Brevet FR2224908A1 — publié le 19741031

La présente invention concerne les dispositifs de protection de circuits à transistors contre les surtensions provenant de l'alimentation de ces circuits et/ou les surtensions d'origine interne, par exemple provenant de la charge. Elle a notamment pour objet de tels dispositifs destinés aux convertisseurs ali mentés en courant continu et fournissant à une charge un courant alternatif et, plus particulièrement encore, les convertisseurs d'alimentation de tubes fluorescents à partir d'une source de courant continu à basse tension, dits souvent "ballasts électroniques" ou "ballasts à composants solides". On connait de nombreux convertisseurs s atiques à u se transistors fournissant un courant alternatif/ partir d'un courant continu et on a notamment utilisé de tels convertisseurs pour l'alimentation de tubes fluorescents et de lampes à vapeur de mercure. En général d'ailleurs, on profite de la présence du convertisseur pour alimenter le tube non pas aux fréquences commerciales courantes (50 ou 60 Hertz du réseau, et 400 Hertz des avions), mais à une fréquence beaucoup plus élevée7 ce qui permet notamment d'augmenter notablement le rendement lumineux, d'éliminer le papillottement et de stabiliser le tube par un condensateur de faibles dimensions. Toutefois, les solutions utilisées jusqu'à présent présentent des défauts graves qui ne peuvent être écartés qu'au prix d'une augmentation très sensible du prix du circuit. Le rapport de transformation entre le secondaire du transformateur qui alimente le tube fluorescent et le primaire de ce transformateur, alimenté par le convertisseur, doit être tel que la tension secondaire soit suffisante pour provoquer l'amorçage du tube, ctest-à-dire l'apparition d'un arc même lorsque la tension d'alimentation est minimum. Or, la tension d'amorçage est beaucoup plus élevée que la tension de fonctionnement et, pour des raisons d'économies, on a tout intérêt à utiliser un transistor dont les caractéristiques sont telles qu'il ne supporte qu'une tension très légèrement supérieure à celle qui correspond à l'amorçage du tube.Mais, dans ce cas, le convertisseur est extrêmement sensible aux surtensions, qu'elles soient d'origine interne (par exemple provoquées par les inductances du circuit en cas de défaillance du tube fluorescent qui ouvre son circuit), ou d'origine externe (pointe de tension de l'alimentation). Pour réduire le risque de destruction du transistor ou des transistors du convertisseur, on a envisagé plusieurs solutions. L'une consiste à choisir un transistor dont les caractéristiques lui permettent de supporter les surtensions et les surintensités qui peuvent apparaître, ce qui augmente consi dérablement le coût du convertisseur, dont un élément prépondérant est constitué par celui du transistor. Une autre solution consiste à utiliser un convertisseur dont le transistor d'alimentation du tube fluorescent est piloté par un transformateur placé dans un oscillateur de commande. Là encore le coût est considérablement accru. La présente invention vise à fournir un dispositif de protection de circuits à transistors, et notamment de convertisseurs, contre les surtensions, caractérisé notamment en ce qu'il comprend un relais présentant une position de repos dans laquelle il applique la tension d'alimentation au circuit et une position de travail stable dans laquelle il coupe cette alimentation, et au moins un circuit de déclenchement placé en série avec l'en- trée d'excitation du relais et comportant un organe, tel qu'une diode Zener, qui alimente l'entrée d'excitation lorsque la tension apssiquée au transistor du circuit à protéger dépasse une valeur prédéterminée. Le dispositif permet également d'assurer une protection contre des surintensités, une intensité pouvant toujours être transformée en une tension de commande. Dans la pratique, le relais pourra être constitué soit par un relais électromagnétique (rentrée de commande étant constituée par l'une des bornes de l'enroulement du relais qui doit alors être auto-alimenté dans sa position de travail), soit par un bistable, soit encore par tout autre organe équivalent du point de vue fonction. Dans le cas où le dispositif est destiné à la protection d'un convertisseur d'alimentation de tubes fluorescents à partir d'une source de courant continu, circuit couramment dénommé ballast électronique", on sera en général amené à placer deux dispositifs de protection, l'un monté de façon à exciter le relais placé directement sur la source lorsque la tension au collecteur du transistor, qui alimente le primaire du transformateur dont le secondaire est branché sur le tube, atteint ou dépasse une valeur déterminée, inférieure à la tension de claquage collecteur-émetteur VBR(CEO) > l'autre pour alimenter le relais lorsque la tension d'alimentation, mesurée immédiate ment en aval du relais, atteint ou dépasse une valeur prédéterminée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent sur lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant un circuit d'alimentation de tube fluorescent comportant un ballast électronique et un dispositif de protection de ce ballast contre les surtensions d'origine interne et contre les surtensions d'alimentation - les figures 2a, 2b et 2c constituent un synoptique montrant les variations-de tension avec le temps en divers points du circuit de la figure 1 en cas d'incident - la figure 3 similaire à la figure 1, montre un circuit d'alimentation à commutation automatique de tube fluorescent sur un autre, en cas de destruction du premier. Le circuit d'alimentation illustré schématiquement en figure 1 est destiné à alimenter, à partir d'une source d'alimentation en courant continu, par exemple à 12 volts ou à 24 volts, un tube fluorescent 10. Un montage similaire serait d'ailleurs utilisable pour alimenter une lampe à vapeur de mercure. Les organes directement associés au tube fluorescent 10 sont classiques. Le tube est placé dans le circuit du secondaire Il d'un transformateur, en série avec des condensateurs 12 et 13 de stabilisation. Le primaire 14 du transformateur est placé dans le circuit de collecteur d'un transistor 15, de type NPN dans l'exemple représenté. L'émetteur du transistor et le pôle négatif de l'alimentation sont à la masse. Un circuit de commande 16 est placé dans le circuit de base. Le transistor est ainsi monté en émetteur commun. Le circuit décrit jusqu'à présent est classique. I1 présente, pris tel quel, le défaut qui a été signalé plus haut si l'on choisit, pour des raisons évidentes d'économie, un transistor dont la tension de claquage collecteur-émetteur NrBR(CEO) (tension qui est un paramètre prépondérant dans le prix du transistor) n'est que peu supérieure à la tension qui apparaît avant ionisation du tube, cette tension de claquage risque d'être dépassée si le secondaire 11 s'ouvre, soit par suite de destruction du tube, soit par suite de coupure. Le vieillissement du tube provoque de son côté une augmentation lente d'impédance, avant rupture, et tend aussi à augmenter VCE De plus, le tube se comporte alors comme un élément redresseur qui réinjecte une composante continue dans le transformateur. Pour éviter ce risque de destruction du transistor 15, le dispositif de la figure 1 comporte un dispositif de protection contre les surtensions d'origine interne, comprenant un circuit électronique 17 et un relais dont l'enroulement 18 est excité par le circuit 17 en cas d'apparition de défaut. Ce relais coupe l'alimentation du circuit en cas de surtension au collecteur. Il comporte deux jeux de contacts fixes et un contact mobile 19. Dans sa position de repos, qui est celle représentée en figure 1, le contact mobile s'appuie sur un premier jeu de contacts fixes et'relie la borne positive de l'alimentation au circuit de commande 16 et au primaire du transformateur 14.Dans sa position de travail, le contact mobile 19 vient sur un jeu de contacts qui ferme un circuit d 'auto-alimentation du bobinage 18 du relais et, en conséquence,éwte bretour deceLi-cn à Sa posaor de repos brusque la tension d'enclenchement disparait. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1., ce circuit d'auto-alimentation comporte un voyant de défaut 20, constitué par une lampe placée en parallèle avec le bobinage 18. Une diode 21 insérée dans la branche du circuit d ' auto-alimentation contenant le bobinage 18 évite toute alimentation de la lampe à partir du circuit 17, alimentation qui empêcherait le fonctionnement du relais car l'impédance du bobinage est très supérieure à celle de la lampe. Le voyant de défaut 20 peut évidemment être omis, le contact fixe du relais étant alors directement relié au bobinage 18. sans interposition de diode. Le circuit 17 est prévu pour alimenter l'enroulement 18 en cas de surtension au collecteur du transistor 15. L'organe de déclenchement sensible aux surtensions est constitué par une diode Zener 22 placée en série avec une diode 23 destinée à éviter toute alimentation du transistor à partir du circuit de maintien. La diode Zener 22 est choisie de façon que le coude de sa caractéristique se place à une tension supérieure à celle qui correspond à la tension qui règne au au collecteur avant amorçage de l'arc dans le tube, mais infé- rieure à la valeur VBR(CEo) pour laquelle intervient le claquage destructif du transistor 15. Le fonctionnement du dispositif ressort de la description qui précède : si les impulsions de tension au collecteur dépassent la tension de coude de la diode Zener, celle-ci stamorce à chaque impulsion et laisse passer un courant vers le bobinage 18 du relais. Etant donné que les impulsions de courant correspondent à un débit moyen insuffisant pour exciter le relais, un condensateur 24 est placé en parallèle sur le bobinage 18 pour intégrer les impulsions fournies par la diode Zener 22 lors de ses périodes de conduction(une par alternance). Ce condensateur est choisi pour avoir une capacité d'intégration suffisante à la fréquence de fonctionnement (.20 kHz par exemple). Cette capacité est pratiquement indépendante des caractéristiques du transistor 15. Dès que le bobinage 18 a amené d'une position à l'autre le contact mobile 19, il se trouve auto-alimenté à travers la diode 21. La diode 23 (à condition de supporter en inverse la tension d'alimentation) isole le transistor 15 de cette alimentation. Les figures 2a, 2b et 2c montrent l'allure de la variation des tensions par rapport à la masse en divers points de l'installation. Sur la figure 2a, qui montre les variations de la tension collecteur-émetteur du transistor 15, les deux premières impulsions représentées correspondent au fonctionnement normal, la tension VCE restant très inférieure à VBR(CE0) Si le circuit du secondaire 11 s'ouvre, la tension VCE se présente sous forme d'impulsions qui, si la tension d'alimentation continue n'est pas proche de son minimum, tendent à dépasser l'amplitude VBR(CEO) mais sont écrêtées par l'amor çage de la diode Zener qui intervient dès VZ La tension aux bornes du condensateur d'intégration 24, en l'absence de la bobine 18, prendrait alors la forme indiquée schématiquement en figure 2b (au lieu de la forme en tirets correspondant à l'absence de condensateur). Finalement, la tension aux bornes de la bobine 18 prend une forme du genre indiqué en figure 2c, les pointes de tension correspondant à l'effet du coefficient de self-induction de la bobine. Celle-ci se trouve parcourue par un courant permanent qui, sur deux ou trois impulsions, suffit à exciter le relais avant qu'un dommage n'ait été causé au transistor. Le dispositif illustré en figure 1 comporte également un circuit de protection du ballast électronique contre les surtensions de la source d'alimentation. Ce circuit 25 est constitué par une diode 26 (qui remplit le même rôle que la diode 23), en série avec la diode Zener 27. En cas de surtension à la source, par exemple si celle-ci, à 28,5 volts nominal, dépasse 32 volts, la diode Zener 27 amorce et alimente le bobinage 18. Dans ce cas le condensateur 24 n'a plus aucun rôle. Une fois le relais basculé, la diode 26 évite la réalimentation depuis le contact fixe de travail. Pour remettre en service le circuit, il suffit, après avoir fait disparaitre le défaut (par exemple en remplaçant le tube défectueux ou usé 10), de couper l'alimentation, ce qui provoque le retour du relais en position de repos, puis de la rétablir. Le dispositif qui vient d'être décrit est susceptible de nombreuses modifications : en particulier, le relais électromécanique peut autre remplacé par une bascule. Il peut aussi être prévu pour permettre une remise en service immédiate, sans coupure de 1' alimentation, Si la surtension tétait que temporaire. Ce résultat peut être atteint par une logique simple, comportant par exemple un monostable qui, à l'issue d'un délai déterminé, revient en position de repos. Il peut être associé à un compteur, à deux positions par exemple, qui reçoit les impulsions du monostable et, lorsqu'il est plein, maintient un signal appliqué au monostable par une porte ET, interdisant tout retour au repos jusqu'à remise à zéro par coupure de l'alimentation. D'autres solutions sont évidemment possibles. Le mode de réalisation de la figure 3 se différencie de celui de la figure 1 notamment en ce qu'il est prévu pour commuter automatiquement le circuit d'un tube fluorescent sur un autre en cas de fonctionnement du dispositif de sécurité. Pour plus de clarté, les organes du dispositif de la figure 3 qui ont une contrepartie dans celui de la figure 1, sont désignés par le même numéro de référence, affecté de l'indice a. Le circuit de la figure 3 comporte, entre le condensateur de stockage 24a et la bobine 18a du relais de coupure, un circuit temporisateur 30 comportant un transistor 31 qui se bloque et interrompt l'arrivée dé courant à la bobine au bout d'un intervalle de temps déterminé après intervention du circuit 17a ou 25a. La bobine 18a commande, en plus du contact mobile 1 a, un contact supplémentaire 32 qui, en position de travail, alimente la bobine 33 d'un second relais à trois contacts mobiles 34, 35 et 36. Les contacts 35 et 36 alimentent, dans la position illustrée, le tube 10a et, dans l'autre position, un tube de remplacement 37. Le contact 34, dans sa seconde position, ferme un circuit d'auto-alimentation de la bobine 33 du relais à trois contacts et celui du voyant de défaut 20a. Le fonctionnement du dispositif en cas de surtension au collecteur du transistor 15a apparaît immédiatement : le circuit 17a fait apparaître aux bornes de 24a des impulsions de tension que celui-ci intègre pour débloquer le transistor 31 qui alimente la bobine isba. Les contacts 19a et 32 passent dans leur position de travail. Le premier coupe l'alimentation, protégeant ainsi le transistor 15a. Le second alimente la bobine 33. Celleci bascule les contacts 35. 36 et 34, remplace le tube défectueux 10a par le tube neuf 37 dans le circuit du secondaire lla (faisant ainsi disparaitre la cause de surtension) et s'autoalimente définitivement. Le second contact 32 ferme aussi un circuit d'auto-alimentation sur la bobine 18a, mais par l'intermédiaire du circuit de temporisation 30, de constitution relativement classique. Dès que l'alimentation continue a complètement chargé le condensateur 38, il porte la base du transistor PNP 31 à un potentiel de blocage. La bobine 18a cesse d'être alimentée et les contacts 19a et 48a reviennent en position de repos. Mais le voyant 20a reste allumé, signalant qu'il est nécessaire de remplacer le tube -lOa. Entre temps, ilnry a pas eu d'interruption d'éclairage de durée appréciable. Toutefois, si la cause de l'intervention du dispositif de sécurité subsiste (secondaire coupé par exemple), la bobine 18a est de nouveau excitée dès retour au repos et commute de nouveau les contacts. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection de circuits à transistors contre les surtensions, caractérisé en ce qu'il comprend un relais présentant une position de repos dans laquelle il applique la tension d'alimentation au circuit, et une position de travail stable dans laquelle il coupe cette alimentation, et au moins un circuit de déclenchement placé en série avec l'entrée d'excitation du relais et comportant un organe, tel qu'une diode Zener, qui alimente l'entrée d'excitation lorsque la tension appliquée au transistor du circuit à protéger dépasse une valeur prédéterminée. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit relais est du type électromagnétique à circuit de maintien en état activé, le circuit ou chaque circuit de déclenchement comportant, en série avec la diode Zener, un organe à conduction unidirectionnelle. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2 de protection d'un circuit convertisseur, caractérisé en ce qutil comprend un circuit de déclenchement monté sur l'alimentation en aval du relais pour protéger le circuit contre les surtensions de l'alimentation. 4. Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3 de protection d'un circuit convertisseur fournissant un courant pulsé à une charge réactive à partir d'un courant continu, caractérisé par un condensateur d'intégration en parallèle avec ledit relais. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge est constituée par un transformateur d'alimentation d'un tube fluorescent. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé par un second relais à auto-alimentation, de commutation, alimentant au repos un premier tube et, en position excitée, un second tube, ledit second relais étant commandé par le premier relais lorsque ce dernier est excité, ledit premier relais étant associé à un temporisateur qui le ramène en position de repos au bout d'un délai déterminé. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un organe d'alarme tel qu'un voyant, placé dans un circuit en parallèle avec celui du relais.