Brevet FR2484730A1 — publié le 19811218

Cette invention concerne des unités variables d'alimentation en courant électrique telles que celles utilisées pour des applications de laboratoire afin de fournir une- tension ou une intensité constante sur une large plage de valeurs. On prévoit des commandes réglables de façon qu'en utilisation, on puisse faire varier la valeur de la tension constante ou de l'intensité constante et la fixer à une valeur désirée jusqu'à un maximum déterminé par la conception de l'unité. Il est courant de prévoir un certain nombre d'unités d'alimentation en courant individuelles pour les utiliser dans différentes applications. Par exemple, on peut concevoir une unité telle qu'on puisse choisir toute tension. ou toute intensité constante à 'intérieur des limites d'un maximum de 60 volts jusqu'à une limite d'intensité de 5 ampères, une autre avec un maximum de 30 volts jusqu'à une intensité de 10 ampères et une troisième avec un maximum de 15 Volts jusqu'à 20 ampères.Toutes ces unités auront des dimensions similaires du fait de la puissance maximale identique (VA), mais on doit noter qu'il y a une redondance considérable du fait que, par exemple, la première unité ne peut fournir plus de 5 ampères, même si elle travaille à une tension faible, et de ce fait, bien à l'intérieur de sa limite de puissance, tandis que la troisième unité ne peut fournir plus de 15 volts, même en travaillant à une intensité faible. C'est un but de la présente invention de procurer une unité d'alimentation en courant compacte et efficace, qui fonctionne de manière à permettre une réduction du nombre des différentes unités d'alimentation en courant nécessaire dans un laboratoire. ta présente invention consiste en une unité d'alimentation en courant électrique variable, qui comporte un convertisseur à mode commutable ou à découpage ayant un transformateur avec un enroulement primaire auquel sont amenées aes impulsions d'entrée de courant continu par l'actionnement d'un interrupteur et un enroulement secondaire raccordé à un circuit de sortie comportant une diode disposée pour que le convertisseur fonctionne comme un convertisseur de retour, de l'énergie étant transférée au circuit de sortie chaque fois que l'interrupteur est ouvert, unité dans laquelle le convertisseur est conçu pour fonctionner sur sa plage de fonctionnement normal avec des impulsions d'entrée de fréquence constante, la largeur des impulsions étant commandée de façon à maintenir constante la tension ou l'intensité de sortie à toute valeur sélectionnée dans la plage, et la puissance maximale disponible sur cette plage étant limitée par une largeur d'impulsions d'entrée autorisée maximale fixée. Par ailleurs, dans une telle unité d'alimentation en courant, la puissance maximale disponible sur la plage est conçue pour décroître en direction de l'extrémité "intensité maximale" supérieure de la plage par un transfert d'énergie partiel (incomplet) au circuit de sortie pendant chaque période de coupure de l'interrupteur. Par ailleurs, au-delà de l'extrémité "haute tension" de la plage de fonctionnement, la puissance maximale disponible est réduite, lorsque l'intensité de sortie diminue, en maintenant une tension de sortie maximale constante par la réduction de la largeur d'impulsions d'entrée autorisée maximale. D'autre part, au-delà de l'extrémité "forte intensités de la plage de fonctionnement, la puissance maximale disponible est réduite, lorsque la tension de sortie diminue, en maintenant une intensité de sortie maximale constante par la réduction de la largeur d'impulsions d'entrée autorisée maximale. Enfin, en-dessous d'un certain niveau de puissance inferieure correspondant à une largeur d'impulsions d'entrée autorisée minimale, le convertisseur est conçu pour fonctionner à une fréquence décroissante par l'allongement de la période de coupure de l'interrupteur entre les impulsions. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, d'une forme de réalisation préferée en liaison avec le dessin joint sur lequel la figure 1 est un schéma bloc d'une forme d'unité d'alimentation en courant selon l'invention ; et la figure 2 montre une courbe de sortie caractéristique de l'unité d'alimentation en courant de la figure 1. Sur la figure l, on voit une unité d'alimentation en courant qui comporte un circuit de filtrage haute fréquence 1 auquel est amené un courant alternatif classique du réseau. circuit 1 comporte tous les composants nécessaires pour ; rez les comllosants baume fréquence qui, autrement, seraient ramenés aux 7in;nes a'alimentation, et également un petit transforeateur 5G Hz basse puissance pour fournir des alimen tat i. ens auxiliaires de courant AUX aux circuits d'entraîne ruent et de commande qui seront décrits ci-après. La sortie du circuit de filtrage 1 est amenée à un circuit 2 souri comporte un redresseur en pont, un filtre 100 tTz et des composants de stockage de façon à fournir un courant continu lissé 350 volts à un circuit de commutation monophasé, lecuel comporte deux transistors de puissance à effet de champ, SW1, SW2, commandés par les enroulements secondaires séparés S d'un transformateur T dont l'enroulement primaire est excité par un circuit d'entraînement 3. Les deux interrupteurs, Swl et SW2 sont simultanément à l'état fermé ou à l'état ouvert. Un blocage ferme est procuré par deux diodes montées en croix Dl et D2. Lorsque les interrupteurs SW1 et SW2 sont ouverts, la tension au travers du circuit primaire s'inverse et ceci continu dans le cas d'une charge nulle sur le circuit de sortie jusqu'à ce que les deux diodes soient rendues conductrices, ramenant ainsi l'énergie stockée à l'alimentation, Les interrupteurs SWl et SW2 commandent la circulation du courant continu provenant du circuit 2 à travers l'enroulement primaire d'un transformateur principal Tl qui est monté en série avec l'enroulement primaire d'un transformateur de courant T2, dont l'enroulement secondaire S2 est raccordé au circuit d'entraînement 3 pour fournir des informations sur le courant circulant dans le circuit primaire. L'enroulement secondaire Sl du transformateur principal T1 est raccordé à un circuit de sortie comportant une diode D3, des condensateurs Cl et C2 et une bobine d'inductance L1. L'enroulement secondaire S1 est raccordé à la diode D3 de telle sorte que le convertisseur fonctionne comme un convertisseur de retour dans lequel, lorsque les interrupteurs SW1 et EW2 sont fermés, la diode D3 n'est plus conductrice et l'énergie est stockée dans le transformateur Tl, l'intensité s'élevant jusqu'à une valeur maximale à la fin de l'impulsion de fermeture, et, lorsque les interrupteurs SWl et SW2 sont ouverts, la diode D3 est conductrice et l'énergie est trans rce du transformateur T1 au circuit de sortie.Le transfert d'énergie peut être total ou partiel en fonction de la durée de l'impulsion de coupure et des paramètres de conception du circuit. Une intégration des impulsions de sortie est procurée par la bobine d'inductance L1 et le condensateur C2 pour fournir aux bornes de sortie un courant continu lissé. La tension de sortie et une tension aux bornes d'une résistance RI montée en série dans le conducteur de courant négatif, représentant ainsi le- courant de sortie, sont amenées à un circuit de commande 4, ayant un-amplificateur de commande de tension A2 et un amplificateur de limite d'intensité Al, et de ce fait, au circuit modulateur de la largeur d'impulsions et d'entraînement 3. La commande de limitation de l'intensité dérivée de la tension aux bornes de la résistance Rl est un système à action relativement lente et exerce une commande du second ordre sur une commande de-limitation d'intensité à action rapide exercée par le transformateur de courant T2 dans le circuit primaire.Du fait que le circuit de commande primaire est disposé pour fonctionner toujours dans une commande d'in- tensité constante commedéfini par le retour du transformateur de courant T2, ce système a l'avantage de- limiter 1'intensité dans le circuit primaire à une valeur maximale prédéterminée sur une base d'impulsion, par impulsion. Ce circuit de commande d'intensité fonct-ionne comme suit Un oscillateur 5 envoie des impuls-ions de syncbronisation à un modulateur de largeur d'impulsions 3j où ellés arment un élément bistable, qui à son tour actionne les deux interrupteurs de puissance SW1, SW2. Le courant augmente alors dans ltenrou lement primaire du transformateur Tl et est détectée par le transformateur de courant T2 et amenée à l'entrée d'un comparateur de courants dans le circuit 3.Ce comparateur de courants a une référence courant continu telle que, lorsque l'intensité s'élève jusqu'à une valeur de pointe définie, l'élément bistable est réinitialisé, que les interrupteurs de puissance s'exvrent alors, et que l'énergie stockée dans le transformateur Tl est alors fournie à la sortie. La séquence se répète et les interrupteurs de puissance se ferment à nouveau à l'impulsion de synchronisation suivante. Dans ces conditions, l'unité fonctionne en un mode de puissance constante, du fait que la largeur d'impulsions de l'entrée a été définie et que la tension d'entrée est restée constante au premier ordre près. La figure 2 montre la courbe de sortie d'un exemple d'une unité d'alimentation en courant conçue pour fonctionner selon un mode de puissance constante avec un transfert total d' nerg-ie sur une plage de fonctionnement de puissance maxi- maJe entre les points A et B. Ainsi, au point 1, l'unité fournit une tension de sortie maximale de 60 volts pour une intensité de 5 ampères et en B, une intensité maximale de 20 ampères à 15 volts. Une puissance de sortie maximale de 300 VA peut ainsi être procurée à tout point intermédiaire entre A et B avec des valeurs correspondantes de tension et d'intensité.Ainsi, sur cette plage de fonctionnement, le système devient une source d'énergie constante déterminée par la tension du circuit d'entrée et la largeur d'impulsions d'entrée autorisée maximale. Cette énergie constante est disponible pour un récepteur sous forme de tension élevée et de faible intensité ou de faible tension et d'intensité élevée, ou de combinaisons intermédiaires de tension et d'intensité. Cependant, on préfère que, dans la pratique, à un point donné C compris entre A et B, le transfert d'énergie de l'enroulement primaire du transformateur Tl au circuit de sortie devienne incomplet, ce qui réduit la puissance disponible sur cette partie de la plage (représentée en traits mixtes) entre le point C et le point D pour une intensité maximale de 2C ampères. Ce résultat est atteint en choisissant les para mètres du circuit de telle sorte que, pendant chaque période d'ouverture de l'interrupteur, l'énergie dans le circuit primaire n'a pas le temps d'être transférée complètement au circuit de sortie. On doit noter que, si le convertisseur avait été conçu pour fonctionner avec un transfert d'énergie total jusqu'à une tension de 5 volts, il aurait été nécessaire de le concevoir pour une intensité maximale de 60 ampères.Cependant, le passage à un transfert d'énergie partiel, permet d'établir un compromis pour permettre l'utilisation d'un transformateur beaucoup plus petit et de valeurs d' intensité maximale inférieures de la diode D3 et d'autres composants dans le circuit de, sorite, et des intensités plus faibles des transistors à effet de champ. Si l'amplificateur de commande de tension A2 est réglé pour permettre la tension autorisée maximale de 60 volts lorsque 1' intensité tombe en-dessous de 5 ampères, c'est-à-dire vers la gauche du point A, le circuit de commande 4 actionne alors le modulateur de largeur d'impulsions 3 pour r--duire la référence de tension du comparateur de courants et de ce fait, la largeur dtimpulsions autorisée maximale pour obtenir une tension constante de 60 volts. Si l'amplificateur de limite d'intensité Al est réglé pour permettre l'intensité autorisée maximale de 20 ampères lorsque la tension tombe en-dessous de 15 volts (ou 5 volts dans le cas d'un transfert partiel d'énergie), le circuit de commande 4 actionne alors le modulateur de largeur d'impulsions 3 pour réduire la largeur d'impulsions autorisée maximale et obtenir une intensité constante de 20 ampères. Lorsque l'unité fonctionne dans des conditions de tension ou d'intensité de sortie constante pour un réglage inférieur à la tension ou l'intensité autorisée maximale, l'amplificateur de commande de tension A2 ou l'amplificateur de limite d'intensité Al agissent alors pour augmenter ou diminuer la largeur d'impulsions de sortie pour obtenir la tension ou l'intensité fixée. Ainsi, pour une commande de tension avec une valeur fixée de 40 volts, la plage de sortie de l'unité est représentée par la ligne EF. Si le récepteur demande une intensité supérieure à F, la tension diminuera comme il est déterminé par la courbe FCB, ou FCD. Lorsque le circuit de commande 4 demande des puissances de sortie très faibles inférieures à, par exemple, 5 watts, selon ce qui est demandé par le récepteur extérieur, on doit atteindre une largeur d'impulsions d'entrée minimale en-dessous de laquelle l'oscillateur 5 revient à un mode d'etat conducteur fixe et d'état de coupure variable (non représenté sur la figure 2). L'état de fermeture sera une impulsion extrêmement étroite et il sera prévu de longues périodes de coupure telles que l'énergie puisse être transférée au circuit de sortie à des puissance de sortie très basses. Cet état de coupure s'allonge progressivement lorsque la sortie tend vers zéro et ne procure plus qu'une ou deux impulsions par seconde lorsque la puissance de sortie est nulle pour tenir compte des pertes dans le système. Du fait qu'en fonctionnement, l'unité peut être sous la commande de l'amplificateur de commande de tension A2 ou de l'amplificateur de limite d'intensité Al ou de la commande de puissance constante, il est prévu des dispositifs odes électroluminescentes (LED) sur l'avant de l'unité pour indiquer quel mode est en service. En résiné, les principaux avantages de l'alimenta- tien en courant décrite ci-dessus sont les suivants. On n'emploie pas de transformateur 50 Hz de puissance et il en résulte une unité extrêmement légère. En outre, l'utilisation de techniques de commutation à haut rendement entraîne une dissipation interne extrêmement faible et il en résulte des puits thermiques de très faible dimension et une unité totale de très faibles dimensions. Finalement, comme on l'a expliqué ci-dessus, le concept de puissance constante permet de fournir à partir de la même unité des courants de forte tension et de faible intensité ou des courants de faible tension et de forte intensité, ce qui réduit le nombre des unités d'alimentation en courant différentes à conserver en magasin. Revendications . 1. Unité d'alimentation en courant électrique variable, comportant un convertisseur à mode commutable ayant un transformateur (Ti) avec un enroulement primaire auquel sont amenées des impulsions d'entrée de courant continu par l'actionnement d'un interrupteur (sol, sw2) et un enroulement secondaire (S1) raccordé à un circuit de sortie comportant une diode (D3) disposée pour que le convertisseur fonctionne comme un convertisseur de retour, de l'énergie étant transférée au circuit de sortie (D3, Ll C11 C ) chaque 2 fois que l'interrupteur est ouvert, caractérisée en ce que le convertisseur est conçu pour fonctionner sur sa plage de fonctionnement normal avec des impulsions d'entrée de fréquence, constante, la largeur des impulsions étant commandée de façon à maintenir-constante la tension ou l'intensité de sortie à toute valeur sélectionnée dans la plage, et la puissance maximale disponible sur cette plage étant limitée par une largeur d'impulsions d'entrée autorisée maximale fixée. 2. Unité d'alimentation en courant selon la revendication 1, caractérisée en ce que la puissance maximaledisponible sur la plage est conçue pour décroître en direction de l'extré- mité "intensité maximale" (D) supérieure de la plage par un transfert d'énergie partiel (incomplet) au circuit de sortie pendant chaque période de coupure de l'interrupteur (su1, sw2). 3. Unité d'alimentation en courant selon la revendication l ou la revendication 2, caractérisée en ce que, au-delà de l'extrémité "haute tension" (A) de la plage de fonctionnement, la puissance maximale disponible est réduite, lorsque l'intensité de sortie diminue, en maintenant une tension de sortie maximale constante par la réduction de la largeur d'impulsions d'entrée autorisée maximale. 4. Unite d'alimentation en courant selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, au-delà de l'extrémité forte intensité" (D) de a plage de fonctionne ment1 la puissance maximale disponible est réduite, lorsque la tension de sortie diminue, en maintenant une intensité de sortie maximale constante par la réduction de la largeur d'impulsions d'entrée autorisée maximale. 5. Unité d'alimentation en courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, en dessous d'un certain niveau de faible puissance correspondant à une largeur d'impulsions d'entrée autorisée minimale, le convertisseur est conçu pour fonctionner à une fréquence décroissante par l'augmentation de la période de coùpure de l'interrupteur entre les impulsions. 6. Unité d'alimentation en courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'interrupteur comporte deux transistors à effet de champ (FET) (8W1 et Su2). 7. Unité d'alimentation en courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on prévoit des moyens (T2,S2) pour dériver un signal fonction du courant circulant dans l'enroulement primaire du transformateur, ce signal étant utilisé pour commander le fonctionnement de l'interrupteur pour produire des impulsions d'entrée de largeur constante.