Brevet FR2301948A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne un transistor dont la protection ne fait pas appel à des composants extérieurs. On sait que les transistors sont très sensibles aux surcharges ou aux courts-circuits qui surviennent dans leur circuit collecteur-émetteur. En effet, de tels phénomènes entraînent une destruction très rapide du transistor, car la dissipation inacceptable qui se produit sur le collecteur provoque un échauffement excessif du cristal semi-conducteur. Les surcharges peuvent affecter, par exemple, les transistors de puissances utilisés dans les amplificateurs basse-fréquence. Les courts-circuits sont susceptibles d'affecter tout particulièrement les transistors dont la résistance de charge de collecteur ne peut être placée à proximité immédiate du transistor, mais doit être reliée à lui par des fils longs. Ainsi, dans le cas d'un relais, la commande est située au point de commande même, tandis que le relais est placé dans un boîtier avec d1 autres composants électroniques connectés par fils. C'est surtout dans les cas ou l'électronique fait des incursions dans le domaine de l'électrotechnique qu'il est absolument indispensable de protéger les transistors contre les effets destructeurs de courts-circuits accidentels dans leur circuit de collecteur. Dans le cas des transistors de sortie d'amplificateurs basse fréquence, on connaît une méthode de protection contre les surcharges qui consiste à utiliser un limiteur de courant pour maintenir en permanence la dissipation d'énergie à un niveau inférieur à lthyperbole de dissipation, ctest-à-dire que le courant collecteur-émetteur du transistor est limité de façon que cette condition soit remplie. Cette méthode est notamment décrite dans la revue "IEEE Transactions on Broadcast and Television Receivers > ', November 197S, pages 311 à 320 (voir en particulier les figures 2, 3 et 4). Le principe de cette limitation de courant consiste a insérer une résistance dans le circuit d'émetteur, le courant étant limite par la tension aux bornes de la résistance. Le circuit décrit dans la revue précitée est un amplificateur basse-fréquence symétrique constitué par un circuit intégré monolithique qui comporte un nombre de bornes appréciable pour ltapplication de tensions de fonctionnemoext et de commande. L'objet de l'invention est de fournir un transistor à usage universel qui soit protège contre les surcharges et les courts-circuits, ce qui signifie que le transistor ne doit comporter que trois bornes comme un transistor nominal, pour pouvoir être utilisé contre tel. Cette exigence limite les possibilités de realisation de la protection contre les courts-circuits et les surcharges, car on ne dispose pas d'une borne supplémentaire pour fournir de I'extérieur les tensions de fonctionnement et de commande nécessaires.En outre, on doit renoncer à mettre en oeuvre la méthode de protection par limitation de courant décrite plus haut, qui tient compte de l'hyperbole de dissipation, car, dans certains cas de fonctionnement, après ltélimination d'un court-circuit, deux points de fonctionnement du transistor sont possibles, l'un étant indésirable. L'invention part de la solution connue qui consiste à insérer une résistance de mesure dans le circuit d'émetteur, mais adopte une méthode différente pour réaliser son objet. L'idée de bloquer le transistor à protéger en cas de surcharge ou de court-circuit n'est pas nouvelle, mais dans tous les cas la solution apportée au problème est différente de celle de l'invention. En particulier, le circuit de protection et de blocage doit avoir sa propre tension d'alimentation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, un schéma de principe d'un transistor conforme à l'invention ; - la figure 2, le schéma électrique d'une réalisation de l'invention sous forme de circuit intégré monolithique ; - la figure 3, le schéma d'une variante améliorée du circuit à seuil de la figure 2 ; - la figure 4, un diagramme des temps utile pour comprendre le fonctionnement du transistor de la figure 2. La figure 1 montre un transistor Tr qui constitue avec son circuit de protection le transistor autoprotégé T dont le bottier 7 est figuré par l'encadrement en trait discontinu. Une résistance W est connectée entre l'émetteur E' du transistor Tr et la borne d'émetteur du transistor T. Le signal de commande pour la base B' de Tr est appliqué sur la borne de base B du transistor T et attaque la base B' de Tr à travers une source de courant constant 2.Un régulateur de tension 1 est connecte entre les bornes de base et d'émetteur de T. I1 permet d'obtenir la tension de fonctionnement nécessaire aux différents éléments du circuit de protection. I1 peut etre constitué, par exemple, d'une ou plusieurs diodes conduisant dans le sens direct, d'une ou plusieurs diodes Zener, ou d'une combinaison de ces deux types de dicdes. L'émetteur E' du transistor Tr est connecte à l'entrez d'un circuit à seuil 3 qui peut etre une bascule de Schmidt, un amplificateur différentiel dont une entrée est à un potentiel constant ou autre circuit à seuil bistable, l'important étant d'utiliser comme seuil de commutation la tension base émetteur d'un transistor appartenant au circuit à seuil. On peut avantageusement faire en sorte que le circuit à seuil limite d'abord, de façon connue, le courant collecteur-émetteur du transistor Tr, c'est-à-dire qu'il produise une limitation sur le circuit de base de Tr (cet effet est représenté par les pointillés), et qu'il applique un signal à l'entrée S d'une bascule bistable au début de la limitation de courant. La sortie du circuit à seuil 3 commande l'entrée S de la bascule bistable 4. L'une des sorties, Q, de la bascule bistable est connectée à l'une des entrées d'une porte logique 5. Cette meme sortie Q ou l'autre sortie de la bascule bistable est connectée à l'entrée d'une ligne à retard 6 dont la sortie commande l'entrée R de la bascule 4 et l'autre entrée de la porte 5. En ce qui concerne la ligne à retard 6, le montage en série de n étages inverseurs s'est avéré particulièrement intéressant, le nombre n d'étages étant fonction du retard désiré. L'utilisation de sources de courant constant comme résistances de charge de collecteur est particulièrement avantageuse. Pour ce qui est de la dissipation, on n'a que l'embarras du choix, car l'invention s' applique indifféremment à des transistors de faible, moyenne ou forte puissance. L'invention peut également servir à protéger des transistors tels que ceux utilisés dans un montage Darlington ou les deux transistors complémentaires d'un étage de sortie symétrique. Si le transistor de I1 invention est utilisé exclusivement comme transistor de commutation, il est particulièrement avantageux d'employer comme source de courant constant 2 un circuit à seuil de façon à obtenir un déblocage instantané du transistor Tr quand le signal de commande appliqué sur la borne de base B dépasse un certain seuil de tension. De telles sources de courant constant à seuil sont eonnues. Les différents circuits du transistor de l'invention, à l'intérieur du boîtier 7, peuvent etre réalisés en même temps que le transistor Tr sous la forme d'un circuit intégré monolithique sur un seul cristal semiconducteur ou sur au moins deux cristaux semi-conducteurs. Le dernier cas est intéressant dans le cas où le transistor à protéger est un transistor de puissance. On peut aussi avoir, dans un meme boîtier de dimension adéquate, une partie des composants sous forme intégrée et le reste sous forme de composants discrets. La figure 2 montre le schéma électrique d'une rélisation du transistor de l'invention sous forme de-circuit intégré monolithique. Dans la figure 2, les différents circuits élémentaires de la figure 1 sont disposés côte a cote. Ils sont séparés par des traits mixtes et désignés par les numéros de référence correspondants pour bien mettre en évidence leur interconnexion et leur inter-action. Le transistor Tr est en réalité un montage Darlington dans lequel la base du transistor que traverse le courant collecteur-émetteur principal est connectée à la borne d'émetteur E par l'intermédiaire d'une résistance. Dans la réalisation de la figure 2, la source de courant constant 2 est une résistance R1, mais on peut aussi utiliser une source de courant constant à transistors. Le circuit à seuil 3 de la figure 2 est constitue par deux transistors T31, T32 et deux transistors T33 T34 complémentaires des premiers et montés en sources de courant constant. L'émetteur du transistor T31 est connecté à l'émetteur E' du transistor Tr, tandis que son collecteur est connecté au collecteur du transistor T33. Le transistor T32, dont l'émetteur est connecté à la borne d'émetteur E, se comporte comme une diode du fait de la liaison directe collecteur-base qui est connectée au collecteur du transistor T34 et à la base du transistor T31. La bascule bistable 4 de la figure 2 est une bascule RS constituée par deux portes NON-OU rétrocouplées. Les deux portes NON-OU de la bascule RS se composent chacune de deux transistors, respectivement T41, T42 et T43, T44, dont les circuits collecteur-émetteur sont connectes en parallèle et dont les émetteurs sont connectés à la borne d'émetteur E. T41 et T43 sont les transistors de commande, et T42 et T44 les transistors de commutation de la bascule RS. Les résistances de charge de collecteur sont R41 et R43. Les collecteurs des transistors T41 et T42 sont reliés à la base de T44 par la résistance R42. Les collecteurs des transistors T43 et T44 sont reliés à la base de T42 par la résistance R44. La base du transistor de commande T41 correspond à ltentrée S ; celle du transistor de commande T43 correspond à l'entrée R. Etant donné que la réalisation de la figure 2 doit protéger un transistor NPN Tr, il faut une tension d'alimentation U positive, et donc il faut également utiliser des transistors NPN comme éléments actifs du circuit de protection et de blocage. Un signal dépassant le seuil de tension des transistors T41 et T43 provoque un changement d'état de la bascule RS, ltétat courant de celle-ci conditionnant l'efficacité d'un signal positif sur S ou R. Dans le cadre de la présente invention, la sortie Q est définie comme étant celle qui, en réponse à un signal sur ltentrée S provoquant un changement d'état de la bascule RS, applique un signal positif aux collecteurs interconnectés du transistor de commutation T44 et du transistor de commande T43. Ainsi, le collecteur commun des transistors T41 et T42 représente la sortie Q complémentaire de la sortie Q. Le collecteur du transistor T31 du circuit à seuil 3 est connecté à l'entrée S. Comme on a choisi une bascule RS et comme la base B' du transistor Tr doit être bloquée quand le circuit à seuil 3 fonctionne, on utilise comme porte logique 5 ne porta NON-OU constituée par les transistors T51 et T52 dont les circuits collecteur-émetteur sont connectés en parallèle, les émetteurs à la borne d'émetteur E et le collecteur commun à la base B' du transistor Tr. Le transistor T51 est relié à la sortie Q de la bascule RS par l'intermédiaire de la résistance R51. le circuit à retard 6 est une chaîne d'étages Inverseurs en série constituée par les transistors T61, T62, T63, T64 et T65 et leurs complémentaires T61', T62', T63', T64' et T65' montés en sources de courant constant. Les circuits base-émetteur de ces derniers sont connectés en parallèle. leurs bases sont reliées aux bases des transistors T33 et T34 du circuit à seuil 3 dont les circuits base-émetteur sont également connectés en parallèle. La base co@@une de tous ces transistors est reliée à la borne d'émetteur E via le circuit collecteur-émetteur du transistor T66 dont la base est connectée au collecteur.Les émetteurs des transistors montés en sources de courant constant du circuit à retard 6 sont reliés via la résistance R61 aux émetteurs de leurs homologues du circuit à seuil 3, lesquels sont reliés à la borne de base 3 par l'intermédiaire de de la résistance R31. Le collecteur de chaque transistor d'étage inverseur est connecté au collecteur du transistor monté en source de courant constant correspondant et à la base du transistor suivant co@@e le montre le schéma. La base du transistor E1 est connectée à la sortie Q de la bascule Bs par médiaire de la résistance R62. Le collecteur du dernier transistor d'étage inverseur T65 est relié à la deuxième entrée de la porte NON-OU T51-T52, c'est-à-dire à la base du transistor T52, par l'intermédiaire de la résistance R52, et à l'entrée R de la bascule RS par l'intermédiaire de la résistance R45. Comme on peut le pour, le no-bre n d'étages du circuit à retard est impair dans la réalisation de la figure 3. Mais il pourrait aussi b@en être pair. le régulateur de tension 1 de la figure 2 est constitué par transistors montés en diodes T11, T12 et T13, et un transistor supplémentaire T14. L'extrémité émetteur du montage est reliée à la borne d'émetteur E par l'intermédiaire de la résistance R11, et l'extrémité collecteur à la borne de base B. Une résistance R11 est connectée en parallèle avec le circuit base eletteur du transistor T14 dont le collecteur est relie à la borne de base B. Ainsi, le courant de régulation principal traverse T14, alors que T11, T12 et T13 ne sont traversés que par le courant de base de T14 et le courant traversant @a résistance R11. La figure 3 représente une variante améliorée du circuit à seuil 3 de la figure 2. Les transistors T31 et T32 de la figure 2 ont été intervertis vis-à-vis de la résistance W, et un transistor T36, complémentaire de ses transistors, a été inséré à l'entrée du circuit à seuil. Ainsi, le transistor T32', homologue du transistor T32, a l'émetteur relié à l'émetteur E' du transistor Tr, et le transistor T31', homologue du transistor T31@ a l'émet@eu@ relié à la borne d'émetteur E.Le collecteur du transistor T31@ est co@@ecté 2 la base du transistor T36 dont l'émetteur est relié à la base Bit du transistor Tr et dont le collecteur est relié à la borne d'émetteur E par l'intermédiaire de la résistance R32 et à l'entrée S de la basc@@@e @S. On va maintenant expliquer le fonctionnement du transistor selon l'invention en se référant aux figures 2 et 4. Quand le courant @@@i@al I@ croît, la tension qui apparaît aux bornes de la résistance W dépasse le seuil du circuit à seuil 3. Ce seuil a été fixé en tenant compte du co@@a@t @@@@@@@ adnissible Iz. Le signal appliqué à l'entrée S de la bascule R5 4 est suffisant pour provoquer un changement d'état de la bascule. Le seuil de ten@@@@ est défini par la différence entre les tensions base-émetteur destransistors @@@ et T32 du circuit à seuil 3.On peut fixer cette différence en d@@@ession@@@@ de façon appropriée la surface des jonctions d'émetteur des transi@ters @@@ et T32 et/ou par réglage du courant constant délivré par les transisters @@@ et T34. A cause de la sosae du temps de co@@utation t2-t et du temps de co@@utation t3-t2 de la porte NON-OU, le courant t@@@vers@@t transistor Tr et la résistance W croît jusqu'au courant de court-circuit @ pendant un bref instant, pour s'annuler ensuite. Ceci est illustré par la courbe a de la figure 4. En même te@ps que le courant s'annule dans le transistor Tr@ le signal appliqué à l'entrée S de la bascule RS retombe à zéro (voir cou@be@ de la figure 4). La courbe c de la figure 4 @ontre la forme du signal de sortie @ de la bascule RS. Il devient positif après le temps de com@@tation t2-t@- Etant donné que le signal de sortie inverse Q traverse le circuit à retard @, il atteint l'entrée R de la bascule RS avec un retard tv = t4-t2 @ de p@@@@, il arrive inversé car le nombre d'étages inverseurs est impair @ à la fin d@ temps t2-t1, il provoque un changement d'état de la bascule (voir courbes d et c de la figure 4). Comme le signal de sortie Q est retardé au total du temps tv, le signal d'entrée R reto@be à zéro à l'instant t5. La sortie de la porte NON-OU passe alors à l'état haut et la base B' du transistor Tr conduit à nouveau (voir courbe e de la figure 4). Ainsi, de nouveau, le courant I croît jusqu'au courant de court-circuit Ik et le processus précédent se répète. Ainsi le déblocage après un court-circuit se produit après un temps égal à deux fois le retard engendré par le circuit à retard 6. La figure 4 montre également qu'après un nouveau délai de 2t , le v transistor Tr retrouve son fonctionnement normal car, entre temps, le courtcircuit a été éliminé. Le déblocage de la base B' du transistor Tr se produit donc au moment de la retombée du signal d'entrée R, et le courant I se n rétablit. Dans un circuit expérimental utilisant des transistors intégrés monolithiques, la bascule RS a un temps de commutation t2-t1 d'environ 100 ns, et la porte NON-OU, un temps de commutation t -t d'environ 100 ns également. Le retard t du circuit à retard 6 est d'environ 50 ps, d'où une valeur de v 10 kHz pour la fréquence des impulsions générées automatiquement dans le circuit pour déterminer si le court-circuit ou la surcharge a ou non disparu. Dans le cas du circuit à seuil modifié de la figure 3, la différence entre les tensions base-émetteur des transistors T31' et T32' sert là aussi de seuil de tension. Quand la tension aux bornes de la résistance W dépasse ce seuil, la base B' du transistor Tr est d'abord reliée à un potentiel limitant le courant collecteur-émetteur, et dans le meme temps l'entrée S de la bascule RS reçoit le signal déclenchant le blocage, de sorte qu'après le temps de commutation de la bascule RS, la base B' du transistor Tr est bloquee. Ce perfectionnement empeche la destruction du transistor Tr dès la commutation de la bascule RS et de la porte NON-OU. On peut utiliser à la place de la bascule bistable un thyristor, voire un thyristor tétrode. I1 suffit de choisir un nombre d'étages inverseurs et un type de porte logique appropriés pour obtenir un fonctionnement tel que représenté par la figure 4. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagees sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Transistor à protection intrinsèque en boîtier à trois b@@@@es, caractérisé par le fait qu'il comprend un transistor élémentaire @@@@ l'émetteur est relié à une borne d'émetteur externe par l'intermédiaire d'une résistance et dont le collecteur est relié directement à une borne de collecteur exteurne ; qu'une borne de base externe est reliée a la borne d'émetteur exte@@@ par l'intermédiaire d'un régulateur de tension et à la base dudit transist@@ élémentaire par l'intermédiaire d'une source de courant constant @ que l'émetteur dudit transistor élémentaire est relié à l'entrée d'un ci@@@@it seuil , que la sortie dudit circuit a seuil est reliee à l'entrée tr@@@il d'une bascule bistable dot l'une des sorties est reliée à la premiè@@ d'une porte logique, cette même sortie ou l'autre étant reliée à l@ d'un circuit å retard , que la sortie dudit circuit a retard est reliée à l'entrée repos de ladite bascule et à la deuxieme entrée de ladite p@@te logique ; que la sortie de ladite porte logique est reliée a la base dudit transistor élémentaire ; que la tension apparaissant au cours @@ nement entre ladite borne de base externe et ladite borne d'émetteur @@@@@@@ sert de tension de fonctionnement pour ledit circuit à seuil, ladite bascule, ledit circuit à retard, ladite source de courant constant et ladite porte logique ; et que lesdits éléments du circuit ainsi que la résistance et régulateur sont contenus dans ledit boîtier. 2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est réalisé par intégration monolithique sur au moins un cristal @@@i- conducteur. 3. Transistor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit transistor élémentaire est un transistor de puissance. 4. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit transistor élémentaire est constit@é par @@ montage Darlington. 5. Transistor selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit circuit à seuil est une bascule de S@@@@@@@ ou un amplificateur différentiel dont une entrée est à un potentiel fixe. 6. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 5@ caractérisé par le fait que ledit circuit à retard est une chaîne de m étages inverseurs dont les résistances de collecteur sont constituées par des sources de courant constant. 7. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que ladite source de courant constant comp@@te un seuil de deblocage. 8. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracterisé par le fait que ledit circuit à seuil est conçu comme un limiteur de courant dont le fonctionnement commande le basculement de ladite bascule par l'entrée travail de celle-ci. 9. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracterisé par le fait que ladite bascule est une bascule RS, ladite porte logique, une porte NON-OU, et ledit circuit à retard une chaîne d'inverseurs comportant un nombre impairs d'étages. 10. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caracterrise - par le fait que ledit régulateur est constitué par une chaîne de diodes en série qui sont disposées dans le circuit de base d'un transistor supplémentaire traversé par le courant de regulation principal.