Brevet FR2494056A1 — publié le 19820514

La présente invention concerne les générateurs d'énergie électrique pour véhicules automobiles et, plus précisément, un générateur à alternateur avec régulateur électronique. Comme on le sait, le régulateur de tension d'un alterna- teur détecte la tension de sortie du générateur et agit sur le courant d'excitation de l'alternateur de façon à maintenir sa tension de sortie dans des limites préalablement fixées. Mais il peut se produire des états de surtension dans lesquels non seulement le régulateur est inefficace, mais il peut être lui- même endommagé, comme par exemple en cas de débranchement ou de rupture accidentelle du câble qui relie l'alternateur à la char- ge constituée par la batterie du véhicule automobile et, le cas échéant, par des dispositifs électriques ou électroniques. Pour éviter les endommagements, possibles en particulier lorsque le régulateur est réalisé sous forme de circuit intégré, il faut monter à la sortie de l'alternateur des dispositifs limi- teurs appropriés et/ou faire appel à des techniques de fabrica- tion pour circuits intégrés à haute tension. Une situation moins grave dans l'absolu, mais plus dangereuse du fait qu'elle tou- che également les dispositifs et les circuits alimentés par le générateur, peut survenir lorsque le branchement de la batterie est interrompu accidentellement, tandis que les autres charges restent connectées à l'alternateur. En effet, si la batterie était en phase de charge à l'instant qui a précédé l'interrup- tion et queen conséquence, le courant absorbé par elle était important, la surtension peut être suffisamment élevée pour endommager un dispositif utilisateur quelconque. Afin d'élimi- ner également ce risque, s'il n'est pas déjà prévu un limiteur de puissance approprié à la sortie de l'alternateur, il est nécessaire que chacun des dispositifs soit protégé individuel- lement. En particulier, si ces dispositifs sont réalisés sous forme de circuits intégrés, il est souvent nécessaire de recou- rir encore à des composants qui résistent aux surtensions. Le but de la présente invention est de réaliser un générateur à alternateur qui permette d'utiliser, tant pour le régulateur que pour d'autres dispositifs électroniques alimentés par le générateur, des circuits intégrés fabriqués suivant les procédés usuels pour composants à basse tension. Ce but est atteint d'après l'invention avec un généra- teur d'énergie électrique pour véhicules automobiles, comprenant un alternateur dont les enroulements d'induit sont raccordés à un circuit redresseur dont les deux bornes de sortie consti- tuent la sortie du généra.teur, son enroulement d'excitation étant raccordé à ces bornes de sortie, en série avec un inter- rupteur électrique coimmandé, un régulateur électronique raccordé aux bornes de sortie et à une borne de commande de l'interrup- teur électronique, de manière à ouvrir l'interrupteur lorsque la tension de sortie du générateur dépasse une valeur fixée au préalable, et des moyens de protection contre les phénomènes transitoires dus à la déconnexion de la batterie, ce générateur étant caractérisé par le fait que les moyens de protection sont raccordés à l'enroulement d'excitation de l'alternateur. L'invention pourra être mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui-suit, concernant un exemple de réali- sation donné à titre d'illustration et, par suite, sans carac- tère limitatif, en référence aux dessins ci-annexés. La figure 1 représente schématiquement le-circuit élec- trique d'un générateur de type connu. Les figures 2, 3 et 4 représententune partie du circuit d'un générateur du type de la figure 1, modifié suivant trois modes de réalisation de l'invention. Comme on le voit sur la figure 1, les trois enroulements Li-3 du stator d'un alternateur sont raccordés de la façon ha- bituelle à six diodes redresseuses D1-6, de manière à définir deux bornes de sortie 1 et 3 du générateur, entre lesquelles s'établit une tension unidirectionnelle. Dans l'exemple repré- senté, la borne 3 est le pôle positif et la borne 1 est le pôle négatif du générateur.-A ces bornes de sortie est raccordée - la batterie 5 du véhicule automobile, qui constitue à la fois la source d'excitation de l'alternateur et une charge pour le générateur pendant son fonctionnement, lorsqu'elle est chargée par l'énergie produite par ce dernier. Les dispositifs qui utilisent l'énergie électrique du générateur sont représen- tés dans l'ensemble par une charge RL. L'enroulement d'excita- tion LE du rotor de l'alternateur est raccordé d'une part à la borne positive 3 du générateur et, d'autre part, au collecteur d'un transistor T dé type NPN, dont l'émetteur est connecté à la borne négative 1 et dont la base est reliée à la sortie S d'un circuit de régulation 7. Ce dernier est alimenté par la sortie du générateur et présente une entrée E qui est raccordée à la borne intermédiaire d'un diviseur de tension constitué par deux résistances R1, R2 intercalées entre les bornes 1 et 3. En parallèle sur l'enroulement LE est montée une diode D pola- risée en sens inverse, que l'on a l'habitude d'appeler diode de recyclage. Le régulateur 7 est du type décrit et représenté par exemple dans l'ouvrage intitulé "Electricity in cars" de R.H. Bacon, Philips Technical Library, 1967, pp. 49-51 et il fonctionne de manière à fournir un courant à la base du tran- sistor T en fonction de la valeur de la tension de sortie du générateur, étalonnée au moyen du diviseur R1, R2. Tant que la tension de sortie ne dépassa pas une valeur fixée au préala- ble, le courant de base est choisi de façon à maintenir à l'état passant le transistor T, ce qui fait qu'un courant IE passe à travers l'enroulement d'excitation LE. Dès que cette tension dépasse la valeur préalablement fixée, le courant de sortie du régulateur s'annule, d'ou il résulte que le-transistor T passe à l'état bloqué, que le courant d'excitation IEtend vers l'annulation et que la tension de sortie diminue. Le cycle de régulation se répète de façon à maintenir pratiquement cons- tante la tension de sortie. Tandis que le transistor T est à l'état bloqué, il se forme par auto-induction, aux extrémités de l'enroulement d'excitation LE, une tension élevée qui pourrait endommager le transistor. Pour éliminer ce risque, il est prévu la diode D qui, étant polarisée en sens direct au moment de la surtension, permet une dissipation rapide de l'énergie associée à l'enroulement LE. Dans le cas d'une interruption subite de la jonction entre l'alternateur et la charge, constituée par la batterie 5 et par les divers dispositifs utilisateurs RL, ou en cas de dé- branchement d'une cosse de la batterie pendant que celle-ci est en phase de charge, il se déclenche, entre les bornes de sortie 1 et 3 de l'alternateur, un phénomène transitoire à haute ten- sion qui peut atteindre des valeurs supérieures de plus de 10 volts à la tension de la batterie et qui tombe en un temps com- pris typiquement entre 100 et 300 m'rs. Un tel phénomène transitoire est dû essentiellement au phénomène de l'auto-induction dans l'enroulement d'excitation LE. En effet, pendant que le transiter T est à l'état bloqué, l'énergie du champ magnétique associé à l'enroulement LE est dissipée essentiellement à travers la diode D avec une constante de temps qui est déterminée par le rapport entre l'inductance L et la résistance R de l'enroulement LE. Le courant qui circule dans le circuit formé par LE et D donne lieu à une force élec- tromotrice induite dans les enroulements L1-3 du stator et, par suite, à une tension entre les bornes de sortie 1 et 3, tension qui tombe avec une constante de temps déterminée par la seule résistance de l'enroulement d'excitation en cas d'interruption du câble de l'alternateur, ou essentiellement par les résistances d'entrée des dispositifs encore raccordés à l'alternateur en cas de débranchement de la batterie. Pour éviter que cette surtension puisse endommager le régulateur et les dispositifs raccordés à l'alternateur, en particulier lorsque ceux-ci sont réalisés sous forme de circuits intégrés, la technique envisagée prévoit l'uti- lisation d'une diode Zener 9, ayant une tension de rupture légèrement supérieure à celle de la batterie 5, intercalée entre les bornes de sortie de l'alternateur. Etant donné qu'un tel composant doit être en mesure de dissiper une énergie considéra- ble, il doit être de dimensions relativement grandes et, en con- 249405(6 séquence, son coût n'est pas négligeable. Selon une autre solu- tion connue, les dimensions et, par suite, le coût de la diode Zener 9 peuvent être réduits si l'on réalise le régulateur et les autres dispositifs sous forme de circuits intégrés en appli- quant les techniques de fabrication pour composants à haute tension. Mais cette solution est d'autant moins satisfaisante que sont plus nombreux les dispositifs électroniques à circuit intégré qui sont alimentés par le générateur, du fait que les dispositifs intégrés qui résistent aux hautes tensions sont assez coûteux. La présente invention est basée sur la connaissance d'une disposition, adoptée par exemple dans la réalisation de relais rapides, consistant à monter, en série avec la diode de recyclageusuelle disposée en parallèle sur l'enroulement du relais, une diode Zener de polarité opposée. Dans ces conditions, le temps nécessaire pour dissiper l'énergie du champ magnétique associé à l'enroulement est réduit dans une mesure qui dépend de la tension de rupture de la diode Zener. Suivant l'invention, cette disposition est utilisée dans le circuit d'excitation d'un alternateur, comme on peut le voir sur la figure 2. Sous l'effet de la diode Zener Dz, montée en série avec la diode de recyclage D, le courant 'E qui traverse l'enroulement d'excitation LE pendant le phénomène transitoire provoqué par la réduction de charge inopinée tendra à s'annuler en un temps inférieur à celui qui serait nécessaire en cas de seule présence de la diode D. Etant donné que la tension de sortie E0 de l'alternateur fonctionnant à vide est proportionnel- le au courant IE suivant la relation: Eo = k.n.IE (k étant une constante de la machine et n étant le nombre de tour du rotor de l'alternateur), le phénomène transitoire à la sortie aura une durée réduite et, par conséquent, un contenu énergétique qui peut être dissipé sans dommages, même par une diode Zener 9 de petite puissance en parallèle sur la sortie. En outre, le régula- teur 7 et les autres dispositifs électroniques éventuels alimen- tés par le générateur pourront être réalisés suivant les procédés usuels pour composants à basse tension et, par suite, à un coût raisonnable. Dans une forme de réalisation pratique de l'invention, qui prévoit l'utilisation d'une diode Zener Dz dont la tension de rupture est égale environ au double de la tension de batterie, la présence de la diode Zener Dz n'entraîne aucun effet négatif lors du fonctionnement normal du générateur. Toutefois, dans le cas o l'on doit utiliser une diode Zener dont la tension de rupture est plus élevée, il se peut que l'énergie dissipée dans le circuit d'excitation pendant les intervalles de régulation dans lesquels le transistor T est à l'état bloqué, ne soit pas négligeable. Dans de telles conditions, une variante de l'inven- tion, illustrée par la figure 3, prévoit,en parallèle sur la diode-Zener Dz, un interrupteur électronique commandé par une sortie supplémentaire US du régulateur 7, de manière à rester fermé pendant le fonctionnement normal du générateur et à s'ou- vrir lorsqu'il apparait une surtension à la sortie de l'alterna- teur. La réalisation pratique d'un tel perfectionnement est à la portée de n'importe quel technicien et il n'y a donc pas lieu de la décrire en détail. D'après une autre variante de l'invention, représentée sur la figure 4, les deux diodes D et Dz sont remplacées par un transistor TD de type PNP, dont l'émetteur est raccordé au col- lecteur du transistorT et dont le collecteur est relié à la borne 3 de l'alternateur. La base du transistor TD est raccordée à une sortie supplémentaire US du régulateur 7 qui délivre à la base, lorsque le transistor T est à l'état bloqué pendant le fonctionnement normal, une tension de polarisation qui maintient le transistor T à l'état passant et qui délivre, lorsque le D transistor T est à l'état bloqué lors d'une surtension à la sortie, une tension qui produit une tension préalablement fixée entre le collecteur et l'émetteur du transistor TD. La réalisation pratique d'une telle variante de l'inven- tion est également à la portée du technicien en la matière et il n'y a donc pas lieu de la décrire et de la représenter plus en détail. REVENDICATIONS 1. Générateur d'énergie électrique pour véhicules auto- tomobiles, comprenant un alternateur dont les enroulements d'induit (L1-3) sont raccordés à un circuit redresseur (D1_6) dont les deux bornes de sortie constituent la sortie du généra- teur, son enroulement d'excitation (LE) étant raccordé à ces bornes de sortie en série avec un interrupteur électronique commandé, un régulateur électronique (7) raccôrdé aux bornes de sortie et à une borne de commande de l'interrupteur électronique, de manière à ouvrir l'interrupteur lorsque la tension de sortie du générateur dépasse une valeur préalablement fixée, et des moyens de protection contre les phénomènes transitoires provo- qués par le débranchement de la batterie, caractérisé en ce que les moyens de protection sont raccordés àl'enroulement d'excitation (LE). 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de protection comprennent, en parallèle sur l'enroulement d'excitation, un circuit à semi-conducteur dont une première jonction est polarisée en sens inverse lorsque l'interrupteur électronique est fermé et dont une seconde jonction est polarisée en sens opposé par rapport à la première. 3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première et la seconde jonctions sont les jonctions de deux diodes en série (D1 Dz) dont l'une - celle qui constitue la seconde jonction - est une diode Zener. 4. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le régulateur (7) comporte une borne de sortie supplémen- taire (US) sur laquelle apparaît un signal de commande lorsque la tension de sortie du générateur dépasse un niveau d'alarme prédéterminé, supérieur à la valeur préalablement fixée pour la régulation mentionnée ci-dessus, et en ce que le circuit de protection comprend, en parallèle sur la diode Zener (Dz), un interrupteur électronique (T) normalement fermé, présentant une borne de commande qui est raccordée à la borne de sortie supplémentaire (US) du régulateur. 5. Générateur seloiR la revendication 2, caractérisé en ce que le régulateur (7) comporte une borne de sortie supplé- mentaire (US) sur laquelle apparaît un signal de commande lors- que la tension de sortie du générateur dépasse un niveau d'alarme prédéterminé, supérieur à la valeur préalablement fixée pour la régulation mentionnée ci-dessus, et en ce que la pre- mière et la seconde jonctions sont les jonctions d'un transistor bipolaire (TD), ce transistor ayant sa base raccordée à la borne de sortie supplémentaire (US).