Brevet FR2288413A1 — publié le 19760514

L'invention concerne-un circuit d'alimentation en courant continu stabilise'. Plus préciséments l'invention a pour objet un circuit fournissant à partir d'un réseau alternatif au moins deux basses tensions continues, stabilisées, isolées du secteur. Un tel cir cuit est particulièrement intéressant pour l'alimentation des or dinateurs. Les circuits d'alimentation stabilisés connus comportent essentiellement un circuit de découpage push-pull, une boucle de régulation, un transformateur à prises multiples et un circuit de redressement et filtrage. En dépit de leur simplicité de principe apparente, ces circuits sont relativement chers et complexes et du fait que, d'une part les éléments du circuit de découpage doivent supporter toute la puissance et travailler à tension relativement élevée ets d'autre part que la boucle de régulation doit réagir à la fois aux variations du secteur et à celles de la charge. Le circuit suivant l'invention, qui comporte essentielle~ ment deux circuits de découpage et deux boucles de régulation dis tinctes, est exempt de ces inconvénients ; de plus, il assure une meilleure régulation. Plus précisément, un circuit d'alimentation stabilisée suivant l'invention, fournissant à partir d'un réseau alternatif des tensions continues stabilisôes, plus faibles, comporte essen tiellement entre le secteur et un transformateur de sortie multi prises suivi de redresseurs et filtres - un circuit de redressement et filtrage de la tension du secteur alternatif - un premier circuit de découpage alimenté par la tension de sor- tie du circuit de redressement et filtrage - un second circuit de découpage, alimenté par la tension de sor tie du premier. circuit de découpage - et deux boucles de régulation, respectivement associées aux pre mier et second circuits de découpage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription qui suit et en se reportant aux figures parmi lesquelles la figure l représente, à titre de rappel, le schéma de principe des alimentations continues stabilisées classiques la figure 2 représente le schéma de principe d'une ali I mentation stabilisée suivant l'invention la figure 3 montre un exemple préféré de mise en oeuvre de 1 t inventions et la figure 4 est un diagramme explicatif montrant, en fonction du temps, les signaux en divers points du circuit suivant l'invention. Une alimentation stabilisée classique comporte essentiellement, comme représenté figure 1, un transformateur abaisseur de tension i couplé au secteur, suivi d'un circuit de redressement et filtrage 2 qui alimente un circuit de découpage push-pull 3 et une boucle de régulation 4. Un transformateur 5 mono ou multiprises suivant le nombre de tensions continues distinctes désirées est couplé à la sortie du circuit de découpage. il est suivi d'un circuit de redressement et filtrage 6. On voit que le circuit de découpage doit à lui seul supporter toute la tension de sortie du transformateur i et que la boucle de régulation doit assumer à elle seule les irrégularités du secteur et de la charge. Au contraire, comme le montre le schéma de la figure 2, ces deux fonctions de régulation sont dissociées dans le système suivant l'invention, et le découpage est effectué en deux étages dont le second seulement est push-pull. il en résulte que, bien que le système suivant l'invention comporte un plus grand nombre de circuits distincts qu'un système classique, les conditions de fonctionnement de chaque circuit étant notablement moins dures, le système global est plus simple à réaliser, considérablement moins onéreux et la tension y est mieux stabilisée, les boucles de régal lation étant plus rapides. On voit en effet à la figure 2 que le système suivant l'invention comporte - un circuit de redressement et filtrage 21 alimenté par le sec teur alternatif - un premier circuit de découpage et filtrage 22, alimenté par la tension redressée et filtrée en sortie du bloc 21 - une première boucle de régulation comportant un premier conver tisseur tension-temps 28, ayant une entrée de tension couplée à la sortie du circuit de découpage 22, et une entrée de synchro nisation couplée à la sortie- d'une horloge auxiliaire 32.Ce convertisseur est couplé à l'entrée de régulation du circuit de découpage 22, par lintermédiaire-dlun interfaçe de commande 27 qui reçoit également une information éventuelle d'un limiteur de courant 26 alimenté également par le bloc de redressement 21 - un second circuit de découpage et filtrage 23, circuit push pull couplé à la sortie du premier bloc de découpage 22 et suivi d'un transformateur dgisolement 2q - un circuit de redressement et filtrage 25, de fonction analogue au bloc 6 du circuit classique de la figure 1 - et une seconde boucle de régulation comportant un convertisseur tension-temps a9 ; 1 entrée de tension de ce dernier est ali mentée par le circuit de redresse-ent 25 à travers un détecteur d'écart 31 qui reçoit autre part une tension de référence vrREF, et qui est en série avec un circuit d'irsolement 33 ; son entrée de synchronisation est également alimentée par l'horloge 32. La sortie du convertisseur est couplée à l'entrée de régu lation du circuit de découpage 23 à travers l'interface de cor mande 30 qui reçoit d'autre part une information de synchroni sation directement de l'horloge 32. Le fonctionnement de ce circuit va autre maintenant empli-~ qué, avec référence à des tensions particulières d'utilisation pour fixer les idées et mieux en faire comprendre les avantages. La tension d'alimentation de 220 volts, 50 c/s, est redressée en 21 par un pont redresseur et filtrée. Le filtrage assure une réserve d'énergie qui compense les microcoupures du secteur. Cette tension est découpée et abaissée dans l'étage 22, afin que les transistors de l'étage 23 (décrit figure 3) travail~ lent à faible tension ; en effet, ces derniers devront supporter une tension double de celle qu'ils découpent, soit1 s'il nsy avait pas l'étage intermédiaire 22, deux fois x 220V # 600V 10 %. Or il n'existe pas actuellement de transistors pouvant découper une telle tension sons la puissance demandée (de l'ordre de 300 W) à des prix compétitifs. La seconde raison autre de cet étage est de permettre la régulation de la tension Vc, par la boucle 28-27-26 appliquée a l'entrée du second étage de découpage 23, ainsi que d'assurer toutes les protections en tension et en courant. La régulation est effectuée par variation du temps de conduction. L'étage 22 abaisse la tension redressée filtrée de 300 à 50 régulés ; donc le temps de conduction t des transistors doit être t = 50 T'où T est la période de l'horloge de fréquence 20 KHz, soit 53 8. On a dont " 8 ps. Le second étage 23 découpe la tension redressée filtrée de 50 fournie par l'étage 2, pour alimenter le primaire du transformateur 24, dont le secondaire comporte par exemple plusieurs prises de sortie, correspondant par exemple aux tensions de +5v1 +24V et 24v La tension entrée du transformateur est régulée par la boucle 31, 33, 29 et 30. Le fonctionnement détaillé de chaque étage et le principe pe de régulation mis en jeu seront mieux compris en se reportant à l'exemple préféré de mise en oeuvre représenté figure 3. Sur cette figure, on a délimité par des traits disconti- nus les ensembles de composants correspondant respectivement aux divers blocs de la figure 2. L'ensemble du système est synchronisé par l'horloge 32 qui comporte dans cet exemple deux inverseurs ré alisés par des portes , ni et n2, et circuit oscillant R-C com- portant une résistance R22, plus, éventuellement une résistance de réglage R48, et une capacité C16. Au point H, on a le signal H représenté à la première ligne de la figure 4, base de temps du système, à 40 kc/s. La bascule Ni transforme ces impulsions H en impulsions A et B, de durée double, et de signes opposés (voir figure 4) appliquées à l'interface 30 de commande du second étage de découpage 23.Les impulsions A sont également appliquées au convertisseur tension/temps 28, tandis que le convertisseur 29 reçoit les impulsions H elles-mmes. Dans le bloc 21, le redressement est effectué par le pont de quatre diodes Dl à D4. Le filtrage, sur lequel se fait la réserve d'énergie, est effectué par la capacité Cl. La résistance Rl en série avec le secteur limite la pointe de courant dans les diodes du pont à la mise sous tension, car à cet instant il n'y a pratiquement aucune charge pour le secteur redressé, les tran sistors des étages en aval étant bloqués comme on verra plus loin. On notera qu'une résistance, non représentée, peut être mise en parallèle sur la capacité Cl afin d'en assurer la décharge complète après la mise hors tension de l'alimentation, en ouvrant l'interrupteur de mise en circuit Il. L'éclateur El en parallèle sur l'alimentation du pont assure une protection contre les sur tensions. Le fusible VFS1, le voyant V et la résistance r repré sentent un ensemble voyant à fusible sur le secteur; VSF2 est un fusible de protection rapide. La résistance R2 permet la mesure du courant continu de sortie du pont, au point a.Le premier circuit de découpage et filtrage 22 comporte deux transistors Tl, T2, é quilibrés par deux résistances, R3, R4, ce qui évite d'avoir à utiliser des éléments rigoureusement appairés. La tension obtenue VE (voir figure 4) signal carré à 300 volts, non filtré, est ap- pliquée directement au convertisseur tension-temps 28, élément fondamental de la première boucle de régulation. La diode D7 est une diode de tenue en tension inverse identique à celle des transistors Tl, T2 ; elle doit donc avoir un temps de recouvrement rapide (inférieur à 200 ns) afin d'éviter les surtensions et les pointes de courant que devront supporter les transistors T1, T2. L'ensemble self L2-capacité C2 effectue le filtrage sur la valeur moyenne. La résistance R50 shunte le premier découpage lors de la mise sous tension et fait ainsi monter la tension Vc sur C2. La commande de la conduction des transistors est effectuée à partir de l'horloge 32 sous le contr8le de la première boucle de régula tion comme cela sera expliqué plus loin. Le circuit limiteur de courant 26 comporte deux régis~ tances R14 et R15 effectuant une division de la tension du point a, éventuellement une résistance de réglage R39 en parallèle sur la résistance R14, une capacité de filtrage C12, et un transistor T8, polarisé de manière à devenir conducteur si le courant dépasse une valeur prédéterminée. Cette régulation de courant par temps de conduction permet de mettre en parallèle plusieurs alimentations car elle limite la puissance fournie. En outre elle protège le système contre les surcharges et les courtwcircuits éventuels. La tension découpée VE (représentée fig. 4) est appui~ quée au convertisseur tension-temps 28 qui comporte : un compara teur Ml et une bascule N2, un pont diviseur de tension, làten- sion VE, constitué par les résistances R16, R17, Rl8, et éventuel lement une résistance de réglage R40 en parallèle sur la résis tance R16, et deux capacités C13 et Ci4 ; un second diviseur de tension constitué par les résistances Rl9, R20, sur la tension auxiliaire de 12 volts, avec une capacité C15 qui forme un circuit de filtrage avec la résistance R20. Les deux tensions divisées G et VREF2 (voir fig. 4) sont comparées en Ml. La bascule N2 qui re çoit d'une part un signal de synchronisation de l'horloge 32 (en- trée C K) reçoit sur son entrée D le signal donné par la bascule NI : les impulsions d'horloge (en CK) commandent un basculement du dispositif à une fréquence moitié de celle de l'horloge nl, n2, soit à 20 KHz. On verra plus loin comment est obtenu le signal K (représenté fig. 4). de désarmement de la bascule N2. On a représenté au bas de la figure 4 la tension VBE, image du courant basecollecteur de T8 et en I la tension à la sortie du comparateur M2. On voit sur la 4e impulsion que si une surcharge apparatt, la tension VBE dépassant un certain seuil, coupe alors l'impulsion I un peu plus tôt et diminue ainsi le temps de conduction des transistors Tl et T2.Le découpage, dans le bloc 22, est donc effectué à la fréquence des impulsions en A et B, c'est-à-dire à la demi-fréquence des impulsions de base Hs avec un temps de conduction variable, déterminé par la durée des impulsions I, comme indiqué figure 4, le signal I résultant de la comparaison dans le comparateur Ml du bloc 27 de la tension au point G, fraction de la tension VE (bloc 22), avec une tension de référence VREF2 (fraction de 12V) ; ce signal est appliqué au transistor T9 de l'interface 27 qui comporte en outre une résistance R25, un second transistor T3, couplé au primaire dtun transformateur Tr4 à travers la résistance R6.Le secondaire du transformateur est couplé aux bases des transistors T2 et Tl via la résistance R5 et la diode D5 qui assure un courant inverse plus fort que le courant direct. La diode D6 protège le primaire contre les surtensions. Un thy ristor Thl est placé entre le premier et le second circuit de dé coupage 23 afin de protéger ce dernier en cas de court-circuit dans le transistor T2. Le circuit 23 comporte deux transistors T4 et T6 ayant chacun un transistor, T5, T7, respectivement, dans leur circuit de commande et des résistances en parallèle, R7, R8, respectivement, qui assurent un meilleur blocage des transistors. Ce blocage est encore renforcé par les deux enroulements extrtmes du primaire du transformateur Tr2 de étage 24 et les circuits associes la résistance RlO, la capacité C4, la diode D8 dsune part; la résistance Roll, la capacité C5, la diode D9, d'autre part. Les signaux en sortie d'émetteurs de T4 et T6 sont repré- sentés en E2 et El, figure 4. On verra plus loin, avec la description de l'interface 30 et du convertisseur 29, le détail du con trôle de ce second découpage. L'ensemble capacité C3, résistance R9 diodes D12, Dl3, protège les transistors T4 et T6 contre d'éventuelles surtensions. Les tensions découpées, El et E2, s'ajoutent aux bornes de l'en- roulement central du primaire du circuit 24, dont le secondaire, en deux parties ici, fournit, après redressement (diodes Dl2, Dl3, Dl4, Dl5, Dol6, Dol7) et filtrage (résistances Rl2, R13, self L2, capacités C6, C7, C8, ClO, Cll) les tensions + 24V, et +5 volts régulées Les diodes du circuit de redressement 25 doivent etre rapides (fonctionnement à 20 kc/s), par exemple des diodes shotky à faible tension directe (0,4 v à 30 A) vu que le redressement est effectué à basse tension. La boucle de régulation de la charge comporte un circuit de comparaison 31 composé d'un régulateur intégré à bornes multiples, numérotées i à 8. Le +5V est appliqué à la borne "sense". La tension 12V du pupitre alimente le régulateur et permet le déamarrage de l'aimentation. Les résistances R43, R44, R45, la capacité C30 et le bloc S qui se trouvent entre les blocs 30 et 31 constituent le circuit d'isolement 33 pour la boucle de régulation, l'ensemble S comporte une diode émettrice et un transistor photosensible qui est couplé à 1'entrée "-" du comparatehr M2 du circuit converti s- seur tension/temps 29 (signal E, fig. 4). L'entrée +" du compta- rateur M2 reçoit la dent de scie D (fig. 4) élaborée à partir du signal H par le circuit d'entrée de 29 : résistance 23, capacité 17, résistance R24, résistance R26 et R28, éventuellement résis- tance de réglage R27, et transistors T13 et T14, et capacité C14. Lés signaux F de sortie du comparateur sont de durée variable, en fonction du niveau de E, c 'est-a-dire en fonction de la charge. NON OU Ils sont appliqués à l'interface 30, constitué de deux portes n3 et n4 qui reçoivent le signal F, et respectivement les signaux A et B à 20 kc/s en opposition de phase. On voit en Bi et B2, fig. 4, les signaux de sortie de n3 et ni. Ils sont appliqués respects vement aux bases des transistors TiO, T11, à travers les circuits capacitérésistance enparallèle (C26, 1137 pour T10, C27, R38 pour T11). Les signaux recueillis sur les collecteurs de T10 et T11 sont appliqués par les résistances R41 et 1142 respectivement aux bases des transistors T7 et T5 de contrôle de T6 et T4.Le circuit 34 qui comporte une capacité C19, deux ponts de résistances R31, R32 et R35, R36, assure la commande du thyristor de protection TH1 placé entre les circuit22 et 23, le fusible FS2 assurant la protection du circuit 22 lors de l'action du thyristor TH1 après une surtension importante aux bornes de C2 (sortie du premier étage de découpage, 22). - Le bloc 35, composé des diodes D19 et D20, de la résistance R52, de la capacité C31 et de la photodiode D21, est un dispositif de surveillance de la tension +5 , la photodiode D21 servant de voyant lumineux ; ce bloc permet aussi la surveillance du fonce tionnement de chacune des alimentations, lors de la mise en pa rallèle de plusieurs d'entre elles - la capacité C18-et les résistances R29 et R30, placées au-dessus du bloc 29 entre les blocs 27 et 34, sont en fait des éléments du convertisseur 28, l'ensemble Cl81129, R30, servant à faire la remise à zéro de la boucle par l'entrée K de la bascule N2 bascule N2 - l'alimentation +12 v de l'ensemble de l'électronique est faite par le circuit 36, qui se trouve au-dessus du circuit 34, et est composé de la résistance R53, de la diode Zener D18 et de la capacité C21 - les blocs 21, 22, 23, 24, 25 sont des circuits de puissance, l'intensité des courants y est en moyenne supérieure à 1 A. Par contre, lZintensité des courants dans les circuits de commande et contrôle, 26 à 34, ne dépasse pas quelques milliampères. Les éléments choisis pour réaliser les divers circuits sont à la portée de l'homme de liard. A titre d'exemple non limitatif, on donne ci-après quelques valeurs des diverses résistances et capacités utilisées, des puissances en jeu, ainsi que les spécifications des éléments utilisés dans une mise en oeuvre de l'alimentation stabilisée suivant l'invention. bloc 21 : R1 : 3,3#- 4 w ; C1 : 470 pF sous 450V bloc 22 : R3, R4 : 0,5# - 4 w ; L1 : 2 mH ; R50 : 22 K#,4 w TI, T2 : type ESM 16 bloc 23 :R7 R8 : 120# - 0,5 w ; R9 : 340# ; R10, R11 : 33 # 2 w ; 119 : 240ln; - 10 w ; T4, T6 : type BU x 40 T5, T7 : type MIE 254 ; C3 : 22 pF bloc 24 : le transformateur Tr2 est réalisé ici sur une ferrite genre THT de téléviseur, avec environ 30 spires au pri maire et deux fois quatre spires au secondaire, le nom bre de spires est relativement faible du fait que le circuit fonctionne à 20 kc/s, ce qui permet d'utiliser des ferrites à induction très élevée. bloc 25 : R12, 1113 : 0,2 # - 4 w ; R51 : 35# ; C6, C7 : 220 pF 100 v ; C8 : 6800 pF ; C10, C11 : 10 nF bloc 26 : R2 : 0,2 - 4 w (cette résistance est en fait entre les deux blocs 21 et 26) ; C12 : 13 nF ; 1115 : 120# bloc 27 : R5 : 4,7# ; R6 : 47# ; R25 : 150# ; T9 : type 2N 2243 ; T3 : type MIE 225 blocs 28-29-34 : On utilise un bottier 3302P pour les trois com paratears Ml, M2, M3. Ce bottier comporte quatre com parateurs dont un n'est pas utilisé ici. C13 : 22 pF ; 1117 : 6,8 v ; R19, R20, R23, R24, R27 10 k A ; C15 : 4,7 pF ; R26 : 2,2 k # ; R36, R28 15 k llL ; C20 : 33 nF ; R31 : 12 k ; R32 : 3,3 k ; R35 : 240 # bascule N2 : bottier 4013 comportant 2 bascules type D blocs 32 et 30 : bascule Ni : 4013 comme N1 nl, n2, n3, n4 : constitués ensemble par un boftier NON OU 4001 qui contient quatre portes ; R22, R37, R38: 10 k A ;C26, C27 : l nF bloc 31 : régulateur intégré type 2303 ; R45 : 1 k # ; Pî : ré- sistance variable de O à 1 k# ; R46 : 4,7 k # ; R47 2,2 k# ; ca4 : 1 pH bloc 33 : S est constitué par un bottier MCT2. Bien que l'exemple cité soit réalisé en technologie MOS, particulièrement compacte, le circuit suivant l'inventions dont le schéma de principe est représenté figure 2, peut être réalisé suivant toute autre technologie y adaptée. Ce circuit étant limité en puissance fournir par le circuit limiteur de courant, est sus. ceptible autre mis en parallèle avec d'autres circuits identi- ques, dloù son intérêt tout particulièrement, mais non exclusi-~ vexent, pour I l'alimentation des ordinateurs, dont la puissance varie essentiellement et dans de très larges li- mites avec les configurations d'utilisation. REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation continue stabilie9é, fournissant à partir d'une source de courant alternatif au moins une tension continue, plus faible, stabilisée, comportant un circuit de redressement et filtrage d'entrée, un circuit de redressement et filtrage de sortie et un système de découpage push-pull synchro-- nisé par un système d'horloge suivi dtun circuit transformateur de tension, caractérisé en ce que ledit système de découpage comporte deux circuits de découpage distincts, respectivement un premier et un second circuit en série, seul le second circuit étant du type push-pull, et en ce qu'une première et seconde boucles de régulation sont respectivement associées aux premier et second circuit de découpage, la première boucle prenant en compte les variations de la tension alternative d'entrée et la seconde boucle prenant en compte les variations de la charge à la sortie de 1 'alimentation stabilisée. 2. Système suivant la revendication l, caractérisé en ce que les circuits de découpage étant transistorisés, la régulation de cha- que découpage est effectuée par variation de la durée de conduc tion des transistors, chaque boucle comportant un convertisseur tension/temps. 3. Système suivant la revendication l ou la revendication 2, caractérisé par au moins un circuit limiteur de courant associé à la première boucle de régulation.