Brevet FR2458842A1 — publié le 19810102

La présente invention concerne un circuit de commande pour blocs d'alimentation redondants qui sont montés en parallèle entre eux(parce qu'ils sont connectés à la même charge) et dans lesquels l'échantillonnage de la tension de sortie est effectué, pour chaque bloc d'alimentation, aux bornes de la charge. On connaît bien et on utilise largement des dispositifs d'alimentation redondants, dans lesquels une charge est alimentée par plusieurs blocs d'alimentation qui sont connectés en paral- lèle entre eux au moyen d'une diode de découplage et qui sont en nombre supérieur à celui qui serait nécessaire pour fournir le courant global requis. Les blocs d'alimentation en excès, toujours branchés, sont prêts à prendre automatiquement la place d'un bloc d'alimentation en panne. Les blocs d'alimentation ont une courbe caractéristique tension-courant de forme rectangulaire, c'est-à-dire qu'ils débitent du courant jusqu'à une valeur maximale fixée à l'avance, à une tension pratiquement constante. Une fois que cette valeur maximale du courant est atteinte, la tension diminue, le courant demeurant approximativement constant. Ce comportement astatique est obtenu normalement au moyen de circuits régulateurs de tension qui sont placés dans le bloc d'alimentation et qui comparent un signal prélevé aux bornes de la charge à des niveaux de référence. Il est nécessaire, par conséquent, de soumettre chaque bloc d'alimentation à un étalon- nage qui, quelque méticuleux qu'il soit, fixe la tension de sortie à une valeur très proche de la tension nominale, mais ne coïncidant pas généralement pas avec cette dernière (les dérivés dans le temps amèneraient de toute façon les tensions à différer entre elles). Les blocs d'alimentation connectés à la même charge ne débitent donc pas la même tension. Il s'en suit que le courant absorbé par la charge n'est fourni que par les blocs d'alimen- tation à tension plus élevée, tandis que les autres, bien qu'ils soient en bon état de fonctionnement, débitent une tension nulle. En effet, la tension aux bornes de la charge, qui constitue la tension échantillonnée pour tous les blocs d'alimentation, est la plus élevée de celles qui sont fournies par les différents blocs d'alimentation. Les circuits de contrôle des blocs d'alimen- tation redondants qui sont étalonnés à des tensions plus faibles, réagissent comme si la tension débitée était excessive, et, de ce fait, ils diminuent cette tension jusqu'à ce qu'elle soit -annulée. Cela comporte un double inconvénient: a) On active l'alarme, locale et/ou éloignée, qui est échantillonnée pour des raisons de sélectivité en amont de la diode de découplage, indiquant ainsi que la tension débitée est descendue au-dessous d'une valeur fixée à l'avance, sans qu'il soit possible de faire la distinction entre une alarme due à une panne et une alarme due à l'action du circuit de contrôle. Cet inconvénient est très fâcheux au point de vue de l'exploita- tion, mais il n'a pas de conséquences sur le fonctionnement du bloc d'alimentation. b) Quand, à la suite d'une panne, on demande de débiter du courant à un bloc d'alimentation qui avait précédemment réduit sa tension à zéro, celui-ci atteint son régime normal de fonction- nement en un temps très court mais pas nul. Il s'en suit que la tension appliquée à la charge subit une baisse temporaire, dont l'importance dépend du nombre des blocs d'alimentation actifs, mais qui peut compromettre sérieusement le fonctionnement des circuits électroniques constituant la charge. Pour mieux compren- dre la gravité de cet inconvénient, on considérera le cas d'un système de télécommunications réalisé avec des circuits logiques TTL (c'est-à-dire des circuits logiques transistor-transistor qui, comme cela est connu, ne tolèrent pas de variations de la tension d'alimentation supérieures à 5 %) , et qui comprend deux blocs d'alimentation en parallèle. Celui qui débite la tension la plus élevée fournit tout le courant absorbé par la charge, la tension aux bornes de l'autre bloc d'alimentation (en amont de la diode de découplage) est nulle. Si le bloc d'alimentation actif tombe en panne et que, par conséquent il ne débite pas, la tension aux bornes de la charge tombe à zéro et elle est ramenée à la valeur nominale par l'autre bloc d'alimentation après une période transitoire plus ou moins longue. La chute temporaire de la tension d'alimentation est incompatible avec le bon fonction- nement des circuits logiques TTL constituant la charge. Les inconvénients susmentionnés n'existeraient pas si tous les blocs d'alimentation fournissaient un courant à la charge sous l'action du circuit régulateur de tension, même si ce courant se limitait à une petite fraction (par exemple 10- %) du courant maximal. En effet, dans ce cas, tous les blocs d'alimentation débiteraient une tension (l'alarme ne serait pas activée) et, en cas de panne d'un bloc d'alimentation, la plus grande quantité de courant absorbé par la charge serait fournie par les autres blocs d'alimentation sans les phénomènes transi- toires inadmissibles indiqués précédemment. Pour atteindre le but consistant à faire débiter du courant par tous les blocs d'alimentation grâce à l'intervention du circuit régulateur de tension, on a proposé plusieurs expé- dients, aucun desquels n'est toutefois dépourvu d'inconvénients. Parmi les expédients connus, on a indiqué les suivants, à titre d'exemple: 1) Introduire une boucle de réaction active dans laquelle le courant débité par chaque bloc d'alimentation est mesuré et comparé à une valeur de référence, dépendant du courant total, pour obtenir un signal différence qui agit sur le circuit régu- lateur de tension pour faire débiter le même courant par les blocs d'alimentation. Même dans l'hypothèse la plus simple suivant laquelle on aurait deux blocs d'alimentation et on considérerait comme référence la valeur moyenne, la complexité de cette solution la rend économiquement valable uniquement pour des systèmes consti- tués par une pluralité de blocs d'alimentation de grandes dimensions. 2) Utiliser des blocs d'alimentation à comportement stati- que, c'est-à-dire dans lesquels la tension débitée diminue lorsque le courant croît. Pour être sûrs que les deux blocs d'alimentation débitent du courant, il est nécessaire que le statisme de la tension ne soit pas inférieur au double de l'écart maximal admis pour la valeur nominale. Cette variation de tension peut être inacceptable pour la plupart des blocs d'alimentation à basse tension (par exemple 5V) employés pour des systèmes de télécommunications. 3) Prélever le signal de référence non pas aux bornes de la charge, mais en amont de la diode présente à la sortie de chaque bloc d'alimentation. Le bloc d'alimentation qui fournit la tension la plus basse ne débite pas de courant, mais la tension à ses bornes garde la valeur imposée par son circuit de réglage et la chute de tension quand elle assume toute la charge est plus limi- tée. Cette solution a comme défaut le fait que la tension réglée est celle qui se trouve en amont de la diode et non pas celle qui se trouve aux bornes de la charge, laquelle ressent ainsi les conséquences des variations des chutes de tension aux bornes de la diode et dans les fils de connexion lorsque le courant débité varie. Puisque ces variations de tension peuvent être de l'ordre de 0,5 V, elles sont acceptables dans les alimentations de cadres à moyenne tension (par exemple 24 V) et haute tension (par exemple 100 V), mais elles sont presque toujours inadmissibles pour les alimentations - faible tension (par exemple 5 V) dans lesquelles on requiert des précisions de l'ordre de 2-3 %. La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients susmentionnés, en fournissant un circuit, simple et économique qui, placé dans la boucle de réglage de tension d'un bloc d'alimentation, garantit que le courant débité ne descende pas au-dessous d'un minimum fixé à l'avance. Il permet d'étendre les' avantages procurés par les dispositifs décrits ci-dessus, même à des blocs d'alimentation à faible tension, sans que cela aille au détriment de la précision requise. Bien qu'un bloc d'alimentation modifié suivant l'inven- tion soit particulièrement adapté pour une alimentation de cadre réalisée au moyen de blocs d'alimentation à faible tension (par exemple 5 V) et à stabilité élevée, connectés en parallèle entre eux, rien n'empêche d'appliquer avantageusement l'inven- tion à une pluralité de blocs d'alimentation montés en parallèle et ayant d'autres caractéristiques (tension débitée, stabilité, etc.) comme alternative aux dispositifs indiqués ci-dessus. Selon l'invention, le circuit de commande pour blocs d'alimentation redondants montés en parallèle et ayant comme grandeur de comparaison pour leurs circuits de réglage la tension aux bornes de la charge, est caractérisé en ce que chaque blocs d'alimentation comprend des moyens aptes à faire croître, par rapport à la valeur nominale, sa tension fournie à la charge, d'une quantité non inférieure au double de l'écart maximal prévu, lorsque son courant descend au-dessous d'une valeur fixée à l'avance. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un exemple non limitatif de réalisation, illustré à l'aide des dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 montre deux blocs d'alimentation placés en parallèle aux bornes de la même charge (alimentation avec redondance 1 sur 1). No Les figures 2 et 3 montrent des diagrammes relatifs à la figure 1. Les figures 4 et 5 montrent des diagrammes relatifs -à plus de deux blocs d'alimentation. Les figures 6 et 7 montrent des diagrammes tension- courant d'alimentation relatifs à l'invention. La figure 8 montre la partie de circuit simplifiée d'un bloc d'alimentation comprenant l'invention. On a représenté dans la figure 1 deux blocs d'alimen- tation astatiques A et B connectés à la même charge C. Les circuits de réglage RA et RB sont eux aussi connectés aux bornes de la charge dont ils reçoivent tous les deux la tension VC. Bien qu'ils aient la même tension nominale. Les deux blocs d'alimentation fournissent des tensions légèrement différentes par suite des inévitables différences à l'étalonnage (des causes de dérive dans le temps conduisent de toute façon au même résultat). La tension aux bornes de la charge est celle qui est la plus élevée (celle fournie par le bloc d'alimentation A *35 dans la figure 2). Dans ces conditions, le circuit de réglage de l'autre bloc d'alimentation (B dans la figure 2) reçoit une tension Vc plus élevée qu'il ne se doit, et il a tendance à réduire progressivement la tension fournie en amont de la diode de découplage DB jusqu'à ce qu'elle retourne à zéro. Dans la figure 2, on a représenté les caractéristiques des blocs d'alimentation astatiques A et B. La tension demeure constante tant que le courant débité est inférieur au courant limite (IA, respectivement 'B) ' puis elle diminue avec un courant approximativement constant. Si, comme dans la figure 2, la tension fournie par le bloc A est plus grande (même de peu) que celle qui est fournie par le bloc B, la charge n'est alimen- tée que par le bloc A (à condition que le courant absorbé par la charge C soit inférieur à IA' ligne de charge a), tandis que la tension en amont de la diode DB s'annulle. En cas de panne (comme cela est indiqué dans la figure 3, o t0 est l'instant o le bloc A tombe en panne) la tension aux bornes de la charge tombe brusquement pour être ensuite ramenée à la valeur nominale (à part la tolérance admise) par l'entrée en activité, nécessairement graduelle, du bloc B. La baisse de la tension d'alimentation n'est pas accep- table pour une alimentation qui doit avoir comme qualité requise la continuité absolue, comme par exemple le cas d'une charge constituée par des circuits TTL. Les figures 4 et 5 sont relatives au cas de quatre blocs d'alimentation connectés à la même charge. Dans la figure 4, les diagrammes tension-courant des différents blocs d'alimen- tation ont été tracés l'un à la suite de l'autre dans l'ordre décroissant de la tension fournie, c'est-à-dire dans l'ordre o ils sont appelés à fournir du courant à la charge. On a tracé trois lignes de charge a, b et c, correspon- dant à trois hypothèses de fonctionnement que l'on examine ci- dessous: - Ligne a: d'une manière analogue à ce que l'on a dit pour la figure 2, seul le bloc d'alimentation A débite du courant. En cas de panne, le bloc B le remplace après une période transitoire analogue à celle de la figure 3, tandis que les blocs C et D demeurent toujours inactifs. - Ligne b: les blocs A et B fournissent du courant à la charge. En cas de panne du bloc A ou B, le bloc C le remplace avec une période transitoire inférieure (de l'ordre de 50 %). - Ligne c: les blocs A, B et C débitent du courant tandis que le bloc D est inactif et, en cas de panne du bloc A, B ou C, remplace le bloc défaillant avec une période transi- toire qui est encore moins longue (de l'ordre de 30 % environ), comme cela est indiqué dans la figure 5. Il résulte de ce qui précède qu'avec plusieurs blocs d'alimentation en parallèle la baisse maximale transitoire de tension en cas de panne affectant un des blocs d'alimenta- tion qui fournissent le courant est plus faible, mais que la plupart du temps elle est encore inacceptable. Pour les raisons indiquées dans l'avant-propos de la présente demande, il est opportun que tous les blocs d'alimen- tation débitent du courant, grâce à l'action du circuit régula- teur de tension, même si ce courant est limité. Les dispositifs connus pour obtenir ce résultat ne sont pas pleinement satis- faisants pour les raisons indiquées plus haut. L'invention apporte une modification à un bloc d'ali- mentation astatique, de type connu en soi, de façon à lui attribuer une caractéristique telle que celle qui est montrée dans la figure 6. Quand le courant débité descend au-dessous d'une valeur (Im) fixée à l'avance, la tension de sortie Vu augmente. Dans une forme préférée de réalisation, l'accrois- sement AV de la tension de sortie a une allure linéaire et il est égal, ou le dépasse légèrement, au double de l'écart maximal, par rapport à la valeur nominale Vu, pris en considé- ration au moment du projet. Cet écart, calculé chaque fois par l'auteur du projet, peut être inférieur à l'écart minimal absolu, si l'on estime que ce dernier est peu probable. On remarquera que aussi bien l'accroissement aV, que la valeur Im du courant peuvent être fixés en rapport avec les caractéristiques des blocs d'alimentation et de la charge ali- mentée (par exemple V = 1% et Im 20 %). n n Pour comprendre les avantages offerts par l'invention, on considérera le diagramme de la figure 7, analogue à celui de la figure 2. Le bloc d'alimentation B, qui, sans l'inven- tion, serait inactif, fournit le courant IB à la tension de sortie dubloc A; en cas de panne du bloc A, le bloc B assume toute la charge avec un temps transitoire contenu. Dans la figure 8, on a représenté un schéma de principe très simplifié de la partie de circuit, comprenant l'invention, d'un bloc d'alimentation de type connu. On a omis tous les éléments non essentiels, comme, par exemple, les alimentations auxiliaires, les circuits aptes à fournir les tensions de référence etc. Le réglage de la tension de sortie est obtenu de façon connue en comparant dans un amplificateur d'erreur ou ampli- ficateur différentiel RV une tension de référence V1 à une tension obtenue, au moyen d'un diviseur résistif R1, R2, à partir de la tension VC prélevée aux bornes de la charge. Suivant une forme d'exécution de l'invention, le circuit connu de réglage de la tension peut être modifié en ajoutant au diviseur R1, R2 une ou plusieurs résistances aptes à réduire la valeur de la tension présente sur R2 et à provoquer l'accroissement de la tension de sortie du bloc d'alimentation. L'action des résistances supplémentaires est empêchée lorsque le courant débité dépasse la valeur Im fixée à l'avance (la diode D1 est bloquée). L'invention comprend à cet effet un circuit à seuil, constitué dans la figure 8 par l'amplificateur différentiel CS, qui compare une deuxième tension de référence V2 à la différence de potentiel aux bornes d'une résistance R, qui est due au courant fourni à la charge. La seconde tension de réfé- rence V2 est choisie égale à la différence de potentiel qui serait provoquée aux bornes de la résistance R par la valeur fixée à l'avance Im du courant fourni à la charge par un seul bloc d'alimentation. Dans la figure 8, la résistance R est placée dans le conducteur AL qui constitue le pôle négatif du bloc d'alimentation. Sans sortir des limites de l'invention et en apportant au schéma illustré dans la figure 8 des varian- tes tout à fait normales pour un spécialiste de l'art, on peut aussi intercaler la résistance R dans le conducteur qui consti- tue le pôle positif ou dans le secondaire d'un transformateur réducteur de courant qui mesure un courant proportionnel au courant de sortie. Quand la différence de potentiel aux bornes de la résistance R devient inférieure à la tension de référence V.? la diode D1 est rendue conductrice par le circuit à seuil CS, ajoutant la résistance R3 au diviseur R1, R2 et modifiant ainsi la tension à l'entrée du circuit de comparaison RV. L'invention revêt une forme particulièrement simple et avantageuse pour des blocs d'alimentation munis de circuits limiteurs de courant (indiqués dans la figure 8 par l'amplifi- cateur différentiel LI) dont la sortie s'additionne logiquement à celle du régulateur de tension RV pour donner le critère c, et si la valeur de courant Im pour laquelle le circuit à seuil CS intervient est définie comme une fraction du courant maxi- mal In. Dans ce cas, en effet, sont déjà présents aussi bien la résistance R qu'une tension de référence V31 à partir de laquelle on peut obtenir la tension de référence V2 au moyen d'un diviseur résistif R6, R7* Pour modifier suivant l'inven- tion le bloc d'alimentation, il suffit alors d'ajouter le circuit à seuil CS, la diode D1, la résistance R3 et le divi- seur R6, R7 (ou bien, si la tension de référence V3 est obtenue elle-même au moyen d'un diviseur, il suffit de réaliser avec deux résistances ayant le rapport désiré la branche du diviseur qui fournit à l'amplificateur LI la tension de référence V 3). Dans la figure 8, on a aussi représenté une réaction négative sur le circuit à seuil CS, qui est réalisée au moyen de la résistance R4. Cette réaction négative rend graduelle la commutation du circuit à seuil CS et elle donne davantage de stabilité et de sécurité de fonctionnement à l'invention quand le courant débité se maintient aux alentours de la valeur limite I m D'après ce qui précède, il est évident que l'utilisation de l'invention dans un bloc d'alimentation astatique permet d'obtenir des avantages concrets avec une dépense supplémen- taire si faible que son lancement dans la production normale se révèle économiquement avantageuse, tout en prévoyant la possibilité de l'exclure, si cela est nécessaire, par exemple en prédisposant une connexion en pont et entre la diode D1 et l'un des fils de mesure RS (ou une polarité fixe) de façon à l'interdire d'une façon stable. Cètte connexion a été indiquée dans la figure 8 par a a. Sans sortir des limites de l'invention, il est possible pour le spécialiste de l'art de modifier le circuit montré à titre d'exemple dans la figure 8, dans lequel la résistance R3 est placée "en parallèle" avec la résistance R2, par exemple en plaçant normalement la résistance R3 en parallèle avec la résistance R1 et en la déconnectant au moyen du-circuit à seuil CS lorsque le courant fourni à la charge descend au-dessous de la valeur I m On peut obtenir les mêmes effets en modifiant, d'une manière qui n'a pas été montrée explicitement ici vu son évidence pour un technicien, la valeur de la tension de réfé- rence Vl. La présence de la diode D1 n'est pas essentielle, mais elle contribue à annuler l'erreur supplémentaire qui se produirait sur le réglage pour des courants plus élevés que I. m il - REVENDICATIONS - 1., Circuit de commande pour blocs d'alimentation redondants montés en parallèle et ayant comme grandeur de compa- raison pour leurs circuits de réglage (RV) la tension (Va) aux bornes de la charge, caractérisé en ce que chaque bloc d'alimen- tation comprend des moyens (R, V2, CS, R3, Di) aptes à faire croître, par rapport à la valeur nominale, sa tension fournie à la charge, d'une quantité non inférieure au double de l'écart maximal prévu, lorsque son courant descend au-dessous d'une valeur (Im) fixée à l'avance. 2. Circuit suivant la revendication 1, dans lequel les circuits de réglage de tension comprennent un amplificateur dif- férentiel (RV) apte à comparer à une première tension de réfé- rence (V1) une tension obtenue au moyen d'un diviseur résistif (R1, R2) à partir de la tension (V) aux bornes de la charge, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit à seuil (CS) apte à comparer à une deuxième tension de référence (V2) la différence de potentiel aux bornes d'une résistance (R), qui est due au courant fourni à la charge, l'activation dudit circuit à seuil (CS), lorsque ladite différence de potentiel devient inférieure à ladite deuxième tension de référence (V2), modifiant au moins une des tensions appliquées aux entrées dudit amplificateur différentiel (RV) de façon à provoquer l'accroissement désiré de la tension fournie à la charge, et en ce que la deuxième tension de référence (V2) est égale à la différence de potentiel provoquée aux bornes de la résistance (R) par la valeur fixée à l'avance (Im) du courant fourni à la charge par un seul bloc d'alimentation. 3. Circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'activation dudit circuit à seuil (CS) ajoute une troi- sième résistance (R3) au diviseur résistif (R1, R2) qui produit la tension qui est comparée à la première tension de référence (V1). 4. Circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'activation dudit circuit à seuil (CS) modifie la valeur de la première tension de référence (V1). 5. Circuit suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit à seuil (CS) comprend une diode (D1) qui est connectée en série avec la troisième résistance (R3) et qui est non-conductrice quand la deuxième tension de référence (V2) est moins grande que la différence de potentiel aux bornes de la résistance (R). 6. Circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit à seuil (CS) comprend des moyens aptes à le faire commuter graduellement. 7. Circuit suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par une quatrième résis- tance (R4) apte à réaliser une réaction négative sur un amplifi- cateur différentiel faisant partie dudit circuit à seuil (CS). 8. Circuit suivant la revendication 2, dans lequel les blocs d'alimentation comprennent aussi des circuits (LI) aptes à limiter la valeur maximale du courant fourni à la charge, caractérisé en ce que ladite résistance (R) fait partie desdits circuits limiteurs de courant (LI), et en ce que la deuxième tension de référence (V2) est obtenue au moyen d'un deuxième diviseur résistif (R6, R7) à partir d'une troisième tension de référence (V3) faisant partie des circuits limiteurs de courant (LI), le rapport entre la deuxième (V2) et la troisième (V3) tension de référence étant égal à celui entre la valeur fixée à l'avance (IM) et la valeur maximale (In) du courant fourni à la charge.