Brevet FR2239717A1 — publié le 19750228

La présente invention concerne la régulation de ceurant électrique à partir d'un système bipôlaire, passif, inséré dans une boucle électrique. Pour situer la présent invention, il convient tout d'abord de définir les critères de qualité qui s'y rattachant. ( voir la figure ) 1-l'impédance dynamique 2- la tension de déchent V0 3- le domaine d'efistence de lo 4- le coefficient de température en % / C Les systèmes qui sont proposés jusqu'à présent , et qui ressemblent à la présente invention , de par leur conception ne permettant pas d'obtenir : 1-une impédance Z voisine de 1 mégohm pour des intensités supérieures à l'ampère. 2- une impédance positive et négative voisine de 1 mégohm quel que soit I0. 3- une impédance Z indépendante de la tension V ( d'où le nom de Débit Electronique Constant ) 4- une tension de déchet V0 inférieure 8 3 volts et indépendante de la valeur de lo. 5- des courants I0 pouvant atteindre les plus fortes valeurs de courrants admissibles par les traneistora de puissance qui se trouvent sur le mar- ché , ceci en conservant toutes les qualités de régulation énumérées ci-dessus. 6- le coefficient de température peut être inférieur N 0,1 % / OC Cette invention vise à obtenir des impédances dynamiques de très grande valeur voire supérieures à 1 mégohm, , ( par valeur positive , ou négative ) quelle que soit l'intensité de régulation comprise entre 1 mA et l'intensité admissible maximale des transistors de puissance. Ces résultats sont obtenus pour des tensions de déchet inférieures à 3 volts. Ces qualités rassemblées visent à faire de ce dispositif'm composant électronique le plus universel possible . L'univer- salité tient principalement de la grande précision de la régulation que l'on soit à faible ou relativement forte intensité ( limite en courant des transistors de puissance ). Le dispositif type , objet de l'invention, est représenté par la figure 2. Le circuit de puissance est constitué par la résistance 1 et le transistor de puissance 2 ; la résistance 1 sert à mettre en évidence l'état du débit électronique ; le transistor 2 joue le rôle de porte de courant commandée .Le circuit de contrôle se compose de doux transistors à effet de champ 3 et 4 * ainsi que d'une résistance 5 contrôlant le signe de Z . Loraque le courant atteint la valeur I0 , la chute ( suite page suivante ) de tension dans la résistance 1 est suffisante pour bloquer parfaitement toute évolution de ce dernier dans le circuit de puissance ; toute variation de tension comprise entre V0 et une valeur maximale admissible par les composants , devient pratiquement sans effet sur la valeur Io . ( voir fig. 1 : Z tend vers l'infini par valeur positive ou par valeur négative , en fonction de la valeur donnée à la résis- tance 5 ) .Ce phénomène de blocage se fait par l'intermédiaire dea transistors 3 et 4 qui contrôlent le courant de base du transistor 2 ; le courant de base duu transistor 2 traverse l'espace drain-source du transistor 3 puis l'espace drain-source du transistor 4. Le transistor 4 est commandé par la chute de tension dans la ré- sistance 1 . Le transistor 3 est commandé par la chute de tension que crée le coo, rant base du transistor 2 dans l'espace drain-source du transistor 4 . Ainsi se constitue la chaîne de contre réaction totale à effet de champ , qui contrôle le courant de base du transistor de puissance 2 . Les deux transistors à effet de champ ont les mêmes tensions de pincement .En censéquence le transistor 4 fonctionne en résistance variable tandis que le transistor 3 fonctionne en " contrôleur " de courant Ce " contrôleur " de courant commande finalement le transistor de puissance 2 qui fonctionne uniquement en amplificateur de courant . Tel qu'il est représenté le dispositif se définit à la lettre de la manière suivante 1- Le circuit de puissance comporte ua élément de résistance 1 et une fene- tion amplificatrice de courant : la borne de sortie 10 est réunie à un côté de la résistance 1 , l'autre côté de la résistance 1 est réuni au collecteur du transistor 2 , l'émitteur de ce dernier est réuni à la borne de sortie 9 2- Le cirouit de contrôle colporte au moins , une fonction de blocage à effet de champ : la " gate " du transistor 4 est réunie à la borne 10 .La source du transistor 4 est réunie au collecteur du transistor 2 , son drain est réuni à la source du transistor 3 . Le drain du transistor 3 est réuni à la base du transis- tor 2 . La " gate " du transistor S est réunie à la source du transistor 4 . Enfin la résistance 5 est branchée entre la source du transistor 3 et la borne 9 de sortie ( elle peut-être branchée entre drain et source du transis tor 3 . n faut noter n que cette description est nullement limitative , elle s'étend à une coception de fonctions intégrées .Dans le domaine de la structure en composants discrets on peuut noter encore deux variantes 1- voir la figure 3 la Cette variante est une réalisation plus complète de/ présente invention . La micro thermistance 8 et la résistance 7 constituent la correction en température du dipêle Le transistor 6 ajouté au transistor 2 forme un montage darlington ; ai on appelle/@2, ss6les amplifications respectives , @n courant , des transistors 2 et 6 , l'ampli- fication globale en ceurant du darlington est ss2xss6. On peut voir dans le développé théorique l'importance de ce facteur multiplicateur. Il est possible d'ajouter encore des fonctions amplificatrices de courant , ( pour " n " fonctions , on aurait ssn).L'exposé théorique nous preuve , et les résultats pratiques confirment , que " n " peut être relativement grand , ceci pour obtenir une régulation quasi parfaite pour les plus forts courants I0 . Les résistances 11 et 12 servent à fixer les po tentiels base-emetteur des transistors du darlingten .Cette variante se décrit par rapport à la figure 2 de la manière suivante : un côté de la microthermistance 8 est branchée à la borne 10 , l'autre côté est branché à un côte de la résistance 7 , l'autre côté de la résistance 7 est branché à la source du transistor 4; le point de jonction de la thermistance 8 et de la résistance 7 est réuni à la " gate " du transistor 4 . Le darlington constitue un transistor équivalent visant à obtenir des forts gains en courant . 2- voir la figure 4 Cette variante est une réalisation utilisant le blocage à effet de champ t menière différente . Ce montage se décrit ainsi : a- le circuit de puissance reste identique à celui de l'invention type ( fig 2 ) b- le circuit de contrôle se caractérise par un blocage à effet de champ 2 au niveau du transistor 4 .La base du transistor/est réunie au collecteur du trans- istor 3 , l'émetteur du transistor 3 est réuni au collecteur du transistor 2 et à l'anode de la diode zener 7 , la cathode de la diode 7 est réunie à la base du transistor 5 , l'émetteur du transistor 5 est réuni à la borne 10 , le collecteur du transistor 5 est réusi à la source du transistor à effet de champ 4 , la source de e ce dernier est réuni à un côté de la résistance 6 , l'autre côté de cette résistan- ce est réuni à la borne 9 , la " gate " du transistor 4 est réunie à la borne 9 la base du transistor 3 est réunie au drain du transistor 4 . L'inconnvénient de cet te variante est d'être plus complexe et @oins fiable Les essais pratiques ont permis de mettre sur pied la théorie suivante . Cette théorie montre les possibilités et les multiples avantages d'une telle conception , dans l'exploitatien optimale des fonctions électroniques que l'on sait réaliser aujourd'hui . Cette théorie s'appui sur la figure 5 et les documents @@3 et @@3; il faut noter d'autre part que les différentes équations d'équilibre sont appelées par E1 , E2 .....En . Définissons teut d'abord les équations des fonctions principales qui définissent la présente invention : 1- le transistor 2 Rappelons que ce composent est utilisé en amplificateur de courant. Sa lei est Ei. 2 - le transistor 4 Il est utilisté en résistance variable ( voir fig 6 ) , la tension entre drain et source du transistor 4 est obligatoirement comprise entre O velt et la tension de pincement du transistor 3. ta fonction r =f( Vag 4 ) peut Stre représentée par E2( voir fig 7 ) 3- le transistor 3 Il est utilisé en " contrôleur " de courant , son domaine de fonctionnement est défini par la fig 8 . Il est représenté par l'équation E3. Cherchens le domaine d'équilibre de i ( fig 5 ). Ce domaine d'équilibre est bien situé par la figure 9 qui représente d'une part l'équation E4 et la fonction i3 = f ( V sg3) de la fig 8, en mettant en évidence la dispersion dela caractéristique i@=f ( V sg3 ) en fonction de V sd3. Nous pouvons déjà que I0 très peu différent de gXs4xss soit lorsque la tension aux bernes du dipôle va varier de Vp3à V maxi , le point d'équilibre de i va varier du repère A au repère B ; cet inter ralle physiquement faible ceupe la caractéristique de la qui est pratiquement hori- zontale . en peut voir déjà que les conditions de bonnes régulations sont réalisées. I0 est pratiquement indépendant de ss; ainsi la température n'intervient pas sur le transistor de puissance . Dans ce système , un seul transistor a besoin de correction en température ; ctest le transistor 4 . ( la fig 3 montre cette correction ) . Au passage , notons que la résistance 5 de la figure 2 rend la pente de la caractéristique de E4 nulle ou négative dans l'intervalle Â - B ; au niveau du dipôle ce phénomène se traduit par une impédance dynamique Z tendant vers l'infini par valeur positive ou par valeur négative . D'autre part des essais pratiques et des considérations mathématiques montrent que le branchement d'une résistance entre le collecteur et l'émetteur du transistor 2 est sans effet sur la qualité de la régulation. Deux gres avantages se dégagent de cette propriété 1- la qualité de la régulation ne dépend pas de la qualité dul transistor de puissance 2 2- pour une tension maximale (Vm) appliquée au dipôle , il est possible de réduire la puissance dissipée sur le collecteur du transistor 2 à ia valeur si on blanche en pexaIlUle une résistance de valeur i7 .Reurquans d'après la valeur de de l'aisuptote de E4, que pour garder une qualité de latien constante il faut obtenir ss X R = Constante . Dans ces conditions i = Constante = i0, I0=ssl0 et si on veut augmenter I0 il suffit de réaliser un darlington à fert ss et de dimi nuer en conséquence R. Toutes ces remarques : montrent combien ce dispositif Jouit de multiples avantages. Le dispositif, objet de l'invention peut être utilisé chaque fois : 1- que dans un circuit électrique il faut fixer le courant à une valeur déterminée , quelle que soit la valeur de la somme des forces électromo trices qui se trouvent dans ce circuit électrique . 2- que dans un circuit électrique il faut fixer le courant à une valeur déterminée , quelle/ soit la résistance de ce circuit inférieure à : somme des forces électromotrices ) Ce dipôle régulateur de débit électronique présente un grand éventail d'applications industrielles ; notons encore : - la protection en courant et en puissance des équipements à semiconducteurs - la régulation en courant à l'image inverse de la fonction zener . ( pour des intensités faibles et élevées ) . - la séparation d'une composante alternative et d'une componente continue , supperposées ( en téléphonie ) - le contrôle du courant pour des électrolyses , la soudure électrique de précision . - la réalisation simple , de petits moteurs à couple limité g ou à couple constant " Revendications " 1 - Dispositif bipôlaire , passif , permettant de maintenir le débit électroni- que rigoureusement constant , quelle que soit la tension appliquée à ses bornes Caractérisé par le fait que le transistor de puissance 2 , OU le darlington , est commandé en courant 2 - Dispositif selon la revendication i Caractérisé par le fait que le blocage de l'évolution du courant I0 en fonction de la tension V est réalisé par une boucle de contre réaction totale à effet de champ ( par exemple les transistors 3 et 4 de la fig 2 ) 3-- Dispositif selon la revendication i Caractérisé par le fait que la résistance 5 de correction d'impédance dynamique Z fonde avec la fonction à effet de champ 4 , un pont diviseur ohmique pour bloquer le transistor 3 en fonction de la tension V appliquée aux bornes 10 et 9 du dipôle 4 - Dispositif selon la revendication i Caractérisé par le fait que la résistance 1 , de mise en évidence du courant I0 , se trouve du cOté , de l'électrode insensible à la commande de la fonction amplificatrice de coulant : soit le collecteur du transistor 2 de la figure 2 5 - positif permittant de brancher une résistance de délestage en puissance 13 ( fig 3 ) , entre collecteur et émetteur du transistor ou du darlington de puissance t SaXIS modifier pratiquement la qualité de la régulation Caractérisé par le fait que la commande du transistor 2 , ou du darlingston , se fait par une contre réaction totale en courant 6- Dispositif permettant de faire une correction en tespérature pratiquement indépen- datte de la valeur du courant I I0 Caractérisé par le fait que le transistor 4 est seul responsable de la dérive en température ( correction par la résistance 7 et la thersistance 8 )