie par le dispositif. Cet ajustage peut d'ailleurs être automatique. D'autres dispositifs utilisent des tubes régulateurs de tension placés en série avec une résistance (diodes Zener ou tubes à gaz par exemple). Mais tous ces dispositifs ont un rendement très bas chaque fois que la tension à fournir est une fraction faible de celle de la source. On connait également des dispositifs convertisseurs utilisant des machines tournantes ou un oscillateur fournissant un courant alternatif. Ces derniers dispositifs, s'ils ont un meilleur rendement, présentent en général l'inconvénient d'une grande complexité. L'invention vise à fournir un dispositif convertisseur de courant continu répondant mieux que les dispositifs antérieurs aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est de constitution simple, a un rendement élevé et ne comporte que des composants statiques. Dans ce but l'invention propose un dispositif convertisseur de courant continu comportant une source d'alimentation de tension, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de charge comportant, en série entre les bornes de la source, des moyens de coupure, un circuit inductif et des bornes de liaison de la charge, lesdits moyens de coupure étant constitués de façon à fermer le circuit lorsque la tension aux bornes de ladite charge diminue en dessous de V et à l'ouvrir lorsque la tension dépasse V + dV, dV étant une valeur prédéterminée, et un organe à conduction unidirectionnelle court-circuitant l'ensemble du circuit de charge et du circuit inductif et permettant uniquement aux courants de sens contraire de celui que tend à imposer la source de circuler à partir du circuit inductif. Les moyens de coupure seront avantageusement constitués par des transistors lorsque le courant appelé par le circuit de charge est relativement faible. Ils pourront être constitués par des thyristors dans le cas contraire. Les moyens de réglage de V pourront être constitués par un simple potentiomètre. Ce potentiomètre ne consommera qu'une puissance très faible et ne diminuera pas sensiblement le rendement du dispositif étant donné qu'il ne constitue qu'une référence de tension, et ne sera parcouru que par un courant faible. Si la tension V est fixée une fois pour toutes, on pourra au contraire utiliser deux diodes Zener pour fournir la tension de consigne V et la tension V + dV. L'invention consiste encore en d'autres dispositions, avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes mais pouvant l'être indépendamment. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit du dispositif convertisseur constituant des modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la fig. 1 est un schéma d'un convertisseur de courant continu à secondaire stabilisé - la fig. 2, similaire à la fig. 1, est un schéma d'un convertisseur dont la tension de sortie est réglable. Le convertisseur illustré sur la fig. 1 peut être considéré comme constitué d'un circuit de puissance 10 et d'un ensemble de régulation, qui seront successivement décrits. Le circuit de puissance est alimenté par une batterie d'accumulateurs 11 qui fournit une tension VO, de 48 V par exemple. Cette batterie alimente, par l'intermédiaire d'un interrupteur général 12, un circuit comportant les bornes d'utilisation 13 et 14 entre lesquelles on souhaite maintenir une tension comprise entre deux valeurs fixes Vu et Vu + dv. La borne 13 est reliée à l'interrupteur 12 par une bobine d'inductance 15 et des moyens de commutation, constitués dans le mode de réalisation illustré par deux transistors 16 et 17 placés en parallèle. Une diode 18, qui sera par la suite dénommée diode de récupération, complète le circuit de puissance. Les tensions de référence sont fournies par deux diodes Zener 19 et 20, dont les tensions d'amorçage sont respectivement égales à Vu et Vu + dV. Ces tensions de référence sont fournies à un comparateur double, désigné dans son ensemble par la référence 21. Ce comparateur comporte deux branches, fournissant l'une un signal lorsque le potentiel de la borne 13 devient infé rieur à Vu, l'autre un signal lorsque le potentiel de la borne 13 dépasse Vu + dV. La première branche est constituée par un amplificateur différentiel à seuil comportant un transistor unique 22 dont la base est reliée par la diode Zener 19 à la borne 13. L'émetteur du transistor 22 est relié à la masse, tandis que son collecteur est polarisé à + 12 V par un circuit annexe, comportant une diode Zener 23 et une capacité de filtrage 24. Le transistor 22 est conducteur lorsque la diode Zener 19 est amorcée. Dans ce cas, sa tension de collecteur tombe à une valeur pratiquement nulle. Au contraire, lorsque la tension entre les bornes 13 et 14 tombe au-dessous de Vu, la diode Zener 19 se désamorce, le transistor 22 se bloque et sa tension de collecteur monte à une valeur de 12 Volts. De façon similaire, la seconde branche du comparateur 21 comporte un transistor 26 dont la base est reliée par une résistance 27 à la diode Zener 20. Lorsque cette diode amorce, le transistor 26 devient conducteur et son collecteur, relié au + 12 V par l'intermédiaire d'une résistance 28, voit son potentiel tomber à une valeur très faible. Au contraire, lorsque la diode 20 est soumise à une tension inférieure à Vu + dV, le transistor 26 se bloque et son potentiel de collecteur monte à + 12 V. Pour des raisons de commodité de commande, il est nécessaire d'inverser les signaux fournis par le transistor 26. Ce résultat est atteint en reliant la sortie du transistor 26, par l'inter- médiaire d'une résistance 29, à un transistor 30 de type P N P qui est bloqué lorsque le premier (de type N P N) est conducteur et inversement. Le comparateur 21 attaque un circuit de commande des transistors de puissance 16 et 17, circuit dont les organes d'entrée sont deux monostables 31 et 32. Ces monostables sont sensibles uniquement aux fronts arrière des créneaux fournis par les tran sistors 22 et 30. Les sorties des monostables 31 et 32 attaquent les entrées S et R d'un bistable 33 (qui, dans le mode de réali cation illustré, est d'un type fonctionnant en logique négative). La sortie Q du bistable 33 est utilisée pour piloter les transistors 16 et t7. Pour permettre l'initialisation du fonctionnement quel que soit l'état initial du bistable 33, l'entrée R de celuici est attaquée par le monostable 32, non pas directement, mais par l'intermédiaire d'une diode 35 qui constitue avec une seconde diode 36, dont le rôle apparaîtra plus loin, l'équivalent d'un circuit OU. La sortie Q du bistable 33 est appliquée, par l'intermédiaire d'une résistance, sur la base d'un transistor 37 dont l'émetteur est à la masse et dont le collecteur est polarisé à + VO par l'intermédiaire d'une résistance 38. Ce collecteur est relié à la base d'un transistor 39 monté en amplificateur, qui attaque les bases des transistors 16 et 17. Une diode de clamping 40 placée entre la base du transistor 39 et l'alimentation à + VO permet d'éviter les inversions de polarité. Le circuit de la fig. 1 est complété par un dispositif d'initialisation comportant, à partir de la borne 13, une diode 41, un interrupteur 42 couplé à l'interrupteur général 12 de façon à être fermé ou ouvert en même temps que lui, et deux transistors 43 et 43' provoquant chacun une inversion du signal. La base du transistor 43' se trouve portée à la tension de la borne 13 dès fermeture de l'interrupteur 42. Son collecteur, polarisé à + 12 V par l'intermédiaire d'une résistance 44 lorsqu'il est bloqué, est relié à l'entrée R du bistable 33 par le transistor inverseur 43 et la diode 36. Le fonctionnement du convertisseur qui vient d'être décrit est le suivant, de façon simplifiée, l'ensemble étant supposé initialement au repos, interrupteurs 12 et 42 ouverts. Pour plus de simplicité, la description correspondra au cas où les diodes Zener 19 et 20 imposent respectivement Vu = 11 V et V + dV = 13 V. u Lorsque les interrupteurs 12 et 42' (constitués par exemple par les contacts d'un relais à commande manuelle) se ferment, la tension VO est appliquée aux bornes du circuit de puissance. Les diodes 19 et 20 ne sont pas amorcées, la tension à la borne 13 étant nulle. L'état initial du bistable 33 est aléatoire. Il est évidemment nécessaire que la tension aux bornes 13 et 14 s'établisse quel que soit cet état. Si le bistable est à l'état 1 (sortie Q alimentée), le transistor 37 est conducteur. Les transistors de puissance 16 et 17 sont débloqués. Un courant passe dans le circuit de puissance et la tension commence à monter. Si au contraire le bistable 33 est initialement à l'état 0, c'est-à-dire correspondant à l'absence de signal sur la sortie Q, les transistors 16 et 17 sont bloqués. Mais le transistor 43, relié par l'interrupteur 42 et la diode 41 à la borne 13 maintenue alors à un potentiel 0, est également bloqué. En conséquence, son collecteur est au potentiel + VO et ce potentiel est appliqué à travers la diode 36 à l'entrée R du bistable. Celui-ci bascule et amène dans l'état conducteur les transistors 6 et 17. La tension entre les bornes 13 et 14 augmente alors, suivant une loi sensiblement exponentielle du fait de la présence de la bobine de self-induction 15. Lorsque la tension atteint 11 V, la diode Zener 19 s'amorce. Le potentiel de base du transistor 22 augmente brusquement et ce transistor devient conducteur ; sa tension de collecteur passe alors brutalement de sa valeur initiale de + 12 V à une valeur faible. Le monostable 31 (comme d'ailleurs le monostable 32) est prevu pour ne pas être sensible aux fronts de montée d'impulsions. En conséquence, l'amorçage de la diode 19 ne change rien aux conditions précédentes. Le courant continue à passer dans les transistors 16 et 17 et le circuit de charge. Dès que la tension entre les bornes 13 et 14 atteint 13 V, la diode Zener 20 s'amorce à son tour.Le collecteur du transistor 26 voit son potentiel passer de + 12 V à une valeur pratiquement nulle. Le transistor P N P 30 monté en inverseur devient conducteur. Le monostable 32 fournit alors une impulsion de remise à zéro au bistable 33. La sortie Q cesse d'être alimentée et les transistors 16 et 17 se bloquent. A partir de ce moment, le courant cesse de circuler de la batterie d'accumulateurs 11 vers le circuit de charge. Mais l'énergie stockée dans la bobine 15 fait passer un courant dans le circuit de charge, courant qui se referme par la diode 18. Ce courant et la différence de potentiel qu'il crée entre les bornes 13 et 14 diminuent suivant une loi sensiblement exponentielle. La diode Zener 20 se désamorce au bout d'un temps très bref, dès que la tension tombe au-dessous de 13 V, mais sans modifier l'état des transistors 16 et 17, étant donné que le monostable 32 n'est sensible qu'aux fronts arrière des impulsions. Puis la diode Zener 19 se désamorce à son tour lorsque la tension aux bornes descend au-dessous de 11 V. A ce moment, le transistor 22 se bloque, sa tension de collecteur remonte à + 12 V, son créneau de sortie cesse et le monostable 31 bascule et renvoie sur l'entrée S du bistable 33 une impulsion calibrée qui ramène ce bistable dans l'état où la sortie Q est alimentée. Les transistors 16 et 17 redeviennent conducteurs.Ce fonctionnement se reproduit ensuite avec une fréquence qui dépend notamment de la différence dV (2 V dans l'exemple envisagé), du coefficient de self-induction de la bobine 15 (par exemple de 0,2 millihenry pour une charge sous une tension VO de 48 V et sous un courant maximum de 100 ampères). Le dispositif illustré en fig. 2 se différencie du précédent essentiellement par le mode de création de la tension de référence Vu. Pour plus de simplicité, les organes de la fig. 2 correspondant à ceux déjà illustrés en fig. 1 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice a et ne seront pas décrits de nouveau. Dans le dispositif de la fig. 2, on retrouve un circuit de puissance très similaire au précédent, mais comportant quatre transistors de puissance 16a -placés en parallèle. Un signal proportionnel à la tension entre les bornes 13a et 14a du circuit de charge est prélevé au point milieu entre deux résistances 46 et 47 placées en série entre les bornes 13a et 14a. Le signal ainsi prélevé, ajustable à l'aide d'un potentiomètre 48, est amplifié par un transistor 49 et envoyé au circuit de comparaison avec la tension de consigne 2la, qui sera décrit plus loin. La tension de consigne est fournie par un générateur potentiométrique annexe, à partir d'une alimentation stabilisée, comportant, comme dans le cas de la fig. 1, une diode Zener 23a et une capacité de filtrage 24a. Le potentiomètre 50 est placé en série avec un interrupteur 51 couplé à l'interrupteur 12a de fa çon à être fermé en même temps. Le curseur du potentiomètre 50 fournit une tension Vul. Entre le curseur du potentiomètre 50 et le + 12 V, est interposé un potentiomètre ajustable 52 qui fournit une tension supplémentaire dV1. Le circuit de comparaison 2la comporte encore deux branches. La première branche a pour organe d'entrée un transistor 53 qui reçoit sur son émetteur la tension Vul et sur sa base, par l'intermédiaire d'une résistance 54, la tension prélevée par le potentiomètre 48, inversée - ou plutôt complémentée - par un transistor 48'. De façon symétrique, la seconde branche comprend un transistor 55 qui reçoit sur son émetteur la tension V 1 + dv et sur sa base la tension prélevée. Il faut remarquer ici que, les tensions Vuî et Vuî + dV1,e'tant comparées non pas directement à la tension prélevée par le potentiomètre 48, mais à la tension complémentaire, ne jouent pas exactement le rôle de Vu et V + dV u dans la fig. 1 : c'est Vul + dV1 qui fixera le seuil inférieur. Pour plus de similitude avec le cas de la fig. 1, ce sera la tension fournie par 48' qui sera par la suite appelée tension prélevée". Le transistor 53 est bloqué lorsque la tension prélevée, représentative de la tension entre les bornes 13a et 14a, est supérieure à la tension Vui Dans ces conditions, son collecteur est pratiquement au potentiel de la masse. De son côté, le transistor 55 est bloqué lorsque la tension prélevée à partir des bornes 13a et 14a est supérieure à la tension Vui + dV1. Dans ces conditions, le collecteur du transistor 55 se trouve pratiquement porté au potentiel de la masse. Le circuit de comparaison attaque un étage d'amplification, désigné par la référence 56. Cet étage comporte, pour chaque branche, un transistor 57 ou 58, dont la tension de polarisation, de 24 V par exemple, est stabilisée par une seconde diode Zener 59. Le transistor 57 (ou le transistor 58) est bloqué en même temps que le transistor 53 (ou 55). Le transistor 58 est suivi d'un transistor 59 d'inversion de polarité, qui n'a pas de contrepartie dans la première branche de l'étage de puissance. Les collecteurs des transistors 57 et 59 attaquent respectivement les sorties S et R d'un bistable 33. On remarquera que dans ce cas il n'est pas prévu de monostable intermédiaire, ce qui implique que le bistable est d'un type susceptible d'être directement commandé par les fronts d'impulsions provenant des transistors. Le reste du schéma de la fig. 2 est très similaire à celui de la fig. 1. On retrouve un transistor 37a qui commande le transistor 39a de pilotage des transistors de puissance 16a. Le fonctionnement du dispositif ressort de la description qui précède. Pour mettre en service le dispositif convertisseur, on ferme simultanément les interrupteurs 12 et 42. La tension entre les bornes 13a et 14a est alors nulle. La tension prélevée est alors maximum. Les transistors 53 et 55 sont tous deux bloqués et leurs collecteurs sont en conséquence portés à un potentiel faible. Les transistors 57 et 58 sont également bloqués en conséquence, le transistor 57 maintient une tension élevée (niveau haut) sur l'entrée R du bistable 33a, tandis que le transistor inverseur 59 établit sur l'entrée S une tension basse (niveau bas), son émetteur étant relié à l'alimentation à 48 V mais son collecteur étant relié à la masse par une résistance. Le bistable est ainsi amené dans l'état où la sortie Q est ali mentée. Le transistor 37a conduit, ainsi que le transistor 39a et les transistors de puissance 16a. La tension entre les bornes 13a et 14a augmente. Lorsque la tension prélevée atteint Vuî + dV1, les transistors 55, 58 et 59 deviennent conducteurs et l'entrée S revient à une tension élevée constituant le front avant d'un créneau de tension appliqué sur l'entrée S. Ce front avant ne modifie pas l'état de ce bistable qui est prévu pour répondre aux fronts arrière des créneaux. La tension prélevée continue à descendre.Mais lorsque la tension prélevée revient à Vul, l'en- entrée R est portée au niveau bas, le bistable bascule, la sortie Q cesse d'être alimentée et le transistor 37a se bloque et amène les transistors 16a dans l'état non conducteur. La tension entre les bornes 13a et 14a redescend immédiatement, le transistor 55 conduit de nouveau, et l'entrée R est ramenée à tension élevée (niveau haut), mais ce front avant ne peut faire basculer le bistable. La tension prélevée continue à augmenter. Lorsqu'elle passe au-dessus de Vul + dV1, c'est au tour du transistor 53 de redevenir bloqué. L'entrée S du bistable 33a retombe au potentiel de la masse (niveau bas) et le front arrière correspondant fait basculer le bistable 33a. La sortie Q est alimentée de nouveau. Les transistors 16a redeviennent conducteurs et la tension remonte. Le cycle se reproduit ainsi, avec chaque fois un temps de passage du courant qui est d'autant plus long que la consommation est élevée. Pour des puissances plus importantes que celles que permettent économiquement des transistors de puissance, on a intérêt à utiliser des thyristors. Les sujétions qu'implique l'extinction des thyristors amènent alors à compléter la partie du circuit en aval des bistables. Cette partie du circuit peut être très similaire à celle qui a été décrite dans la demande de brevet déposée ce jour par l'Organisme demandeur pour "Perfectionnements aux dispositifs de commande de moteurs électriques à courant continu", et plus particulièrement à celle décrite avec référence à la fig. 4 des dessins. L'invention est évidemment susceptible de nombreuses applications. On peut notamment citer, à titre d'exemple non limitatif, la recharge de batteries dont la tension est inférieure à celle fournie par la source. Dans ce cas il sera possible, dans le cas du mode de réalisation de la fig. 2, de modifier la tension Vu en fonction de l'état de charge des batteries. On pourra également associer un réglage en tension du type qui a été décrit avec une limitation de l'intensité. I1 va sans dire que la portée du présent brevet s'étend à de telles variantes, ainsi plus généralement qu'aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de courant électrique continu destiné à fournir, à partir d'une source de courant continu, une tension électrique prédéterminée, inférieure à celle de la source, entre les bornes de liaison d'une charge, caractérisé en ce qu'il comprend, en série entre les bornes de la source, des moyens de coupure, un circuit inductif, et lesdites bornes de liaison, lesdits moyens de coupure étant actionnés par un circuit de commande qui comporte un bistable dont une des sorties est excitée lorsque la tension entre les bornes de liaison tombe audessous de V et ferme alors les moyens de coupure, et dont l'autre sortie est excitée lorsque la tension entre les bornes de liaison dépasse V + dV et ouvre alors les moyens de coupure, V et dV étant des valeurs prédéterminées, et en ce qu'il comprend un organe à conduction unidirectionnelle en parallèle sur l'en- semble constitué par le circuit inductif et les bornes de liaison, permettant uniquement aux courants de sens contraire de celui que tend à imposer la source , de circuler dans ledit organe à partir du circuit inductif. 2. Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de coupure sont constitués par des transistors ou des thyristors. 3. Convertisseur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par un potentiomètre de réglage de la valeur de V. 4. Convertisseur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les tensions prédéterminées V et V + dV sont fournies par un premier potentiomètre alimenté sous une différence de potentiel fixe et déterminée, la tension V étant prélevée au curseur du potentiomètre, et par un second potentiomètre monté entre le curseur et l'extrémité à plus haut potentiel du premier potentiomètre, la tension V + dV étant prélevée sur le curseur du second potentiomètre. 5. Convertisseur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des diodes Zener montées entre lesdites bornes de liaison en série chacune avec une résistance, diodes dont les tensions d'amorçage fixent V et V + dV. 6. Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce que ledit bistable est constitué par une bascule à deux entrées excitées, l'une lorsque la tension entre les bornes de liaison dépasse V + dV, l'autre lorsque la tension est inférieure à V. 7. Convertisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit bistable est commandé par un circuit comparateur à deux branches, chaque branche étant reliée à une des entrées du bistable et comportant des moyens de comparaison qui appliquent un signal à l'entrée dubistable lorsque la tension entre les bornes est supérieure à V + dV et lorsqu'elle est inférieure à V, respectivement. 8. Convertisseur suivant l'ensemble des revendications 5 et 6, caractérisé par un circuit de commande du bistable, comprenant, pour l'une des entrées de celui-ci, un transistor relié à l'une des diodes Zener et dont la conduction est commandée par l'amorçage de ladite diode, et pour l'autre entrée, un premier transistor dont la conduction est commandée par l'autre diode Zener et un second transistor monté en inverseur de signal.