Brevet FR2274162A1 — publié le 19760102

La presente invention concerne les dispositifs oui convertissent une tension continue ou ondulee en au moins une autre tension continue d'une valeur différente de celle de la première. On connait une réalisation de convertisseur de tension continue basée sur l'exploitation d'un transformateur selfigue ponté dans un circuit dloscillateur bloqué dont l'auto-entretien est assuré à partir dtun enroulement de réaction du transkormateur dont l'enroulement primaire est relié à la source de tension continue. Lorsque llélé:nent actif de l'oscillateur, normalement un transistor ou élément similaire de la physique des solides, est saturé, le transformateur se sature en emmagasinant une énergie prélevée de la source de tension et, lorsque cet élément actif se bloque, le transformateur restitue cette énergie aux bornes de son enroulement secondaire. Les performance.s d'un tel convertisseur sont modestes car le transformateur travaille en régime saturé et la tension aux bornes de ltenroulement secondaire dépend aussi bien de la valeur de la charge guE de la valeur de la tension de la source. Un but da l'invention est dtéliminer ces défauts dans un cirouit de conventisseur de tension continue basé sur la réalisation susdite, en y introduisant une régulation qui évite aussi bien la saturation du transformateur que les variations de sa tension secondaire selon celles de la charge et de la source Parmi les alimentations régulées classiques et qui peuvent être directement transposées à des circuits à éléments actifs de la physique des solides, se trouvent les alimentations régulées par découpage, Une telle alimentation à découpage présente cependant en elle-même le défaut de ne pouvoir délivrer qu'une seule tension de sortie, de valeur inférieure ou au plus égale à la valeur de la tension de la source, qui soit directement régtllee. Un autre but de l'invention est d'établir un convertisseur de tension continue régulée par découpage et basé sur l'exploitation d'un transformateur selfique dans un circuit d'oscillateur, qui permette d'obtenir une pluralité de tensions secondaires directement régulées, de valeurs diversitiées et isolées les unes des autres, Selon une caractéristique de l'invention, un convertisseur de tension continue en une pluralité de tensions continues distine tes comprend la combinaison d'un générateur de forme d'onde a deux niveaux de facteur de forme variable, d'lm interruptour électro- nique alternant se tat sous la commande de cette forme d'onde à deux aiveaux et faisant partie d'un circuit série, incourporant l' enroulement primaire d'un transformateur à enroulements secondaires multiples, aux bornes duquel est appliquée la tension continue à convertir, et d'un cirouit prélevant la tension aux bornes d'un de ces enroulements secondiaires et commandant la variation du facteur de forme de l'onde du générateur lorsque cette tension secondaire s'éCarte d'une référence. Selon une autre caractéristique de l'invention, le générateur est constitué d'un circuit ongenarant une forme d'onde rectangulaire suivi d'un monovibrateur dont le temps de retour est commandé par la tension émanant du circuit relié audit enroulement secondaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, le générateur est constitué d'un multivibrateur à facteur de forme d'onde variable commandé par la tension émanant du circuit relié audit enrou-lement secondaire, la sortie du multivibrateur étant reliée à l'entrée de l'interrupteur à travers un montage d'att-aque de puissance. Selon une autre caractéristique de l'invention alors, l'alimentation du multivibrateur et du montage d'attaque de l'interrupteur étant prélevée de la source même de la tension continue à convertir, un montage commutateur substitue, en régime établi, une tension prélevée sur un enroulement secondaire du transformateur à la tension à convertir, pour l'alimentation d'au moins le montage d'attaque de l'interrupteur. Ces caractéristiques, ainsi que d'autres encore venant en renforcer les effets, vont être exposées dans le détail en se reportant aux figures jointes, qui représentent: Fig.l, le schéma fonctionnel d'lm convertisseur selon la pré seat e invention, Fig. 2, un exemple de r;alisation dudit schéma fonctionnel dont peuvent se déduire toutes variantes de mise en pratique de l'invention. On voit sur la Fig.l que la tension à convertir Vcc est appliquée sur un circuit série comprenant l'enroulement primaire 1 d'un transformateur 10 et un interrupteur électronique "de puissance" 2, transistor par exemple ou tout autre élément de la physique des solides. Le transformateur 10 comprend autant d'enroulements secondaires que désiré, certains élévateurs, d'antres abaisseurs de temsion.Un de ces deux enrouieents est représenté on car on doit comprendre que, oans un comvortisseur selon l'inven- tion, un enroulement secondairne peut être soit référence à la mas- se soit $être flottant, selon les besoins, Dans l'exemple tion de la Fig. 2. les enroulements 4 et 23 sont référoucés a la masse alors que les enroulements 3 et 33 sont moletés flottants". À titre illustratif, sur la Fig.l, on a indiqué en 3 un enroulement "indépendant" flottant, et un enroulement "fonctionnel", référencé à la masse, tensions de sortie respectives Vsl et Vs2. La sortie de cnaque enroulement secondaire passe par un élément unidirectionnel tel qu'une diode, 5 sur la Fig.l, de sens de branchement approprié au sens du bobinage qui fixe la polarité de la tension de sortie. Un condensateur tel que 6, Fig.l, shunte l'enroulement secondaire et la diode pour fournir un fort taux d' intégration masquant les fluctuations de la tension à la fréquence de travail du convertisseur. Un générateur d'impulsions de largeurs commandables est constitué d'un générateur 7 d'une forme d'onde rectangulaire à cré- neaux symétriques suivi d'un monovibrateur 8 attaqué par cette forme d onde et ayant, en 9, une entrée de commande du facteur de forme de l'onde telle que , sans modifier sa fréquence, elle module ses créneaux en durée avec une profondeur de modulation pouvant, par exemple, atteindre les trois quarts de la période.Cette entrée 9 est reliée à la sortie d'un comparateur de tensions 11 dont une entrée est reliée à la sortie de l'enroulement secondaire fonctionnel 4 du transformateur, dont la tension est ramenée par la liaison 13 et autre entrée est reliée à une référence fournie ici par un élément de seuil tel qu'un Zener 12, La liaison 13 ne consomme qu'une énergie négligeable et donc la sortie Vs2 de lten- roulement 4 peut aussi être exploitée normalement comme la sortie de l'enroulement indépendant 3, Selon ce schéma fonctionnel, on voit directement que le transformateur 10 n'a pas besoin, pour la restitution d'énergie, de travailler d'un état saturé à un état non saturé et réciproquement puisque le changement d1état de l'interrupteur 2 ne dépend plus que d'une commande externe, Seule est redressée au secondaire l'alternance correspondant à la restitution de l'énergie emmagasi- née dans la self-inductance du transformateur. Comme les condensa teurs tels que 6 ont un fort taux d'inté,nration à à la fréquence de travails le transfert de l'énergie se fait sous une tension quasiconstante. La régulation dose l'énergie emmagasinée dans le trans formateur de faon à ce que la valeur moyenne de la tension secondaire se maintienne å -n nivean de consignez La tension sols laquelle se fait le transfert énergie étant réulée indépendament de la source Vcc et des charges des secondaires, les tension recueillies sur le convertisseur ne dépendent plus de variations parasites de tels facteurs.Le nombre d'enroulements secondaires indépendants, non plus que les valeurs de leurs tensions de sortie, ne sont plus limités en eux- êmes. La fréquence du générateur peut être prise de l'ordre de plusieurs dizaines de kilohertz, une trentaine par exemple, On doit alors noter que le transformateur est, pour une telle fréquence, de faibles poids et encombrement. La Fig. 2 représente un exemple non limitatif d'exécution basé sur le schéma fonctionnel de la Fig.l. La tension à convertir Vcc est appliquée sur le circuit série comprenant l'enroulement primaire du transformateur 10 et ltinterrupteur électronique 2. Elle sert aussi de tension d'alimentation à deux transistors 50 et 55, Le transistor 50 constitue un commutateur de fonctionnement IF, II est saturé lorsque la valeur de la tension Ycc est supérieure à un seuil fixé par l'élément 52, la valeur de Vcc et la valeur de ce seuil étant "comparées" sur le diviseur de tension 51 relié à la base de 50 dont la tension d'émetteur est Vcc, En un tel cas, le convertisseur est en service. Lorsqu'au contraire le transistor 50 est bloqué, il bloque le transistor 55, En un tel cas, le convertisseur est hors service. Le transistor 55 est un émettodyne dont la base, ayant en son pied une résistance de charge 54 shnntée par un élément de seuil 94, est reliée par la résistance série 53 au collecteur du transistor 50. Par sa sortie émetteur, le transis-cor 55 commande l'état d'un autre transistor 56 émettodyne, la charge collecteur 57 étant commune aux transistors 55 et 56 qui, ensembles constituent un circuit fournissant les alimentations du générateur de forme d'onde à facteur de forme variable 1W et d'un circuit d'attaque AT du transistor de puissance 2.Cette dernière alimentation ne sert qu'à la mise en route col e on le verra plus loin, La tension d'émettour de 55, maintenue constante par l'action du Zener 94, et prélevée au bornes du condensateur 93, est appliquée sur une entre d'alimentation B du générateur de forme d'onde à facteur de forme variable constitué d'un multivibrateur IV, dont les transistors 63 et 64 respocitivement. L'entrée de commante du du facteur de forme du multivibrateur fV est reliée à la sortie A du transistor 50 par la résistance 60.L'entrée C du multivibrateur est reliée au point B par la résistance 59, Comme usuel, des diodes 67 et 68, entre points d'attaque et collecteurs, et 69 et 70, entre points d'attaque et bases, limitent la saturation des transistors et assurent ainsi le démarrage du multivibrateur, La tension au point B est, par exemple, de l'ordre de +6 volts, la tension Vcc étant de 12 volts continu, La sortie du multivibrateur est, par exemple, prise sur la charge d'émetteur 71 du transistor 61. Elle attaque un circuit AT pour la commande du transistor de puissance 2.L'alimentation de ce circuit est, en début de fonctionnement, fournie en +5,5 volts par exemple par la sortie émetteur de 56. L'alimentation, à travers la résistance 73, polarise le point E de sortie du transistor d'entrée du circuit AT, De ce point E est attaqué, par sa base, sur un diviseur de tension 78-79 dont la partie 78 est shuntée par un condensateur de découplage 80, un transistor amplificateur 81. dont metteur est à la masse par la résistance 82 et dont le collecteur est relié par la résistance série 83, shuntée par la Ca- pacité 5, à la base du transistor interrupteur de puissance 2,. La base du transistor 2 est mise à la masse par la résistance d'auto- polarisation 84, L'alimentation collecteur de 81 passe par l'es,, pace émetteur-collecteur d'un transistor 74 dont l'émetteur est relié par la résistance 75 à la sortie du transistor 5 & et dont la polarisation base est prélevée sur un diviseur de tension 76-77 entre l'alimentation et le point E. L'amenée de la tension Vcc au circuit série 1-2 comporte une capacité 58 à la masse, pour découpler l'impédance de la source de la tension Vcc à la fréquence de travail. L'entrée D du multivibrateur reçoit, outre la tension prélevée en À du collecteur du transistor 50, une tension ramenée du point E d'un enroulement secondaire du transformateur 10, enroulement 4 et diode 5, à travers un élément de seuil tel qu'un Zener 92 et-une résistance série 91. La tension nominale de sortie de ce secondaire 4 est, illustrativement, de +45 volts continu et est prélevée à travers une cellule de filtrage 2, L'élément 92 a son seuil de blocage fixé, par exemple, à +43 volts, Tant que la tension prélevée ne s'abaisse pas en dessous de 43 volts, le Zener conduit et applique en D une tension qui s'ajoute à la tension de commande A pour modifier en proportion le facteur de forme du. singnal émis par le multivibrateur:- pour 45 volts, ce si-;nal est engendré Four que T e tempos de conductibilité du transistor de puissance 2 soit minimum en chaque période du multivibrateur; - à mesure que la tension s rabaisse en F, ce temps s'allonge propor tionnellement et, si la tension bloque le Zener, ce temps devient maximum, égal à une demi-période de la forme d'onde à deux niveaux délivrée par le multivibrateur. La régulation de la tension aux bornes du secondaire 4 entraîne la régulation de toute et chacune des tensions secondaires du transformateur. Parmi les enroulements secondaires est établi, sur le schéma représenté, un enroulement 44 associé, bien entendu, à son redresseur 45 et sa capacité d'intégration 46. Cet enroulement, circuit AS, fournit en cet exemple de réalisation, une alimentation de substitution à celle délivrée par le transistor 56 au circuit de commande Xi du transistor de puissance, après la mise en route du convertisseur. Ceci permet d'améliorer le rendement général en supprimant la perte par chute de tension dans le transistor-ballast 56. Lorsque la tension prélevée de cet enroulement fonetionnel AS atteint celle existant à la sortie émetteur de 56, ou la dépasse légèrement, étant par exemple de @ 6 volts régulés, le transistor 56 se bloque et l'alimentation du circuit de comaude de puissance AT est assurée à partir de As. La régulation des tensions secondaires s'obtient donc, en fait, par une régulation du facteur de forme du signel du multivibrateur, Cette régulation peut être assurée en une plage comprise entre une condition de charge à vide des secondaires jusqu'à leur pleine charge, plage ne dépassant par normalement 5% en variation de la tension aux bornes de Sur le schéma de la Fig.2, outre les deux enroulements fonctionnels précités, 4 et 44, on a représenté illustrativement trois pontages d'enroulements secondaires. L'enroulement 3 en série avec la diode 15 shuntée par le condensateur dtintégration 26 fournit une sortie "@lottante", non référencée à la masse ou autre potentiel fixe. pour cela, après le condensateur 26 est établi un réseau à résistance série 27 et limiteur shunt 28. La tension ainsi prélevée est, par exemple, de 4,5 volts. La sortie repérée 90 volts est prélevée sur un onroulement secondaire 23 en série additive avec l'emrouleent 4 qui fournit le + 45 volts. Aux bornes de 4-23 on a en erfet une tolle tension double. Le prélèvement du + 90 vol-s est effectué à travers une cellule filtrante en , 01, dont le premier élément capaxitif assure le taux d'intéguation requis. Le fait de pouvoir prélever, au secondaire du transformateur 10, des tensions de +90 volts et de + 45 volts, à partie d'une source de tension Vcc de, par exemple, 12 volts, montre bien qu'il n'y a dans le montage, aucune limitation de tension secondaire à la valeur de la source Un autre enroulement, 33, doit permettre de délivrer une faible tension régulée, de 1,5 volt par exemple. Pour avoir un bon rendement de redressement de la tension, avant la cellule filtranse #4, est intercalé un transistor emettodyne 35 dont l'espace collecteur-base est connecté aux bornes des deux enroulenents en série soustractive 33-29. La tension flottante est, en ce cas, prélevée aux bornes de 11 enroulement 33. R E V E N D I C A T I O N S. 1. - Convertisseur de tension continue délivrant une pluralité de censions coltines dis-tinctes à autant d'enroulements secondaires d'un transformateur don t 1 enroulement primaire est monté en série avec un interrupteur électronique en un circuit aux bornes duquel est appliquée la tension continue à convertir, caractérisé en ce qu'un générateur de forme d'onde à deux niveaux ccm andant l'alternance des états conducteur et bloqué de ltin terrupteur électronique et en ce qu'un circuit prélève la tension aux bornes d'un enroulement secondaire et commande la variation du facteur de forme d'onde du générateur lorsque cette tension s'écarte d'une référence. 2. - Convertisseur de tension continue selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur est constitué d'un circuit enven-;rant une forme d'onde rectangulaire suivi d'un monovibrateur don le temps de retour est commandé par la tension de ce circuit 3. - Convertisseur de tension continue selon la revendication 1, caracteris en ce que le générateur est constitué d'un multivibrateur de facteur de forme d'onde commandé par la tension de ce circuit et dont la sortie est reliée à entrée de commande de l'interrupteur à travers un montage d'attaque de puissance adaptée à cet interrupteur. 4. - Convertisseur de tension continue selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alimentation du multivibrateur est prélevé de la source même de la tension continue à convertir, et en ce qu'un mostage commutateur substitue à l'alimentation provenant de cette même source appliquée sur le montage d'attaque en début d'opération du convertisseur, une tension de régime éta b.i prélevée sur un des enroulements secondaires du trans-o-ma- teur 5. - Convertisseur de tension continue selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette alimentation passe par un circuit È' seuil coupant le circuit reliant le multivibrateur et le moletage d'attaque ue à la source de tension à convertir lorsque la valeur de cotte dernière est en dessous du seuil. 6. - Con-ertisseur de tension continue selon la revendication 1 ou selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de commande du fa teur de forme d'onde du circuit mono ou multi-vibrateur consiste en une liaison provenant de l'enroule- ment secondaire incorporant un élément série définissant un set d'action pour la dite commande 7. - Convertisseur de tension continue selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que ledit montage commutateur comprend un étage ballast à élément interrupteur pour l'application de la tension de la source sur le montage d'attaque, et la liaison provenant de l'enroulement secondaire du transformateur bloque cet élément interrupteur sitôt la tension ramenée légèrement sucéri- eure à la tension issue de cet interrupteur. 8. - Convertisseur de tension continue selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de prélèvement de tension associé à chaque enroulement secondaire comprend un élément unidirectionnel série et une capacité shunt introduisant un fort taux d'intgration pour la tension aux bornes de l'enroulement. 9. - Convertisseur de tension continue selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour certains enroulements secondaires, cet élément unidirectionnel est un dément ayant une entrée de commande reliée à la sortie d'un enroulement secondaire en série additive avec l'enroulement relié à son entrée de trans fert, 10. - Convertisseur de tension continue selon la revendication 8, caractérisé en ce que partie au moins des enroulements secondaires est sont reliés en montage flottant aux bornes de prélèvement de leurs tensions0