Brevet FR2469031A1 — publié le 19810508

lia présente invention concerne un dispositif de protection d'une alimentatlon de tension stabilisée. Elle concerne également les alimentations de tension stabilisée comportant un tel dispositif. te fonctionnement des alimentations de tension stabilisée comporte généralement deux phases-: - une phase de régulation, pendant laquelle le courant circulant dans l'impédance de charge variable de l'alimentation varie de façon à maintenir en sortie la tension stabilisée ; - une phase de limitation du courant circulant dans l'impédance de charge variable pendant laquelle la tension stabilisée n'est plus maintenue en sortie. La limitation du courant peut être réalisée de différentes manières. Cette limitation peut notamment être réalisée en mesurant la différence des courants circulant dans l'impédance de charge variable et dans une impédance de charge constante et en maintenant cette différence à une valeur limite. La différence des courants peut être obtenue, à une constante près, par un dispositif différentiel qui reçoit les tensions aux bornes-de-deux résistances en série avec les impédances de charge. Ce dispositif assure généralement aussi la comparaison de la différence des tensions qu'il reçoit à une valeur limite et l'action sur le ballast qui délivre le courant pour que la différence des tensions ne dépasse pas la valeur limite. La caractéristique VS = f(Is), qui représente les variations de la tension de sortie Vs aux bornes de l'impédance de charge variable, en fonction du courant IS dans cette impédance, est constituée (comme cela est représenté sur la figure 3), pendant la phase de régulation, par une droite horizontale, -car la tension en sortie est la tension régulée VSR et pendant la phase de-limitation du courant, par un segment de droite de pente positive qui relie un point A de coordonnées VSR, ISM à un point B d'ordonnée VS nulle. La puissance dissipée dans le ballast est sen siblement égale à (VR - Vs). , où V,repréaente la tension à l1 entrée du ballast qui est supérieure à la tension régulée VSR. La puissance dissipée dans le ballast est datant plus importante que la différence des tensions VR et YB est élevée et que la valeur du courant 's est élevée. C'est en phase de limitation, - lorsque le courant IS est supérieur à ISM12, que la puissance dissipée dans le ballast est la plus importante.En effet-, dans cette zone le courant IS a une valeur élevée et proche de sa valeur maximale 'SM et la différence entre VR et Vs n'est pas négligeable. te problème qui se pose est qu'on doit équiper la ballast de radiateurs de grandes dimensions dont la dissipation thermique d-épend de la puissance maximale à dissiper, alors que cette puissance maximale n'est dissipée qu' exceptionnellement et dans une zone de fonctionnement du ballast assez peu importante. La présente invention permet de résoudre ce problème. te dispositif de protection dune alimentation de tension stabilisée selon l'invention comporte un élément non-linéaire en fonction du courant, monté en série avec l'une des impédances de charge, qui assure, dans une plage de variation de l'impédance de charge variable, pour une même valeur de cette impédance, trois valeurs différentes de la tension de sortie de l'alimentation Vs. Seules les valeurs extrames de la tension de sortie correspondent à des points de fonctionnement stables et la plus forte va-leur est égale à la tension stabilisée VSR. L'élément non-linéaire peut être notamment constitué par une diode ou par une source de tension continue0 te dispositif de protection selon l'invention modifie la caractéristique Vs = f(Is) de ltalimenta- tion (comme cela est représenté sur la figure 5). Cette caractéristique comporte toujours une phase de régulation qui est constituée par une droite horizontale à la valeur VSR. lia caractéristique Vs = f(Is) est modifiée dans la phase de limitation de courant qui n'est plus constituée par un segment de droite mais par une courbe, Ce qui est intéressant c'est que cette courbe présente une zone de fonctionnement instable qui est précisément celle qui était gênante car la puissance dissipée par le ballast y était la plus importante.Par conséquent, avec le dispositif selon l'invention, il n'est plus possible d'avoir un fonctionnement stable en limitation de courant dans la zone de la caractéristique où IS est supérieur à 3sM/2. D'un point instable on passe, pour obtenir un fonctionnement stable, soit en un point de la caractéristique VS = f(IS) pour lequel la tension Vs est égale à la tension régulée, soit en un point de la caractéristique VS = f(IS) pour lequel le courant IS et la puissance dissipée par le ballast sont faibles. te dispositif de protection-selon l'invention permet donc de diminuer la puissance maximale que doit dissiper le ballast ; des radiateurs de dissipation thermique de plus faibles dimensions sont alors suffisants pour protéger le ballast. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description svivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1, un schéma de principe d'une alimentation de tension stabilisée à ballast - la figure 2, un schéma de principe d'un dispositif de limitation de courant par la méthode différentielle, selon l'art connu - la figure 3, la caractéristique Vs = f(IS) d'une alimentation comportant un dispositif selon la figure 2; ; - la figure 4, un-schéma de principe d'un mode de realisation d'une alimentation selon l!invention - la figure 5, la caractéristique V5 = f(Is) de l'alimentation de la figure 4 - le figure 6, un mode de réalisation pratique du ballast et du dispositif de limitation de courant dans le cas de l'alimentation de la figure 4. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des éléments n'ont pas été respectées. La figure 1 représente un schéma de principe d'une alimentation de tension stabilisée à ballast. Cette alimentation comporte un ballai qui est un amplificateur linéaire qui supporte la différence entre sa tension d'entrée VR qui est généralement une tension redressée et la tension de sortie de l'a- limentation Vs. Un comparateur 4 reçoit, d'une part, une tension i:nage de la tenson de sortieV vs oui est obtenue par un circuit 3 relié à la sortie de l'alimentation et, d'autre part, une tension de référence Vz qui peut être obtenue par un circuit 2 relié à la tension VRo Pendant la phase de régulation, le comparateur 4 commande le ballast 1 en fonction de la différence (Vz - &alpha; Vs) pour qu'il délivre un courant I qui permette d'obtenir la tension régulée VSR en sortie de l'alimentation.Un dispositif de limitation de courant 5 mesure le courant IS qui traverse 1Plm- pédance de charge variable de l'alimentation, qui n'est pas représentée sur la figure0 te dispositif 5 limite le courant IS en agissant sur le. ballast 1 lorsque ce courant devient excessif. On fonctionne alors en limitation et la tension de sortie de lea- limentation n'est plus égale à la tension régulée. La figure 2 représente un schéma de principe d'un dispositif de limitation de courant par la méthode différentielle selon l'art connu. Comme cela a déjà été dit précédemment, ce dispositif mesure la différence des courants IS et I1 qui circulent dans l'impédance de charge variable de ltalimentation et dans une impédance de charge constante0 Dans la suite de la description, les différentes impédances seront considérées comme uniquement résistives, mais, il est bien entendu que l'invention s'applique aux cas où les impédances ne sont pas uniquement résistivesO Ce dispositif est constitué par les résistances de charge variable RS et fixe R2. tes résistances RS et R2 sont chacune en série -avec une autre résistance, respectivement R-et R1. tes résistances R, RS et R1, R2 sont montées en parallèle. La différence des courants I et I1 qui circulent dans R et R U 2 est obtenue, à une constante près, par un dispositif différentiel 6 qui reçoit le-s tensions aux bornes des résistances R1 et-R. Ce dispositif assure également la comparaison de la différence des tensions qu'il reçoit à une valeur limite et l'faction sur le ballast 1 pour que cette différence-ne dépasse pas la valeur limite. La figure 3 représente la caractéristique VS = f(IS) d'une alimentation comportant un dispositif selon la figure 2o Comme cela a déjà été dit précédemment, cette caractéristique est constituée pendant la phase de régulation, par une droite horizontale à la valeur de la tension régulée, VsR et pendant la phase de limitation, par un segment de -droite AB de pente positive qui relié un point A de coordonnée VSR, ISM à un point B de coordonnée, VS égale zéro et ISm. Il-a été démontré que la puissance dissipée par le ballast est maximale lorsque 15 = ISo/2, où ISo est le courant au point d'intersection de la droite passant par A et 3 et de la droite repré sentant la variation de V-en fonction de IS qui dé croît avec Is. ta puissance dissipée est donc toujours maximale lorsque 15 est supérieur à ISM/2 C'est donc approximativement la partie de la caractéristique qui est répérée par une double flèche sur la figure 3 qui est la plus dangereuse pour le ballast. ta figure 4 représente un schéma de principe dgun mode de réalisation d'une alimentation selon l'invention. t'alimentation selon l'invention se distingue de l'art connu car elle comporte un élément non-linéaire en fonction du courant 7, monté en série avec l'une des résistances R (comme cela èst re-é- senté sur la figure 4), R1 ou-R2 t'élément non-linéaire en fonction du courant 7 peut etre constitué par une diode ou par une source de tension continue.Cet élément non-linéaire en fonction du courant assure dans une plage de variation de la résistance de charge variable RS, pour une même valeur de cette résistance, trois valeurs différentes de la tension de sortie de l'alimentation Vs. Seules les valeurs extrêmes de la tension de sortie correspondent à des points de fonctionnement stables et la plus forte valeur est égale à la tension de sortie stabilisée VSR. La figure 5 représente la caractéristique VS = f(IS) d'une alimentation comportant un dispositif de protection selon l'invention0 Cette caractéristique comporte toujours une phase de régulation, qui est constituée par une droite horizontale à la valeur VSRO Ce qui change c'est l'allure de la caractéristique pendant la phase de limitation du courant. La caractéristique ngest plus alors constituée par un segment de droite mais par une courbe qui va toujours du point A de coordonnées VSR, 'SM au point B de coordonnées Vs égale zéro et ISm. Ta concavité de la courbe Au est telle que la droite d'équation V5 = R5015 ne la coupe pas pour les valeurs de la résistance R5 supérieures à R3. Lorsque R5 égale R3, la droite d'équation VS = R3.Iss est tangente à la courbe AB en un point F. Pour les valeurs de la résistance de charge variable ES supé- rieures à R3, on fonctionne donc en régulation. Pour chaque valeur de la résistance de charge variable comprise entre R3 et R4, la droite d'équation Vs = RS.IS, coupe la courbe AB en deux points et la droite horizontale de régulation en un autre point. La valeur~R4 est celle pour laquelle la droite d'équation VS = RS.Is passe au point A. Il y a donc pour chaque valeur de la résistance de charge, trois valeurs différentes possibles de la tension de sortie de l'alimentation. Nous allons examiner la stabilité des trois points de fonctionnement possibles lorsque la résistance de charge est comprise entre R3 et R4, en prenant pour exemple sur la figure 5 une droite d' équa- tion VS = RS.Is qui coupe la courbe AB en deux points D et E et la droite de régulation au point C Les points C et E correspondent aux valeurs extrêmes de la tension de sortie et la plus forte valeur de la tension de sortie est la tension stabilisée VSR au point C. Le point C est bien sûr un point de fonctionnement stable car, si pour une raison quelconque, il se produit une légère augmentation du courant IS, comme cela est représenté symboliquement sur la figure 5 par une flèche parallèle à la droite d' équa- tion VS = RS.IS qui passe au point C, le comparateur 4 agit sur le ballast 1 afin que la tension de sortie qui était devenue légèrement supérieure à VSR .retrouve la valeur VSR, ceci est symbolisé par une flèche de sens inverse à la première sur la figure 5. Si au contraire il se produit une légère diminution du courant Is, la tension de sortie deviens légère- ment inférieure à VSR et le comparateur 4 agit sur le ballast 1 pour que la tension redevienne égale à la tension stabilisée VSR. Nous allons maintenant examiner la stabilité du point intermédiaire D. La courbe AB vérifie la condition Vt = 1, où Vg-représente la différence des tensions appliquées au dispositif 6 sur la figure 4 et où 1 égale la valeur limite à laquelle le dispo sitif 6 stabilise la différence des tensions V. . La courbe A3 partage le plan en deux zones, la zone de gauche qui contient la phase de régulation et ou est inférieure à 1 et la zone de droite où V est supérieure à 1.Lorsque pour une raison quelconque il se produit une légère augmentation du courant IS à partir du point D, le point de fonctionnement passe dans la zone où V est inférieure à 1, par conséquent le dispositif 6 n'agit pas sur le ballast 1 pour limiter le courant et celui-ci continue à coutre jusqu'à ce que le point de fonctionnement arrive au point C qui est un point de fonctionnement stable comme nous l'avons vu précédemment.De même, Si à partir du point D il se produit une légère diminution du courant IS, le point de fonctionnement passe dans la zone où est supérieure à 1. lie dispositif 6 agit alors sur le ballast 1 pour diminuer le courant Is. Da diminution du courant IS se poursuit jusqu'à ce que le point de fonctionnement passe au point E qui est un point de fonctionnement stable comme nous allons le voir. lie point D est donc un point de fonctionnement instable. Lorsqu'à partir du point E, il se produit une légère augmentation de courant le point de fonctionnement passe dans la zone où VC est-supérieure à l, le dispositif 6 agit alors qur le ballast 1 pour limiter le courant 15 et le point de fonctionnement revient au point E. De meme lorsqu'à partir du point E, le courant Is subit une légère diminution, le-point de fonctionnement passe dans la région où V est inférieure à 1. Be dispositif 6 n'agit pas sur le ballast 1 pour limiter le courant, mais le comparateur 4 associé aux circuits 2 et 3 agit alors sur le ballast 1 pour augmenter la tension de sortie et provoque une légère augmentation du coursant qui ramène le point de fonctionnement au point E. te point E est donc un point de fonctionnement stable. tes points de fonctionnement de l'alimentation sont stables lorsque la pente de la droite d'équation VS = R5. IS est inférieure à la dérivée première de la courbe AB. C'est ce qui produit sur la portion BS de cette courbe. Bes points de fonctionnement de l'alimentation sont instables lorsque la pente de la droite VS = RS. IS est supérieure à la dérivée première de, la courbe AB, c'est ce qui se produit sur la portion AS de cette courbe. ta portion AF de la courbe AB, pour laquelle la consommation du ballast serait la plus importante s'il y avait un fonctionnement stable, correspond à un fonctionnement instable et cela permet de limiter l'importance des radiateurs associés au ballast. Ba figure 6 représente un mode de réalisation pratique du ballast et du dispositif de limitation du courant dans le cas de l'alimentation représentée sur la figure 4. lie dispositif de limitation du courant est constitué par un transistor 21 du type N27J, dont la base est connectée au point commun aux résitances R1 et R2 et dont l'émetteur est connecté au point commun à l'élément non linéaire 7 et à la résistance de charge variable Rs. Sur la figure 6, l'élément 7 est constitué par une diode. lie collecteur de T1 est relié à l'entrée du ballast. te ballast est essentiellement constitué par deux transitors T2 et T3, du-type NPN, qui sont montés en Darlington, des résistances R5 et R6 complètent le montage. te dispositif de limitation du courant est relié au ballast par l'intermédiaire de deux diodes D2, et D qui sont reliées aux bases des transistors 22 et T3. Deux autres diodes D1, entre l'émetteur de T2 et la résistance R1 et D4, entre la masse et le point commun à D2 et D3 servent à la protection du montage. Une capacité C1 est branchée en parallèle sur R1. Elle permet d'accélérer la limitation du courant que doit réaliser T1. te comparateur 4 est relié à la base du transistor T3. REVESI)ICATIOTS 1. Dispositif de protection d'une alimentation de tension stabilisée assurant la limitation du courant circulant dans une impédance de charge variable, cette limitation étant réalisée en mesurant la différence des courants circulant dans l'impédance de charge variable et dans une impédance de charge constante et en maintenant cette différence à une valeur limite, caractérisé en ce qu il comporte un élément non linéaire en fonction du courant (7) monté en série avec l'une des impédances de charge, qui assure, dans une plage de variation de l'impédance de charge variable, pour une meme valeur de cette impédance, trois valeurs différentes de la tension de sortie de l'alimentation, seules les valeurs éxtrêmes correspondant à des points de fonctionnement stables et la plus forte valeur étant égale à la tension stabilisée (VER) 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément non linéaire (7) est une diode. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément non linéaire (7) est une source de tension continue. 4. Alimentation de tension stabilisée assurant la limitation du courant circulant dans une impédance de charge variable, cette limitation étant réalisée en mesurant la différence des courants circulant dans l'impérance de charge variable et dans une impédance de charge constante et en maintenant cette différence à une valeur limite, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif selon l'une des revendications 1 à 3. 5 Alimentation selon la revendication 4, caractériséeen ce que la différence des courants est obtenue, à une constante près, par un dispositif diftérentiel (6) qui reçoit les tensions aux bornes de deux résistances (R, R1) en série avec les impédances de charge (RS, R2) ce dispositif assurant également la comparaison de la différence des tensions qu'l1 reçoit à une valeur limite (1) et l'action sur le ballast (1) qui délivre le courant (Is) pour que la différence des tensions ne dépasse pas la valeur limite.