Brevet FR2205691A1 — publié le 19740531

La régulation d'une tension électrique continue a pour objet de rendre la valeur de ladite tension indépendante des variations de la source à partir de laquelle on l'obtient et des variations du courant consommé. I1 existe essentiellement deux types de procédés de régulation : l'un dit linéaire, autre dit à découpages. Les procédés de régulation en régime linéaire consistent à disposer en shunt ou en série avec la charge une impédance variable ou ballast dont les variations sont commandées par un comparateur effectuant la comparaison entre la tension aux bornes de la charge et une tension de référence. Ils ont un rendement faible en raison de la perte de l'énergie dissipée dans le ballast. C'est pourquoi on leur préfère de plus en plus les procédés de régulation par découpages. Ceux-ci consistent à découper des créneaux dans une tension non régulée puis à effectuer leur intégration pour obtenir une tension continue égale à leur valeur moyenne. La présente invention est relative à ce dernier type de régulation. Selon un procédé connu de stabilisation par découpage, la régulation s'effectue en faisant varier la largeur des créneaux découpés dans la tension continue non régulée. Des dispositifs connus de régulation utilisant ce procédé comportent un comparateur qui déclenche le début d > un créneau dès que la tension de sortie devient inférieure à un seuil bas el et qui arrête ce créneau dès que cette même tension devient supérieure à un seuil haut e2, les seuils el, e2 étant très voisins l'un dé l'autre et fonction de la valeur de la tension continue régulée que l'on désire obtenir. La presente invention a pour but un procédé de régulation de tension continue par découpage qui permet la réalisation de régulateurs de tension plus simples, plus économiques et à meilleur rendement. Celle-ci consiste à découper dans une tension électrique continue non régulée des suites plus ou moins fréquentes et importantes de créneaux de largeurs constantes puis à effectuer l'intégration de ces suites pour obtenir une tension régulée égale à leur valeur moyenne. Un dispositif pour la mme en oeuvre de ce procédé de régulation comporte de manière connue en soi un moyen interrupteur effectuant le découpage en créneaux de la tension non régulée suivi dlun filtre passe-bas effectuant ladite intégration. Il est caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un oscillateur à signal rectangulaire de largeur constante commandant le moyen interrupteur et un comparateur assurant le blocage ou le déblocage de l'oscillateur en fonction de la différence instantanée entre une tension de référence et la tension disponible à la sortie du filtre passe-bas. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'un mode d'exécution donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel - la figure I est un schéma fonctionnel d'un régulateur de tension par décou page, - la figure 2 est un diagramme comportant un ensemble de courbes explicitant le fonctionnement du régulateur précédent, - la figure 3 est un schéma électrique d'un mode de réalisation du régulateur de tension représenté à la figure 1. Le dispositif régulateur de tension continue par découpage représenté à la figure 1 comporte des bornes d'entrée 1 et 2 destinées à être connectées à une source de tension non régulée et des bornes de sortie 3 et 4 sur lesquelles est disponible la tension régulée. Un interrupteur 5 est connecté en série avec l'en- trée 1. I1 est suivi par un filtre passe-bas formé de l'inductance série 6 et de la capacité parallèle 7. Une diode de récupération 8 est connectée devant l'inductance 6, en série avec l'interrupteur 5 et en inverse aux bornes d'entrée 1 et 2 du dispositif. Un comparateur 9 a l'une de ses entrées 16 reliée au curseur d'un potentiomètre 10 dont la résistance est connectée par ses extrémités entre les bornes de sortie 3 et 4 du dispositif.Son autre entrée qui n'est pas représentée est connectée à une source interne de tension de référence e . Sa sortie est reliée à la commande de blocage d'un oscillateur il à signal rectangulaire qui contrôle le fonctionnement de l'interrupteur 5. Le procédé de régulation utilisé par ce dispositif consiste à découper à l'aide de l'interrupteur 5 dans la tension électrique continue non régulée appliquée aux bornes d'entrée 1 et 2 des séries de créneaux de largeurs constantes puis à intégrer lesdites série de créneaux à l'aide du filtre passe-bas 7 et 8, pour obtenir en sortie une tension continue égale à leur valeur moyenne. Les diagrammes de figure 2 explicitent la mise en oeuvre de ce procédé par le dispositif de régulation dont le schéma fonctionnel est représenté à la figure 1. La courbe a représenté les variations de tension à entrée 16 du comparateur 9 qui est connectée au curseur du potentiomètre 10. La courbe b représente le signal de sortie du comparateur 9. La courbe c représente le signal de sortie de l'oscillateur 11 qui sert à la commande de l'interrupteur 5. La courbe d représente l'intensité du courant circulant dans l'inductance 6 et la courbe f celle du courant circulant dans la diode de récupération 8. Le comparateur 9 a un seuil de basculement e déterminé par la valeur de la o tension régulée que l'on désire obtenir. On suppose au départ que la tension v disponible sur le curseur du potentiomètre 10 est supérieure au seuil e du com o parateur 9 et que le courant dans l'inductance 6 est nul. L'oscillateur Il est bloqué. I1 maintient l'interrupteur 5 ouvert. La source connectée aux bornes d'entrée 1 et 2 ne fournit aucune énergie. L'énergie emmagasinée dans l'inductance 6 est nulle ; la tension au sortir du dispositif a tendance à décroître, de même que la tension v qui lui est proportionnelle. Cette tension v franchit le seuil e .Ceci a pour effet de faire basculer le comparateur 9 qui débloque o I'oscillateur,ll. Celui-ci commande alors la fermeture à intervalles réguliers de l'interrupteur 5. Le courant circulant dans l'inductance 6 (figure 2d) croît en dents de-scie. La tension v continue de diminuer tant que l'intensité du courant dans l'inductance 6 est inférieure à celle du courant i consommé par la charge o du dispositif. Elle se met ensuite à croître jusqu'à dépasser le seuil e v Le o comparateur 9 bascule à nouveau et envoie un signal de blocage à l'oscillateur 11 qui se bloque après la fin du dernier créneau qu'il est en train de produire.La tension v continue à croître tant que l'intensité du courant dans l'inductance 6 est supérieure à celle du courant consommé puis elle diminue et franchit le seuil e0 de sorte que le cycle recommence. La diode de roue libre 8 permet au courant de continuer à circuler dans l'inductance 6 après ltouverture de l'interrupteur 5. Le fonctionnement de ce dispositif de régulation par découpage est basé, comme d'ailleurs celui de tout dispositif de régulation par découpage, sur la subsistance d'une ondulation résiduelle superposée à la tension continue régulée. Celle-ci est de faible amplitude et de fréquence élevée de sorte qu'il est aise de la supprimer, dans le cas où elle se révèlerait gênante pour l'utilisation, par un autre filtre passe-bas disposé à la sortie du dispositif. La figure 3 montre le schéma électrique d'un mode de réalisation du dispositif de régulation. Les éléments communs à cette figure et à la figure 1 sont munis des mmes indexations. L'interrupteur 5 est constitué par un transistor NPN à trois électrodes : émetteur, base, collecteur, dont le circuit collecteur émetteur est connecté en série avec la borne d'entrée 1 du dispositif et dont le circuit base-emetteur est connecté au secondaire d'un transformateur d'isolement 15. Le comparateur 9 est du genre de ceux utilisés dans les réguIateurs de tension fonctiounant en régime linéaire.Ce comparateur 9 comporte deux entrées dont une seule 16 est secessible, l'autre étant reliée à une source interne de tension continue de référence e . I1 reçoit sur son entrée accessible 16 une tension proportionnelle à la tension de sortie du dispositif grâce au potentiomètre 10 et aux résistances IZ et 13. I1 comporte un circuit de protection contre les surin tensités accessible par la borne auxiliaire 17. Ce circuit fait émettre au comparateur 9 un ordre de blocage pour l'oscillateur 11 en cas de surintensité du courant débité par le dispositif. Il est connecté par la borne auxiliaire 17 et la résistance 15 à la sortie du filtre passe-bas 6, 7. Une tension proportionnelle à I'intensité. du courant consommé par le dispositif lui est appliquée grâce à une résistance 14 intercalée entre l'inductance 6 et la sortie 3 du dispositif. Ce comparateur 9 prend en sortie le niveau logique O lorsque la tension v appliquée sur son entrée 16 est inférieure à e et le niveau logique I dans le cas contraire. Ces niveaux logiques se matérialisent par une tension nulle par rapport aux bornes 2 et 4 pour le niveau O et par une tension de +5 volts par rapport à ces sapes bornes 2 et 4 pour le niveau 1. L'oscillateur se compose d'un circuit géné rateur de créneaux suivi d'un circuit amplificateur et précédé d'un circuit logique. Le circuit générateur de créneaux se compose - d'une capacité de temporisation 30 connectée d'une part en parallèle avec une résistance de fuite 31 et d'autre part en série avec une résistance 32 et un interrupteur à semi-conducteur 33 aux bornes d'une. source de tension stabilisée constituée par une diode Zener 34 connectée en série avec une résistance 35 entre les bornes d'entrée I et 2 du dispositif, - d'une première porte logique "non et" à deux entrées 36 dont l'une des en trées 18 est connectée au point de jonction de la capacité de temporisation 30 et de la résistance 32 et dont l'autre entrée 19 sert de commande de blocage, - et de l'interrupteur à semi-conducteur 33 constitué par le transistor NPN à trois électrodes émetteur, base, collecteur dont le circuit émetteur-collecteur est disposé en série avec la résistance 32 et la capacité de temporisation 30 aux bornes 4, 5 de la source de tension continue stabilisée et dont la base est connectée à la sortie de la première porte logique "non et" 36. Ce circuit générateur de créneaux fonctionne de la manière suivante On suppose que la sortie de la porte logique "non et" 36 soit au niveau logique 1 (+5 Volts) c'est- -dire que l'une des entrées de cette porte logique "non et" 36 soit au niveau logique 0. Le transistor 33 -est conducteur. La capacité de temporisation 30 se charge si elle ne l'est pas déjà, atteint le niveau logique 1 et amène de ce fait entrée 18 de la porte logique "non et" 36 qui lui est connectée au niveau logique 1. Autre entrée 19 de la porte logique "non et" 36, qui est l'en- trée de blocage, est, soit au niveau logique O soit au niveau logique 1.Si elle est au niveau logique 0, elle inaintient la sortie de la porte logique "non et" 36 au niveau logique 1, et aucune oscillation se produit. Si elle est au niveau logique I la porte logique "non et" 36, dont les deux entrées 18 et 19 sont au niveau logique 1, bascule sa sortie passant au niveau logique 0. Le transistor interrupteur 33 se bloque. La capacité se décharge à travers la résistance de fuite 31 et entraîne au bout dtun certain temps le passage au niveau logique 0 de l'entrée 18 de la porte logique "non et" 36 qui lui est reliée. La porte logique "non et" 36 bascule à nouveau, sa sortie passant au niveau logique I et le cycle recommence. La capacité de temporisation se -charge à travers la résistance 32 et se décharge à travers la résistance de fuite 33. Elle permet d'obtenir des créneaux fortement asymétriques, son temps de décharge pouvant être beaucoup plus long que son temps de charge. Les créneaux disponibles à la sortie de la porte logique "non et" 36 sont appliqués au transistor interrupteur 5 grâce à un circuit amplificateur qui permet de faire correspondre au temps de décharge de la capacité de temporisation 30, c'est-à-dire la demi-période la plus longue du signal rectangulaire asymétrique matérialisée par le niveau logique O à la sortie de la première porte logique "non et" 36, un ordre de conduction à saturation pour le transistor 5. Ce circuit amplificateur se compose de deux étages amplificateurs formés des transistors 40 et 41 montés en émetteur commun et chargés par le primaire du transformateur d'isolement 5. Son fonctionnement est classique et ne sera pas détaillé. L'oscillateur comporte enfin un circuit logique intercalé entre la sortie du comparateur 9 et le circuit générateur de créneaux. Celui-ci a pour objet d'empêcher le blocage du circuit générateur de créneaux pendant les instants ou le transistor 5 est conducteur de manière que les périodes de conduction de ce dernier soient toutes de mêmes durées. I1 comporte - une deuxième et une troisième portes logiques "non et" à deux entrées 37 et 38 interconnectées en bistable, une des entrées de l'une étant connectée à la sortie de l'autre et réciproquement, la deuxième porte logique "non et" 37 ayant sa sortie connectée à l'entrée de blocage 19 de la première porte logique "non et" 36 et son entrée 20 qui n'est pas reliée à la sortie de la troisième porte logique "non et" 38 connectée à la sortie du comparateur 11, - et une quatrième porte logique "non et" à deux entrées 39 dont l'une des entrées est connectée à la sortie de la première porte logique "non et" 36, dont l'autre entrée est connectée à la sortie du comparateur 9 et dont la sortie est connectée à l'entrée 21 de la troisième porte logique "non et" 38 qui n'est pas reliée à la sortie de la deuxième porte logique "non et" 37. Il fonctionne de la manière suivante Si la sortie du comparateur 9 est au niveau logique O cela implique pour la sortie de la deuxième porte logique "non et" 37 d'être au niveau logique 1. Le circuit générateur de créneaux est débloqué et entraille la conduction du transistor interrupteur 5 à intervalles réguliers. Si la sortie du comparateur 9 passe au niveau logique 1 l'état logique de la sortie de la quatrième porte logique "non et" 39 est déterminé par celui de la sortie de la première porte logique "non et" 36. Si cette dernière est au niveau logique 1 qui correspond au blocage du transistor interrupteur 5 la sortie de la quatrième porte logique "non et" 39 est au niveau logique O ce qui entra me un niveau logique 1 sur la sortie de la troisième porte logique "non et" 38, un niveau logique O sur la sortie de la deuxième porte logique "non et" 37 et le blocagexdu circuit générateur de créneaux. Si la sortie de la première porte logique "non et" 36 est au niveau logique O qui correspond à la saturation du transistor interrupteur 5, la sortie de la quatrième porte logique "non et 39 est au niveau logique 1. Celle-ci n'a pas d'influence sur l'état des sorties des deuxième et troisième portes logiques "non et" 37 et 38 qui conservent leurs niveaux logiques antérieurs. L'application de l'ordre de blocage émis par le comparateur 9 est donc différée jusqu'à ce que le transistor interrupteur 5 soit bloqué de manière naturelle par le circuit générateur de créneaux. On peut sans sortir du cadre de la présente invention modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. On peut notamment utiliser comme oscillateur à signal rectangulaire un multivibrateur monostable commandé par un multivibrateur astable. Le procéde et le dispositif en faisant application que l'on vient de décrire s'applique avantageusement à la régulation de la tension continue aux bornes d'une charge lorsque cette dernière réclame un courant important et qu'il y a des risques de courts-circuits. REVENDICATIONS 1/ Procédé de régulation de tensions électriques continues par découpage, carac térisé par le fait qu'il consiste à découper, dans une tension électrique continue non régulée, des suites plus ou moins fréquentes et importantes de créneaux de largeurs constantes puis à effectuer l'intégration de ces suites pour obtenir une tension régulée égale à leur valeur moyenne. 2/ Dispositif stabilisateur de tension électrique continue appliquant le procédé selon la revendication 1, comportant un premier interrupteur à semi-conducteur effectuant ledit découpage et un filtre passe-bas, effectuant ladite intégration, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un oscillateur à signal rectangulaire de largeur constante et un comparateur, ledit oscillateur commandant ledit premier interrupteur à semi-conducteur et ledit comparateur assurant le blocage ou le déblocage de l'oscillateur en fonction de la différence instantanée existant entre une tension de référence et la tension mesurée à la sortie du filtre pas se bas. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit oscillateur est un oscillateur à signal rectangulaire asymétrique, les demi-périodes les plus longues correspondant aux instants de conduction du premier interrupteur à semi-conducteur. 4/ Dispositif stabilisateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit oscillateur comporte un circuit logique empêchant son blocage par le comparateur pendant les instants où le premier interrupteur à semi-conducteur est conducteur. 5/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit oscillateur comporte : - une capacité de temporisation connectée en parallèle sur une première résistance et en série avec une deuxième résistance, et un interrupteur à semi-conducteur aux bornes d'une-source de tension électrique continue stabilisée, - une première porte logique "non et" à deux entrées, l'une de ses entrées étant connectée au point de jonction de la capacité de temporisation et de la deuxième résistance, l'autre entrée servant de commande de blocage et sa sortie constituant celle de ltoscillateur, - et ledit interrupteur à semi-conducteur qui est commandé par la sortie de la n première porte logique non et". 6/ Dispositif selon les revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que le circuit logique empêchant le blocage de l'oscillateur par le comparateur pendant les instants où le premier interrupteur à semi-conducteur est conducteur comporte - une deuxième et troisième portes logiques "non et" à deux entrées interconnectées en bistable, une des entrées de l'une étant connectée à la sortie de l'autre et réciproquement, la deuxième porte logique "non et" ayant sa sortie connectée à l'en trée de blocage de la première porte logique "non et" et son entrée qui ntest pas reliée à la sortie de la troisième porte logique "non et" connectée à la sortie du comparateur, - et une quatrième porte logique "non et" à deux entrées dont l'une des entrées est connectée à la sortie de la première porte logique "non et" dont l'autre entre est connectée à la sortie du comparateur et dont la sortie est connectée à l'entrée de la troisième porte logique "non et" qui n'est pas reliée à la sortie de la deu Il xième porte logique "non et 7/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le circuit comparateur comporte un circuit de protection qui, en cas de surintensité du courant débité par le dispositif, lui fait émettre un ordre de blocage pour l'oscillateur de façon à limiter le courant à une valeur fixe.