Brevet FR2280259A1 — publié le 19760220

La présente invention concerne un montage perzetbant la commutation rapide de charges selfiques, c'est-e-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'une inductance de valeur X accumule, lorsqu'elle est traversée par un courant d'intensité i, une énergie B = Il convient, lors de la commutation d'inductanc:s, spécialement dans les montages où les propriétés électromagnétiques de ces inductances sont mises en oeuvre, de résorber l'énergie ainsi accumulée pour en minimiser les effets. Il est connu, à cette fin, lorsqu'une inductance est alimen tée en courant continu à travers un montage commutateur électronique, tel qu'un montage de DARLIESTON, de monter en parallèle avec l'inductance une diode de puissance orientée en sens inverse de l'alimentation. Dans ce cas, lors de la commutation, 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 11 échauffement propre du bobinage. En outre, la tension d'alimentation étant réduite du fait qu'elle est directement appliquée aux bornes de l1inductance, le temps d'excitation de l'inductance, c' est-à-dire de montée du courant jusqu'à la valeur désirée, est relativement long. Ainsi, ce montage n1 est satisfaisant ni au début, ni à la fin de l'alimentation de l'inductance. l'es performances d'un montage de ce genre étant toujours médiocres, 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 énergétique, mais on réduit ainsi le temps de montée du courant dans l'inductance, on limite la pointe de courant lors de la coupure de l'alimentation et on dissipe une partie de lténer- gie de self-induction dans la seconde résistance additionnelle. Le fonctionnement de ce montage est donc plus satisfaisant que celui du précédent, mais avec le transistor constituant l1in- terrupteur d'alimentation, un tel montage nécessite quatre compo- sants de puissance relativement volumineux dont les deux résistances qui doivent titre aménagées pour dissiper une quantité appréciable d'énergie. On notera, en outre, que, dans les deux montages électroni quels usuels qui viennent d'entre rappelés, l'inductance est montée dans le circuit de collecteur appartenant au transistor de puissance, alors cue l'émetteur de celui-ci est à la masse. Le collecteur se trouvant ainsi isolé, électriquement et thermiquement, du bottier de transistor, la dissipation de la chaleur dégagée dans le transistor est mal assurée car elle nécessite l'utilisation de matériaux thermiquement conducteurs et électriquement isolants. En outre, chaque inductance doit titre alimentée par un transistor distinct. La présente invention remédie à ces inconvénients et apporte de plus des avantages complémentaires. Selon l'invention, le transistor de puissance commutateur de l'alimentation d'une inductance, dont une première borne est reliée à un pble d'nne source de courut continu, a son émetteur relié à la seconde borne de ladite inductance et son collecteur relié à l'autre pôle de cette source, tandis que sa base, recevant le courant de commande, est reliée, à travers une diode orientée en sens inverse de l'alimentation, à la première borne de l'inductance. Dans un tel montage, dès que le courant de commande est interrompu, une surtension apparatt à la seconde borne de linduc- tance, donc sur l'émetteur du transistor commutateur, et, par le trajet émetteur-base de ce transistor et la diode alors traversée dans le sens direct, le circuit se ferme sur l'inductance permettant la prolongation du passage du courant dans celle-ci et la dis spat on de l'énergie accumulée. Ce courent entratne le fonctionnerent du transistor en "émétodyne" et la dissipation de l'énergie à l'intérieur du transistor lui-même, mais la chaleur ainsi produite peut titre évacuée par le collecteur de ce transistor oui n'a plus besoin autre isolé. Dans une fome avantageuse de réalisation, le transistor commutateur est du type p-n-p avec le collecteur È la masse et la commande de ce transistor est avantageusenent obtenue par un transistor n-p-n dont l'émetteur est également mis à la masse. Le montage de transistor 'commutateur selon l1invention se prt- te particulièrement à une réalisation sous forme de circuit intégré. Dans le montage complet, la diode, associée au circuit de base du transistor commutateur, peut être aussi facilement intégrée dans un autre circuit de ce type qui contient la logique de commande des transistors commutateurs. Des dessins annexés permettront de bien comprendre comment l'invention peut titre mise en oeuvre. La figure 1 est un schéma d'un montage commutateur dtinduc- tance selon l'invention. La figure 2 est un diagramme de fonctionnement de ce montage. La figure 3 représente schématiquement le montage commutateur d'une pluralité d'inductances, par exemple celles qui nntervien- nent successivement pour ltentratnement électromagnétique du rotor d'un moteur pas à pas. Le pôle positif d'une source de tension continue VCC est relié à la première borne 1 d'une inductance 2 dont la seconde borne 3 est reliée à l'émetteur 4 d'un transistor p-n-p 5 dont le collecteur 6 est à la masse, second pôle de la tension continue Voc. La base 7 de ce transistor est reliée à la première borne par la diode 8, orientée en sens opposé à l'alimentation par la source, et la résistance 13 de préférence variable. Le transistor 5 est commandé, sur sa base 7, par le courant d'un transistor n-p-n 9 dont la base 10 reçoit le courant il de commande. De manière connue en soi, ce courant pour l'excitation d'une inductance est composé d'une impulsion principale 11 suivie d'une suite d'impulsions carrées plus courtes i lb. Lorsque le transistor 9 est rendu conducteur par l'impulsion lla, le transistor 5 devient à son tour conducteur et le courant de la source passe dans l'inductance 2. Ainsi (figure 2), pendant le temps t1 que dure l'impulsion lla (i à 2 ms pour fixer les idées), le courant est croissant dans cette inductance jusqu'à la valeur i, laquelle correspond à l'intensité (nombre d'ampères-tours), c'est-à- dire la force électromagnétique que doit fournir l'inductance. Dans un moteur pas à pas, cette intensité est une mesure du couple de ce moteur. Lorsque l'impulsion 11a s'achève au temps t1 le trajet émet teur-collecteur (4-6) du transistor 5 cesse d'entre conducteur et le courant décroît jusqu'au temps t2 où apparat la première impulsion 11b. le courant remonte ensuite jusqu'au temps t3 puis, à nouveau, diminue jusqu'au temps t4 et ainsi de suite jusqu'au temps , après quoi le courant redescend à zéro. Comme il va être exposé, la décroissance du courant est obtenue avec résorption ae l'énergie de self-induction. Cepeniant, de manière en soi connue, cette succession d'augmentations et de diminutions de courant produit une suite d'oscillations en dents de scie 15 correspondant à une valeur moyenne i2 du courant qui assure l'entretien statique de l'excitation magnétique de l'inductance. Dans le cas d'un moteur pas à pas, le courant moyen i2 immobilise le rotor en position après la rotation d'un pas. Lorsque, à la fin de chaque impulsion 11a ou I lb, le transistor 5 cesse d'étire conducteur, en raison de l'énergie selfique accumulée dans l'inductance 2, il apparut sur l'émetteur 3 une tension positive par rapport à la base 7, ce qui produit, dans le sens normal de passage, un courent de base qui se ferme par la dio- de 8 et la résistance 13, courant qui déclenche le passage entre émetteur et collecteur de ce transistor, de sorte que cette énergie selfiaue s'écoule principalement en un courant dirigé vers le collecteur 6 et la masse. Ainsi, une faible partie de l'énergie selfique est dissipée en passant par la diode 8 (dans le sens direct) et la résistance 13, tandis que la plus grande partie est dirigée vers le collecteur, se dissipe en chaleur dans le transistor et est évacuée par l'aménagement approprié de ce collecteur en contact avec la masse. On peut considérer la diode 8 et la résistance 19 comme équivalant à une diode et une résistance de puissance qui seraient montées dans le circuit de décharge de l'inductance. 3n quelque sorte, le transistor 5 a un effet de "grossissementn électrique sur ces composants. De plus, l'impédance des trajets émetteur-base et émetteurcollecteur d'un transistor augmentant lorsque l'intensité du courant de base croit, le courent qui subsiste après la commutation est limité par ces valeurs élevées d'impédance dynamique, mais la diminution progressive de ces impédances avec le courant prolonge celui-ci, ce cui empêche une brusaue variation des effets électromagnétiques de cette inductance. La pente de décroissance du coursent dans l'inductance dépend de la valeur de la résistance 13. Lorsque cette résistance est faible, la décroissance est peu rapide (courbe 161), tandis que si la résistance est forte, la décroissance est rapide (courbe 162). On peut d'ailleurs se rendre compte que la résistance 13 n'est traversée par le courant qu'à la fin de la commutation d'une inductance. Lorsque les inductances sont commutées séquentiellement, la mtme résistance 13 peut ventre utilisée pour l'ensemble de ces inductances, soutes les inductances (telles 2a) ont alors leur entrée connectée au point 1 et toutes les diodes (telles 8a) ont leur sortie connectée au point 17. Ainsi, dans un moteur pas à pas, au temps t0 où un courant de commande par impulsions sera appliqué à une autre inductance, le courant peut subsister ou avoir complètement disparu dans la précédente. Ce résultat est particulièrement intéressant dans ce cas des moteurs à commutation d'inductances. Hil effet, lorsque le courant d'excitation subsiste, on obtient un amortissement du mouvement de rotation impulsif dont l'origine est purement électrique, ce qui notamment, par le choix de la valeur de la résistance 19, permet, dans les moteurs pas à pas, d'acùrottre la limite de vitesse de rotation à laquelle le sens de rotation du moteur peut Btre inversé sans erreur sur le nombre de pas parcourus. Sn outre, évidemment, cette réduction progressive des effets d'attraction supprime les variations brusques de vitesse, les chocs et, par conséquent, le bruit dans les moteurs de ce genre. Les effets de la pointe de tension apparaissant en 3 lors de la commutation peuvent titre dommageables au transistor 5 en entrat- nant des claquages entre émetteur et collecteur. On protège avantageusement le transistor 5 par une résistance 14 reliant l'émetteur à la base. Cette protection est d'autant plus efficace que la résistance 14 est plus faible. Cette faible résistance ne perturbe pas le fonctionnement du montage puisque, dans tous les cas, le courant qui passe par cette résistance 14 traverse aussi l'impédance 2. On peut ainsi les utiliser, par exemple, comme moteur d'en tratnement de bande support d'images, comme cela est proposé dans le brevet français No 72 10192. Un avantage important de ce montage est la possibilité de sa réalisation sous forme de circuit intégré. Bn effet, dans le cas d'une pluralité d'inductances à conrmur ter dans un ordre déterminé, un collecteur commun peut ere utilisé pour l'ensemble des transistors commutateurs. Ce collecteur commun est disponible pour la dissipation de la chaleur qui a pris naissance dans ces trajets en étant, de manière connue, fixé à un radiateur à ailettes. La figure 3 schématise ainsi les montages intégrés utilisés dans le cas d'un moteur pas à pas comportant quatre enroulements ou jeux d'enroulements inductifs 21 à 24. L'ensemble des transistors commutateurs est porté par une plaquette de semi-conducteur 12 constituant le collecteur commun de ces transistors0 Ce collecteur est relié à la masse et est solidaire d'un radiateur de chaleur (non représenté). Les émetteurs 41 à 44 et les bases 71 à 74 de ces transistors, appliqués successivement sur cette plaquette, sont respectivement reliés aux secondes bornes des inductances et au montage logique 35 qui, piloté e manière quelconque par la borne 34, assure la commi- tation de l'al rlentation des inductances en envoyant séquentiellement des impulsions sur les bases 71 à 74. Dans ce montage logique, réalisé également sous forme de circuit intégré, les diodes 81 à 84, associées aux circuits des bases 71 à 74, sont constituées par une jonction p-n de ce circuit. Dans un circuit intégré complexe, une telle jonction peut titre une. de celles qui préexistent dans ce circuit. Comme indiqué précédemment, la résistance 13 est insérée dans le conducteur de retour 36 de ces di odes, vers l'alimentation Vau+. Enfin, de manière connue en soi, les résistances de protection 141 à 144, montées dans le circuit intégré entre chaque émetteur et channe base, peuvent titre obtenues, dans ce circuit, sans apport de composants extérieurs, par gravure photo-électriaue. L'invention s'applique spécialement à l'alimentation des moteurs pas à pas dont elle augmente les qualités. REVENDICATIOg 1. Montage commutateur comportant un transistor de puissance, pour une inductance alimentée par une source de courant continu à travers le trajet émetteur-collecteur de ce transistor, les bornes de l'inductance étant shuntées par un circuit comprenant une diode orientée en sens opposé à l'alimentation par la source, caractérisé en ce que l'émetteur du transistor étant directement relié à une borne de l'inductance, la base de ce transistor qui reçoit le courant de commande est reliée à l'autre borne de cette inductance par l'intermédiaire de la diode 2. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode est montée en série avec une résistance. 3. Montage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le montage. comprenant plusieurs inductances identiques, la résistance est commune à toutes ces inductances et montée entre les sorties des diodes et les bornes d'inductances opposées à celles qui sont reliées aux émetteurs de transistors. 4. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor est protégé par une résistance relativement faible montée entre l'émetteur et la base. 5. Montage selon l'une des revendications 1 à 4 , caractérisé en ce que le transistor est du type p-n-p et que son collecteur est à la masse. 6. Montage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le collecteur du transistor commutateur est aménagé pour la dissipation de chaleur. l'une 7. Montage selon/des revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le courant de commande du transistor commutateur est fourni par le collecteur d'un transistor n-p-n dont l'émetteur est à la masse. 8. Montage selon l'une des revendications 5 à 7, appliqué à la commutation d'une pluralité d'inductances, caractérisé en ce que ltensemble 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. 9. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes, montées dans le circuit de base de chacun des transistors commutateure, sont constituées par une jonction d'un second circuit intégré pilotant la commutation des inductances. 10. Application du montage selon l'une des revendicetions précédentes à la commande d'un moteur pas à pas.