Brevet FR2285743A1 — publié le 19760416

La présente invention concerne les régulateurs de tension de sortie des alternateurs ou dynamos, et plus particu lièrement ceux du type fonctionnant en commutation. Lorsque la vitesse de rotation du rotor d'un alterna teur,ou d'une dynamo,utilisé comme source de puissance électrique est variable, comme c'est le cas pour les alternateurs ou dynamos utilisés dans les véhicules automobiles, la régulation de la tension de sortie est assurée par une modulation de la largeur des impulsions de courant inducteur. I1 existe de nombreux types de régulateurs électromécaniques assurant cette fonction, mais ils présentent les inconvénients inhérents à tout dispositif électro-mécanique, c'està-dire qu'ils sont encombrants, lourds, sujets à usure, etc... Pour éviter ces inconvénients, il est proposé un régulateur de tension en commutation constitué par un circuit électronique, réalisé de préférence sous la forme d'un circuit intégré, à l'exclusion de tout dispositif électro-mécanique. L'invention a donc pour objet un régulateur de tension en commutation d'un générateur électrique comprenant un induit et un inducteur connecté à un circuit d'alimentation, ca ractérisé en ce qu'il comprend un comparateur présentant une première entrée reliée à l'induit, une deuxième entrée connectée à une source de tension de référence et une sortie, un circuit de réaction connecté entre la sortie du comparateur et sa deuxième entrée pour former avec le comparateur une boucle fermée à réation positive, des moyens commandés par le signal de sortie du comparateur pour fermer le circuit d'alimentation de l'inducteur en vue de l'annulation de la différence entre la tension appliquée à la première entrée et la tension appliquée à la deuxième entrée du comparateur et pour ouvrir ledit circuit d'alimentation après l'annulation de ladite différence, et des moyens pour décharger l'inducteur après l'ouverture dudit circuit d'alimentation. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit circuit de réaction comprend une source de courant bidirectionnelle et la deuxième entrée du comparateur est connectée à ladite source de tension de référence par l'intermédiaire d'une résistance de faible valeur, la source de courant bidirectionnelle débitant dans ladite résistance pour assurer des variations symétriques de la tension de référence. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la source de tension de référence est connectée à l'entrée inverseuse du comparateur, ledit circuit de réaction comprenant un inverseur connecté entre la sortie du comparateur et la source de courant bidirectionnelle. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple: - la Fig.l est un schéma de principe d'un régulateur de tension en commutation selon l'invention; - la Fig. 2 représente le schéma électrique d'un mode de réalisation préféré du régulateur de tension de la Fig. 1, et - lesFigs3aà 3d représentent les allures de la ten sion en fonction du temps en différents points des circuits représentés aux Fig. 1 et 2. Sur le schéma de principe de la Fig. 1, l'alternateur dont la tension de sortie doit etre régulée comprend un induit triphasé 1 dont le point milieur A est relié à une borne B d'un interrupteur 2 dont l'autre borne C est reliée à la borne positive d'une batterie 3 reliée par sa borne négative à la masse en un point D. Dans chaque branche 4, 5, 6 de l'induit 1 de l'alternateur est insérée une diode de redressement 7, 8, 9, l'anode de chacune de ces trois diodes étant connectée au point de masse D. L'inducteur 10 de l'alternateur est connecté par l'une de ses bornes au point B et par son autre borne à l'émetteur d'un transistor PNP 11 dont la base est connectée à une borne de sortie S et dont le collecteur est connecté à l'anode d'une diode 12 dont la cathode est connectée au point de masse D. Une diode 13 est connectée en parallèle sur l'inducteur 10, sa cathode étant reliée au point B et son anode à l'émetteur du transistor 11. Entre le point B et la masse sont montées en série une diode 14, une résistance ballast 15, et une source de tension de référence régulée 16 à coefficient de température défini. Une résistance 17 a l'une de ses bernes connectée au point de jonction entre la cathode de la diode 14 et l'une des bornes de la résistance ballast 15, tandis que son autre borne est reliée à la masse par l'intermédiaire de deux résistances 18 et 19 montées en série. Le point de jonction des résistances 18 et 19 est connecté, d'une part1 à l'entrée non inverseuse el d'un comparateur 20 et, d'autre part, à la base d'un transistor PNP 21 dont l'émetteur est connecté au point de jonction entre les résistances 17 et 18 par l'intermEdiaire d'une résistance 22 et dont le collecteur est connecté à la masse.L'entrée inverseuse e2 du comparateur 20 est connectée, par l'intermédiaire d'une résistance 23, au point de jonction de la résistance ballast 15 et de la source de tension de référence 16, ce point constituant la borne de sortie de la source de tension de référence 16 dont une borne de sortie auxiliaire est connectée à une borne de commande du comparateur 20 par l'intermédiaire d'un conducteur 24. Enfin, la borne de sortie S du comparateur est reliée à son entrée inverseuse ë par un circuit de réaction série comprenant successivement un inverseur 25 et une source de courant bidirectionnelle 26. La diode 14 a pour rôle de protéger le montage contre d'éventuelles inversions des bornes de la batterie 3. Malheureusement, cette diode possède une chute de tension qui varie avec la température. Il est donc nécessaire d'assurer une compensation des variations de la chute de tension de cette diode pour que la tension aux bornes de la résistance 19 reste une fraction constante de la tension d'alimentation comprise entre les points B et D. A cet effet, le transistor 21 est choisi de manière que sa jonction émetteur-base soit de même nature que la jonction anode-cathode de la diode 14 et que la densité des courants qui parcourent ces deux jonctions soit égale. Il existe alors un rapport des résistances 17, 18, 19 et 22 pour lequel ce rapport de tension est constant : si on appelle VB la tension comprise entre les points B et D, VF la chute de tension aux bornes de la diode 14, VBE la tension base-émetteur du transistor 21, R1, R2, R3 et R4 les valeurs respectives des résistances 17, 18, 22 et 19, il le courant dans la résistance 17, i2 le courant dans les résistances 18 et 19, et i3 le courant dans la résistance 22 et le transistor 21, ainsi que VREF la tension au bornes de la résistance 19, on peut écrire (1) il = i2 + i3 (2) i2 = (VB-VF - Rl.il)/ (R2 + R4) (3) i3 = (VB-VF - Rl.il-VREF - VBE)/R3 En écrivant i2 = i3, il vient (4) VB-VF-Rl.il = VB-VF-Rl.il-VR-VBE R2+R4 R3 En faisant dVx = Ux, c'est-à-dire en dérivant par rapport à la d# température, il reste :: (5) UF = UF + UBE R2+R4 R3 Puisque les densités de courant dans la diode 14 et dans l'émetteur du transistor 21 sont égales, on peut écrire UF = UBE. Donc (6) UF = 2UF R2+R4 R3 R2 + R4 d'où (7) R3 = 2 En choisissant la valeur des courants i2 et i3 et la valeur de la tension VREF étant connue, on peut déterminer les valeurs de toutes les résistances du pont. La source de tension de référence 16 est analogue à celle décrite dans la demande de brevet Français N074 27 697 intitulée "Source de tension régulée à coefficient de température défini". Cette source de référence est affectée du coefficient de température voulu pour assurer un fonctionne- ment correct de l'alternateur, et elle possède une sortie auxiliaire interdisant la mise en marche du régulateur si la tension d'alimentation est insuffisante.La résistance 23 à travers laquelle la tension de la source de tension de référence 16 est appliquée à l'entrée inverseuse e2 du comparateur 20 est de faible valeur de sorte que la source de courant bidirectionnelle 26 qui débite dans cette résistance 23 modifie légèrement la valeur instantanée de la tension appliquée à cette entrée inverseusee2 de façon à assurer un fonctionnement en commutation dn régulateur La valeur crête à crête de cette altération de la tension appliquée à l'entrée inverseusee2 multipliée par le rapport du pont de mesure précité détermine l'ondulation résiduelle présente sur la tension de sortie de l'alternateur. Le fonctionnement de ce régulateur va être maintenant expliqué en regard du Schéma de la Fig. 1 et des courbes des Figs. 3a à 3d. Entre les temps TO et T1, quand la tension VE + (Fig.3b) sur l'entrée non inverseuse el du comparateur 20 est inférieure à la tension VE - (Fig.3a), alors légerement supérieure à la tension VS de la source 16, sur son entrée inverseuse e2, le potentiel du point S est proche du niveau de la masse et le transistor 11 est conducteur. On trouve alors aux bornes du bobinage de l'inducteur 10 la -presque totalité de la tension de la batterie 3, la tension d'inducteur VA (Fig. 3c) au point commun entre le transistor 11 et le bobinage de l'inducteur 10 étant cependant légèrement au dessus du niveau de la masse à cause des tension de saturation dutransistorlletde la diode 12 qui sert à protéger le transistor 11 contre une éventuelle inversion de la polarité des points B et D.La self-induction de l'inducteur 10 intègre la tension à ses bornes, provoquant ainsi une augmentation pratiquement linéaire du courant à l'intérieur de l'inducteur 10. Cette augmentation de courant se traduit par une augmentation proportionnelle de la tension redressée VB (Fig. 3d) fournie par l'induit, dont l'ondulation superposée est due au redressement polyphasé du courant débité par l'alternateur. Au temps T1, quant la tension VE + à entrée non inverseuse el du comparateur 20, qui est la tension de l'induit divisée par la valeur du pont de mesure, atteint une valeur égale à celle de la tensionVE-sur l'entrée inverseuse e2 du comparateur 20, la tension de sortie au point S de celui-ci à tendance à remonter vers le potentiel du point B. La source de courant 26 inverse alors son sens de fonctionnement, ce qui entraîne une- diminution de la tension VE - sur l'entrée inverseuse e2 du comparateur 20 jusqu'à une valeur inférieure à Vs, cette nouvelle valeur de la tension VE-étant symétrique par rapport à Vs de la valeur qu'elle avait entre les temps TO et T1.La réaction qui s'en suit a pour effet de faire basculer rapidement la sortie S du comparateur 20 d'un potentiel proche du niveau de la masse à un potentiel positif qui bloque le transistor 11. La tension appliquée aux bornes de l'inducteur 10 disparait alors, et l'énergie accumulée dans la self-induction de l'inducteur 10 s'écoule par la diode de récupération 13, entraînant, entre les temps T1 et T2, une diminution pratiquement linéaire du courant dans l'inducteur. Cette diminution provoque une diminution de la tension VB fournie par l'induit 1 jusqu'à ce que, au temps T2, la tension VE + sur l'entrée non inverseuse el du comparateur 20 soit descendue au niveau de la tension VE- sur son entrée inverseuse e2. Dès que la tension VE+ sur l'entrée non inverseuse el du comparateur 20 est légèrement inférieure à la tension VEsur son entrée inverseuse e2, la tension de sortie au point S tend à diminuer et la source de courant bidirectionnelle 26 inverse son sens de fonctionnement, entraînant ainsi une légère augmentation de la tension VE- sur l'entrée inverseuse e2 du comparateur 20. La réaction positive qui s'en suit entraîne la base du transistor 11 vers un potentiel proche du niveau de la masse, ce qui rend le transistor 11 à nouveau conducteur, et le cycle recommence. La Fig. 2 représente un mode de réalisation préféré d'un régulateur de tension en commutation selon l'invention. Sur cette Fig. 2, l'induit du générateur électrique dont cn veut réguler la tension de sortie n'a pas été représenté. La tension de sortie de cet induit est appliquée entre les bornes B et D. La diode 14, dontl'anode est reliée à la borne B, est connectée à la borne de masse D par l'intermédiaire de la résistance ballast 15 et de la source de tension de référence régulée 16 à coefficient de température définie. Comme la source de tension de référence 16 est identique à la source de tension régulée à coefficient de température définie décrite dans la demande de brevet précédemment citée hormis au niveau de son amplificateur Darlington 30, nous n'en reprendrons pas la description. Cet amplificateur Darlington 30 est légèrement modifié pour assurer le fonctionnement de la source de tension de référence 16 en détecteur de seuil : dans le présent montage, le point de jonction entre l'émetteur du premier transistor et la base du second transistor de l'amplificateur Darlington 30 est connecté à l'émetteur du second transistor par l'intermédiaire d'une résistance 31, et le point de jonction entre les collecteurs des premier et second transistors est connecté par le conducteur 24 à une entrée auxiliaire du comparateur 20. Quand la tension d'alimentation au point B est telle que le seuil de fonctionnement est obtenu, le pont diviseur constitué de la résistance 15 et des deux résistances connectées en série entre la résistance 15 et la masse est calculé de telle façon que le seuil de régulation de la source 16 est atteint. L'amplificateur Darlington 30 commence à débiter pour assurer le fonctionnement du transistor de sortie 32 de la source 16, dont la base est connectée au point de jonction de l'émetteur du second transistor de l'amplificateur DARLINaGTON 30 aec la résistance 31 et dont le collecteur est connecté à l'une des bornes de la résistance 23, son émetteur étant connecté à la masse.Le courant collecteur de l'amplificateur Darling- ton 30 est appliqué à la base d'un transistor 33 de type PNP dont le courant est régulé par une résistance 34 et un transistor PNP 35. L'émetteur du transistor 33 et la base du transistor 35 sont connectés par l'intermédiaire de la résistance 34 à la cathode de la diode 14, cette cathode étant connectée directement à l'émetteur du transistor 35 dont le collecteur est connecté à la base du transistor 33. Le transistor 33 sert de source de courant pour le comparateur ou amplificateur de régulation 20 de la Fig. 1 qui comporte la paire différentielle d'entrée constituée des transistors PNP 36 et 37 et le réflecteur de courant constitué des transistors NPN 38, 39 et 40 et de la résistance 41. Le collecteur du transistor 33 est connecté au point de jonction des émetteurs des transistors 36 et 37 dont les bases constituent respectivement les entrées non inverseuse él et inverseuse e.2 du comparateur 20. L'entrée non inverseuse el, ou base du transistor 36, est connectée au point de jonction des résistances 18 et 19 de l'ensemble de compensation de température qui comprend également les résistances 17 et 22 ainsi que le transistor 21, et nous ne décrirons pas cet ensemble qui l'a été de façon détaillée en regard de la Fig. 1.L'entrée inverseuse e2, ou base du transistor 37, est connectée au collecteur du transistor 32 par l'intermédiaire de la résistance 23, de faible valeur comme nous l'avions indiqué précédemment. Le collecteur du transistor 36 est connecté directement au collecteur du transistor 39 dont l'émetteur est connecté à la masse et dont la base est connectée à l'émetteur du transistor 38. Le point de jonction entre la base du transistor 39 et l'émetteur du transistor 38 est également relié, d'une part, à la base du transistor 40 dont l'émetteur est connecté directement à la masse et, d'autre part, à la masse par l'intermédiaire de la résistance 41. Enfin, le collecteur du transistor 38 est connecté à la cathode de la diode 14 tandis que la base du transistor 38 et le collecteur du transistor 40 sont tous deux connectés au collecteur du transistor 37.Cet ensemble formé par les transistors 36, 37, 38, 39, 40 et la résistance 41 constitue le premier étage du comparateur 20 de la Fig. 1. L'entrée inverseuse e2, ou base du transistor 37, est reliée à la source de courant bidirectionnelle 26 de la Fig. 1 constituée du transistor PNP 41, de la résistance 42, de la double diode 43 et du réflecteur de courant réalisé à partir des transistors NPN 44 et 45. La base du transistor 41 est connectée à la base du transistor 33, son émetteur est connecté à la cathode de la diode 14 par l'intermédiaire de la résistance 42 et son collecteur est connecté aux anodes réunies de la double diode 43. L'une des cathodes de la double diode 43 est connectée à la base du transistor 37 ainsi qu'au collecteur du transistor 44 dont l'émetteur et la base sont connectés respectivement à l'émetteur et à la base du transistor 45. Enfin, les bases des transistors 44 et 45 sont connectées au collecteur du transistor 45 et à la deuxième cathode de la double diode 43. Le premier étage précité du comparateur 20 de la Fig. 1 est isolé de l'étage de puissance par l'adaptateur réalisé avec un transistor PNP 46 et une résistance 47. La base du transistor 46 est connectée au collecteur du transistor 36 et son collecteur est connecté à l'anode de la diode 12 par l'intermédiaire d'une borne F tandis que son émetteur est relié à une borne d'alimentation E par l'intermédiaire de la résistance 47. L'étage de puissance interne du comparateur 20 de la Fig. 1 est constitué par des transistors NPN 48 et 49, des diodes 50 et 51 et des résistances 52 et 53. La base du transistor 48 est connectée à l'émetteur du transistor 46, son collecteur est connecté à la borne d'alimentation E par l'intermédiaire de la résistance 52 et son émetteur est relié à la borne F par l'intermédiaire de la résistance 53. Les diodes 50 et 51 sont montées en série entre le point de jonction de la résistance 52 avec le collecteur du transistor 48 et le collecteur du transistor 49 dont l'émetteur est relié à la borne F et dont la base est connectée au point de jonction de la résistance 53 avec l'émetteur du transistor 48. Le collecteur du transistor 49, qui représente la sortie S du comparateur 20 de la Fig. 1, est connecté à la base du transistor de puissance extérieur Il qui possède une résistance de fuite 54 connectée entre son émetteur et sa base et dont, comme nous l'avons écrit en se référant à la Fig.1, l'é- metteur attaque l'inducteur 10 et l'anode de la diode de récupération 13,tous deux connectés par leur autre borne commune à la borne d'alimentation E, le collecteur du transistor de puissance extérieur 11 étant connecté à l'anode de la diode 12 elle-même connectée à la masse par sa cathode. Cet étage de puissance est alimenté entre les points E et D par une source de tension auxiliaire de façon à ne pas apporter de perturbation au point de mesure B. L'étage de puissance interne comporte un limiteur de sur-tension devenant actif en cas de coupure du fil d'alimentation entre la diode 14 et l'induit du générateur. Ce limiteur de sur-tension est constitué d'un pont de mesure réalisé avec trois résistances 55, 56 et 57 montées en série entre la borne d'alimentation E et la borne F, et d'un transistor NPN 58 à deux émetteurs dont l'émetteur principal 59 est connecté à la borne F, dont la base est connectée au point de jonction des résistances 56 et 57, dont le collecteur est connecté à la base du transistor 48 et dont l'émetteur auxiliaire 60 fait office de diode Zener et fournit une tension de référence au point de jonction des résistances 55 et 56. Enfin, l'inverseur 25 de la Fig. 1 est constitué ici par des transistors NPN 61 et 62 et des résistances 63 et 64. Le transistor 61 est connecté par sa base à la sortie S, par son collecteur à la borne d'alimentation E et par son émetteur à la borne F par l'intermédiaire des deux résistances en série 63 et 64. Le transistor 62, qui assure la commutation de la source de courant bidirectionnelle précédemment décrite, est connecté par sa base au point de jonction des résistances 63 et 64, par son émetteur à la borne F et par son collecteur au point de jonction des émetteurs des transistors 44 et 45. Le fonctionnement du régulateur de tension en commutation décrit en référence à la figure 2 est identique à celui du régulateur de la figure 1. L'ensemble du circuit compris à l'intérieur du rectangle 65 peut être réalisé sous la forme d'un circuit intégré de très petites dimensions dont les bornes de connection sont B, E, S, F, D, les seuls composants extérieurs à ce circuit étant la diode 12, l'amplificateur de puissance extérieur 11, la résistance 54 et la diode de récupération 13. Un tel régulateur est donc particulièrement avantageux par son faible encombrement, son montage et son dépannage aisé du fait de sa conception modulaire, et sa faible consommation électrique. REVENDICATIONS I - Régulateur de tension en cownmtation d'un générateur électrique comprenant un induit et un inducteur connecté à xn circuit d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur (20) présentant une première entrée (el) reliée à l'induit (1), une deuxième entrée (e2) connectée à une source de tension de référence (16) et une sortie (S), un circuit de réaction (25, 26) connecté entre la sortie (S) du cosparateur (20) et sa deuxième entrée (e2) pour former avec le comparateur (20) une boucle fermée à réaction positive, des moyens (11) commandés par le signal de sortie du comparateur (20) pour fermer le circuit d'alimentation de l'inducteur (10) en vue de l'annulation de la différence entre la tension (VE+) appliquée à la première entrée (el) et la tension (VE,) appliquée à la deuxième entrée (e2) du comparateur (20) et pour ouvrir ledit circuit d'alimentation après l'annulation de ladite différence, et des moyens (13) pour décharger l'inducteur (10) après l'ouverture dudit circuit d'alimentation. 2 - Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de réaction (25, 26) comprend une source de courant bidirectionnelle (26) et la deuxième entrée (e2) du comparateur (20) est connectée à ladite source de tension de référence (16) par l'intermédiaire d'une résistance (23) de faible valeur, la source de courant bidirectionnelle (26) débitant dans ladite résistance (23) pour assurer des variations symétriques de la tension de référence (Vk 3 - Régulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de tension de référence (16) est connectée à l'entrée inverseuse (e2) du comparateur (20), ledit circuit de réaction comprenant un inverseur (25) connecté entre la sortie (S) du comparateur (20) et la source de courant bidirectionnelle (26). 4 - Régulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens (11) commandés par le signal de sortie du comparateur (20) comprennent un transistor de puissance dont la base est connectée à la sortie (S) du comparateur (20) et dont le circuit émetteur-collecteur est connecté en série avec l'inducteur (10) dans son circuit d'alimentation. 5 - Régulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source de tension de référence (16) comporte un circuit de seuil (30) connecté au comparateur (20) pour en co-:ander le fonctionnement lorsque la tension d'induit (VB) a dépassé un seuil predéterminé 6 - Régulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une diode (14) montée en série entre l'induit (1) et l'entrée non inverseuse (el) du comparateur (20), et un circuit (17,18,19,21, 22) de compensation des variations en fonction de la température de la chute de tension dans la jonction de la diode (ire). 7 - Régulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de compensation comprend au moins une première résistance (R2) et une seconde résistance (R4) connectées en série avec la diode (14) aux bornes de l'induit, ladite entrée non inverseuse (el) du comparateur (20) étant connectée au point de jonction desdites première (R2) et seconde (R4) résistances, un transistor (21) dont la base est connectée à l'entrée non inverseuse (el) du comparateur (20), dont la jonction base-collecteur est connectée en dérivation aux bornes de la seconde résistante (R4) et dont la jonction base-émetteur est connectée en dérivation sur la première résistance (R2) par l'intermédiaire d'une troisième résistance (22) chargeant ledit émetteur, ledit transistor (21) ayant une jonc ion émetteur-base telle que la dérivée de sa tension émetteur-base par rapport à la température soit égale à la dérivée de la tension anodecathode de la diode (14) par rapport à la température et le rapport entre les résistances R2, R3 et R4 étant tel que R3 = R2 + R4.