Brevet FR2280260A1 — publié le 19760220

La presente invention concerne un montage permettant la commutation rapide de charges selfiques, c'est-à-dire d'inductances ayant, en général, une action électromagnétique extérieure, en permettant la dissipation de l'énergie de self-induction. Le montage selon l'invention s'applique, en particulier, à la commande séquentielle d'électroaimants, et notamment aux moteurs pas à pas. On sait qu'unie inductance de valeur X accumule, lorsqu'elle est traversée par un courant d'intensité i, une énergie E = 1/2Li2. Il couvient, lors de la commutation d'inductanses, spécialement dans les montages où les propriétés électromagnétiques de ces inductances sont mises en oeuvre, de résorber l'énergie ainsi accumu- lée pour en minimiser les effets. I1 est connu, à cette fin, lorsqu'une inductance est alimentée en courant continu à travers un montage commutateur électronique, tel qu'un montage de DARLINGTON, de monter en parallèle avec l'inductance une diode de puissance orientée en sens inverse de l'alimentation. Dans ce cas, lors de la coratation, la pointe de tension, due à la self-induction, est limitée par la tension de service de la diode mais, inversement, la pointe de courant dans l'inductance est très élevée, le courant tend à se prolonger et, l'énergie correspondante se dissipant presque intégralement dans cette inductance, l'échauffement qui en résulte s'ajoute à l'échauffement propre du bobinage. in outre, la tension d'alimentation étant réduite du fait quelle est directement appliquée aux bornes de l'inductance, le temps d'excitation de l'inductance, c'est-à-dire de montée du courant jusqu'à la valeur désirée, est relativement long. linsi, ce montage n'est satisfaisant ni au début, ni à la fin de l'alimentation de l'inductance. Les performances d'un montage de ce genre étant toujours médiocre, il est connu d'améliorer les propriétés du montage évoqué précédemment par l'adjonction de deux éléments résistants, l'un en série dans l'alimentation de l'inductance, ce qui permet un accroissement de la tension d'alimentation, l'autre en série avec la diode de shunt. L'énergie dissipée dans ces éléments résistants affecte le rendement mais on réduit ainsi le temps de montée du courant dans 1' inductance, on limite la pointe du courant lors de la coupure de l'slimentation et on dissipe une partie de l'énergie de self-induction dans a seconde résistance additionnelle. Le fonctionnement de ce montage est donc plus satisfaisant que celui du précédent, mais avec le transistor constituant l'interrupteur d'alimentation, ur tel montage nécessite auatre composants de puissance relativement volumineux dont les deux résistances qui doivent être aménagées pour dissiper une auantité appréciable d 'é- nergie. On notera, en outre, que, dans les deux montages électroniques usuels qui viennent d'être rappelés, l'inductance est montée dans le circuit de collecteur appartenant au transistor de puissance, alors que l'émetteur de celui-ci est à la masse. Le collecteur se trouvant ainsi isolé, électriquement et thermiquenent, du boftier de transistor, la dissipation de la chaleur dégagée dpns le transistor est mal assurée car elle nécessite l'utilisation ae matériaux thermiquement conducteurs et électriquement isolants. En outre, chaque inductance doit Outre alimentée par un transistor distinct. La présente invention remédie à ces inconvénients et apporte de plus des avantages complémentaires. Selon l'invention, l'inductance et le trajet émetteur-collecteur d'un transistor de puissance étant montés en série dans le circuit d'alimentation de cette inductance, ce trajet est shunté par une diode de Zener dont la tension inverse est inférieure à la tension de claquage du transistor mais supérieure à la tension d'alimentation. On peut effectivement monter une diode de Zener entre émetteur et collecteur du transistor de puissance. De préférence, ce rôle est joué par le transistor lui-même grâce à une résistance de valeur relativement faible montée entre l'émetteur et la base. Dans ce cas, le collecteur du transistor est, de préférence, mis à la masse. On sait, en effet, qu'une résistance reliant l'émetteur à la base d'un transistor, si sa valeur est convenable, permet d'aug- menter la tension inverse de passage entre émetteur et collecteur, ce qui autorise le passage du courant inverse sansdommage pour le transistor, celui-ci foncsionnaet alors comme une diode de Zener sous une tension inverse proche de celle de la jonction simple (p-n ou n-p) entre le collecteur et la base. Â défaut d'une telle résistance (parfois dite de protection), la tension inverse entre émetteur et collecteur diminue avec l'intensité, de sorte que le claquage qui apparat alors est généralement irrémédiable. Ainsi, le transistor fonctionne alternativement en commutateur pour l'alimentation de l'inductance et en diode de Zener pour l'évacuation de l'énergie qui s'accumule dans l'inductance quand celle-ci est excitée. Le montage en shunt d'une diode de Zener entre émetteur et collecteur peut être effectué quel que soit le montage du transistor luimeAme, en particulier lorsque le transistor a son émetteur à la masse (émetteur commun). De préférence, le transistor est du type p-n-p. fl est monté en-émettodyne avec son collecteur à la masse et la diode de Zener est intégrée au transistor par la présence de la diode de protection. Une telle disposition se prête particulièrement à la réalisation du montage sous forme de circuit intégré lorsque le dispositif commandé comporte une pluralité d'inductances, chacune associée à un transistor de puissance. La plaquette de base du circuit intégré matérialise alors l'ensemble des collecteurs mis à la masse et peut être aménagée pour 1 'évacuation de la chaleur produite dans le transistor par le passage du courant. ne plus, la résistance de protection peut être incorporée simplement en transistor par les techniques habituelles de photo-gravure et diffusion. Dans ce dernier montage, le transistor de commande peut être du type n-p-n, appartenir à un circuit intégré et avoir son émetteur à la masse. Les dessins annexés permettront de bien comprendre comment l'invention peut être mise en oeuvre. - la figure 1 est un schéma de montage commutateur d'induc- tance selon l'invention - la figure 2 est une variante du schema de montage de la figure 1 ; - la figure 3 montre un réseau de courbes caractéristiques d'un transistor ; - la figure 4 est un diagramme de fonctionnement du montage selon 1' invention; - La figure 5 représente schématiquement un montage commutateur d'une pluralité d'inductances,par exemple celles qui interviennent successivement pour l'entrainement électromagnétique du rotor d'un moteur pas à pas. L'inductance 1 est reliée, d'un coté, au p81e positif d'une source e tension continue VGO éventuellement à travers une résistance 2 et, de l'autre, au trajet émetteur-collecteur d'un transistor de puissance 3 qui ferme le circuit sur la masse, second pale de la tension VCC. Dans la réalisation montrée par la figure 1, le transistor est du type n-p-n et son trajet collecteur-émetteur est shunté par la diode de Zener 4 dont la tension inverse est plus forte que la tension d'aliJentation, mais plus faible que la tension de claouage du transistor 3. Ainsi, e passage du courant dans 1' inductance 1 est commandé par le transistor 3 et la pointe de tension due à l'effet de self-induction à l'arrêt de la conduction du transistor 3 est dérivée par la diode de Zener 4. Dans la réalisation montrée par la figure 2, le trajet émetteur-base du transistor 3 est shunté par une résistance 5 de valeur relativement faible. Une telle résistance, dite de protection, est connue en soi pour assurer la protection du transistor contre la destruction par excès de courant. Le réseau de courbes caractéristiques montré sur la figure 5 rappelle les propriétés d'un transistor équipé d'une telle résis- tance. Ce réseau montre la valeur du courant d'émetteur IE lorsoue varie la tension entre collecteur et émetteur V0. Sur ce diagramme, la courbe a (en pointillés) donne, à titre indicatif, la valeur de la tension inverse de la jonction émetteur-base considérée seule (tension de Zener). Les portions de courbes b1, b2 ... bn montrent les valeurs classiques du courant d'émetteur Io lorsque croit le courant de base Ib sous les tensions normales d'utilisation VCE Cependant, si on augmente la tension VCE, avant d'atteindre la valeur V0 de la tension de Zener correspondant à la jonction metteur-base, la sente de ces courbes augmente brusquement et devient négative (portions de courbes c1...cn), ce oui signifie qu'il s'est produit une première rupture des jonctions du transistor. Cette rupture ou "claquage" s'effectuant à une tension élevée @pour fixer les idées, v0 peut btre de l'ordre de 100 volts) n'entraîne pas, si elle est fugitive, une destruction définitive du transistor. Par contre, si on laisse croître l'intensité, celle-ci augmente très vite pour atteindre des valeurs très élevées, de sorte que les courbes passent alors par la région d, dite zone de second claquage du transistor, où, par échauffement, la destructio de celui-ci est irrémédiable. Si l'on monte une résistance entre base t émetteur, la pente inverse des courbes diminue et l'on constate que la montée en intensité du courant entre émetteur et collecteur s'effectue avec une augmentation de la tension VCE (pente négative), d'autant plus grande que la résistance (5 sut la figure 2) est plus faible. On obtient ainsi des courbes telles que e1 pour une résistance de valeur moyenne et e2 pour une résistance faible, c'est-à-dire que la caractéristique est pratiquement alors la caractéristique de Zener. Pour fixer les idées, la valeur de la résistance 5 doit itre alors de l'ordre de 100 JL si le courant normal 1E est de l'ordre de IÂ et elle doit être abaissée à 10# si le courant normal est de 5 ampères. Autrement dit, pour une résistance convenable, le trajet émetteur-collecteur se comporte comme une diode de Zener (courbe e2) proche de la courbe de Zener (a) de la jonction émetteur-base partiellement court-circuitée par la résistance. Cette faible valeur de la résistance 5 est sans inconvénient puisqu'il ressort clairement de la figure 2 que, lorsque l'inductance I est normalement alimentée, le courant de la source à travers cette inductance se partage entre les deux transistors : le transistor de puissance 3 et le transistor de commande 6. Ce transistor de commande peut recevoir des impulsions de commande quelconques. Cependant, de manière en soi connue, le courant de commande 7 comprend avantageusement une impulsion initiale 7a suivie d'une succession d'impulsions de très courte durée 7b. Ainsi, comme le montre la figure 4, pendant le temps t1 correspondant à la durée de l'impulsion initiale 7a, le courant atteint, dans l'inductance 1, une certaine valeur im qui correspond à la valeur (en ampères-tours) de l'effet, généralement électromagnétique, attendu de l'inductance 1. Â la fin de l'impulsion 7a, l'énergie accumulée dans l'induc- tance se décharge à travers la diode de Zener 4, ou le transistor de puissance 3 qui en fait alors fonction. Cependant, avant que le courant dans l'inductance ait disparu, l'impulsion suivante, puis les impulsions successives 70 entretiennent, dans cette inductance, un certain courant IS dont la valeur est telle qu'il assure, à l'état statiaue, la permanence de l'effet magnétique obtenu par les ampères-tours initiaux. De manière en soi connue, on réduit ainsi, dans l'inductance, l'échauffement et la consommation du courant. À la fin de la dernière des impulsions tb, l'inductance achève de se décharger vers la masse. On remarquera que l'inductance 1 n'étant pas fermée sur elle-meme par un conducteur extérieur, le courant ne s'y entretient pas et gue, à chaque interruption de l'alimentation, la chute du courant st très rapide. TiQ te@sion de la diode de Zener 4 ou la tension V0 du transistor sont oboisies de façon à être supérieures à la tension d'alimentation pour éviter tout passage direct du courant sans action de commande du transistor de puissance. La forme de réalisation montrée par la figure 2 est, non seulement plus simple et plus économique que celle qui est illustrée par la figure i, mais elle présente, en outre, l'avantage de se prêter particulièrement bien à une réalisation a circuit intégré de la manière schématiquement représentée sur la figure 5. L'ensemble des transistors de puissance est porté par une plaquette de semi-conducteur 10 constituant le collecteur colmun de ces transistors. Ce collecteur est relié à la masse et est solidaire d'un radiateur de chaleur (non reprsenté). les émetteurs 11, 12 et 13 et les bases 21, 22 et 23. de ces transistors sont respectivement reliés aux inductances la, lb, 1c et au montage logique 15 qui assure la commutation de l'alimentation des inductances en envoyant séquentiellement les courants de commande sur les bases 21 à 23. De maniere en soi connue, les résistances 51 à 53, montées dans le circuit intégré entre chaque émetteur et chaque base, peuvent être obtenues dans ce circuit intégré, sans apport de compo- ant extérieur, par gravure photochimique et diffusion d t impuretés Dans son application aux moteurs pas à pas, l'invention permet, grâce à ia rapidité de dissipation de l'énergie accumulée dans les enroulements statoriques, pour un nême échauffement de ces erroulements, une plus grande vitesse de rotation de ces moteurs, tout en conservant, sans perte de pas, leur réversibilité. REVENDICATIONS 1. tontage commutateur pour une inductance dans lequel le trajet émetteur-collecteur d'un transistor de puissance est monté en série dans le circuit d'alimentation de cette inductance, caractérisé en ce que ce trajet est pratiquement shunté par une diode de Zener montée en inverse par rapport à la tension d'alimentation et dont la tension inverse est supérieure à la tension d'alimentation mais inférieure à la tension appliauée à ce trajet qui est destructrice pour le transistor. 2. - Nontage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les jonctions du transistor de puissance jouent le rôle de diode de Zener grâce à une résistance relativement faible montée en parallèle entre l'émetteur et la base de ce transistor. 3. - Montage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transistor est du type p-n-p et son collecteur est mis à la masse et aménagé pour la dissipation de la chaleur. 4. - Montage selon/des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le courant de commande du transistor de puissance est fourni par le collecteur du transistor n-p-n dont l'émetteur est mis à la masse. 5. - Montage selon la revendication 3, appliqué à la commutation d'une pluralité d'inductances, caractérisé en ce que l'en- semble des transistors commutateurs, dont chacun est associé à une inductance, est réalisé sous forme d'un circuit intégré comportant un collecteur commun pour ces transistors. 6. - Nontage selon/5s revendications 2 et 5, caractérisé en ce que les résistances montées en parallèle entre l'émetteur et la base de chaque transistor sont obtenues par les techniaues de photogravure utilisées pour la fabrication des circuits intégrés. 7. - Application du montage selonNune des revendications 1 à 6 à la commande d'un moteur pas à pas.