Brevet FR2466910A1 — publié le 19810410

1. "Commutateur électronique commandé par voie magnétique." L'invention concerne un commutateur électronique comman- dé par voie magnétique et réalisé sous forme de circuit se- miconducteur intégré, le trajet de commutation de ce commu- tateur étant commandé par un élément de Hall intégré. Les commutateurs du genre précisé ci-dessus sont déjà connus. (On cite par exemple le commutateur de type ULS-3006 T de la firme Sprague et le commutateur de type TL 170-C de la firme "Texas Instruments"). Toutefois, les possibilités d'emploi de ces commuta- teurs connus sont limitées puisque ces commutateurs n'auto- risent qu'un seul sens de passage de courant (il s'agit donc de commutateurs unipolaires), que seulement le poten- tiel le plus négatif est applicable à la borne de sortie à travers le commutateur, que l'intensité maximale du courant de sortie n'est de l'ordre de grandeur que d'environ 20 mA, et finalement que les commutateurs sont affectés par une hystérèse non négligeable, c'est-àdire que l'intensité de champ d'enclenchement est notablement supérieure à l'inten- sité de champ de déclenchement. Ces particularités signi- fient des restrictions sérieuses dans la possibilité d'emploi de ces commutateurs, en particulier lorsqu'ils sont utilis6s pour commander des moteurs. L'invention a pour but de procurer un commutateur élec- tronique qui, tout en appartenant au genre mentionné dans le préambule, a la particularité que son emploi est beau- coup plus flexible et peut être utilisé notamment sans frais de commutation supplémentaires, comme commutateur électro- nique desservant un moteur. Conformément à l'invention, le but précisé ci-dessus est atteint du fait qu'entre une première borne d'entrée (1) et une borne de sortie (2) est aménagé un premier trajet de commutation (3) et qu'entre une deuxième borne d'entrée (4) et la borne de sortie (2) est aménagé un second trajet de commutation (5), que la commande des deux trajets de commu- tation (3,5) est possible de façon que dans le cas o le commutateur est soumis à l'influence d'un champ magnétique avec une composante B qui est perpendiculaire à l'élément de Hall, le premier trajet de commutation (3) est fermé lorsque B > B0 + AB, que le deuxième trajet de com- mutation (5) est fermé lorsque B ABgo. Les avantages dont on profite en mettant à profit l'invention consistent en particulier en ce que l'emploi du commutateur conforme à l'invention est beaucoup plus flexible (depuis un commutateur inverseur simple desservi par voie magnétique jusqu'aux éléments d'inversion de courant montés en pont, avec un nombre de phases quelconques et utilisés dans les petits mo- teurs électriques), que grâce au fonctionnement de commutation optimal le rendement du commutateur est élevé, que sans devoir prendre des mesures de protec- tion supplémentaires le commutateur convient pour la commutation de charges inductives, que dans le cas o il est réalisé sous forme de circuit intégré monolithi- que et est monté sur une feuille de contact, le com- mutateur peut etre aménagé sans difficulté dans l'en- trefer d'un moteur, et que du fait de prolonger vers l'extérieur certains points du circuit, les signaux de commande du générateur à élément de Hall peuvent être combinés avec des signaux extérieurs pour modifier de la sorte les conditions de commande. La description suivante, en regard des des- sins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réali- sée. La figure 1 montre un circuit de courant simple muni d'un commutateur répondant à l'état ac- tuel de la technique. La figure 2 représente un circuit de courant simple muni d'un commutateur conforme à l'invention. La figure 3 montre un montage en pont muni de deux commutateurs conformes à l'invention. La figure 4 est le schéma d'un commutateur canforme à l'invention, réalisé sails fomne ee ciiit intégré mamUthique. Les Figures 5 et 6 illustrent deux détails servant-à expliquer le circuit intégré monolithique selon la figure 4. La figure 1 montre un circuit de courant simple qui con- tient un commutateur unipolaire commandé par vole magnétique et répondant à l'état actuel de la technique. Ce commutateur est affecté par les inconvénients déjà cités dans ce qui pré- cède. Par contre, la figure 2 montre un circuit de courant simple muni d'un commutateur 10 conforme à l'invention, cir- cuit dans lequel est aménagé un premier trajet de commuta- tion 3 entre une première borne d'entrée 1 et une borne de sortie 2 à laquelle est raccordée une charge 11, alors qu'un second trajet de commutation 5 est aménagé dans ledit circuit entre une deuxièmene borne d'entrée 4 et ladite borne de sortie 2. La source de courant 12 assurant l'alimentation de la charge 11 est raccordée aux deux bornes d'entrée 1 et 4. Par un champ magnétique appliqué de l'extérleur et com- portant une composante B qut est orientée perpendiculaire- ment à l'élément de Hall (non représenté) dont est muni.,le commutateur, les deux trajets de commutation 3 et 5 sont..com- mandés de façon que le premier trajet 3 soit fermé lorsque B > 80 + àB X que le second trajet 5 soit fermée lorsque B BO - et que les deux trajetsZ5 soient ouverts lorsque BoI valeur B0 étant inférieure à 25 mT dans le cas d'un commuta- teur réalisé en pratique. De son c8té, t est une valeurqui est définie par la dispersion à laquelle donnent lieu les éléments de commutation et qui, pour un commutateur réalisé en pratique, est comprise entre 0, 5 et 1. Comme le montre par ailleurs la figure 2, chaque tra- jet de commutation 3, 5 est shunté par une diode de libre passage 6, 7 qui en présence d'une charge à caractère induc- tif ou à caractère actif permet un courant de charge égale- ment dans le cas o los deux trajets de charge sont dêclen- chés. La f!gure 3 -ntre un montage en pont comportant deux commutateurs -: cot 2C I poeut o agir par exemple d'un monta- ge en pont utilisé en combinaison avec un moteur dont l'en- roulement de stator constitue alors la charge 11. La figure 4 est le schéma d'un commutateur conforme à l'invention, réalisé sous forme de circuit intégré mono- lithique.A droite sur la figure 4, on reconnaît trois bornes de connexion 1, 2 et 4, les diodes de libre passage 6 et 7, de même que-les transistors T3 et T18 servent de trajets de commutation. La diode 7 est formée par la diode de substrat parasite du transistor T3, tandis que de son c8té, la diode 6 est formée par un transistor dont le trajet base- émetteur est court-circuité. Le transistor T3 formant le trajet de commutation 5 forme, en coopération avec le transistor T4, une configura- tion de Darlington, commandée par un miroir de courant fonné par les transistors T21, T22 et T23. Par contre, le transistor T18 formant le trajet de commutation 3 est commandé par les transistors TI19 et T20 qui,- à leur tour, sont commandés par le miroir de courant formé par les transistors T26, T27 et T28. Dans le présent cas, la commande du transistor 18 est réalisée de façon particulière. Si l'on devait utiliser ici une configuration de Darlington comme c'est le cas dans l'étage inférieur (T3, T4), on obtiendrait, avec le transis- tor de miroir de courant T26, lecircuit que montre la fi- gure 5. De plus, il se produirait dans le transistor T18 une chute de tension qui serait égale à U -u +U +U CEl8UCE26 UBE20 BE18 et qui dépasserait d'environ UBE _ 0,7 volt la chute de tension dans le transistor T3 pour lequel UCE3UCE4 +UBE3. L'élimination de cet inconvénient n'est pas possible par le seul emploi d'un étage de Darlington complémentaire tel que représenté sur la figure 6 (transistors-T18 et T19) étant donné que des transistors -PNP appartenant à des circuits intégrés bipolaires ne sont réalisables qu'avec des coeffi- cients d'amplification de courant qui sont inférieurs d'un ordre de grandeur à deux ordres de grandeur par rapport à ceux des transistors NPN. Lorsqu'on formerait un deuxième étage de Darlington complémentaire, du fait que dans le circuit selon la figure 6 l'émetteur du transistor T20 ne serait pas raccordé à l'émetteur du transistor T18 mais à la base de celui-ci, il en résulterait de nouveau une trop forte chute de tension dans le transistor T18. Par contre, à l'aide du circuit selon la figure 6, circuit qui sur la figure 4 n'a été complété que par des résistances d'éva- cuation, on obtient que ladite chute de tension soit moins grande et que néammoins dans le circuit combiné T18, T19, 1.0 T20 les courants totaux contribuent exclusivement à la for- mation du courant de charge tout en ne comportant aucune composante de perte. Avec les étages de sortie de commutation commençant aux miroirs de courant dans le circuit selon la figure 4,on obtient ainsi un rendement optimal. A ce rendement optimal contribue également le fait que l'étage supérieur opère comme émetteur suiveur, alors que l'intensité de courant de collecteur du transistor T26 s'ajuste proportionnelle- ment à l'intensité du courant de charge à la borne de sor- tie 2. Normalement, les bornes d'entrée AI et BI des deux miroirs de courant sont raccordées aux bornes de sortie A2, B2 du reste du circuit, mais lesdites bornes d'entrée peu- vent également recevoir des signaux de commande extérieurs servant à la commande des trajets de commutation 3 et 5. La partie de commande du circuit que montre la figure 4 comporte un élément de Hall H qui, à travers un émetteur suiveur T33, reçoit une tension d'alimentation constante, tandis qu'à la suite de l'élément de Hall est branché un amplificateur différentiel T31, T32 dont la sortie C est accessible de l'extérieur, une source de tension de réfé- rence avec plusieurs étages, ainsi que deux étages de commande. La source de tension de référence est formée par les diodes d'émetteur des transistors T9, T1O, TII, T12 et T13 qui, à travers un miroir de courant T15, T24 et T25, sont alimentés en courant de référence dont l'intensité est ré- glée à l'aide de la résistance R. L'intensité du courant de référence peut être variée à travers la borne I. De la source de tension de référence,-on déduit en premier lieu la tension servant à commander l'élément de Hall H. De ce fait, l'intensité du courant de commande de l'élément de Hall devient indépendant des fluctuations de la tension d'alimentation. Dès que les conditions mentionnées ci- dessus et régissant l'enclenchement d'un des deux trajets de commutation sont respectées, la tension de l'élément de Hall surexcite l'amplificateur différentiel T31, T32 qui suit l'élément de Hall et dont le courant de sortie est découplé de façon non symétrique à travers le miroir de courant T29, T30, T35, ledit courant de sortie fournissant les courants de base pour les transistors T14, et T17 de l'amplificateur de différence T14, TiS ou T16, T17, ampli- ficateurs de différence qui opèrent comme circuits de com- mande entrant en action à différents niveaux de tension, étant donné que les tensions de base des transistors T15 et T16 sont des tensions de référence entre lesquelles la dif- férence est égale à trois fois la chute de tension de diode (TII, T12, T13). Le transistor T15 ne fournit du courant de collecteur que dans le cas o le potentiel de base du tran- sistor T14 devient inférieur au potentiel de référence du transistor T1S. De la même façon, le transistor T17 ne four- nit du courant de collecteur que dans le cas o le potentiel de base du transistor T17 devient supérieur au potentiel de référence du transistor T16. Grâce à cette mesure, on empêche avec certitude-que les deux trajets de commutation soient enclenchés simultanément. La diode de Zener T6 empêche qu'en présence d'une trop grande tension d'alimentation, la tension de blocage maxi- male admissible base-émetteur des transistors T15 et T16 puisse être dépassée lorsque le transistor T14 ou T17 est conducteur. Pour ajuster chaque fois l'intensité de courant indispensable, on donne aux transistors T34, T8 et T17 servant de sources de courant d'émetteur de l'amplificateur différentiel, des surfaces d'émetteur différentes, et les- dits transistors sont commutés comme étages de sortie d'un miroir de courant combiné (avec les transistors T9 et TI0). Les transistors T18 et T3 formant les trajets de commutation 3 et 5 sont formés-par plusieurs transistors (8,9) branchés en parallèle. Dans la pratique, le circuit que montre la figure 4 est obtenu par la mise en oeuvre de la technologie habi- tuelle, et monté aussi bien dans un boîtier métallique (SOT14) d'une enveloppe en matière synthétique (S08) que sur une feuille. Durant un court laps de temps, l'intensité du courant de sortie du circuit peut atteindre 1 ampère, tandis qu'en service continu, ladite intensité peut être égale par exemple à 400 mA. La tension de régime nominale est égale à 9 Volts. La tension de régime admissible est comprise entre 4,5 Volts et environ 15 Volts. Un commutateur du genre décrit dans le présent exposé peut être utilisé avec succès comme commutateur électroni- que à l'intérieur de petits moteurs électriques. -2466910 REVENDICATIONS 1.- Commutateur électronique commandé par voie ma- gnétique et réalisé sous forme de circuit semiconducteur - intégré, le trajet de commutation de ce commutateur étant commandé par un -élément de Hall intégré, caractérisé en ce qu'entre une première borne d'entrée (1) et une borne de sortie (2) est aménagé un premier trajet de commutation (3) et qu'entre uredeuxième borne d'entrée (4) et la borne de sortie (2) est aménagé un second trajet de commutation (5), que la commande des deux trajets de commutation (3,5) est possible de façon que dans le cas o le commutateur est soumis à l'influence d'un champ magnétique avec une compo- sante B qui est perpendiculaire à l'élément de Hall, le premier trajet de commutation (3) est fermé lorsque B.. B + -, que le deuxième trajet de commutation (5) O 2 À est fermé lorsque B ABK O. 2.- Commutateur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque trajet de commutation (3,5) est shunté par une diode de libre passage (6,7). 3.- Commutateur électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les trajets de commutation (3,5) sont formés par des transistors bipolaires tandis que la diode de libre passage (7) qui shunte le trajet de commutation (5) est formée par la diode de substrat parasite du tran- sistor correspondant (T3). 4.- Commutateur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trajet de commutation (5) est formé par un étage de Darlington réalisé par des transis- tors-NPN (T3) (TI4-),tandis que 1 'autre trajet de commutation (3) est formé par un transistor -NPN (18) dont l'émetteur est à la masse et qui est commandé par un transistor -PNP (T19) dont le collecteur est à la masse, ce transistor (T19) étant commandé par un transistor -NPN (T20) dont l'émetteur est à la masse tandis que les émetteurs des deux transistors -NPN (T18, T20) sont interconnectés directement et raccordés à la borne de sortie (2). 5.- Commutateur électronique selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que chaque trajet de commutation (3, 5) peut &tre commandée par un éta- ge de commande (T16, T17; T14, TS5), le niveau de commandede ces étages étant choisi de façon qu'il existe entre ces ni- veaux une différence qui correspond & une variation prédé- terminée de l'intensité magnétique de la composante B impo- sée & l'élément de Hall H. 6.- Commutateur électronique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la différence entre les niveaux de commande est définie par les chutes de tension dans des diodes (Tll, T12, T13) branchées en série. 7.- Commutateur électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la vole de courant de l'élément de Hall (H) reçoit une tension d'alimentation constante & travers un transistor (T33). 8.- Commutateur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que son circuit comporte des bornes (Al, A2; BT1 B2) auxquelles il est possible de fournir d'autres signaux pour commander les trajets de commutation (3, 5). 9.- Commutateur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion entre l'élément de Hall (H) et les étages de commande (TI69 T17; T14, Ti5) est mu- nie d'une borne (C) sur laquelle il est possible de prélever la tension de Hall amplifiée ou à travers laquelle les étages de commande peuvent Atre commandés à l'aide d'un signal extérieur. 10.- Commutateur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur comporte une borne (I) sur laquelle il est possible de régler l'intensité d'un cou- rant de référence. Il.- Commutateur électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à lo, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme de circuit intégré monolithique. 12.- Commutateur électronique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le circuit intégré est muni d'un ensemble de contacts élaboré sur une feuille.