Brevet FR2254138A1 — publié le 19750704

La présente invention se rapporte à un circuit destiné à réduire la puissance dissipée par un limiteurde courant électrique intercalé dans un conducteur reliant une source de courant et une charge d'utilisation. Il est d'usage fréquent dtutiliser un dispositif assurant la limitation du courant et éventuellement la disjonc- tion ainsi que la mise sous tension dans une installation comprenant une source de courant alimentant une charge d'utilisation, dans le but de protéger la source de courant, la charge et les conducteurs de liaison vis-à-vis des surintensités résultant de défauts qui peuvent affecter la charge ou les conducteurs (courts-eircuits) ainsi que des surtensions dont peut être le siège la source de courant d'alimentation. Lorsque cette dernière est une source de courant continu, la limitation et la dis jonetion sont souvent assurées par un transistor de puissance convenable connecté en série et commandé par un détecteur de surintensité.Or, un transistor ainsi monté peut être soumis à des surcharges capables d'entratner sa destruction. Si, en effet, la puissance dissipée par un tel transistor est faible en régime normal, le transistor étant dans un état assez voisin de-la saturation. il n'en est plus de mSme en cas de défaut par surintensité ou par surtension. Soit par exemple un dispositif assurant la protection d'un réseau qui comprend une source fournissant un courant continu à une charge sous une tension nominale de 28 volts et avec une intensité nominale de 7,5 ampères. Si la tension aux bornes du transistor est égale à 1 volt en régime normal, la puissance dissipée par celui-ci est égale à 7,5 watts, valeur non négligeable et susceptible dttre réduite comme on le verra plus loin, mais qui ne pose pas de problèmes particuliers pour l'évacuation de la chaleur résultante. Mais si la charge vient à se mettre en court-circuit, la tension aux bornes du transistor atteint aussitôt 28 volts, le courant prend sa valeur maximale dçteylnée par le seuil de limitation, égale par exemple à une fois et demie l'intensité nominale, soit environ 11 ampères, et. la puissance dissipée est portée à la valeur de 300 watts envirion. Cette valeur est considérable et peut aisément entratner la destruction du transistor si la disjonction n'intervient pas assez tôt. Le cas serait encore aggravé par une surtension concomitante de ia source de courant; si la tension d'alimentation monte, par exemple du fait dtun défaut de régulation, à une valeur de 70 volts avec un seuil de limitation de courant (pour éviter une destruction de la charge d'alimentation) égal dans ee cas à deux fois l'intensité nominale, la puissance dissipée correspondante atteint la valeur énorme de 1 kW environ. Pour surmonter ces difficultés, on emploie d'ordinaire un transistor surdimensionné par rapport à la puissance qu'il doit dissiper normalement en l'absence de défauts et on le munit d'un fort radiateur; on remplace aussi parfois ce transistor par un groupe de transistors montés en parallèle qui se partagent le courant et la puissance à dissiper. Ces procédures sont lourdes, incommodes et coateuses, ce qui est désavantageux spécialement dans le cas d'utilisation à bord d'aéronefs; elles sont en outre souvent inefficaces, en particulier dans le cas d'un court-circuit et d'une surtension simultanés, le transistor étant alors le siège à la fois d'une forte tension et d'un fort courant.On sait en effet que la valeur limite de tension que peut alors supporter le transistor est imposée par la tension de claquage collecteur-émetteur dite de-deuxième seuil, qui diminue considérablement lorsque l'intensité augmente et abaisse en conséquence, indépendamment des problèmes de dissipation thermique, la puissance maximale dont le transistor peut Aetre le siège sans accident. Un autre inconvénient des dispositifs connus réside dans le fait que le degré de saturation du transistor mis dans l'état de conduction en régime de fonctionnement normal n'est pas très accentué, ce qui conduit à une tension de déchet non négligeable et à une puissance à dissiper en permanence qui contrarie la réduction des dimensions du dispositif. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de réduire les dimensions et le poids des circuits limiteurs de courant ainsi que d'augmenter leur fiabilité en soulageant le transistor limiteur de courant de manière à diminuer sa puissance dissipée en cas de défaut par surintensité ou par surtension ou singulièrement par les deux à la fois, ainsi qu'en régime normal. A cet effet, l'invention eonsiste d'abord à connecter en dérivation sur un élément limiteur de courant, tel qu'un transistor, interposé entre une source de courant d'alimentation et une charge d'utilisation, un interrupteùr monté en série avec une résistance, la fermeture de cet interrupteur étant commandée par un circuit à partir d'undétecteur de surintensité dès que la valeur de l'intensité du courant dépasse un seuil déterminé inférieur au seuil de limitation du courant. De cette manière, dès que l'élément limiteur de courant joue son rtle en faisant office de résistance variable, une partie du courant en est dérivie et passe dans l'interrupteur fermé et la résistance. De ce fait, la puissance dissipée dans l'élément limiteur decourant diminue et sa fiabilité augmente, tandis qu'on peut réduire ses dimensions. Dans le cas d'une source de courant continu, l'inter- rupteur utilisé selon l'invention est avantageusement constitué par un transistor dont le collecteur est relié à la résistance et l'émetteur à la charge d'utilisation, sa base étant commandée par un circuit à partir du détecteur de surintensité de manière à rendre conducteur à saturation ledit transistor à partir d'un seuil d'intensité déterminé. D'autre part, l'élément limiteur de courant étant généralement un transistor òu un groupe de transistors montés en parallèle), la base de-ce transistor est, selon l'invention, alimentée à partir d'une tension supérieure à la tension de la source de courant, lecollecteur dudit transistor étant sensiblement porté à cette dernière tension. Cela permet d'augmenter le courant de base de ce transistor et de le mettre dans un état de saturation plus prononcé, en s'affranchissant de sa tension émetteur-base, ce qui diminue sa tension de déchet éietteur-collecteur, donc sa puissance dissipée en régime normal, et permet d'augmenter le rendement et de réduire les dimensions des éléments de puissance du circuit en cause. La tension d'alimentation de base est de préférence obtenue à l'aide dlun convertisseur Ucontinu-continu't feurnissant une tension continue auxiliaire isolée de la source de courant et qui peut être mise en série additive avec la tension délivrée par cette dernière. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente schématiquement un circuit d'alimentation d'une charge à travers un limiteur-disjoncteur à contact classique. La figure 2 représente un circuit analogue à celui de la figure 1 où le llliteur-disjoncteur comporte un transistor traversé par le courant d'alimentation. La figure 3 représente un circuit analogue à celui de la figure 2, mais comportant les éléments additionnels selon l'invention. La figure 4 représente le schéma détaillé du circuit de la figure 3. Le schéma simplifié de la figure 1 nontre la structure d'un circuit auquel se rapporte l'invention. Une source de courant continu 1 alimente électriquement une charge d'utilisation 2 à laquelle elle est reliée au moyen d'un conducteur électrique divisé en deux sections 3,4 par un dispositif 5 jouant le rôle limiteur de courant et de conjoneteur-disjoncteur;; le dispositif 5 permet, sous l'action de commandes appropriées, d'établir la liaison entre la source 1 et-la charge 2, de liter à une valeur déterminée l'intensité parcourant le conducteur 3,4 en. direction de la charge 2 et dtinterrowpre-ladite liaison en cas de surin- tensité se prolongeant pendant un temps donné.Le retour du courant de la charge 2 vers la source 1 n'est pas assuré par un conducteur électrique spécial, wais par raccordement à des points de masse respectifs 6,7 pris sur le bâti métallique dans lequel sont installés les éléments du circuit en cause (par exemple, à bord d'un avion, le retour du~courant s'effectue par h strueture métallique de celui-ci). Le dispositif 5 peut comporter, corne l'indique la figure 2, un transistor Q1 interposé entre, les sections 3 et 4 du conducteur électrique de liaison, son émetteur étant relié à la section 4 qui aboutit à la charge 2, son collecteur à la section 3 venant de la source 1 et sa base à un agencement de commande 8 assurant la limitation par le transistor Q1 du courant d'alimentation de la charge 2; ainsi que son établissement et sa coupure sous l'action d'un interrupteur 9. L'introduction du transistor Qî permet de réduire le courant et la puissance mis en Jeu dans l'agencement de compande b. La figure 3 indique la structure d'un circuit selon l'invention où l'on retrouve avec les mêmes références les éléments de la figure 2. Afin de réduire la puissance dissipée dans le transistor Qî en cas de surintensité prononcée dans la liaison 3,4 due à une surcharge (provenant par exemple d'un court-circuit partiel ou total de la charge 2 ou d'une mise à la masse accidentelle de la section 4 du conducteur de liaison) ou à une surtension de la source I (apparaissant par exemple lors d'une défaillance du dispositif de régulation en tension de cette source), l'ensemble d'un transistor Q2 et d'une résistance r est placé en parallèle sur ledit transistor Q1 une extrémité de la résistance r étant connectée au collecteur du transistor Q1 et son autré extrémité au collecteur du transistor Q2 dont l'émetteur est relié à celui du transistor Ql La base du transistor 9 est reliée à l'agencement de commande 8 qui provoque la mise en conduction saturée du transistor 9 (normalement bloqué) lorsque l'intensité parcourant le conducteur 3, mesurée par un transducteur de courant 10 intercalé dans ce conducteur, prend une valeur déterminée légèrement inférieure à la valeur de limitation imposée par le transistor Qî' sous la cOmmande du weme agencement 8. Ainsi, lorsque le transistor Q1 commence à se Floquer en faisant office de résistance variable pour limiter le courant qui le traverse en direction de la charge 2, une partie de ce courant est dérivée dans la résistance r et le transistor 9 ce dernier étant conducteur à saturation, la quasi-totalité de la puissance correspondante est dissipée dans la résistance r, et non plus dans le transistor Q1 qui s'en trouve soulagé. I1 est alors plus aisé i garantir pour ce transistor un régime de fonc- tionnement toujours compris dans son aire de sécurité tensioncourant. En outre, pour réduire en régime normal la puissance dissipée dans ce dernier transistor monté en collecteur commun, c'est-a-dire lorsque la valeur de l'intensité s'écoulant vers la charge 2 est inférieure au seuil de limitation, la base du transistor est alimentée par l'agencement 8 (afin de mettre ce transistor en état de conduction saturée) à partir d'une tension supérieure å la tension de son collecteur relié au conducteur 3 qui est très voisine de la tension fournie par la source 1. A cet effet, un convertisseur Ucontinu-continu;' Il est prévu qui fournit, à partir de cette dernière tension, une tension auxiliaire qui en est isolée et à laquelle on peut donc l'ajouter au moyen de la connexion 12 pour former une tension supérieure disponible sur le fil de sortie 13 et appliquée par l'agencement de commande 8 à la base du transistor Q1 par l'in termédiaire dlune résistance 22.On peut ainsi saturer plus profondément ce dernier transistor en régime normal et réduire la tension de déchet présente à ses bornes (tension émetteurcollecteur) qui n'est plus tributaire de la tension émetteurbase inévitable. Cette tension de déchet peut de cette manière être réduite dans une proportion de 5 à 1 environ (par rapport au cas habituel où la base du transistor Q1 reçoit directement son alimentation de la tension délivrée par la source 1), la puissance dissipée par le transistor Q1 diminuant dans la méme proportion. La figure 4 donne un schéma détaillé du circuit selon la figure 3 conforme à l'invention, les éléments homologues portant les mimes références. Le détecteur de surintensité ou transducteur de courant 10 comprend une résistance r de faible valeur placée en série dans le conducteur 3 et dont les bornes sont reliées à un amplificateur opérationnel A1 bouclé par des résistances de contre-réaction14 et 15 de manière à offrir un gain en tension de l'ordre de 1000. La sortie A de l'amplificateur A1, dont la tension est proportionnelle au courant I circulant dans le conducteur 3 de la source 1 vers la charge 2, est reliée aux entrées inverseuses de deux autres amplificateurs opérationnels A2 et A3 non bouclés, dont les entrées non inverseuses sont portées à des tensions de référence respectives V1 et V2 fixées par des diodes Zener 16,17.La sortie de l'amplificateur A3 attaque par une résistance 18 la base d'un transistor NPN Q4 dont le collecteur est relié par une résistance 19 à la base d'un transistor PNP Q5 interposé dans le fil 13 d'alimentation de la base du transistor Qî à partir du convertisseur "continucontinu" 11 de type connu, une tension supérieure à la tension Ve de la.source 1 étant disponible sur ce-fil 13 comme il a été décrit ci-dessus. Tant que le courant I ne dépasse pas une valeur K21n étant une constante supérieure à l'unité, typiquement égale à 1,5 et In étant la valeur nominale de l'intensité I), la tension au pointA est inférieure à la tension de référence V2, la sortie de l'amplificateur A3 est positive, les transistors Q4 et Q5 sont saturés, ainsi que le transistor Q1 que traverse la totalité du courant I avec une faible chute de tension. Avant d'atteindre la valeur K2In, l'intensité I passe par une valeur KîIn inférieure (K1 étant par exemple égal à 1,3) pour laquelle la tension au point A est égale à l'autre tension de référence V1. La tension de sortie de l'amplificateur A2 passe alors d'une valeur positive à zéro, ce qui cause le blocage du transistor NPN Q3 dont la base est reliée par une résistance 20 à la sortie dudit amplificateur. Le transistor Q2 devient alors conducteur, sa base recevant un courant convenable par la résistance 21 reliée au fil 3. Il en résulte que lorsque l'intensité I dépasse la valeur K2In et que le transistor Q1 commence a se bloquer, son courant collecteur-émetteur oscillant légèrement autour d'une valeur moyenne de limitation déterminée par la boucle d'asservissement que forment-les éléments #, A1, A3, Q4, Q5, Q1 et le fil 3, le transistor Q2 est conducteur à saturation ainsi qu un transistor monté en émetteur eomaun et la résistance r se trouve branchée en parallèle avec le transistor Q1 et dérive de celui-ci un courant 12 d'autant plus grand que le courant I a tendance à crottre La -résistance r est calculée en fonction du courant limite admissible dans le pire cas de surcharge qui correspond à la fois à un court-circuit de la charge 2 et à une surtension de la source 1 dont la tension passe de sa valeur nominale Ve à une valeur KDVe Dans ce cas, le transistor Q1 est complètement bloqué (il ne dissipe donc aucune puissance) et l'intensité du courant, qui passe en totalité par la résistance r, a pour valeur Si K3 = 2,5, Ve = 28 V et Imax=2In=2x7,5 A = 15 A, il en résulte pour r la valeur de 2,5x 28 15 # 5 ohms. Dans le cas d'un court-circuit de la charge 2 sans surtension de la source 1, le courant I = K2In = 1,5 x 7,5 A = 11,25 A se partage en un courant et un courant Iî dans le transistor Q1 égal à la différence 11,25 - 5,6 = 5,65, soit en deux parties sensiblement égales, de sorte que la puissance dissipée par le transistor Q1 est divisée par deux du fait de la présence du transistor 9 associé à la résistance r et ne dépasse pas la valeur limite de 160 V environ. I1 en serait de X8me pour une surtension de la source 1 sans court-circuit de la charge 2. En pratique, on interrompt les courants anormaux de surcharge par blocage des transistors Qî et Q2 au bout d'un temps défini pouvant varier de quelques secondes à quelques dizaines de millisecondes selon l'importance de la surintensité, et cela à l'aide de circuits annexes non représentés, qui permettent en outre de mettre sous tension ou d'isoler la charge 2 (fonction équivalente à celle de l'interrupteur 9 des figures 2 et 3). La structure de ces circuits annexes dépend de chaque utilisation envisagée. Dans le circuit indique en tant qu'exemple, la source de courant 1 délivre une tension V e de polarité positive, sa borne négative étant reliée à la masse, et les transistors Q1 et sont du type NPN. Il est évident qu'on utiliserait des transistors du type PNP dans le cas d'une source 1 de polarité négative, avec modification correspondante du type des autres transistors et des autres éléments du circuit en rapport. La tension d'alimentaton + V des amplificateurs opérationnels A1, A2 et A3 est fournie par un dispositif annexe non représenté. REVENDICATIONS 1.- Circuit électrique destiné à réduire la puissance dissipée par un limiteur de courant, éventuellement associé à un conjoncteur-disjoncteur, intercalé dans un conducteur reliant une source de courant électrique et une charge d'utili- sation, ledit limiteur de courant entrant en action lorsque l'intensité parcourant ledit conducteur dépasse une valeur de seuil déterminée, un tel dépassement étant constaté par un transducteur de courant, circuit caractérisé par le fait qu'il comprend un ensenble formé par un interrupteur et une résistance reliés en série et connecté en dérivation sur le limiteur de courant et que la fermeture de cet interrupteur est commandée à partir du transducteur de courant lorsque ce dernier constate que la valeur de 1 t intensité dépasse un seuil déterminé inférieur au seuil de limitation du courant. 2.- Circuit selon la revendication 1, dans le cas où la source de courant est une source de courant continu, caractérisé par le fait que l'interrupteur est un transistor dont le colleeteur est relié à la résistance et l'émetteur à la charge d'utilisation et qui est mis en état de conduction saturée lorsque la valeur de l'intensité dépasse le seuil inférieur au seuil de limitation du courant. ).- Circuit selon la revendieation 2, dans lequel le limiteur de courant est constitué par un transistor (ou plusieurs transistors montés en parallèle) dont l'émetteur est relié à la charge d'utilisation, caractérisé par le fait que la base du transistor limiteur de courant est alimentée à partir d'une tension superieure à la tension de la source de courant continu. 4.- -Circuit selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend un convertisseur conthu-continuS fournissant une tension continue isolée de la source de courant continu et que la tension d'alimentation de la base du transistor limiteur de courant est formée par la mise en série additive de la tension fournie par ledit convertisseur et de la tension de ladite source de courant.