Brevet FR2318457A1 — publié le 19770211

La présente invention concerne un circuit intégré de stabilisation de tension du type série ayant au moins une borne entrée et deux bornes de sortie entre lesquelles la tension est maintenue constante et comportant un étage de référence de tension et un ensemble de deux transistors NPN reliés par leur base délivrant deux courants dont ltun est une fonction linéaire de l'autre, ie premier desdits transistors étant en série entre la borne d'entrée et la première borne de sortie, et étage de référence de tension étant relié à la seconde borne de sortie. On connaît des circuits de stabilisation de tension qui peuvent etre intégrés sous forme monolithique.Ces circuits servent notamment dans les montages de régulation de vitesse de moteurs à courant continu de faible puissance comme les moteurs de magnétophones ou d t électrophones. La régularité de la vitesse de rotation doit etre obtenue malgré des variations de la tension d'alimentation, des variations de température ambiante et des variations de couple résistant. Cette dernière condition exige que le circuit de régulation ait une résistance série équivalente négative de façon que la tension aux bornes du moteur ait tendance à augmenter lorsque le courant appelé augmente, pour compenser la chute de tension qui croît aux bornes de la résistance équivalente de l'induit du moteur. On connait des dispositifs dans lesquels l'induit du moteur est connecté dans une boucle de circuit en série avec une source de tension et un élément de commande de I'intensité de courant possédant une résistance négative telle que la résistance série résultante soit sensiblement nulle. Un moyen d'obtenir ce résultat consiste à fournir aux bornes du moteur une tension qui est la somme d'une tension stabilisée opposée a la force contre-électromotrice du moteur et-de la tension aux bornes d'une résistance parcourue par un courant variant linéairement avec le courant dtinduit. Un exemple de circuit intégré de stabilisation de tension susceptible de fournir en outre un courant à composante proportionnelle au courant principal de sortie est décrit dans le brevet français nO 2.150.273 et peut être utilisé pour la régulation de vitesse de moteur à courant continu; il comporte une résistance entre ses bornes de sortie, le moteur étant branché entre une borne de sortie et la masse et une résistance étant branchée entre la seconde borne de sortie et la masse. Mais ce circuitÎ.ne permet pas de protéger le moteur, et le circuitlui-mêmé; de ltéchauffement dû à une súrintensite acciden- telle plus ou moins prolongée. En effet, une protection par limitation du courant maximal admissible doit tenir compte de l'intensité du courant nécessaire à un démarrage dans des limites de temps raisonnables. Une limitation en courant protégeant contre une surintensité prolongée, par exemple un blocage du moteur, doit donc être temporisée ce qui est difficilement réalisable, dans le domaine des circuits intégrés, pour des temporisations aussi longues. Une solution consiste en une limitation en température, notamment par comparaison entre une tension stabilisée et une tension variable avec la température du circuit.Un circuit dans lequel la référence de tension est incluse dans la boucle de régulation ne peut être muni d'une telle limitation en température, t-oute action sur le courant de sortie ayant effet en même temps sur la référence de tension et la stabilisation de tension n'étant plus assurée. De plus, le miroir de courant que comporte le circuit précité, pour la sortie d'un courant croissant linéairement avec le courant dans le moteur, comprend des transistors de type PNP dont on sait que leur intégration soulève de grandes difficultés et nécessite de leur donner une structure latérale présentant l'inconvénient de la présence de transistors parasites importants, structure très limitée en puissance car le coefficient d'amplification diminue rapidement aux forts courants, obligeant à augmenter le nombre des transistors remplissant une meme fonction. L'invention a pour but notamment de pallier aux inconvénients des dispositifs mentionnés ci-dessus et de permettre une stabilisation de tension avec possibilité de fournir deux courants parallèles dont l'un est une fonction linéaire de 11 autre, et avec les protections nécessaires dont une limitation thermique. En particulier, un but de l'invention est de fournir un circuit intégré adapté à la régulation de vitesse de moteur à courant continu à aimant permanent. Selon l'invention un circuit intégré de stabilisation de tension du type série ayant au moins une borne d'entrée, et deux bornes de sortie entre lesquelles la tension est maintenue constante, et comportant un étage de référence de tension et un ensemble de deux transistors NPN, reliés par leur base, délivrant deux cou linaire rants dont l'un est une fonctionpde l'autre, le premier desdits transistors étant branché entre la borne d'entrée et une première borne de sortie et l'étage de référence de tension étant relié à la seconde borne de sortie, est remarquable principalement en ce que l'étage de référence de tension est inséré entre ladite seconde borne de sortie et la première entrée d'un dispositif comparateur dont la seconde entrée est reliée à ladite première borne de sortie et dont la sortie commande les bases desdits transistors le second transistor étant branché entre ladite borne d'entrée et ladite seconde borne de sortie, et ladite borne d'entrée étant directement reliée à la masse. Le comparateur recevant sur ses entrées une tension de référence d'une part, une tension de sortie autre part, isole les deux étages, étage de référence de tension d'une part, étage de sortie d'autre part. Il est ainsi possible de prévoir un élément de circuit, sensible à la température ou à tout autre facteur que l'on voudrait, qui agisse sur le courant de sortie sans que la référence de tension en soit affectée. Une limitation thermique notamment peut protéger le circuit et la charge, et permet en outre de prévoir pour le circuit intégré un dispositif d'écoulement de chaleur (radiateur) moins conséquent. La borne d'entrée du circuit étant directement reliée à la masse, elle peut être reliée directement au boitier contenant le circuit intégré et le boitier peut être directement relié à la masse, ce qui présente en outre l'avantage de pouvoir utiliser la masse, généralement un châssis métallique, comme dissipateur de chaleur. Compte tenu de la polarisation habituelle des circuits de micro-électronique, la masse est au potentiel le plus-négatif et la borne d'entrée étant reliée à la masse, les éléments générateurs de courant branchés sur l'entrée du-circuit, nécessaires à l-'ali- mentation de l'étage de référence de tension notamment, peuvent être constitués à artir de transistors de type NPN avec émetteur secon à la masse. Le/miroir de courant utilisé dans les dispositifs connus et qui est destiné à fournir un courant à composante proportionnelle au courant de sortie n1 est pas nécessaire dans le circuit selon l'invention, ce qui évite les inconvénients liés aux transistors de type PNP que ce miroir de courant comporte. Avantageusement, le comparateur est constitué principalement par un transistor dont l'émetteur est relié à la première borne de sortie, dont le collecteur commande la tension de base eommune aux deux transistors de l'ensemble délivrant les deux ourarts dont l'un est une fonction linéaire de l'autre, et dont la base est reliée å l'étage de référence de tension par l'intermédiaire d'ne diode assurant une chute de tension équivalente à une tension interne de jonction P/N. Ainsi le transistor du comparateur reçoit entre sa base et son émetteur une tension qui correspond à l'écart entre la tension de référence et la tension de sortie et sa conduction commande les bases desdits deux transistors.Eventuellement un transistor amplificateur de courant est interposé entre le collecteur du transistor comparateur et les bases desdits deux transistors. I1 va de soi que le comparateur peut aussi être constitué par un étage amplificateur différentiel assurant la irere fonction que le transistor comparateur. Selon une forme préférentielle de réalisation, le circuit selon l'invention comporte un élément de protection sensible à la température du circuit, qui délivre une tension de blocage de ce comparateur pour un seuil de température aéterminé. Cet élément de protection protège le circuit contre les surintensités prolongées et en même temps permet de protéger le dispositif alimenté par le circuit contre les surintensités prolongées. Cette protection est particulièrement utile dans le cas d'alimentation de moteurs de tourne-disques ou même de magnétophones, qui risquent d'être bloqués accidentellement, blocage qui autrement aurait pour conséquence d'endommager le moteur et le circuit d'alientation. Selon une forme de réalisation avantageuse, l'élément de protection sensible à la température est un transistor normalement à l'état non conducteur dont la jonction émetteur-base est polarisée à une tension fixe prélevée sur l'étage de référence de tension. L'écart avec la tension interne de cette jonction qui varie en fonction de la température provoque, pour une température déterminée, le passage à l'état conducteur du transistor. Selon cette forme de réalisation, la conduction de ce transistor est utilisée pour bloquer le transistor comparateur en supprimant son courant de base, par exemple au moyen d'une porte du type différentiel, et le blocage du comparateur supprime le courant de sortie. L'étage de référence de tension est conforme aux références de tension habituellement utilisées. Cette référence de tension comporte une compensation thermique qui maintient sa valeur malgré les variations de température ambiante. Par exemple, la référence de tension est d'un type dit CML (current mode logic) adaptée aux tensions très faibles, dans lequel la dérive thermique négative d'une jonction base-émetteur est compensée par la dérive thermique positive de l'écart entre les jonctions base-émetteur de deux transistors parcourus par des courants différents. En particulier la tension de référence peut être de 1,35 V correspondant à un seul niveau de compensation. Le circuit selon l'invention-peut être mis en oeuvre dans un dispositif de régulation de vitesse de moteur à courant continu à aimant permanent, qui constitue une application particulièrement avantageuse. Une résistance R1 de valeur réglable est branchée entre les deux bornes de sortie; une autre résistance R2, de valeur voisine ou au plus égale à celle de la résistance de l'induit du moteur multipliée par K, rapport des composantes proportionnelles des courants aux deux bornes de sortie, est branchée entre la seconde borne de sortie et le pôle positif de la source d'énergie et le moteur est branché entre la première borne de sortie et le même pôle positif de la source d'énergie.On sait que pour un moteur de ce type, l'intensité absorbée 1m est fonction du couple résistant, la force contre-électromotrice E est proportionnelle à la vitesse de rotation et la tension aux bornes du moteur V est m égale à Rm 1m + E, R étant la résistance interne de ltinduit. m Avec le montage des résistances précitées R1 et R2, la tension aux bornes de la résistance R1 étant maintenue constante grâce au circuit selon l'invention, par comparaison avec la tension de référence VR, et les variations des courants délivrés aux deux bornes de sortie du circuit étant proportionnelles, on constate que l'on peut déterminer une valeur de R2 pour laquelle les variations de couple appliqué au moteur sont exaetement compensées par une variation de tension adéquate, la valeur de la résistance R1 déterminant la valeur constante de la vitesse de rotation du moteur. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est un schéma simplifié d'un circuit de stabilisation de tension conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma plus détaillé du circuit de la figure 1. La figure 3 est un schéma de régulateur de vitesse de moteur à courant continu utilisant un circuit selon l'invention. Le schéma que la figure 1 est celui d'un circuit intégré à trois bornes, dont une borne d'entrée 1, à la masse, une premIere borne de sortie 3 et une seconde borne de sortie 2. Ce circuit comporte un étage de référence de tension 10 branché entre la borne 2 et l'entrée d'un dispositif- comparateur 11 dont l'autre entrée est connectée à la borne de sortie 3. La sortie du comparateur il commande deux transistors NPN 13 et 14 dont les bases sont reliées, le transistor 13 étant en série avec une résistance 16 entre la borne 3 et la masse, et le transistor 14 etant en série avec une résistance 17 entre la borne 2 et la masse. Un générateur de courant 12 alimente- la référence de tension 10.Un transistor 15 dont la base est polarisée par une fraction de la tension de référence commande le blocage du comparateur 11. Les deux transistors 13 et 14 de même structure forment un miroir de courant; les courants débités par leurs collecteurs sont proportionnels et sont commandés par la tension de sortie du comparateur 11. Cette tension est fonction de la différence entre ses tensions d'entrée. Lorsque la tension entre les bornes 2 et 3 tend à diminuer, le comparateur 11 agit sur les transistors T et T 13 dans le sens d'une augmentation de leurs courants. Le transistor 15 est un transistor sensible à la température atteinte par le circuit et il est normalement non conducteur; lorsque la température du circuit atteint un seuil déterminé, la différence entre la tension fixe de polarisation de sa jonction émetteur-base et la tension interne de cette jonction devient suffisante pour le rendre conducteur. Le transistor 15 agit à ce moment sur le comparateur il dans le sens d'un blocage qui a pour effet de rendre les transistors 13 et 14 non conducteurs, ce qui par contre n'a pas d'action sur l'étage de référence de tension 10. Le schéma de la figure 2 donne, à titre d'exemple, une forme de réalisation du circuit de la figure 1 conforme à l'invention. On retrouve sur ce schéma les transistors 13 et 14, formant miroir de courant, avec leurs résistances d'émetteurs 16 et 17, ainsi que le transistor limiteur thermique 15, la borne d'entrée 1 et les bornes de sortie 2 et 3. L'étage de référence de tension comprend un transistor 38 et un transistor 32, polarisés à travers une résistance 35. Le transistor 38 est utilisé en diode, son collecteur étant relié à sa base. Les transistors 32 et 38, de dimensions différentes mais de même structure, sont le siège de densités de courant très diffé rentes, déterminant des chutes de tensions internes de jonction émetteur-base différentes. Ces chutes de tension sont mises en opposition sur la résistance d'émetteur 33. La différence entre ces chutes de tension a une faible dérive thermique positive et elle est amplifiée par le transistor 32 et détermine la tension aux bornes d'une résistance de charge de collecteur 34.La tension aux bornes de la résistance 34, à dérive thermique positive s'ajoute à la chute de tension interne d'émetteur-base du transistor 31, à dérive thermique négative, pour fournir une tension de référence, à dérive thermique nulle entre la borne 2 et le point A. Le dispositif comparateur est essentiellement constitué par un transistor 42 dont l'émetteur est relié à la borne 3, dont la base reçoit la tension de référence, disponible au point A, diminuée de la chute de tension interne d'une diode 39 équivalente à une jonction émetteur-base de transistor. L'écart entre la tension de référence et la tension de sortie en 3 détermine ainsi la conduction du transistor 42 qui commande les bases des transistors 13 et 14 par l'intermédiaire d'un transistor amplificateur 47. De préférence la borne 3 est du type dit prise courant-tension, le conducteur de polarisation de l'émetteur du transistor 42 et le conducteur de passage des courants de collecteur des transistors 13 et 47 restant indépendants jusqu'à une borne extérieure au circuit intégré. Le transistor limiteur thermique 15 est polarisé au moyen d'unwpont de résistances 36, 37, à partir de la tension de référence disponible entre les points 2 et A. Le transistor 15 a son collecteur relié à une entrée B de commande d'un montage différentiel constitué de transistors 43 et 44, alimentés par un générateur de courant constitué par un transistor 48. Le point B est relié d'autre part à la base du transistor 47 et au collecteur du transistor 42 par l'intermédiaire d'une diode 45. Pour fixer le débit du générateur de courant 48, un transistor 41 forme avec ce transistor 48 un miroir de courant, dont un transistor 50 constitue une boucle de contre-reaction. Le transistor 41 reçoit le courant constant fourni par un transistor 40 muni d'une résistance d'émetteur 30 et polarisé à partir de la tension de référence Le transistor 50 reçoit son courant d'émetteur à travers une résistance 51 et son collecteur est relié au point A de la référence de tension. Le collecteur du transistor 44 est relié au paint A de référence de tension, le collecteur du transistor 43 est relié à la base du transistor comparateur 42. La base du transistor 4h reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 6 est commande soit par le transistor 15 lorsque ie circuit est conducteur, soit par la tension provenant de la diode 45 égale à la son. me des tentensions base-émetteur des transistors 47 et 13 et d la tension aux bornes de la résistance 16, la diode 45 étant passante ou non suivant le sens de l'écart.La base du transistor 43 reçoit en C une tension qui est la somme des tensions base-émetteur du transistor 48 et du transistor 50. Le différentiel bascule selon la valeur relative des tensions aux points B et C. La résistance 16 détermine l'intensité de courant qui provoque à ses bornes une tension suffisante pour que la tension résultante en B fasse basculer le différentiel dans le sens du blocage du transistor 43 qui entraîne le blocage du transistor 42, ainsi se trouve réalisée une limitation du courant de sortie qui constitue notamment une protection contre les courtcircuits. Lorsque la température du circuit stélève anormalement, le transistor 15 devient conducteur-et la tension qui en résulte au point B, fonction de la valeur de la résistance 46, entraîne le basculement du différentiel également dans le sens du blocage du transistor 43. Lorsque, par suite de l'effet de la limitation en courant ou de la limitation thermique, le transistor 43 est bloqué, bloque le transistor 42 et fait chuter le courant de sortie, le transistor 44 devient conducteur et l'étage de référence de tension continue d'être alimenté et de fournir la tension de référence au transistor comparateur 42. L'ensemble des éléments du circuit de la figure 2 peut être intégré sur une plaquette de silicium selon les techniques habituelles sans difficultés particulières. Les transistors traversés par des courants relativement importants sont des transistors NPN de structure courante et les seuls transistors PNP nécessaires 15, 40 et 42 sont des transistors de très faible puissance dont la structure latérale n'exige pas une surface prohibitive et dont les inconvénients d'irrégularité de gain n' entraînent aucune conséquence. L'application du circuit selon l'invention a la régulation d'un moteur à courant continu à aimant permanent peut se faire par exemple selon le schéma de la figure 3. Une résistance 23 est branchée entre les bornes de sortie 2 et 3 du circuit intégré 21, une résistance 20 est branchée entre la borne 2 et la borne positive 25 de la source d'énergie et le moteur est branché entre la borne 3 et la borne 25. Les bornes 1, 2 et 3 du circuit 2i corres pondent aux mêmes bornes des circuits représentés sur les figures 1 et 2. La connexion 26 représente la liaison à la masse du cir cuit 21, connexion se faisant par exemple par l'intermédiaire du boîtier ou de l'embase du boltier du circuit dans le cas ou ce boîtier ou cette embase sont métalliques. La tension aux bornes du moteur Vm est égale à la somme de la tension V20 aux bornes de la résistance 20 et de la tension V23 aux bornes de la résistance 23. Cette dernière tension V23 est stabilisée par le circuit 21 et peut être considérée comme une constante. D'autre part, V20 = R20 I20, R20 étant la valeur de la résistance 20 et I20 le courant dans cette résistance.Si I2 est le courant débité par le circuit 21 à sa borne 2 et I3 le courant qu'il débite à -la borne 3, et si 123 est le courant dans la résis tance 23 de valeur R23, on a: V 120 = 12 + 123 = 12 + 23 R23 D'autre part, les courants débités par le circuit étant fonc tion linéaire l'un de l'autre on a: 12 Io +K13, lo étant le courant absorbé par l'étage de référence de tension lorsque le comparateur est bloqué et K, le rapport des intensités de courant fournies par le miroir de courant constitué par les transistors 13 et 14 du schéma de la figure 2. Comme 13 est la somme de I23 et du courant 1m dans le moteur, on constate que la valeur de V20 s'exprime ainsi par une somme de termes constants et d'un terme de la forme KIm. La valeur de la résistance 20 peut etre déterminée pour que le terme de la forme KIm assure une compensation rigoureu se de la variation de la chute de tension due à la résistance de l'induit, ce qui permet d'obtenir une force contre-électromotrice et-une vitesse constantes, quel que soit le courant 1m proportion nel au couple résistant. La valeur de la résistance 23 détermine la valeur e la somme desdits termes constants et de ce fait la valeur de ia tension aux bornes du moteur et sa vitesse. - REVENDICATIONS 1.- Circuit intégré de stabilisation de tension du type série, ayant au moins d'une part une borne d'entrée, d'autre part deux bornes de sortie entre lesquelles la tension est maintenue constante, et comportant un étage de référence de tension et un ensemble de deux transistors NPN reliés par leurs bases délivrant deux courants dont l'un est unie fonction linéaire de autre, le premier desdits transistors étant en série entre la borne d'entrée et la première borne de sortie, et l'étage de référence de tension étant relié à la seconde borne de sortie, caractérisé en ce que l'étage de référence de tension est inséré entre ladite seconde borne de sortie et la première entrée d'un dispositif comparateur dont la seconde entrée est reliée à ladite-première borne de sortie et dont la sortie commande les bases desdits transistors, le second transistor étant branché entre ladite borne d'entrée et ladite seconde borne de sortie, et ladite borne d'entrée étant directement reliée à la masse. 2.- Circuit intégré de stabilisation de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif comparateur est constitué par un transistor dont l'émetteur est relié à la première borne de sortie, dont le collecteur commande la tension de base commune aux deux transistors dudit ensemble, et dont la base est reliée à l'étage de référence de tension par l'intermédiaire d'une diode à jonction P/N 3.- Circuit intégré de stabilisation de tension selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ee qu'il comporte un élément de protection sensible à la température, qui délivre à un étage différentiel une tension déterminant- le blocage du comparateur pour un seuil de température déterminé. 4.- Circuit intégré de stabilisation de tension selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de protection est un transistor, non conducteur au-dessous dudit seuil, dont la jonction émetteur-base est polarisée à une tension fixe prélevée sur la référence de tension et qui devient conducteur au-dessus dudit seuil. 5.- Circuit intégré de stabilisation de tension selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'un transistor amplificateur de courant est interposé entre le collecteur du transistor comparateur et les bases des deux transistors dudit ensemble. 6.- Circuit intégré de stabilisation de tension selon l'une des revenidcations 1 à 5, caractérisé en ee que dans l'étage de référence de tension, la stabilité en température est obtenue par l'addition de la dérive thermique d'une tension de jonction émetteur-base dun transistor et de la dérive thermique amplifiée de ta différence entre deux tensions de jonction émetteur-base de transistors parcourus par des courants différents. 7.- Circuit intégré de stabilisation de tension selon la revendication 6, caractérisé en ee que la borne d'entrée est élec tr uement reliée à un élément métallique du boîtier contenant le circuit intégré. 8.- Régulateur de vitesse de moteur à courant continu, à résistance interne négative eomprenant un circuit de stabilisation de tension, une résistance branchée entre les deux bornes de sortie dzudlt circuit, et une resistanee branchée entre une bprne de sortie dudît circuit et un pôle de l'alimentation, le moteur étant branché entre lwautre borne de sortie dudit circuit et ledit pôle, caractérisé en ce que le circuit de stabilisation est conforme à l'une des revendications 1à 7, ledit pôle étant le pôle positif de l'alimentation, et l'autre pôle de l'alimentation étant la masse.