Brevet FR2359532A1 — publié le 19780217

La presente invention concerne la protection contre les surtensions qui peuvent apparaître en cas de défaut d'isolement aux bornes d'une charge normalement équilibrée par rapport à un ou plusieurs points de référence et alimentée par une source de courant continu à masse flottante. Lorsqu'une source de courant continu à masse flottante, alimente une charge équilibrée par rapport à un point qui peut être la terre, les potentiels à ses bornes sont, par rapport à ce point, egaux en valeur absolue. Lorsque ltequilibre est rompu par une mise à la terre accidentelle de la charge soit franche soit par I1 intermédiaire d'une impédance parasite, la distribution des potentiels dans la charge et aux bornes de la source de courant continu est modifiée, certains potentiels diminuent d'autres augmentent. Il en résulte un déport de tension sur 11 une des bornes de la source de courant qui peut aggraver les conséquences de l'incident initial, surtout lorsque la tension délivrée est élevée.On peut en donner comne exemple le cas des téléalimentations en courant continu des répéteurs d'une ligne de transmission par cables coaxiaux. Dans ces téléalimentations on utilise en général une source de courant continu à masse flottante dont les pôles sont mis à la terre par I'intermédiaire de deux resistances identiques de valeur élevée appartenant à un circuit dit d'égalisation et qui débite dans une boucle constituée par les circuits locaux d'alimentation des répéteurs mis en série par l'intermédiaire des conducteurs intérieurs d'une paire de coaxiaux. Des éclateurs dont la tension d'amorcage est comprise entre la moitié et la totalité de la tension développée entre les pôles de la source de courant continu, sont disposés au niveau des répéteurs, entre les conducteurs intérieurs et extérieurs des coaxiaux pour assurer une protection contre les surtensions, notamment celles dues aux coups de foudre. Tout amorcage d'un éclateur sur l'un des côtés de la boucle de teléalimentation entraîne le déport de la tension sur l'autre côté et peut, dans certains casa provoquer l'amorçage d'autres éclateurs. La présente invention a pour but d'éliminer ce genre de défaut en limitant les potentiels maxima des bornes de la charge par rapport à un ou plusieurs points de référence qui sont, dans l'exemple précité, la terre, ou les conducteurs extérieurs des coaxiaux lorsqu'ils sont isolés, ou les deux à la fois. Elle a pour objet un dispositif comportant un circuit ballast à impédance variable destiné à être connecté aux bornes de la source de. courant continu, en parallèle sur la charge de cette dernière, pour dériver une partie du courant de la source à l1extérieur de la charge et un circuit pilote comnandant la variation d'impédance du circuit ballast en fonction des potentiels, des bornes de la charge par rapport à un ou plusieurs points de référence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront des revendications jointes et de la description ci-après de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel les figures 1 et 2 sont des schémas de dispositifs conformes à l'invention. Les dispositifs dont les schémas électriques sont représentés dans les figures 1 et 2 sont destinés à être connectés en parallèle sur une source de courant continu leur borne 1 dite positive venant au contact du pôle positif de la source de courant et leur borne 2 dite négative venant au contact du pôle négatif de ladite source. Ils comportent essentiellement un circuit ballast conandé par un circuit pilote. Le circuit ballast du dispositif représenté à la figure 1, est formé d'une charge fictive constituée par une diode Zener 11 alimentée par I'intermédiaire d'un transistor de puissance 3 précédé d'un transistor amplificateur 4 de type NPN monté en Darlington. Le transistor de puissance 3 est de type NPN. Il est connecte par son émetteur à la borne négative 2 et par son collecteur à l'anode de la diode Zener 11 dont la cathode est reliée à la borne positive 1. Le circuit ballast est commandé par un circuit pilote ayant deux parties l'une sensible au potentiel de la borne négative 2 par rapport au point de masse 6, l'autre sensible au potentiel de la borne positive I par rapport à ce même point de masse 6. Une première partie du circuit pilote est formée par une diode Zener 12 connectée entre le point 6 et la borne négative 2 par l'intermédiaire d'une diode Zener 5 d'une diode d'isolement 7 et des jonctions base émetteur des transistors préamplificateurs 4 et de puissance 3.La deuxième partie du circuit pilote est formée par une diode Zener 8 connectée entre le point 6 et la borne positive 1 par I1 intermédiaire de la jonction base émetteur du transistor 9. Ge dernier de type PNP, a son émetteur connecté à la borne positive 1 et son collecteur relié, par l'intermédiaire d'une diode d'isolement 10 et de la diode Zener 12, à la base du transistor préamplificateur 4 du circuit ballast. La somme des tensions de seuil des diodes Zener 5 et 12 est sensiblement égale à la tension de seuil de la diode Zener 8. Les diodes d'isolement 7 et 10 qui sont reliées par leur cathode à la base du transistor préamplificateur 4 par l'intermédiaire de la diode Zener 12, et par leurs anodes l'une à la diode Zener 5 > l'autre au collecteur du transistor 9, jouent le rôle d'une porte logique "ou" pour la commande du circuit ballast. Elles permettent d'alimenter le circuit de base su transistor de puissance 3 avec les courants traversant la diode Zener 5 et le transistor 4 qui sont fonction des potentiels des bornes positive 1 et négative 2 par rapport au point 6. Tant que la tension entre la borne négative 2 et le point 6 est inférieure à la somme des tensions de seuil des diodes Zener 5et 12, la diode Zener 5 est bloquée et ne laisse passer aucun courant à travers la diode 7-. Dès que la tension entre la borne négative 2 et le point 6 dépasse la somme des tensions de seuil des diodes Zener 5, et 12 celles-ci conduisent et fournissent, par l'intermédiaire de la diode 7, un courant à la base du transistor préamplificateur 4 qui tend à débloquer le transistor de puissance 3. Tant que la tension entre la borne positive I et le point 6 est inférieure au seuil de la diode Zener 8, cette dernière ne laisse passer aucun courant et maintient le transistor 9 bloqué. Dès que la tension entre ia borne positive 1 et le point de masse 6 dépasse le seuil de la diode Zener 8, celle-ci conduit et provoque le déblocage du transistor 9. Le courant émetteur collecteur du transistor 9 est applique, par l'intermédiaire de la diode 10 et de la diode Zener 12, à la base du transistor préamplificateur 4 qui tend à débloquer le transistor de puissance 3. En résumé, une surtension sur l'une ou l'autre des bornes positive 1 ou négative 2 par rapport au point 6 provoque le déblocage du transistor de puissance 3 du circuit ballast. Le courant émetteur collecteur de ce transistor de puissance 3-étant soustrait au courant fourni par la source à la charge, diminue le courant dans la charge et par conséquent la tension aux mornes de cette dernière et de la source. Le dispositif qui vient d'être décrit est particulièrement intéressant dans le cas d'une source de courant continu développant une tension élevée entre ses bornes car il permet d'éviter l'utilisation de transistors de puissance haute tension de type PNP qui sont plus coûteux et moins fiables que ceux de type NPN. I1 est donc avantageux de modifier le schéma électrique représenté dans la figure 1 pour le rendre apte à supporter une tension élevée appliquée entre les bornes 1 et 2. Ces modifications consistent essentiellement dans le remplacement des transistors 9 et 3 par des chaînes de transistors connectés en série par leurs emetteurs et leurs collecteurs de manière à n1 appliquer à chaque transistor qu'une fraction de la tension globale. Le schema électrique modifié est représenté dans la figure 2.Les éléments invariants ont conservé la meme indexation. Le transistor de puissance (3 dans la figure 1) a été remplacé par une chaîne de transistors de puissance 20, 21, 22 de type lUN dont les émetteurs et les collecteurs sont reliés en série. L'émetteur du premier transistor de puissance 20 de la chaîne est connecté à la borne négative 2. Le collecteur du dernier transistor de puissance 22 de la chaîne est connecté à la borne positive 1 par I'intermédiaire de la diode Zener 11. Chaque transistor de puissance 20 respectivement 21 et 22 est précédé d'un transistor préamplificateur 24 respectivement 25 et 26, de type NPN monté en Darlington. Les bases de ces transistors préamplificateurs 24, 25 et 26 sont reliées à une borne commune 27 de commande du circuit ballast par l'intermédiaire de diodes d'isolement 28, 29 et 30. Des diodes Zener 31, 32 et 33 disposées entre les émetteurs et les collecteurs des transistors de puissance 20, 21 et 22 limitent la valeur maximale de la fraction de la tension globale qui peut leur être appliquée. La borne commune 27 de commande du circuit ballast est connectée aux cathodes des diodes d'isolement 7 et 10 du circuit pilote par l'intermédiaire de la diode Zener 12. Les transistors de puissance 20, 21 et 22 sont commandés par l'intermédiaire des transistors préamplificateurs 24, 25 et 26 au moyen du courant traversant la diode Zener 12. En l'absence d'un tel courant ils sont tous bloqués. A l'apparition de ce courant, les premiers à se débloquer sont le transistor préamplificateur 24 et le transistor de puissance 20 car leurs potentiels d'émetteurs sont fixés par le potentiel de la borne negative 2 alors que tous les autres ont des potentiels émetteurs plus positifs. La conduction de ces transistors 24 et 20 provoque l'abaissement des tensions émetteur des transistors 25 et 21 qui se débloquent et entraînent à leur tour les conductions des transistors 26 et 22.L'échelonnement des seuils de conduction des transistors de puissance 20, 21 et 22 en fonction de l'intensité du courant dans la diode Zener 12 est déterminé par les valeurs des résistances qui sont intercalées entre les bases des transistors préamplificateurs 24, 25 et 26 et les diodes d'isolements 28, 29 et 30 et des résistances qui sont connectées entre les bases des transistors préamplificateurs 24, 25 et 26, et les émetteurs des transistors de puissance 20, 21, 22. Le circuit pilote a subi une transformation analogue au circuit ballast. Son transistor (9, dans la figure 1) a été remplacé par une chaîne de transistors 35, 36 et 37 (figure 2) de-faible puiissance de type PNP dont les émetteurs et les collecteurs sont reliés en série. L'émetteur du premier transistor 35 de la chaîne est connecté à la borne positive 1. Le collecteur du dernier transistor 37 de la chaîne est relié à la borne 27 de commande du circuit ballast par l'intermédiaire de la diode d'isolement 10 et de la diode Zener 12. Les bases des transistors 35, 36 et 37 sont reliees a la cathode de la diode Zener 8 par l'intermédiaire des diodes d'isolement 39, 40 et 41. Les espaces émetteur collecteur de ces transistors 35, 36 et 37 sont proteges par des diodes Zener 42, 43 et 44. Les transistors 35, 36 et 37 sont commandés par le courant traversant la diode Zener 8. En l'absence dtun tel courant, ils sont tous bloqués. A l'apparition de ce courant ils se débloquent successivement et entraînent l'apparition d'un courant dans la diode d'isolement 10 qui tend à debloquer les transistors de puissance 20, 21 et 22 du circuit ballast. Le fonctionnement de ce dispositif de limitation de potentiel est tout à fait analogue à celui déjà décrit du dispositif de la figure 1. I1 est bien evident que le nombre de transistors d'une chaîne n'est pas limité à trois et qu'il est détermine en fonction des caractéristiques des transistors utilisés et de la tension appliquée entre les bornes positive 1 et negative 2. Les diodes Zener représentées sur les figures 1 et 2 par un séul élément peuvent être réalisées à l'aide de plusieurs diodes Zener élémentaires en série ou en parallèle. Elles peuvent aussi être remplacées par autres éléments à seuil de tension. Le dispositif de limitation des potentiels, par rapport à la masse, des piles positif et négatif d'une source de courant continu dont deux réalisations viennent d'être décrites s'emploie avantageusement dans les circuits de téléalimentation en courant continu notamment ceux utilisés pour les répéteurs d'une ligne de transmission par câbles. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de limitation des variations de potentiel des bornes d'une charge alimentée par une source de courant continu caractérisé en ce qu'il comporte - un circuit ballast à impédance variable destiné à être connecté aux bornes de la source de courant, en parallèle sur la charge de cette dernière, pour dériver une partie du courant de la source en dehors de la charge - et un circuit pilote commandant la variation d'impédance du circuit ballast en fonction des valeurs des potentiels des bornes de la charge par rapport à un ou plusieurs points de référence. 2/ Dispositif de limitation selon la revendication 1, caractérisé d'une part en ce que le circuit ballast comporte un transistor de puissance (3) de type NPN ayant son émetteur connecté au pôle négatif (2) de la source de courant et son collecteur relié, par l'intermédiaire d'un élément à seuil de tension (II) au pôle positif (1) de la source de courant et d'autre part en ce que le circuit pilote comporte - un premier élément à seuil (12) connecté entre un point de masse (6) et le pôle négatif (2) de la source de courant continu par l'intermediaire d'une diode d'isolement (7) et du circuit base émetteur du transistor de puissance (3), - un deuxième élément à seuil de tension (8) connecté entre le point de masse (6) et le pôle positif (1) de la source de courant par l'intermédiaire du circuit base émetteur d'un transistor PNP (9) - ledit transistor PNP (9) ayant son émetteur connecté au pôle positif (1) de la source de courant continu et son collecteur relie par l'intermédiaire d'une diode d'isolement (IC) et du premier élément à seuil de tension (12)au circuit de base du transistor de puissance (3). 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un transistor (4) du mime type que le transistor de puissance (3) est connecté entre ce dernier et les diodes d'isolement (7 et 10) selon un montage Darlington. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que premièrement le circuit ballast comporte une chaîne de plusieurs transistors de puissance (20, 21, 22) de type NPN dont les émetteurs et les collecteurs sont reliés en série, l'émetteur du premier transistor de puissance (20) de la chaîne étant connecté à la borne négative (2) de la source de courant et le cefkeeteur du dernier (22) relié par l'intermédiaire d'un élément à seuil de tension (11) à la borne positive (1) de la source de courant, et dont les bases sont reliées ensemble par l'intermédiaire de diodes d'isolement (28, 29, 30) à une borne (27) de commande du circuit ballast, lesdites diodes d'isolement (28, 29, 30) étant connectées chacune par leur anode à la borne de commande (27) et par leur cathode au circuit base d'un transistor- de puissance (20, 21 ou 22) et deuxièmement en ce que le circuit pilote comprend - un premier élément à seuil de tension (12) connecté entre un point de masse (6) et la borne de commande (27) du circuit ballast par l'intermédiaire d'une diode d'isolement (7) - et un deuxième élément à seuil de tension (8) connecté entre le point de masse (6) et les cathodes de diodes d'isolement (39, 40, 41) dont les anodes sont reliées aux bases de transistors PNP (35, 36, 37) ayant leurs émetteurs et collecteurs connectés en série pour former une chaîne, le premier transistor (35) de la chaîne ayant son émetteur connecté à la borne positive (1) de la source de courant et le dernier transistor (37) de la chaîne ayant son collecteur connecté à l'anode d'une diode d'isolement (10) dont la cathode est reliée par l'intermédiaire de premier élément à seuil de tension (12) à la borne de commande (27) du circuit ballast. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un transistor (24, 25 ou 26) de faible puissance du mne type que les transistors de puissance (20, 21 ou 22) est connecté selon un montage Darlington entre chacun de ces derniers et les diodes d'isolement (28, 29 30) les reliant à la borne de commande (27) du circuit ballast. 6/ Dispositif selon l'une des revendications precedentes, caractérisé en ce que des éléments à seuil de tension sont disposés entre les émetteurs et les collecteurs des transistors. 7/ Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 4, caractérisé en ce qu'un élément à seuil de tension (5) est intercalé entre le point de masse (6) et le premier élément à seuil de tension (12). 8/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments à seuil de tension sont des diodes Zener.