Brevet FR2498844A1 — publié le 19820730

DISPOSITIF DE PROTECTION THERMIQUE D'UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE EN CLASSE B, C, D ou AB ET AMPLIFICATEUR COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF. La présente invention concerne un dispositif de protection thermique pour un amplificateur de puissance fonctionnant en classe B, C, D, ou AB, tel que un amplificateur basse fréquence notamment un amplificateur de haute fidélité stéréophonique. I1 est connu de protéger des étages de puissance d'un amplificateur, d'un onduleur ou d'un oscillateur, en montant un relais sensible à la température sur le radiateur portant les éléments actifs des étages de puissance, les contacts de ce relais étant insérés dans le circuit d'alimentation du dispositif qu'il doit protéger. Un tel agencement a été décrit, par exemple, dans la publication FR-A-2 430 679, où un relais thermique du type bilame a été monté sur le radiateur portant les thyristors d'un onduleur et ce relais thermique y a été inséré dans le circuit d'alimentation d'un triac connecté en série avec l'alimentation par le réseau du redresseur alimentant cet onduleur. Le dispositif de protection thermique suivant l'invention permet d'agir sur la voie du signal d'excitation et, de ce fait ne nécessite qu'un faible pouvoir de coupure. Il est bien connu que, dans un amplificateur de puissance, les étages les plus sollicités sont les étages de sortie qui comprennent des transistors de puissance montés en push-pull et fonctionnant en classe B, C ou D ou, éventuellement, AB. II est important de maintenir les jonctions de ces transistors à une température inférieure dans tous les cas à la limite surpérieure qui est aux environs de 1500 C. Le dispositif de protection thermique suivant l'invention ne peut pas être utilisé avec des étages de puissance (de classe A) fonctionnant avec un courant de repos notable, par conséquent, il ne s'applique qu'à des amplificateurs de puissance fonctionnant en classe AB, B, C et D, qui travaillent sans courant de repos notable.Ils ne s'échauffent donc point en l'absence d'entrée, c'est-àdire s'ils ne sont pas excités. II est donc possible de n'agir que sur l'excitation de l'amplificateur de puissance dès que la température du radiateur dépasse un seuil prédéteminé, choisi de façon à protéger les transistors de puissance de l'amplificateur de sortie. Le dispositif de protection suivant l'invention présente les avantages suivants par rapport au dispositif classique : une réduction notable du prix de revient, car il ne nécessite aucun composant bobiné, tel qu'un relais, dont les contacts seraient insérés dans le circuit du primaire d'un transformateur d'alimentation; I1 n'a aucune action sur l'alimentation en tension continue de l'amplificateur de manière à permettre que celleci puisse alimenter d'autres éléments du circuit électronique d'une chaîne haute-fidélité, par exemple; et il permet, en outre, d'utiliser l'élément de commutation permettant de couper l'alimentation en signal de l'amplificateur pour rendre cet amplificateur muet pendant les commutations des sources qui l'alimentent. Suivant l'invention, un dispositif de protection thermique d'un amplificateur de puissance fonctionnant sans courant de repos notable, c'est-à-dire en classe AB, B, C ou D, et comportant un interrupteur sensible à la température monté sur le radiateur portant les éléments actifs de l'étage de sortie de puissance, est principalement caractérisé en ce qu'il comporte, pour chacune des voies d'amplification, un interrupteur électronique rapide connecté par ses bornes entre un point de la voie de transmission du signal d'excitation de l'amplificateur et la masse, cet interrupteur électronique étant commandé par l'interrupteur sensible à la température de telle sorte qu'il devient fermé, lorsque la température du radiateur atteint sa valeur de seuil prédéterminée. L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui suit et du dessin annexé, s'y rapportant, donné à titre d'exemple, qui représente un . ~ ~--~ schéma de principe de l'amplificateur muni d'un dispositif de protection thermique suivant l'invention. Sur la figure unique, on a représenté en 10 un amplificateur de puissance stéréophonique comprenant trois entrées 1, 2, et 3, respectivement alimentées par trois sources de signaux différentes. Chacune de ces sources (non représentées) fournit deux signaux différents, nommément le signal de la voie droite et le signal de la voie gauche. La première source pouvant être constituée par un récepteur de modulation de fréquence stéréophonique la seconde par la cellule de lecture d'un tourne-disque suivi, éventuellement, d'un prè-amplificateur et la troisième par un magnétophone. Chacune des entrées comporte deux bornes qui reçoivent respectivement le signal de la voie droite et le signal de la voie gauche. Ces trois entrées 1, 2 et 3 alimentent un commutateur multiple 20 comportant deux commutateurs à trois positions dont le premier reçoit les signaux de la voie droite provenant respectivement des trois sources sur trois plots fixes différents et dont le second reçoit les signaux de la voie gauche également sur trois autres plots fixes, différents.Le contact mobile 21 du premier commutateur est réuni par l'intermédiaire d'un premier condensateur 11 à l'entrée 31 d'un premier amplificateur 30 dit amplificateur de la voie droite. Le contact mobile 22 du second commutateur est lui également réuni, par l'intermédiaire d'un second condensateur 12 à l'entrée 41 d'un second amplificateur 40, dit amplificateur de la voie gauche. Ces deux amplificateurs 30 et 40 comprennent respectivement des étages d'entrée 32, 42 en forme d'amplificateurs différentiels alimentés par des tensions symétriques par rapport à la masse 13 (ou 8). Les tensions d'alimentation positives +V et négatives -V sont respectivement appliquées à deux bornes d'alimentation 4 et 5 de l'amplificateur, ces tensions ont la même valeur absolue par rapport au point de masse 8 et 13. L'avantage de l'utilisation de ces amplificateurs différentiels à couplage par émetteurs et alimentation symétrique 32 et 42 est principalement constituée par le fait que les bases de l'un des transistors constituant leurs bornes d'entrée sont polarisées sensible ment au potentiel de masse, de sorte que leurs connections à la masse ne provoque pas d'écoulement d'un courant continu notable. La sortie 33 de l'amplificateur différentiel d'entrée 32 est reliée à l'entrée d'une première chaîne d'amplification 34 comportant deux sorties qui fournissent des signaux en phase. Les deux sorties de la chaîne d'amplification 34 du premier amplificateur 30 alimentent respectivement les bases de deux transistors de puissance complémentaires 35, 36 qui constituent ensemble un étage push-pull à transistors complémentaires. Les deux transistors complémentaires 35, 36 sont réunis en série par leurs trajets collecteur-émetteur entre la borne d'alimentation positive 4 et négative 5.La jonction 37 entre les émetteurs des deux transistors de puissance 35 et 36 est, reliée, d'une part à la sortie 38 de l'amplificateur et d'autre part, par l'intermèdiaire d'une résistance de contre-réaction 39 à la base de l'un des transistors de l'amplicateur différentiel 32. La sortie 38 est réunie à l'une des bornes d'une enceinte acoustique 6 représentée par un haut-parleur, dont l'autre borne est reliée à la borne de masse commune 8 qui est commune aux deux amplificateurs 30 et 40. De même, le second amplificateur 40 comprend l'étage amplifi cateur différentiel d'entrée 42 dont la sortie 43 est reliée à une seconde chaîne d'amplification 44 ayant deux sorties respectivement réunies aux bases de deux transistors complémentaires 45 et 46. Comme l'étage d'entrée différentiel 42, l'étage de sortie pushpull complémentaire formé par les transistors 45 et 46 est également alimenté par les bornes d'alimentation positive 4 et négative 5 de l'amplificateur 10. La jonction 47 des émetteurs des deux transistors complémentaires 45 et 46 est également reliée à la sortie 48 du second amplificateur 40 et, par ailleurs, par une autre résistance de contre-réaction 49, à l'une des bases des transistors équipant l'amplificateur d'entrée 42. Cette sortie 48 est reliée à l'une des bornes d'une seconde enceinte 7 dont l'autre borne est reliée à la masse commune 8. Les transistors de sortie 35, 36, 45, et 46 sont montés sur un radiateur commun 50 qui contribue à leur refroidissement. Ces transistors de puissance sont généralement contenus dans des boîtiers métalliques reliés à leurs collecteurs et présentant une résistance thermique jonction-boîtier relativement faible (de l'ordre de 1 à 2,5 C/watt environ). Ces boîtiers, tels que ceux du type TO-3 ou TO-66 sont montés en contact intime avec le radiateur métallique, par exemple, en aluminium. On obtient ainsi une bonne évacuation de la chaleur engendrée par le courant moyen dans chaque transistor, par conduction dans le radiateur et par rayonnement du radiateur vers l'air ambiant. Comme déjà mentionné dans la publication FR-A-2 430 679, un interrupteur sensible à la température 51 est monté en contact intime avec le radiateur commun 90 portant tous les transistors de puissance. Cet interrupteur sensible à la température 51 constitué, par exemple, par un bilame ou tout autre senseur de température, tel que par exemple ceux utilisant des matériaux magnétiques sensibles à la température. Un tel interrupteur sensible à la température est appelé dans la littérature anglo-américaine "termal guard". De tels relais sensibles à la température ou détecteurs de surchauffe sont fabriqués, par exemple, par la société japonaise "TOHOKU METAL INDUSTRIES LIMITED est commercialisé sous la dénomination "TOKIN" pour des températures allant de 60 à 1300 C avec une tolérance de plus ou moins 50C. Dans l'état de la technique, ces relais ou détecteurs de surchauffe à matériaux magnétiques ont été utilisés généralement pour couper l'alimentation des dispositifs électroniques lors de la surchauffe des étages de sortie. Suivant l'invention, le dispositif de protection de température 60 n'est plus utilisé pour couper l'alimentation et/ou pour mettre en route un ventilateur de refroidissement du radiateur, mais pour couper l'excitation de l'amplificateur à un niveau de signal relativement faible. Ce dispositif de protection 60 comporte deux transistors du type NPN 61 et 62 dont les collecteurs sont respectivement reliés à la jonction des condensateurs 11, 12 avec les entrées 31, 41 des amplificateurs 30, 40. Les émetteurs des deux transistors 61, 62 sont reliés ensemble à la masse 13 (ou 8). Les bases des deux transistors 61, 62 sont reliées par une résistance de polarisation 63 à la borne d'alimentation positive 4 ainsi qu > à l'un des contacts du relais sensible à la température 51 dont l'autre contact est relié à la masse 13 (ou 8).Ce relais ou interrupteur 51 est normalement fermé et ne s'ouvre que lorsque la température atteint sa valeur pour laquelle cet interrupteur sensible à la température a été spécifié. De cette manière, les transistors 61 et 62 réunissant les entrées 31, 41 des amplificateurs 30, 40 à la masse 13, sont normalement bloqués jusqu'à ce que le radiateur atteint la température pour laquelle l'interrupteur sensible à la température 51 a été spécifié. Lorsque que cette température a été atteinte, l'interrupteur 51 s'ouvre et les transistors sont polarisés sur leurs bases de manière à saturer. Les trajets collecteurs-émetteurs des transistors 61 et 62 court-circuitent respectivement les entrées 31 et 41 des amplificateurs 30 et 40 de telle sorte qu'aucun signal n'est appliqué à leurs étages d'entrée 32 et 42. Les transistors de puissance en push-pull, sils sont polarisées en classe B, C ou D, cessent alors de conduire complétement, et relativement faiblement si leur polarisation est en classe AB. Ceci permet, d'une part, de laisser refroidir les radiateurs et, d'autre part, de vérifier si les charges constituées par les enceintes 6 et 7 sont bien dimentionnées à leurs résistances nominales ou bien connectées aux sorties correspondantes à leurs impédances nominales. II est à remarquer ici que lorsque l'on utilise un interrupteur sensible à la température 51 qui est normalement ouvert et qui ne se ferme que lorsqu'une température prédéterminée est atteinte, celuici doit être connecté en série avec la résistance de polarisation 63 des bases des transistors 61 et 62. Ainsi, dès que la température du radiateur croît dangereusement pour une cause quelconque, telle que la résistance de charge trop faible ou un manque d'aération du boîtier contenant le radia teur, l'interrupteur sensible à la température 51 s'ouvre ou se ferme de manière à polariser les transistors-interrupteurs 61, 62 à leur saturation. Ces transistors-interrupteurs 61, 62 restent saturés en court-circuitant les entrées 31 et 41 des amplificateurs 30 et 40, jusqu'à ce que, par refroidissement, le radiateur atteint la température de seuil bas de l'interrupteur sensible 51 qui présente généralement une hystéresis thermique de telle sorte que l'amplificateur remarche à nouveau jusqu'à une nouvelle montée en température. Le dispositif de protection thermique suivant l'invention est très économique, puisque pour les deux voies il ne nécessite qu'une résistance de polarisation, deux transistors à faible courant collecteur maximale et un interrupteur thermique unique si les quatre transistors de puissance formant les deux étages de sortie push-pull sont montés sur le même radiateur. Ce dispositif assure une protection efficace des amplificateurs de puissance 30 et 40, même s'ils travaillent sur une impédance plus faible que celle pour laquelle ils ont été calculés en ce qui concerne la taille du radiateur. Contrairement à la protection par écrêtage des signaux, ce dispositif n'introduit pas de distorsion lors d'une surcharge, mais uniquement une coupure de l'excitation de l'amplificateur indiquant à l'utilisateur de procéder à un règlage de volume plus faible pour que l'amplificateur puisse être utilisé en permanence. Compte-tenu du fait que le fonctionnement à pleine puissance d'un amplificateur de haute fidélité ne se fait qu'une faible partie du temps d'écoute, il est possible de réduire sans grand risque la taille du radiateur, d'où une économie supplémentaire ainsi qu'une possibilité de miniaturisation plus poussée. La présence des deux transistors-interrupteurs 61, 62 court-circuitant les entrées des amplificateurs 30, 40 permet, d'autre part, d'effectuer la coupure de leur excitation pendant la commutation des sources par les commutateurs 21 et 22, en utilisant à cet effet un troisième commutateur 23. Les contacts mobiles des trois commutateurs 21, 22, et 23 étant rendus solidaires par un couplage mécanique 26 symbolisé par des traits mixtes, le troisième 23 comporte deux contacts fixes 24, 25 dont la longueur couvre le trajet entre les contacts fixes des autres commutateurs 21, 22 et qui sont reliés à la borne d'alimentation positive 4. Le contact mobile du commutateur 23 ou le curseur est relié aux premières bornes respectives de deux résistances 64 et 65 dont les autres bornes sont respectivement reliées aux bases des transistors 61 et 62.Afin de permettre de rendre les transistors 61, 62 saturés pendant la commutation des sources, les jonctions des résistances 64, 65 avec les bases des transistors 61, 62 sont respectivement reliées à la jonction de la résistance de polarisation 63 avec l'interrupteur sensible à la température 51 au moyen de deux autres résistances 66 et 67. On obtient ainsi que la saturation des transistors 61, 62 qui coupent l'excitation des amplificateurs 30 et 40, est commandée soit par les deux diviseurs de tension résistifs 64-66 et 65-67, soit par l'ouverture de l'interrupteur 51. I1 est à remarquer ici que l'on peut connecter les transistorsinterrupteurs 61, 62 partout dans la voie du signal où une coupure de la composante continue est effectuée à l'aide d'un condensateur de couplage 11,12 et où l'étage en aval est polarisé à une tension très proche du potentiel de référence de la masse 13 (ou 8), comme dans le cas des étages d'entrée à amplificateur différentiels couplés par leurs émetteurs 32, 42. En résumé, il est important d'éviter qu'une tension continue de valeur notable soit appliquée aux collecteurs des transistors-interrupteurs 61s 62, afin qu'ils ne conduisent pas de courants continus notables qui leur seraient dommageables. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection thermique d'un amplificateur de puissance travaillant en classe B, C, D ou AB avec un faible courant de repos, comprenant un interrupteur sensible à la température (51) qui s'ouvre ou se ferme, lorsque sa température atteint un seuil prédeterminé et qui est monté sur le radiateur (50) portant les transistors de puissance (35, 36, 4fui, 46) équipant les étages de sortie montés en push-pull, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, pour chaque voie d'amplification (30, 40), un interrupteur électronique rapide (61, 62) normalement ouvert, dont la fermeture commandée par l'interrupteur sensible (51), lorsque sa température de seuil est atteinte, permet de relier un point de la voie de transmission du signal situé en amont de l'étage de sortie (35-36, 45-46) à la masse, de manière à couper l'excitation, notamment de cet étage de sortie. 2. Dispositif suivant la revendication 1, du type dans lequel l'interrupteur électronique est constitué par un transistor (61, 62), caractérisé en ce que le trajet collecteur-émetteur de ce dernier est connecté entre l'entrée (31, 41) de la voie d'amplification (30, 40) et la masse (13, 8) et sa base est réunie, d'une part, au moyen d'une résistance de polarisation (63), à une source de tension de polarisation (4) de manière à provoquer sa saturation et, d'autre part, au moyen de l'interrupteur sensible (5 (5il), au même potentiel que son émetteur, afin qu'il reste bloqué jusqu'à ce que la température de seuil est atteinte. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur du transistor-interrupteur (61, 62) est relié à un point de la voie de transmission du signal à amplifier, qui est à un potentiel continu sensiblement égal à celui appliqué à son émetteur. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le collecteur du transistor-interrupteur (61, 62) est relié à la jonction d'un condensateur de couplage (11, 12) avec la base d'un transistor qui est alimenté par des tensions symétriques par rapport à la masse tel qu'un étage amplificateur (32, 42) différentiel couplé par les émetteurs de deux transistors. 5. Amplificateur de puissance travaillant en classe B, C, D, ou AB avec un faible courant de repos, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de protection thermique suivant l'une des revendications précédentes.