Brevet FR2177648A1 — publié le 19731109

L'invention a pour objet un : dispositif protecteur de polarité empêchant les effets des inversions de polarité, destiné à équiper les chargeurs de batteries, et notamment les chargeurs de batteries de véhicules automobiles. Corollairement, l'invention se rapporteaux chargeurs de batteries équipés de ce dispositif. L'objet de l'invention se rattache notamment au secteur technique des appareils de conversion de l'énergie électrique. On sait que le chargeur de batterie est un dispositif transformant la tension alternative du secteur en une tension continue d'une certaine polarité appliquée à la batterie en FCEM (Force contre électro-motrice). Il importe de bien identifier la polarité des bornes de la batterie et des pinces du chargeur. Les erreurs sont relative menÇfréquentes et de sérieux dommages en résultent : 1") destruction du circuit de sortie du chargeur avant même que le système de disjoncteur qui équipe les chargeurs en général, ait pu remplir son rôle de coupe-circuit en cas de surintensité ; 20) décharge rapide de la batterie : 30) destruction des diodes d'alternateur en particulier, si à l'alternateur n'est pas associé sur le véhicule, un dispositif protecteur de polarité. Le dispositif suivant l'invention a donc été conçu dans le but i de protéger automatiquement et d'une manière absolue le chargeur, la batterie et le circuit du stator de l'alternateur avec ses diodes en cas d'erreur de branchement des pinces De plus il convient de progéter le chargeur, la batterie et le circuit de l'alternateur au cours d'autres erreurs de manipulation qui peuvent être commises sur les pinces du chargeur pendant les intervalles entre deux charges de batterie.Ces erreurs peuvent être : la mise en court circuit des pinces du chargeur, le chargeur étant alimenté par la tension secteur ; le rebranchement après une charge correctement effectuée sur une batterie, des pinces en inversion sur une deuxième batterie, le chargeur restant pendant cette manipulation alimenté par la tension secteur ; les coupures de la tension secteur ou les commutations effectuées sur le transformateur du chargeur, le branchement des pinces étant réalisé sur la batterie en polarité inverse. Cette protection absolue est alors obtenue en incorporant dans le circuit du chargeur un système interrupteur qui devient passant seulement dans la mesure où les moyens de branchement du chargeur sont correctement raccordés à la batterie et reste ouvert dans tous les autres cas, c'est-à-dire lorsque les moyens de branchement ou pinces sont "en l'air"; lorsque les moyens de branchement ou pinces sont en court circuit ; lorsque les moyens de branchement ou pinces sontAncorrectement raccordés à la batterie. Suivant une première caractéristique, le système interrupteur est pour l'essentiel de nature électronique et il met en oeuvre au moins un thyristor comme organe de contrôle du circuit qui réalise la fonction d'interrupteur, le thyristor étant passant ou non-passant, et, par conséquent, l'interrupteur étant fermé ou non, selon qu'il y a une tension positive entre l'anode et la cathode du thyristor, et qu'il y a aussi un courant ou impulsion dans la jonction gachette-cathode du thyristor. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront de la description qui suit. Pour fixer l'objet de l'invention, sans toutefois le limiter, danses dessins annexés La figure 1 est une vue schématique illustrant les courants de court-circuit dûs à un branchement incorrect des pinces. La figureR est une vue purement shématique, à caractère général,illustrant une batterie et un chargeur avec circuit interrupteur de protection à thyristor. Le branchement représenté du chargeur à la batterie est correctement réalisé. La figure 3 illustre non limitativement ure'schéma de montage du circuit interrupteur de protection qui équipe le chargeur et qui assure la tection de tension aux bornes de la batterie et la commande de gâchette du thyristor ou courant iGK. Les figures 4 et 5 illustrent deux schémas possibles et non limitatifs de circuits de protection complémentaires empêchant l'interrupteur principal de devenir passant en cas d'inversion de polarité des pinces sur la batterie ou en cas de court circuit aux pinces sous l'effet de surtensions transitsires. Ces dispositifs complémentaires n'assurent pas à eux seuls la protection de polarité dans les conditions précédemment définies à savoir l'ou- verture du circuit secondaire du chargeur par un interrupteur lorsque les pinces ou moyens de branchement sont en l'air, en courtcircuit, ou incorrectement raccordés à une batterie. La figure 6 illustre une variante du circuit de protection complémentaire schématisé à la figure 5 (la même variante de la figure 6 serait obtenue en plaçant le contact L1 dans le circuit primaire du transformateur. La figure 7 montre schématiquement un schéma de protection avec "pinces en l'air", par relais électromécanique. Les figures 8 et 9 montrent par des vues schématiques divers montages non limitatifs afin de donner les impulsions de courant iGK au thyristor et régler l'angle de passage du courant donc la valeur moyenne de l'intensité de charge. A la figure 1 on voit le chargeur de batterie X, la batterie Y et l'ensemble alternateur et son équipement Z. On a illustré en traits fléchés les sens de cheminement des intensités en court-circuit (Icc) consécutives à des erreurs de branchement diverses. On voit à la figure 2 une batterie 1 et ses bornes de branchement + et -, respectivement la-lb. Le chargeur 2 est relié au réseau par les conducteurs 2a-2b. D'autre part, le chargeur 2 est relié, par des conducteurs 2c-2d équipés d'une manière connue de pinces ou autre moyen de connexion à leurs extrémités libres, aux bornes la-lb du chargeur. Dans le circuit de protection du chargeur destiné à empêcher l'inversion de polarité, est monté un thyristor désigné dans 1' ensemble par 3. On sait que le thyristor permet le passage du courant (conventionnel) dans un seul sens de l'Anode vers la Cathode (A vers C). Le thyristor peut être soit "passant" soit"non-passantt suivant l'état imposé à son électrode complémentaire appelée gâchette G. Une tension positive étant appliquée entre l'anode et la cathode et si on fait passer un certain courant dans la jonction Gâchette-Cathode, le thyristor devient passant de A vers C. Si au contraire aucun courant ne traverse la jonction Gâchette-Cathode, ce thyristor neteut être passant de A vers C (que l'on désigne aussi par K). Le dispositif de l'invention est conçu et réalisé pour engendrer un certain courant iGK si le chargeur est correctement branché sur la batterie, et aussi obtenir iGK = O si les pinces du chargeur sont "en l'air" c'est-à-dire libres et non branchées en court-circuit ou incorrectement branchées sur la batterie Pour cela, en combinaison avec le thyristor 3, le dispositif comprend un circuit de détection d'une tension de sens correct aux pinces du chargeur, ctest-å-dire, la tension de la batterie correctement connectée au chargeur, et de commande d'iGK Le circuit de détection comprend essentiellement comme illustré à la figure 3, un transistor de type NPN T2.Si les pinces sont correctement branchées, le transistor T2 est conducteur de c vers e ou encore de R2 vers lb et le choix des résistances R5 et R6, R6 H 10, assure le fonctionnement en saturation de T2 RS pour lequel la chute de tension Vce est minimum et stable quel que soit le transistor utilisé. Le choix de ce transistor n'est pas critique, par exemple pour un chargeur prévu pour des tensions batteries 6, 12 et 24 volts on adoptera un transistor NPN silicium de VCEo W 50 volts et d'un gain HFE mini d'environ 50 pour Ic = 10 mA.Si les pinces de connexion du chargeur sont incorrectement branchées ou en l'air ou en court-circult, le transistor n'est pas conducteur, la diode D1 assure une meilleure tenue en tension inverse du circuit de lb vers la , (lb étant dans ce cas au + batterie) la diode D2 empêche tout passage de courant de R2 vers la (la étant dans le cas d'inversion au - batterie). Le dispositif comprend aussi un circuit de commande de gâchette qui comporte essentiellement un transistor T1 de type PNP dont la conduction émetteur-collecteur ec permet les impulsions de courant iGK. La base b du transistor TI est reliée à travers R2 au collecteur c du transistor T2 du circuit de détection précédemment décrit. Le transistor T1 ne peut être conducteur de e vers c que dans lwhesure où la jonction eb peut laisser passer elle-même un courant. Ceci est seulement réalisé quand le transistor T2 est luimême conducteur. Un courant iebT1 traverse la jonction baseémetteur et se referme vers lb à travers la jonction ce de T2. Ce courant iebT1 est fonction de la tension aux bornes du bloc redresseur du chargeur, de la valeur de R2 et de la tension de saturation de T2. Le transistor T1 est alors passant. Un certain courant iGK traverse la jonction GC du thyristor 3 qui est lui aussi passant, et les caractéristiques du circuit T1, R4D4 sont choisies de telle manière que le thyristor se comporte vis à vis du circuit chargeur-batterie comme un interrupteur en série totalement fermé. Le choix de ce transistor PNP T1 est plus délicat que celui du transistor T2. En cas d 'inversion de polarité ce transistor "voit" entre ses sorties metteur-collecteur la tension de batterie à laquelle il convient d'ajouter la tension redressée fournie par le chargeur.Par exemple si le chargeur est prévu pour des tensions batteries de 24 volts il conviendra d' adopter un transistor T2 de VCEo supérieur à 80 volts, le courant Ic maximum du transistor sera supérieur au courant de gâchette Igt maximum nécessaire pour assurer la conduction certaine du Thyristor. Par exemple pour un Thyristor de 35 Amp. eff Igt maximum = 40 mA. Le choix du type de transistor PNP est un compromis performances-coût surtout en ce qui concerne la tension collecteur-émetteur à Ib=o (VCEo à 80 volts, des surtensions transitoires peuvent entrainer une conduction ec par claquage du tranc sistor T1 et il convient de se prémunir contre elles par les dispositifs indiqués sur les figures 4 et 5, non limitativement. Dans tous les autres cas, lorsque les pinces ne sont pas correctement branchées, ou en l'air, ou en court-circuit,T2 n'est pas conducteur. Aucun courant peut traverser la jonction eb et T1. T1 n'est pas conducteur , iGK = O et le thyristor se comporte comme un interrupteur ouvert. De plus la résistance R7 placée entre les pinces du chargeur, permet après une charge normale, les pinces étant alors débranchées, une désaturation rapide du transistor T2 (figure 3). Il convient d'ajouter que le remplacement du Thyristor, organe interrupteur par un contacteur ou un relais électromécanique dont le courant d'excitation de bobine serait rendu possible avec la conduction du transistor T2, n'assurerait pas la protection de polarité dans tous les cas envisagés. En effet si pour une raison quelconque en cours de charge d'une batterie, le chargeur étant toujours alimenté par la tension secteur, on déconnecte les pinces de la batterie, le contact principal du contacteur ou du relais reste toujours fermé ; la polarité correcte aux bornes du circuit de détection est alors toujours assurée non plus par la batterie mais par la tension redressée fournie par le chargeur. La condition "interrupteur ouvert" si les pinces du chargeur sont en l'air, ntest pas assurée. De même façon l'organe interrupteur de courant iGK à savoir le transistor PNP T1 ne peut pas être remplacé par le contact ouvert ou fermé d'un relais L3 (voir figure 7), dont la bobine serait excitée à travers le circuit de détection. En effet après une charge normale, les pinces étant déconnectées de la batterie, le temps de réponse du relais à la coupure (la bobine R n'est plus excitée à travers le circuit de détection) est suffisamment long pour laisser passer un courant iGK de réamorçage du Thyristor. Le Thyristor redevient passant avant même que le contact n'ait pu s'ouvrir. Ce cas de fonctionnement est schématisé à la figure 7. Dans le cadre de l'invention l'association d'un'circuit complémentaire de protection comprenant un circuit de détection de polarité, un relais ou un contacteur dont le contact principal est placé sur le circuit primaire du chargeur (figure 4) ou sur -le circuit de commande de gâchette (figure 5), au circuit de protection de polarité, est essentiellement défini en vue d'assurer la non fermeture de l'interrupteur principal, le thyristor en cas d'inversion de polarité, sous l'effet de surtensions transitoires. En effet, certaines manipulations de l'utilisateur peuvent créer des surtensions transitoires au circuit secondaire du chargeur, pouvant entraîner par claquage une conduction suffisante du transistor T1 et ainsi rendre le thyristor passant. Ces manipulations sont principalement - les commutations de spires au primaire du transformateur qui permetten-t d'augmenter ou de réduire le courant de charge. - les coupures répétées du secteur d'alimentation. Pour cela il eest prévu d'insérer un relais danse circuit de Gâchette, relais dont le contact reste ouvert en cas d'inversion de polarité (figure 5). On prévoit encore de placer le contact de ce relais en coupure du circuit primaire du chargeur (figure 4). On peut en variante de ces montages monter la diode D5 du circuit de détection en sens inverse de manière à exciter la bobine L lorsque les pinces sont incorrectement branchées, les deux contacts Li, et L étant au repos fermés. De cettehanière on peut associer en série avec ladiode D5 un voyant V indicateur du défaut de polarité. Avec ce montage il faut prévoir aux bornes de la bobine L une diode d'amortissement D6 évitant de ramener aux bornes du circuit de détection de polarité principal toute tension susceptible de rendre T2 conducteur, donc de rendre le thyristor passant (figure 6). La protection peut être également totalement statique en utilisant les dispositifs de type RC (résistances-capacité) de type connu, pour assurer la protection d'amorçage des thyristors aux surtensions transitoires. Un autre aspect de l'invention, se trouve danshne possibilité complémentaire du Circuit de protection de polarité que l'on as socie au règlage du courant de charge. On sait que le thyristor est en quelque sorte une soupape à électrode de commande (la gâchette) qui permet le passage du courant de l'anode vers la cathode de façon variable si cette tension est alternative ou seulement redressée. Dansle cas drune tension redressée à une ou deux alternances qui offre un intérêt pour la charge des batteries, le courant moyen qui traverse le thyristor de l'anode vers la cathode est dépendant du moment où le courant iGK est établi même pour un court instant. Les divers procédés de déclenchement du thyristor que l'on connaît peuvent être associés sans difficulté au dispositif de détection de polarité batterie et de protection de polarité. On peut opérer ce déclenchement par clrcuit Comme illustré à la figure 8. Dans ce cas une impulsion de courant iGK est obtenue à l'instant où la tension aux bornes de la capacité H atteint une valeur déterminée par le niveau de la tension redressée et la valeur de la résistance RP variable. On obtient alors la variatio-ducrurantmsyen dans le thyristor par la variation de RP. Dans ce cas 's transistor T1 de type PNP assure la conduction iGK si le branchement à la batterie est correct. unijnction (UJT). Le ircuît de détection de polarité Le déclenchement peut etre otenu par un transistor commande d'iGK est inchangé. On incorpore seulement entre le transistor PNP T2 et la gâchette du thyristor 3 le circuit de déclenchement avec l'UJT : T3 (voir figure 9). Il convient de noter que l'association d'un règlage continu du courant de charge au dispositif de protection de polarité comme précédemment indiqué élimine les cinconvénients d'un règlage du courant par commutation de prises au primaire du transformateur du chargeur. Sur les véhicules équipés d'alternateur, le régulateur électronique qui lui est associé est sensible et peut être détruit par les surtensions occasionnées lors d'une charge normale de la batterie par commutation sur les prises du transformateur du chargeur. Avec le règlage continu du courant de charge on supprime toutes les prises intermédiaires du transformateur. De plus l'utilisation combinée du dispositif de protection de polarité et de règlage du courant de charge par thyristor, simplifie la construction des chargeurs de batterie à plusieurs tensions secondaires. En général, les chargeurs multi-tensions comportent un secondaire de transformateur à plusieurs sorties pour batteries 6V, 12V, 24V, etc.... Avant de commencer la charge de la batterie on commute le bloc redresseur aux sorties adaptées du transformateur. Avec le dispositif objet de l'invention on peut sans danger pour le chargeur, pour la batterie et le circuit du stator de 1' alternateur (en cas d'inversion de la polarité) , prévoir un transformateur avec seulement deux sorties au secondaire calculé pour la plus haute tension de charge de batterie. La construction du transformateur s'en trouve facilitée et, de plus, on peut utiliser un redresseur plus économique, le montage en va et vient au lieu du pont de GRAETZ classique. Le nombre d'éléments redresseurs diminue et l'élévation de tension inverse qui en résulte aux bornes de chaque élément redresseur, reste compatible avec les performances actuellement couramment obtenues, de tenue en tension inverse des éléments redresseurs. L'intérêt et les avantages du dispositif de protection de polarité ressortent bien e la description et des dessins. On souligne que le dispositif agit radicalement en empêchant les effets des inversions de polarité et qu'il ne se limite pas comme de nombreux dispositifs existants, à indiquer un mauvais branchement, ou à limiter le courant de court-circuit, ou à supprimer le court-circuit un temps après son apparition. Le dispositif de protection de polarité suivant l'invention, peut être appliqué avantageusement au démarrage des véhicules. En effet, ce dispositif implique obligatoirement comme on l'a décrit pour son fonctionnement, la détection de polarité d'une FEM (forme électro-motrice) continue, en l'occurence la tension de la batterie. Lorsque le dispositif est monté sur un ensemble de charge et de démarrage, il ne rend possible la fonction démarrage que sil y a présence de la batterie sur le véhicule. Ceci est très important pour la protection du régulateur, la batterie du véhicule faisant alors office de tampon vis à vis des surtensions continues créées par le fonctionnement en démarreur.du chargeur. L'invention ne se limite aucunement à celui de ses modes d' application non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant plus spécialement été indiqués ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1- Dispositif de protection de polarité, empêchant les effets des inversions de polarité, destiné à équiper les chargeurs de batteries, et notamment les chargeurs de batteries des véhicu les automobiles, caractérisé en ce que la protection automatique et absolue du chargeur, de la batterie et des diodes du circuit stator de l'alternateur, est obtenue en incorporant dans le cir cuit du chargeur un système interrupteur qui devient passant seu lement dans la mesure où les moyens de branchement du chargeur sont correctement raccordés à la batterie, et se trouve non passant dès que ces moyens de branchement sont "en l'air", en court-circuit ou incorrectement raccordés à la batterie, le dit système interrupteur étant pour l'essentiel de nature électro nique et remarquable en ce qu'il met en oeuvre au moins un thy ristor comme organe de contrôle du circuit qui réalise la fonc tion d'interrupteur, le thyristor étant passant ou non-passant et, par conséquent, l'interrupteur étant fermé ou non, selon qu' il y a une tension positive entre l'anode et la cathode du thyris tor, et qu'il y a aussi un courant ou impulsion dans la jonction gâchette-cathode du thyristor. 2- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend un circuit de détection d'une tension continue de sens correct (la tension de la batterie) aux pinces du chargeur et un circuit de commande de gâchette du thyristor, le circuit de détection comprenant pour l'essentiel un transistor NPN de caractéristiques convenables, ce transistor fonctionnant de pré férence à saturation si les pinces sonteorrectement branchées à la batterie, le dit transistor n'étant pas conducteur si les pinces sont incorrectement branchées ,en l'air ou en court-circuit; une diode assurant une bonne tenue du circuit en tension inverse et une deuxième diode empêchant tout passage du courant vers la borne négative de la batterie ; le circuit de commande comprenant un transistor PNP de tenue en tension émetteur-collecteur VcEo largement supérieure à la somme de la tension de la batterie à charger et de la tension redressée délivrée par le chargeur, dont la enduction émetteur-collecteur permet les impulsions de cou rant iGK, la base du transistor étant reliée au collecteur du transistor du circuit de détection - 3 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications - 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'on inverse le montage de la diode du circuit de détection de polarité, de manière à exciter, lorsque les pinces sont incorrectement branchées, une bobine avec diode d'amortissement dont le-s contacts au repos sont fermés ; ce montage autcrisant l'association en série avec la diode d'un voyant indicateur de défaut de polarité. - 5 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1,2, 3,4, caractérisé en ce qu'on le protège des surtensions transitoires d'une manière totalement statique en utilisant les dispositifs de type RC (Résistance-Capacité) de type connu, pour assurer la protection d'amorçage des thyristors. - 6 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2,3,4,5, caractérisé en ce que l'angle de passage du Thyristor donc la valeur moyenne de l'intensité de charge, peuvent être réglés à volonté par l'association au dispositif de protection de polarité et aux dispositifs de protection complémentaire contre les surtensions transitoires, d'un circuit RC (Résistance Capacité), une impulsion de courant iGK étant obtenue à l'instant où la tension aux bornes de la capacité atteint une valeur déterminée par le niveau de la tension redressée et la valeur d'une résistance variable. - 7 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1,2,3,4 et 5, caractérisé en ce que l'angle de passage du Thi ristor donc la valeur moyenne de l'intensité de charge, sont ré glésàvolonté par la mise en place d'un Transistor unijoncrion (UJT) dans le circuit de gâchette entre le transistor PNP de commande et la gâchette du Thyristor. - 8 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2,3,4,5,6,7 caractérisé en ce que le transformateur du chargeur comporte seulement deux sorties au secondaire calculées pour la plus haute tension de charge de batterie, et permet la charge de batteries de tensions (différentes par exemple 6,12,24 volts).