Brevet FR2264419A1 — publié le 19751010

@@ présente invention a pour objet des dispositifs régtlateurs et variateurs de vitesse adaptablesà diverses tensions d'alimentation continues ou aiternatives, pour alimenter des moteurs électriques à courant continu de faible puissance. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction de circuits imprimés comportant des transistors utilises pour alimenter de petits moteurs électriques S courant continu, à rotor bobiné, de faible puissance, de l'ordre de 50 watts. On sait que de tels moteurs sont utilisés couramment dans des serve- mécanismes et que ron peut faire varier leur vitesse en faisant varier la tension d'alimentation. Pour une tension dtalimentation donnée, et pour une charge nulle, le moteur tourne à une vitesse déterminée Vo. Si tFon applique un couple résistant, la tension aux bornes du moteur a tendance S diminuer et la vitesse de rotation décroît. Divers dispositifs de régulation sont utilisés pour pallier cet n- convénient et réduire les variations de vitesse dues aux variations du couple résistant. Par exemple on a utilisé des moteurs alimentés S travers un ampli- fixateur S contrôle automatique de gain permettant de réguler la tension d'alimentation du moteur. Mais les amplificateurs contrôle automatique de gain sont chers et le court de cette solution est hors de proportion avec la valeur de moteurs de faible puissance. Un objectif de la présente invention est de procurer un dispositif peu onéreux de régulation de la vitesse d'un moteur à courant continu de faible puissance lorsque le couple résistant varie. On utilise des moteurs S courant continu. dans de nombreux appareils qui peuvent etre alimentés en courant alternatif ou continu sous des tensions courantes diverses telles que 12V, 24V, 48V, 110V ou 220 Volts. Un autre objectif de lrinvention est de procurer un dispositif variateur et régulateur de vitesse dont une grande partie des composants sont les mêmes pour toutes les tensions courantes de telle sorte que la fabrication de ces dispositifs puisse être réalisée en série suivant un meme schéma pour toutes les tensions. Le premier objectif de l'invention est atteint en branchant un condensateur de capacité déterminée monté en dérivation entre les bornes du moteur et en alimentant le moteur à travers un circuit comportant un potentiometre qui- permet de faire varier la tension d'alimentation et donc la vitesse du moteur, lequel potentiometre est monté S la sortie drun régulateur de tension constitué de diodes Zéner et est connecté aux bornes du moteur à déterminées qui sont indiquéas cl-après et qui varient selon la te@sion nominale et l'inductance du moteur, lorsque @a cension aux bornes du moteur tend à varier par suite d'une variation du couple résistant, une oscillation de fréquence très élevée prend naissance dans ce circuit oscillant et une surtension apparaît aux bornes du moteur de telle sorte que la vitesse de rota tion du moteur reste plus stable malgré les variations de la charge. Cette stabilisation est plus accentuée aux faibles vitesses ce qui est un avantage car on sait que les dispositifs de régulation connus ne per- mettent pas d'obtenir une bonne régulation aux faibles vitesses. ta capacité du condensateur monté en dérivation aux bornes du moteur varie avec la tension nominale de celui-ci, sa puissance et le type de moteur. Il ca été déterminé expérimentalement que cette capacité doit etre comprise entre 0,08 et 0,13uf pour une tension nominale de 12 V. entre 0,05 et 0,08f pour une tension nominale de 24 V. entre 0,03 et 0,05 f pour une tension nominale de 48 V. entre 0,03 et 0,05f pour une tension nominale de 110 V. entre 0,02 et 0,04 f pour une tension nominale de 220 V. Lorsque la capacité est en dehors des limites définies ci-dessus, l'oscillation en hyperfréquence n'apparaît pas et on n'obtient plus la même stabilisation de vitesse. On connaît des montages dans lesquels on utilise un condensateur monté aux bornes d'un moteur soit comme antiparasite, soit comme condensateur de déphasage. Le condensateur selon 1'invention remplit une fonction différente. Le deuxième objectif de l'invention est obtenu. au moyen d'un régula- teur de tension constitué de plusieurs diodes Zéner montees en série entre les deux conducteurs venant de la source de tension, en court-circuitant certaines de ces diodes selon la tension d'alimentation. Dans un mode de réalisation préférentiel toutes les diodes Zéner ont un seuil de conduction égal ou multiple de 12 volts ce qui permet d'obtenir des tensions régulées de 12 V, 24 V, 48 V, 108 Volts et 220 Volts. Le résultat de l'invention est un nouveau produit constituant un variateur de vitesse pour des moteurs électriques S courant. continu de faible puissance, lequel variateur est en meme temps n régulateur de vitesse permet- tant de stabiliser celle-ci lorsque le couple résistant varie. -- Ce dispositif présente 1'avantage d'une bonne efficacité aux fai- bles vitesses. Le prix de revient est très réduit car les circuits qui le constituent présentent peu de composants et ceux-ci sont d'un court peu élevé. Un autre avantage du variateur selon l'invention réside dans le fait qu'il est entierement transistoriséet qu'il peut être présenté sous forme de circuits imprimés embrochables équipés de,connecteurs pour recevoir les branchements du moteur, les conducteurs d'alimentation et les branchements du potentiomètre servantà faire varier la vitesse Ces circuits imprimés peuvent être entièrement moulés dans une résine époxy. Un autre avantage d'un variateur selon l'invention tient S ce qu'il peut être fabriqué en série, avec les memes constituants,pour toutes les tensions nominales courantes soit 12 V, 24 V, 48 V, 110 V et 220 V. Il suffit ensuite de court-circuiter certaines des diodes Zéner du régulateur de tension pour adapter le variateur S la tension nominale du moteur auquel- il est destiné.Cette formule présente l'inconvenient de nécessiter l'utilisation de transistors et diodes Zéner, correspondant S la tension nominale maxima soit 220 Volts,qui sont plus chers. Mais cet inconvénient est largement compensé par les avantages d'une fabrication en serie uniforme pour toutes les tensions. Un variateur selon l'invention est avantageusement équipe de deux paires de connecteurs destinés S recevoir une alimentation en courant continu ou en courant alternatif. Le courant continu est connecté directement aux bornes du régulateur de tension, par l'intermédiaire d'une résistance de protection des diodes Zéner. L'alimentation en courant alternatif est connectée aux bornes d'un pont redresseur monophasé S double alternance dont la sortie est connectée sur le régulateur de tension. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui representent un exemple de réalisation de l'invention sans aucun caractère limitatif. La figure 1 est un schéma d'ensemble d'un dispositif variateur et régulateur de vitesse selon l'invention. La figure 2 est un diagramme représentant la variation de la tension aux bornes du moteur en fonction de temps. La figure 3 est un diagramme des variations de vitesse a vide et en charge. La figure I représente un petit moteur électrique M S courant continu, par exemple un moteur de 50 W. Aux bornes Bl-et B2 de ce moteur est branché un circuit d'alimentation permettant de faire varier la vitesse en faisant varier la tension d'alimentation. Ce circuit est composé pour l'essentiel d'un régulateur de tenion l, Normé de diodes Zéner montées en serie; d'uo potentiomètre 2 connecté aux bornes du régulateur de tension et d'un amplificateur de courant 3 S gain élevé Les bornes Cl et C2 représentent les bornes de branchement d'une alimentation en courant continu et les bornes Ai et A2 les bornes de branchement d'une alimentation en courant alternatif. Dans le cas drue alimentation en courant alternatif, la tension est redressée et filtrée dans un pont redresseur monophasé S double alternance 4 couplé avec un condensateur 5. La sortie du redresseur est connectée aux bornes du régulateur de tension. Dans le cas d'une alimentation en courant continu, celle-ci est connectée directement sur le régulateur de tension. Le régulateur de tension comporte une résistance R pour protéger les diodes en limitant le courant. La valeur de cette résistance est adaptée S la tension d'alimentation. Par exemple R = 220 n pour 12 V; 1 K# pour 24 V; 3,3 # pour 48 V; 10 K# pour llOV et 33 K# pour 220 V. Le régulateur de tension est constitué par exemple de sept diodes Zéner, repérées Zi Z7 qui constituent un diviseur de tension. Le potentiomètre 2 est connecté aux bornes des diodes Z2 S Z7, en série avec la diode Zi. La diode Zi affiche la tension minimale lorsque le potentiomètre est en bout de course, par exemple Zi a une tension de 2 V. Les valeurs des tensions de seuil des diodes Zéner sont par exemple Z2 = 12 V; Z3 = 24 V; Z4, Z5, Z6, Z7 = 48 V. Chacune des diodes Z2 à Z8 peut être court-circuitée de telle sorte que l'on peut adpater le régulateur S l'une quelconque des tensions courantes S savoir 12 V, 24 V, 48 V, 110 V ou 220 V. Par exemple, pour alimenter un moteur en 12 V, 24 V ou 48 V, seule la diode Z2 ou Z3 ou l'une des diodes Z4 S Z7 n'est pas court-circuitée. En conservant en série deux des diodes Z4 à Z7 et la diode Z2 et en court-circuitant toutes les autres on régule la tension S 110 V. Enfin, en court-circuitant la diode Z2 et en conservant toutes les autres, on régule la tension S 218 V. Par exemple, la figure 1 montre le cas d'un moteur-en 110 V. Les diodes Z3, Z6 et Z7 comportent des mises en court-circuit 7a, 7b, 7c. Le régulateur de tension se compose des diodes Z1 = 2 V; Z2 = 12 V; Z4 et Z5 = 48 V chacune,donc il fournit bien une tension régulée de 110 V. Toutes les diodes Zéner utilisées ont une tension de seuil égale ou multiple de 12 V. Bien entendu, les diodes en 24 V pourraient être remplacées par deux diodes de 12 V en série de même que les diodes de 48 V pourraient être remplacees par deux diodes de 24 V en série. Cette solution conduit S placer dans le régulateur de tension des diodes qui ne sont mises hors circuit Cependant, Les diodes Zéner sont des composants dont le coût est très faible et les frais supplémentaires entraînés par la présence de diodes non utilisées sont- très largement compensés par la possibilité de fabriquer tous les circuits régulateurs en série suivant un seul modèle. Les court-circuits se font ensuite S l'extérieur des circuits, sur les connecteurs de brochage. Le potentiomètre 2 permet de prélever une fraction Vc de la tension régulée et de faire varier la vitesse du moteur en faisant varier la tension UM aux bornes Le potentiomètre est connecté sur des bornes du circuit imprimé. La valeur de la résistance PI du potentiomètre varie avec la tension nominale du moteur. Par exemple P1 = 2,2 K# en 12 V; 10 112 en 24 V; 47 K# en 48 V et 100 KQ en 110 V; 220 K# en 220 V. La tension Vc S la sortie du potentiomètre est envoyée sur un amplificateur de courant S trois étages ayant une très forte impédance d'entrée et composé de trois transistors TI, T2 et T3 montés en cascade selon un couplage de Darlington. Chacun de ces étages a par exemple un gain égal à 10 de telle sorte que le courant IM S la sortie a une intensité 1.000 fois plus élevée que le courant IBI à l'entree. Par exemple IB1 = 0,5 mA; IB2 = 5 ma; IB3 = 50 mi et IM = 0,5 A pour un moteur de 50 W en 110 r. La figurez 3 représente la courbe Vo de variation de la vitesse de rotation du moteur à vide en fonction de la position du potentiomètre. Cette courbe est sensiblement droite. Pour une position donnée du potentiomètre, lorsqu'un couple résistant est appliqué au moteur, l'intensité absorbée IM croît et la tension aux bornes du moteur UM tend S décroître d'où une chute de vitesse du moteur. Le dispositif selon l'invention comporte un moyen régulateur de vitesse destiné S stabiliser la vitesse en réduisant la variation de vitesse due aux variations du couple résistant. Ce dispositif est constitué, très simplement, par un condensateur 8, de capacité déterminée, monté en dérivation entre les bornes du moteur. Ce condensateur forme, avec l'inductance du-moteur, un circuit oscillant. Ce circuit oscillant, intervenant en combinaison avec les autres constituants du circuit, notamment avec les diodes Zéner et avec les trois transistors montés en cascade, donne naissance S- des oscillations en hyperfréquence lorsque 1 intensité IM tend à augmenter. La figure 2 représente les variations de la tension IM aux bornes du moteur, observées sur l'écran d'un oscilloscope. Celle-ci est composée d'une tension continue UMo correspondant à la tension à vide, à laquelle vient stajouter en charge une tension oscillante, de fréquence très élevée, dont cn a représenté l'enveloppe E. L'amplitude AVM des oscillations varie. La tension moyenne aux bornes du moteur tend S augmenter et la vitesse du moteur reste stable malgré les variations de la charge. La figure 3 représente en V1 la courbe de variation de la vitesse sous une charge donnée, dans dix positions successives du potentiomètre numérotées de 1 à 10 que l'on obtient avec les dispositifs de régulation de tension connus. Elle montre en V2 la courbe de variation de vitesse que l'on obtient sous la même charge avec le dispositif selon l'invention. On voit que, pour une position donnée du potentiomètre, par exemple la position 6 l'écart entre Vo et V2 est beaucoup plus faible que l'écart entre Vo et Vl. Le dispositif selon l'invention permet donc de stabiliser la vitesse de rotation en charge. On voit sur la figure 3 que cette stabilisation est d'autant meilleure que la vitesse de rotation est faible. Pour les positions 1, 2 et 3 du potentiomètre, on obtient une vitesse en charge pratiquement identique à-la vitesse à vide alors que les dispositifs de régulation connus ne permettent pas d'utiliser un moteur en charge sous d'aussi faibles tensions d'alimentation. Bien entendu, sens sortir du cadre de l'invention, diverses parties du circuit représenté à titre d'exemple pourront être remplacées par des parties équivalentes bien connues de l'homme de l'art. Rt VEND I CATI ON S I - Dispositif transitorisé régulateur et variateur de-vitesse d'un moteur à courant continu de faible puissance, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un condensateur de capacité déterminée connecté aux bornes du moteur et d'autre part un circuit d'alimentation du moteur composé d'un régulateur de tension constitué par des diodes Zéner et un potentiomètre monté S la sortie dudit régulateur dont la sortie est connectée aux bornes du moteur à travers un amplificateur forte impédance d'entrée et à gain très élevé. 2 - Dispositif selon la revendication I utilisé avec un moteur de 12 Volts, caractérisé en ce que ledit condensateur a une capacité comprise entre 0,08 et 0,13f 3 - Dispositif selon la revendication 1 utilisé avec un moteur de 24 Volts, caractérisé en ce que ledit condensateur a une capacité comprise entre 0,05 et 0,08 f. 4 - Dispositif selon la revendication I utilisé avec un moteur de 48 Volts, caractérisé en ce que ledit condensateur a une capacité comprise entre 0,03 et 0,05 f. 5 - Dispositif selon ia revendication I utilisé avec un moteur de 110 Volts, caractérisé en ce que ledit condensateur a une capacité comprise entre 0,03 et 0,05 f. 6 - Dispositif selon la revendication 1 utilisé avec un moteur de 220 Volts, caractérisé en ce que ledit condensateur a une capacité comprise entre 0,02 et 0,04 f. 7 - Dispositif-selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit régula teur de tension est constitué de plusieurs diodes Zéner, montées en série entre deux conducteurs venant de la source d'alimentation, dont certaines peuvent entre court-circuitées. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit régula teur de tension est constitué de diodes Zéner ayant un seuil égal ou muLtiple de 12 Volts.