Brevet FR2481544A1 — publié le 19811030

La présente invention se rapporte à un montage de com- mutateur électronique pour courants de charge élevés, notam- ment pour le circuit des appareils d'éclairage d'un véhicule automobile, comprenant un transistor de commutation monté en série avec la charge à commander et qui est mis à l'état blo- qué ou à l'état conducteur par un étage de commande en fonc- tion de la manoeuvre d'un interrupteur de fermeture/ouvertu- re. On fabrique et met sur le marché depuis peu de tels circuits connus par exemple pour les commandes de moteurs et électro-aimants dans les véhicules automobiles ainsi que dans l'industrie, sous la forme d'un circuit intégré en mon- tage "bilitique". Dans ce cas, on utilise pour les applica- tions d'intensité supérieure à 10 A jusqu'à 30 A des éléments comportant un étage "Darlingtoni intégré. Pour la commande de l'étage Darlington on utilise un étage d'attaque. En sup- plément, on prévoit des éléments de protection du circuit intégré contre les pointes de courant trop élevées et les charges en cas de courtcircuit. Un inconvénient consiste dans la complexité relative de la construction de ces monta- ges, de sorte que les circuits intégrés sont relativement coûteux. L'invention vise à perfectionner le montage connu de manière qu'il soit possible de le fabriquer de façon plus simple et moins coûteuse. Suivant l'invention, ce problème est résolu par un montage du genre défini plus haut, caractérisé en ce que le transistor de commutation (T2) et le transistor d'attaque (T1), qui comportent chacun une résistance de réaction (R2, R4) reliant leur collecteur à leur base,, sont connectés de façon à former une bascule bistable, en ce que, dans le cir- cuit d'attaque de la base du transistor d'attaque, est in- tercalé un condensateur (C1) appartenant à un circuit (RC) et en ce que ce condensateur est connecté sélectivement par l'intermédiaire de l'interrupteur (S) de fermeture et d'ou- verture à un potentiel qui met le transistor d'attaque et, avec lui, le transistor de commutation à l'état conducteur ou à l'état bloqué. L'invention a pour objet un montage qui peut être cons- truit de façon relativement simple, qui est capable de ré- sister à la sévérité du service sur véhicules automobiles et qui est également protégé des fortes pointes de courant et les charges en cas de court-circuit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaXtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est un schéma du montage suivant l'inven- tion; - la Fig. 2 est un schéma partiel d'une variante de réalisation. Le montage suivant la Fig. 1 constitue un commutateur pour courants de charge élevés comme, par exemple, un inter- rupteur qui est nécessaire pour allumer ou éteindre les pro- jecteurs d'un véhicule automobile. On utilise, comme élément de commutation économique, un transistor Darlington T2. En choisissant un transistor de 15A, on peut réaliser des ten- sions de saturation plus basses (puissance de perte) aux a- lentours du courant>Vominal et une résistance suffisante aux impulsions vis-à-vis des pointes de courant à froid. Le transistor Darlington T2' du type pnp, est connecté en série avec la charge L, par exemple, avec une ou plusieurs lampes à incandescence d'un véhicule automobile. Cette lampe à incandescence L est connectée au collecteur du transistor Darlington et par ailleurs, au-conducteur négatif d'alimen- tation -Ubatt de l'accumulateur du véhicule. D'un autre côté, l'émetteur du transistor Darlington T2 est connecté à tra- vers une résistance R6 au conducteur-positif d'alimentation +Ubatt de l'accumulateur du véhicule. La base du transistor T2 est connectée à travers une résistance R5 au conducteur positif d'alimentation +Ubatt de l'accumulateur, cette résistance servant à écouler le courant résiduel collecteur-base et à réaliser des temps d'accumulation courts. En parallèle avec la résistance R5 est connectée une diode Zener D2. La base du transistor Darlington T2 est par ailleurs connectée à travers une résistance de réaction R4 au collec- teur du transistor d'attaque T1 du type npn. L'émetteur de ce transistor d'attaque T1 est connecté au conducteur néga- tif d'alimentation -Ubatt de l'accumulateur du véhicule. Sa base est connectée au conducteur négatif d'alimentation -U. tbatt à travers une résistance R et, d'autre part, au con- ducteur positif d'alimentation +Ubatt à travers une diode Zener D1 et un circuit RC, composé du condensateur C1 et de la résistance R1. La résistance R sert uniquement à écouler le courant résiduel collecteurbase. Une diode D3 peut être connectée en parallèle avec le condensateur C1. Une autre résistance de réaction R2 relie le collec- teur du transistor T2 à la jonction entre le condensateur C1 et la diode Zener C1* Un interrupteur mécanique S de fer- meture et d'ouverture du circuit est connecté en parallèle avec le circuit série composé du condensateur Cl, de la dio- de D1 et de la résistance R3. En service normal, le transistor d'attaque T1 est ren- du conducteur lors de l'ouverture de l'interrupteur S à travers RI, C1 et D1. Sous l'effet de la tension positive qui décroît à ce moment sur R4 le transistor T est égale- ment rendu conducteur de sorte qu'il se produit une chute de tension sur la charge L en raison du courant qui la tra- verse. Cette chute de tension maintient le transistor T1 conducteur à travers R2, jusqu'à ce que l'interrupteur S soit à nouveau fermé à un instant ultérieur. Lors de la fer- meture de l'interrupteur S, un potentiel de blocage est transmis à la base de T à travers C1 et D3 de sorte que T1 est bloqué, ce qui bloque également T2. Cet état bloqué est également maintenu par l'intermédiaire de la résistance de réaction R2 jusqu'à ce qu'une nouvelle impulsion de ferme- ture du circuit soit donnée par la manoeuvre de l'interrup- teur S. Ainsi qu'il est facile de le reconna tre, le circuit composé des transistors T1, T2 et des résistances de réac- tion R4, R2 forme un étage bistable (soit les deux transis- tors Tl, T2 sont conducteurs, soit ces deux transistors sont bloqués). En service normal, cet étage bistable est mis dans l'état voulu par la commande dynamique à partir de l'inter- rupteur S et à travers C1. Pendant ce fonctionnement, la diode D 3 a pour fonction d'effectuer la coupure avec sécurité, même dans le cas d'un grand temps d'acaumulation du transistor Darlington T2 et d'une faible constante de temps du condensateur C1. On peut donc choisir pour C1 une valeur relativement petite qui cor- respond avec une bonne sécurité de comportement à la ferme- ture du circuit, ce qui exerce une influence favorable sur le comportement dans le cas de courts-circuits qui sera dé- crit plus bas. Toutefois, on peut en principe se dispenser de D3. Dans ce cas, pour obtenir une bonne sécurité du com- portement à l'ouverture du circuit avec un grand temps d'ac- cumulation de Tl, on doit choisir pour C1 une valeur relati- vement grande, ce qui peut conduire à une plus longue durée de court-circuit dans le service en court-circuit. Pour l'utilisation sur véhicules automobiles qui re- présente des contraintes sévères, ce montage doit être ré- sistant aux courts-circuits. Par ailleurs, il convient de tenir compte du fait que le mode d'utilisation connu de ce montage sur une charge représentée par des lampes et qui implique des valeurs élevées du courant à froid, représente un mode de fonctionnement comportant des courtscircuits partiels dynamiques. Le montage tient compte de ces besoins par les fonc- tions de limitation du courant de charge et de protection contre les courts-circuits qui y sont incorporés. De l'état froid à l'état de fonctionnement normal, la résistance du filament d'une lampe qui forme la charge L varie dans un rapport d'environ 1:12 (par exemple, pour une lampe de 24 Volts et 21 Watts, on obtient Rfroid = 2 Ohms; Rchaud = 24 Ohms). Si la tension de service est brutalement appliquée à la lampe qui forme la charge L, alors que son filament est froid, on peut observer une chute de courant d'environ 6 fois entre une valeur représentant la valeur du courant à froid et la valeur du courant à chaud avec une constante de temps d'environ 20 ms. Si l'on calculait le transistor Darlington T2 en fonction de la pleine valeur de la forte pointe de courant, on aurait besoin de composants très coûteux et très gros. Si on le calculait uniquement en fonction du courant à chaud stationnaire on observerait dans le transistor de commutation T2, au moment de la fermeture du circuit des lampes froides constituant la charge, des - pointes d'intensités des densités de courant d'une valeur inacceptablement élevées, qui conduiraient à la destruction de ce composant. Pour cette raison, il est optimal du point de vue éco- nomique et technique d'utiliser un transistor de commuta- tion T2 qui supporte comme pointe de courant un courant re- présentant environ le triple de courant à chaud. En régime stationnaire, avec circulation du courant à chaud, le tran- sistor de commutation T2 possède alors de bonnes propriétés de saturation (faible puissance de perte). La limitation du courant au triple de la valeur du courant à chaud est obte- nue par limitation du courant ou par régulation. Dans le montage représenté, R et D2 servent à la lî- mitation du courant. Dans le cas normal, le courant à chaud ne produit qu'une faible chute de tension sur la résistance R6, qui est de faible valeur ohmique, de sorte que UTI +1U T R6 BE 2 reste au-dessous de la tension de coude de D 2. R6 et D 2 sont choisis de façon que, à la valeur de la pointe de courant à limiter, la chute de tension aux bornes de R6, et par consé- quent UD2 = UR6+UBET soient suffisamment grands pour que D2 R6BE 2 D2 devienne conducteur. D2 prend en charge le courant de ba- se de T2 qui est fixé parR4 et limite ainsi le potentiel de base de T2 et, de ce fait, la pointe de courant collec- teur-émetteur de ce transistor. La sécurité de court-circuit pour ce montage est assu- rée par la diode Zener D1. Si la charge L en elle-même ou la sortie (collecteur de T2) est en court-circuit sur la masse, le potentiel du collecteur se trouve à la masse de sorte que la tension de seuil de la diode Zener D1 interdit l'établissement d'un couplage à travers R2. L'état stable qui est possible dans le cas normal sans court-circuit, dans lequel les deux transistors T1 et T2 sont rendus conducteurs ne peut pas être pris de façon stable. Si le court-circuit se produit après la fermeture du circuit, T1 est aussit8t bloqué et, de ce fait T2 se bloque également. Ces deux tran- sistors sont donc ainsi placés dans un état stable sans cou- rant, Si l'on tente de fermer le circuit (ouverture de l'in- terrupteur) pendant qu'il existe un court-circuit, T1 est maintenu à l'état conducteur à travers R1, C1 pour le temps de déclenchement qui est ainsi réalisé. De ce fait, T2 de- vient également conducteur et travaille dans le circuit de limitation du courant formé avec D2, R6. A la suite du court-circuit, le potentiel de collecteur ne peut pas s'éle- ver, en dépit du passage du courant à travers D2, suffisam- ment pour qu'on atteigne un état stable de "fermeture" du circuit à travers R2, D1. Après l'apparition de la courte impulsion de fermeture du circuit, à travers R1, C1, le tran- sistor T1 est à nouveau bloqué (avec l'interrupteur S ouvert). Sous cet effet, T2 se bloque également de nbuveau. Le monta- ge tombe dans l'état stable "ouverture" du circuit. La tenta- tive de fermeture du circuit à travers R1, C1 ne se traduit donc, en raison de la limitation du courant, que par un fonc- tionnement bref avec la pointe de courant admissible (puis- sance de pertes grande mais acceptable). On évite donc avec sécurité dans le cas du court-circuit un accroissement illi- mité et destructeur de l'intensité. Naturellement, en partant du même schéma de base, on peut réaliser si nécessaire un montage inverse (charge con- nectée par une borne au plus, l'électronique étant connecté à la masse) par inversion des polarités ou équivalent. Par ailleurs, on peut sans difficulté utiliser comme interrupteur de commande S un interrupteur se fermant sur le p8le plus. La Fig. 2 représente une telle forme de réali- sation. Ici, l'interrupteur S est connecté directement au conducteur positif d'alimentation +Ubatt de l'accumulateur du véhicule. A l'interrupteur S sont connectés C1 et R qui forment le circuit RC. Ici également, la diode Zener Di, qui est reliée à la base du transistor d'attaque T 1 non repré- senté, est connectée en série avec les composants C et R1. L'interrupteur S est par ailleurs connecté à travers une résistance R7 au conducteur négatif d'alimentation Ubatt de l'accumulateur du véhicule. En remplacement de l'interrupteur mécanique de ferme- ture et d'ouverture du circuit qui a été décrit jusqu'à pré- sent, on peut également utiliser comme interrupteur de com- mande, pour les fonctions correspondantes, un composant op- to-électronique, à effet Hall ou autre. L'excitation dynamique d'ouverture et de fermeture du circuit qui est émise par l'interrupteur ne doit pas né- cessairement être produite avec l'élément RC composé de R1 et de C1. Dans un mode de construction intégrée, on pourrait réaliser une excitation dynamique au moyen de lignes à re- tard. Dans une forme de réalisation qui s'est révélée bonne en pratique, les différents composants du montage avaient les valeurs suivantes T1 Type bc 547 T2 Type bdw 84 a L Lampe 6 x 21 W/24V R1 7,5 kohms R2 5,6 kohms R3 10 kohms R4 560 ohms R5 2 kohms R6 70 milliohms R7 3 kohms C1 2, 2 nano-farads D 1bzy 87/1 V 8 D 2 bzy 87/2V 8 D3 3 241 n 4148 tJbatt 24 volts REVENDICATI ONS 1 - Montage de commutation électronique pour courants de charge forts, notamment pour le circuit des appareils d'é- clairage d'un véhicule automobile, comprenant un transistor de communication monté en série avec la charge à commander et qui est bloqué ou rendu conducteur en fonction de la ma- noeuvre d'un interrupteur de fermeture/ouverture du circuit ce montage étant caractérisé en ce que le transistor de com- mutation (T2) et le transistor d'attaque (T1), qui compor- tent chacun une résistance de réaction (R2, R4) reliant leur collecteur à leur base, sont connectés de façon à former une bascule bistable, en ce que, dans le circuit d'attaque de la base du transistor d'attaque, est intercalé un condensateur (C1) appartenant à un circuit RC et en ce que ce condensateur est connecté sélectivement par l'intermédiaire de l'interrup- teur -(S) de fermeture et d'ouverture à un potentiel qui met le transistor d'attaque et, avec lui, le transistor de commu- tation, à l'état conducteur ou à l'état bloqué. 2 - Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme transistor de&commutation (T2), un transistor Darlington. 3 - Montage suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la valeur de la pointe de cou- rant pour le transistor Darlington (T2) est choisie à à peu près le triple du courant à chaud circulant dans la charge (L), en ce qu'une résistance limitatrice d'intensité (R6) est intercalée entre l'émetteur du transistor Darlington et une tension d'alimentation positive (+) et en ce que la base du transistor Darlington est connectée à la source de ten- sion positive à travers une diode stabilisatrice (D2). 4 - Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la base du transistor d'attaque (T1) est reliée à la tension d'alimentation positive à travers une diode stabili- satrice (D1) et le circuit RC (R1, C1) connecté en série avec cette diode. 2481544; - Montage suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'une résistance (R3) est intercalée entre la base du transistor d'attaque (T1) et la tension d'alimentation négative. 6 - Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur (C1) du circuit RC est connecté, d'une part, à la base du transistor d'attaque (T1) à travers la diode stabilisatrice (D1) et, d'autre part, à la tension d'alimentation négative à travers l'interrupteur mécanique de fermeture/ouverture (S). 7 - Montage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le condensateur (C1) connecté a la base du transistor d'attaque (T1) à travers la diode stabilisatrice (D1) est connecté à la tension d'alimentation positive à travers un circuit série composé d'une résistance (R1) et de l'interrupteur mécanique de fermeture/ouverture (S) et est connecté à la tension d'alimentation négative. 8 - Montage suivant la revendication ?7, caractérisé en ce qu'une diode (D3) est connectée en parallèle avec le con- densateur (C1) dans le circuit de commande du transistor d'attaque (T1). 9 - Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur de fermeture/ouverture (S) est un com- posant optoélectronique, à effet Hall ou autre. 10 - Montage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément RC (R., C1) est remplacé par des lignes à retard.