Brevet FR2336780A1 — publié le 19770722

La présente invention concerne un transformateur à impédance dymamique non linéaire peur alimentation régulée à découpage, ledit transformateur comportant un enroulement primaire relié par le trajet collecteur émeteur d'un transister découpeur à une source de courant continu, un premier enroulement secondaire destiné à fournir une tension de consigne, et au moins un second enroulement secondaire destiné à fournir de l'énergie an systme alimenté. L'invention vies plus particulièrement, mais non exclusivement, les alimentations régalées 8 découpage pour récepteurs de télévision dont les différents circuits fonctionnels doivent être isclés galvaniquement du réseu de distrion d'électricité. Ce type d'alimentation régulée à découpage, connu dans la littérature annlo-saxonne sous le nom de "SWITCH-MODE sUPPLY", est de plus en plus utilisé en raison des nombreux avantages qu'il présente, tant au point de vue rendement énergétique, fiabilité, compacité, etc.., en outre, l'absence de liaison galvanique entre la partie découpage proprement dite et les circuits dluti- lisation permet de satisfaire aisément aux normes imposées de sécurité contre les chocs électriques accidentels. Toutefois, la mise en oeuvre de ce type d'alimentation dans les téléviseurs impose certaines servitudes; c'est ainsi que leur faible impédance dynamique oblige d1 introduire une résistan- ce série dans l'étage de balayage horizontal afin de limiter à une valeur non dangereuse pour les composants actifs la pointe de courant consécutive à un amorçage dans le tube image; il va sans dire que la présence de cette résistance entrains une perte de puissance de plusieurs watts. D'autres surcharges de plus longues durées, telles que celles qui résultent de la saturation des étages Fl lors d'un changement de standard ou dqbenal, sont généralement évitées par la mise en ceuvre d'un disjoncteur électronique, nais ces disjonsteurs risquent parfois d'entrainer, en télévision couleurs, 9ne dégradation durable de l'image par modification des charges do tube image, dégradation nécessilant alors, soit un réglage de la convergence, soit une démagnétisation du tube image. Enfin, on est très souvent amené N mettre en oeuvre un circuit écréeur afin de protéger en cas de surcharge modéré. le transistor découpeur de l'alimentation contre les surtensions dangereuses dues aux coupures brusques du courant de la diode de redressement de la tension secondaire ; en effet, le circuit normalement prévu d'amortissement de ces suroscillations n'est efficace qu'aux alentours de la charge nominale de l'alimenta- tion. Le circuit écréteur est donc nécessaire et sa consommation propre, de l'ordre de quelques watts, grève également le rendement global de l'alimentation. Un des buts de l'invention est de réaliser un transiorma- teur pour alimentation è découpage dont l'impédance dynamique, faible aux alentours du débit nominal, croit rapidement au-deld d'une valeur de débit correspondant au seuil de surcharge de l'alimentation. Selon l'invention, le transformateur à impédance dynamique non linéaire pour alimentation régulée à découpage, ledit transformateur comportant un enroulement primaire relié par le trajet collecteur-émetteur d'un transistor découpeur à une source de courant continu, un premier enroulement secondaire destiné à fournir 9ne tension de consigne, et au moins un second enroulement secondaire destiné à fournir de l'énergie au système alimenté, est notamment remarquable en ce que lesdits enroule mente sont successivement bobinés dans l'ordre suivant à partir du fond d'une carcasse entourant le noyau magnétique : une première portion de l'enroulement primaire, l'enroulement secondaire fournissant la tension de consigne, une seconde portion de l'enroulement primaire, et en dernier lieu l'enroulement secondaire fournissant l'énergie au système alimenté. Avantageusement, deux blindage s électrostatiques successifs reliés, le premier i un el. de la source de courant continu et le second à une masse commune du système alimenté, sont disposés entre la seconde portion de l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. La disposition particulière des enroulements du transforma- teur selon l'invention permet d'obtenir un couplage très serré entre les enroulements primaire et de consigne et un couplage très liche entre l'enroulement secondaire et de consigne; de la sorte, la tension disponible sur l'enroulement de consigne reflé- te exactement, au rapport te transformation près, la tension de l'enreulement primaire, tandis que les variations de tension de l'enroulement secondaire sotn très peu ressenties par l'enroule lent de consigne. Il en résulte que la caractéristique d'impédan- ce dynamique présente un seuil prononcé d'accroissement à partir d'une valeur de débit d'utilisation correspondant k une surcharge de l'alimentatien, ce qui, es évitant la mise en oeuvre des dis- pasitifs de sécurité précités, permet teut à la fois de simplifier la structure et d'accroîtrs le rendement de ladite alimentation. Ea description qui va oeuvre fera bien coaprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représents le schéma de principe d'une alimentstien à découpage mettant en ceuvra le transformateur salon l'in vent ion. La figure 2 représente l'agecement des enroulements du transfermateur selon l'invention. La figare 3 représente, entre autres, la caractéristique d'impdance dynamique d'une alimentation à découpage équipée du transformatour selen l'invention. La figure 4 représente, en fonction du tape, l'allure do la tension0 Vce di transistor découpeur pour différentes valeurs de débit de l'alimentation. La figure 5 représente, à la même échelle de temps que la figure 4, les variations de débit de l'enroulement de consigne du transformateur dans les mêmes conditions de fonctionnement que celles montrées figure 4. Sur la figure 1 deux bernes 1 et 2 du secteur sont reliées, la première à l'anode d'une diode de redressement 3, et la seconde à un conducteur négatif commun 4 connecté par ailleurs à une nasse 5. Un conducteur positif 6 est relié k la cathode de la diode 3, un cemdenssateur électrechimique de filtrage 7 étant par aflleure dimposé entre ledit conducteur positif et le conducteur négatif 4. La sertie d'un circuit escillateur en dants de scie 8 est reliée k l'entrée d'un circuit de mise en forme 9, ce dernier étant connecté à l'une des entrées d'un circuit 10 modulateur de largeur d'impulsions dont la sortie est réunie b la bue d'un transistor de commande (ou "driver") il, de type MPN, dont l'émetteur est relié au conducteur négatif 4, et dont le collecteur est réuni au conducteur positif 6 à travers l'enroulement primaire 12 d'un transformateur 13. La sortie d'un circuit comparateur 14 est reliée k l'autre entrée du circuit modulateur 10, tandis qu'une source de tension de référence 15 est disposée entre l'une des entrées du circuit comparateur 14 et le conducteur négatif 4. L'autre entre du circuit comparateur li est reliée au curseur d'un petentiomètre 16 disposé entre le conducteur négatif 4 et la cathode d'une diode redresseuse 17, ledit petentiomètre étant shunté par an condensateur électrochimique de filtrage 18; l'anode de la diode 17 est reliée par une résistance 19 k l'extrémité d'un enroulement secondaire 20 de tension de consigne d'un transformateur 21, l'autre extrémité du dit enroulement étant connectée au conducteur négatif 4. e extrémité d'un enroulement primaire 22 du transformateur 21 est reliée au conducteur positif 6, l'autre extrémité étant réunie au collecteur d'un transistor découpeur 23, de type NPN, dont l'émetteur est connecté au conducteur négatif 4.La bue du transistor 23 est couplée par un réseau k l'une des extrémités d'un enroulement secondaire 24 du trait formateur 13 dont l'autre extrémité est réunie au conducteur négatif 4, le réseau précité comportant une diode 25 en série avec une résistance 26, le tout shunté par un condensateur électro- chimique 27. L'une des extrémités d'un autre enroulement secondaire 28 du transformateur 21 est reliée k l'anode d'une diode de redressemant 29, l'autre extrémité état réunie k une terre 30. Entre la cathode de la diode 29 et la terre 30 est disposée une charge 31 shuntée par un condensateur électrochimique de filtrage 32. Le fonctionnement du montage de la figure 1, réduit k l'es- sentiel, est bian connu t le transistor 23 étant alternatiement conducteur et bloqué, l'nergie emmagasinée dans le circuit magn*- tique du transformateur 21 pendant le passage du courent dans l'enroulement 22 est restitué durant les périodes de blocage par l'enroulement secondaire 28 sous la forme d'une tension périodique qui est redressée par la diode 29, puis filtrée par le condensateur 32 pour alimenter la charge d'utilisation 31. Le transistor 23 est commandé par le transformateur 13 dont le primaire 12 emmagasine de l'énergie pendant la conduction du transistor driver ll, puis la restitue lors du blocage avec une polarité telle à l'enroulement secondaire 24 que le transistor 23 est perté à saturation; ce mode de fonctionnement est dit en "non- simultané", le transistor 23 étant bloqué pendant que le transistor 11 est conducteur, et vice-varsa. Le réseau composé de la diode 25, de la résistance 26 et du condensateur 27 assure un blocage énergique du transistor 23, ainsi que des temps de transitien très brefs entre les deux états. La régulation de tension s'effectur en agissant sur le rapport cyclique conduction/blocage du transistor 11 au moyen dune boucle de rdtro-couplage qui compare par le circuit 14 une tension continue de consigne fournie 8 partir de l'enroulement 20, à une tension continue de référence 15 La tension d'erreur issue du comparateur 14 module par le circuit 10 la largeur des impulsions de commande du transistor 11; lorsque la tension de consigne tend à diminuer, soit par suite une augmentation de débit de la charge d'utilisation 31, soit à cause d'une baisse de la tension du secteur, le temps de blocage du transistor ll est accru, ce qui augmente d'autant le temps de conduction du transister 23, et partant accroit l'énergie emmagasinée par le transformateur 21, et vice-versa. Le modulateur 10 est attaqué par des signaux de fréquence de récurrence d'environ 18 kHz fournis par un oscillatur en dents de scie 8 et mis en forme par le circuit 9. Sur la figure 2, dont les références sont communes avec celles de la figure 1, l'enreulement primaire 22 est scindé en deux portions 22a et 22b entre lesquelles est intercalé l'enrou- latent 20 de tension de consigne, deux feuilles isolantes 33 et 34 étant disposées entre ledit enroulement 20 et les deux demiprimaires 22a et 22b. Entre le demi-primaire 22b et le secondaire 28 sont bobinés deux écrans électrostatiques 35 et 36 séparés par une feuille isolante 37. L'écran 35 est relié à la masse 5 tandis que l'écran 36 est réuni à une terre 30 commune aur oircuits d'utilisation du téléviseur. Sur la figure 3, on peut voir en pointillé ( courbe A) la courbe caractéristique d'une alimentation présentant une impédance dynamique relativement élevée; on peut remarquer que l'on obtient ainsi une limitation effective de la puissance au-deld de la plage normale d'utilisation comprise entre les valeurs de débit il et i2, mais au prix d'une médiocre régulation de tension à l'intérieur de ladite plage. La courbe B, en trait plein en deçà de i2, et en traits interrompus au-delè de i2, représente une courbe caractéristique d'impédance dynamique faible qui donne une excellente régulation de tension dans la plage il, i2, mais dont la limitation de puissance n'intervient effectivement que bien au-deld de la valeur maximale i2, ce qui impose la mise en oeuvre des circuits de protection précités. La courbe C, en trait plein, représente la courbe d'impédance dynamique d'une alimentation équipée du transformateur selon l'invention; on peut remarquer que l'on bénéficie ainsi tout è la fois de l'excellente régulation de tension de la courbe B dans la plage il-i2, et d'une limitation de puissance sensiblement com- parable è celle de la courbe À au-deld de i2. Sur la figure 4, qui représente la tension Vce du transistor interrupteur 23 pendant sa période de blocage, on peut voir l'al- lure de la suroscillation qui se produit au moment de la coupure. On a représenté en trait plein Vn l'amplitude de la suroscilla- tion correspondant à la valeur i2 (figure 3) et en traits interrompus Vi et Vs les amplitudes correspondant respectivement à des débits inférieurs et supérieurs è i2 (figure 3). Sur la figure 5, on a représenté à la mEme échelle de temps que la figure 4, en trait plein In le courant instantané fourni par l'enroulement 20 pour le débit i2 (figure )), et en traits interrompus li et Is les courants fournis par ledit enroulement respectivement pour des débits intérieur et supérieur à i2 (figure 3). La générateur de la tension continue de consigne est conçu de telle sorte que le courant nécessaire au fonctionnement du circuit comparateur 14 soit fourni en totalit pendant la durée de la suroscillation ( Vn, figure 4) à la valeur de débit maximal i2 de l'alimentation (figure 3). ou cas de dépassement du débit 12, l'énergie transférée à l'anroulement secondaire 28 augmente, ainsi que l'amplitude de la surescillation (Vs, figure 4). le courant moyen fourni par l'enroulement de consigne 20 variant pea, la diode 17 n'est passante que pendant la suroscillation et redresse sa valeur de coête. La tension de consigne aux bornes du condensateur 18 est alors accrus, et vu du circuit comparateur 14, ceci correspond à une augmentation de la tension de l'enroulement secondaire 28.La boucle de régulation réagit alors dans le sens d'une diminution de la tension de l'enroulement secondaire 28 et l'impédance dynanique de l'alimentation augmente fortement au-delà de la valeur de débit 12 (courbe C, figure 3). Si le débit est inférieur à 12, l'amplitude de la suresoillation diminue ( Vi, figure 4), ear elle eet fonction de l'énergie consommée par la charge 31. Par contre, bien que le rapport cyclique conduction/coupurs soit medifié,l'intensité moyenne fournie par l'enroulement de consigne 20 ne varie pas de façon sensi- ble car la consommation du potentiomètre de réglage 16 est bien supérieurs à celle nécessaire à la commande de la boucle de ré- gulation. La diode 17 conduit alors pendant toute la durée du blocage (Li, figure 5) et la valeur de la tension de consigne redressée est alors fonction de la valeur du palier de la tension de 1' en- roulement priaaire 22 et de ses variations, tension qui reflète, au rapport de transformation près, la valeur de la tension de l'enroulement secondaire 28; la régulation s'effectue alors de telle sorte que l'impédance dynamique soit minimale. Un tel résultat ne peut entre obtenu que par la disposition particulière des enroulements du transformateur selon 1' invention, qui assure tout à la fois un couplage très lâche entre l'enrou- lement secondaire et l'enroulement de consigne, et un couplage très serré entre l'enroulement primaire et l'enroulement de consigne. - REVENDICATIONS 1.- Transformateur à impédance dynamique non linéaire pour alimentation régulée à découpage, ledit transformateur comportant un enroulement primaire relié par le trajet collecteur-émetteur d'un transistor découpeur à une source de courant continu, un premier enroulement secondaire destiné à fournir une tension de consigne, et au moins un second enroulement secondaire destiné à fournir de l'énergie au système alimenté, caractérisé en ce que lesdits enroulements sont successivement bobinés dans l'ordre suivant d partir du fond d'une carcasse entourant le noyau magnd- tique : une première portion de 1 enroulement primaire, l'enrou- lement secondaire fournissant la tension de consigne, une seconde portion de l'enroulement primaire, et en dernier lieu l'enroulement secondaire fournissant l'énergie au système alimenté. 2.- Transformateur à impédance dynamique non linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux blinda ges électrostatiques successif s reliés, le premier à un pssle de la source de courant continu, et le second à une masse commune du système alimenté, lesdits blindages étant disposés entre la seconde portion de l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. 3. - Transformateur à impédance dynamique non linéaire selon les revendicationa 1 et 2, caractérisé en ce que les deux portions de l'enroulement primaire sont connectées en série. 4.- Transformateur à impédance dynamique non linéaire selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deur portions de l'enroulement primaire sont connectées en parallèle. 5.- Transfermateur à impédance dynamique non linéaire selon l'ensemble des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs enroulements secondaires bobinés les uns audessus des autres.