Brevet FR2514585A1 — publié le 19830415

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation électro- nique comprenant un régulateur à découpage équipé d'un transistor hacheur et alimenté à partir du réseau alternatif de distribution d'énergie par l'inter- médiaire d'un circuit de redressement à double alternance, ce régulateur à découpage étant commrandé avec un rapport cyclique variable par un modulateur. La plupart des montages électroniques (téléviseurs, amplificateurs, ordinateurs, sources stabilisées, etc) sont alimentés à partir du réseau par un redresseur double alternance suivi d'un filtre à condensateur en tête Vu du réseau, ce montage est entaché d'un grave défaut: il n'absorbe de courant que sur les pointes de tension La valeur efficace de ce courant est beaucoup plus élevée que le quotient de la puissance active PO par la tension efficace Ueff Les lignes, interrupteurs, fusibles disposés en amont doivent alors être surcalibrés Les harmoniques de courant donnent lieu à une chute inductive et à une chute résistive de la tension du réseau, en raison de l'impédance interne qu'il présente Il en résulte une "pollution" du réseau, due à l'altération de la forme d'onde de la tension qu'il délivre, et qui peut être préjudiciable aux autres usagers De plus, le condensateur placé en tête du filtre doit souvent être surdimensionné, d'une part en capacité pour stocker l'énergie nécessaire à la charge pendant la longue durée de non-conduction du redresseur, d'autre part en aptitude à supporter les importantes valeurs efficaces de l'intensité qui le traverse. La présente invention a pour but de remédier aux défauts du redres- seur suivi d'un filtre à condensateur en tête en modérant la valeur maximale du courant absorbé sur le réseau tout en augmentant sa durée Pour ce faire, le dispositif selon l'invention comprend des moyens pour faire fonctionner le régu- lateur à découpage en abaisseur de tension lorsque la tension du réseau passe par des valeurs élevées, et en élévateur de tension lorsqu'elle passe par des valeurs faibles La puissance instantanée p qu'il absorbe varie selon une loi du type p = UI sin 2 w> t, c'est-à-dire-que le montage est vu du réseau comme une résistance absorbant un courant sinusoïdal et présentant un excellent fac- teur de puissance. Dans une forme de réalisation particulière de l'invention, lesdits moyens comportent une inductance connectée entre l'un des pôles du circuit de redressement et la sortie du transistor hacheur, cette inductance assurant le stockage de l'énergie et son transfert vers la charge par l'intermédiaire d'une diode de récupération et d'un condensateur de filtrage, tandis qu'une consigne sinusoïdale est appliquée après redressement sur le modulateur de rapport cyclique et qu'un condensateur de faible capacité est branché en amont du tran- sistor hacheur pour dériver les courants haute fréquence véhiculés par ce tran- sistor. Grâce à cette disposition, on obtient un facteur de puissance proche de l'unité avec un faible taux de distorsion du courant absorbé et, partant, de la tension du réseau De plus, il est facile de doser la puissance, le courant / 5 et la tension délivrés à la charge en modifiant à cette fin la consigne du J modulateur. Plusieurs formes d'exécution de l'invention sont décrites ci-après à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention, avec filtre à condensateur en parallèle sur l'utilisation, la figure 2 est un schéma d'une application du dispositif selon l'invention pour l'alimentation à polarité alternée d'une lampe à décharge, la figure 3 est un schéma d'une autre application du dispositif selon l'invention pour la charge progressive de condensateurs de forte capa- cité. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend tout d'abord un circuit de redressement à double alternance constitué ici par un pont de diodes R, qui est connecté au réseau alternatif de distribution d'énergie figuré par la tension U sin ot En aval du redresseur se trouvent branchés en série une inductance L de stockage d'énergie et un transistor hacheur Tr commandé en tout ou rien par un modulateur M de rapport cyclique En parallèle sur l'inductance L sont branchés en série une diode T rapide D et la charge constituée par le condensateur de filtrage C et le cir- cuit d'utilisation Z connectés en parallèle Un capteur de courant S est inséré sur le trajet du courant de charge La tension qu'il offre à ses bornes est appliquée sur le modulateur M, au même titre que la tension Utsin Fath élaborée -à partir du réseau par l'intermédiaire d'un transformateur et d'un circuit de redressement, et que la tension U aux bornes de la charge Un condensateur c de petite capacité, branché en amont du transistor hacheur Tr, absorbe la composante haute fréquence du courant véhiculé par ce transistor. Le dispositif qui vient d'être décrit fonctionne de la manière sui- vante: - A chaque conduction du transistor hacheur Tr l'inductance L est soumise à une tension presque égale à Uisin u Jti Elle reçoit donc un courant 1 ( U Isin w>t I dt Lorsque le transistor Tr est rendu isolant, ce courant ne L J peut trouver d'itinéraire que par la diode D Comre il rencontre une contre-tension pratiquement égale à Uob il évolue selon la loi L UO dt. En appelant t 1 l'instant de début de conduction et (la durée de conduction, l'augmentation de courant se chiffre donc par _ 5 1 U sinc at dt Elle est suivie d'une diminution qui, s'étendant sur la durée T ? 7 ', atteint L 1 t 1 + t dt Sur une période T complète, la variation de l'intensité atteint tl t 1 + T I(t 1 + T) I(t 1) U sin W t dt -l U dt L cependant que sa valeur moyenne, définie à une constante près, dépend des conditions initiales. La durée Z'de conduction du transistor est déterminée par le modula- teur M en vue d'obtenir que l'intensité moyenne débitée par le réseau soit proportionnelle à la valeur absolue Isin wot I sur le même intervalle de temps T 1 O idt = k Isin W t 1 l i t 1 Les informations nécessaires au pilotage du modulateur proviennent de la prise de tension de sortie Uo$ du capteur S de mesure du courant délivré i et de la tension redressée double alternance U Isin Lt I Elles sont traitées non seulement en vue de définir la duréee'de conduction selon la formule théorique: zr UO T UO + U Isincntt mais aussi pour corriger cette durée afin de tenir compte des chutes de tension non prises en considération dans le calcul, et pour hiérarchiser les différents signaux de consigne en vue d'éviter tout dépassement de tension, de courant ou de puissance qui pourrait nuire à la charge. Dans une application de l'invention représentée sur la figure 2, on alimente une lampe à décharge t en polarité alternée au moyen du pont de diodes R et du transistor hacheur Tr dont le rôle a déjà été explicité précédemment. L'inductance L est munie cette fois d'une prise médiane telle que la tension + u L soit disponible sur la borne supérieure en même temps que la tension u L est disponible sur la borne inférieure La lampe À, dont une des bornes est reliée en permanence à la prise médiane, a son autre borne connectée tour à tour à chacune des extrémités de l'enroulement, au rythme d'une inversion dont la fréquence peut ou non être celle du réseau Cette inversion est exercée par la mise en conduction d'un transistor Tr 1 et d'une diode D 1 en alternance avec celle d'un transistor Tr 2 et d'une diode D 2 * Dans une forme d'exécution très simple de l'invention, les circuits d'attaque de base des transistors Tr 1 et Tr 2 sont constitués par deux enroulements d'un même transformateur dont la ten- sion primaire peut être celle du réseau Entre la prise médiane de l'inductance L et le point commun des transistors Tr 1 et Tr 2 est connecté un condensateur C de filtrage dont le rôle est de dériver la composante de haute fréquence du courant délivré par l'inductance L pour que seule la composante de basse fré- quence traverse la lampe t. Le dispositif selon l'invention est complété par un circuit d'asser- vissement agissant sur le modulateur M Recevant à la fois la tension aux bornes de la lampe et l'information sur le courant délivrée par le capteur s, il déter- mine à tout moment le rapport cyclique r pour que le courant absorbé sur le réseau, une fois débarrassé de sa composante de haute fréquence par le conden- sateur c, soit proportionnel à sin c t. A cet effet, le modulateur M reçoit une consigne sinusoïdale phasée avec le secteur et stable en-amplitude, engendrée par un circuit SIN connu en soi, constitué essentiellement d'un écréteur à deux diodes montées têtebêche suivi d'un filtre passe bande F accordé sur la fréquence du réseau et d'un re- dresseur double alternance comprenant deux diodes associées à un amplificateur opérationnel La sinusoïde redressée engendrée par le circuit SIN est d'ampli- tude stable, et sa forme d'onde n'est pas altérée par la distorsion qui affecte éventuellement la tension du réseau Elle est à chaque instant comparée avec le signal issu du capteur de courant s En cas d'inégalité, la différence est amplifiée pour corriger en conséquence le rapport cyclique Au cours d'une même alternance, ce rapport passe d'une valeur très proche T de 1, qui fait fonctionner le montage en élévateur selon la loi théorique _ Up T U O + U lsinc, tl à une valeur inférieure à qui le fait fonctionner en abaisseur de tension, pour revenir avant la fin de l'alternance au fonctionnement en élévateur. L'inductance L a donc en définitive deux fonctions distinctes, à savoir le stockage d'énergie pendant la période de conduction du transistor hacheur Tr suivi d'une restitution pendant la période d'isolement, et l'alimentation de la lampe en polarité alternée qui évite la-cataphorèse des électrodes Il est à noter que les diodes D 1 et D 2 protègent les transistors Tr 1 et Tr 2 du sélecteur de polarité contre les tensions négatives qui apparaissent nécessairement sur l'inductance L. Pour doser le flux lumineux émis par la lampe à décharge L, il suffit d'agir sur le niveau de sortie de la consigne sinusoïdale engendrée par le cir- cuit SIN au moyen par exemple d'un potentiomètre p Ce dosage peut être bien entendu commandé soit manuellement, soit par l'intermédiaire d'un moyen de télé- réglage approprié de type connu. On notera que ce dispositif d'alimentation remplace avantageusement les ballasts inductifs lourds et encombrants qui sont associés habituellement aux lampes à décharge, et qui absorbent un courant excessif en raison du mauvais facteur de puissance qu'ils présentent L'inductance à prise médiane du montage objet de l'invention est beaucoup plus compacte qu'un ballast habituel du fait qu'elle travaille avec des périodes T beaucoup plus courtes (typiquement 40 microsecondes) que la période des réseaux de distribution en alternatif Le gain d'encombrement ainsi obtenu permet de loger aisément les diodes, les transistors et les autres éléments du montage de l'invention. Par rapport aux autres alimentations électroniques pour lampes à dé- charge, souvent appelées "ballast à état solide" et fonctionnant avec un tran- sistor hacheur et une inductance montés constamment en abaisseur de tension, le schéma de l'invention offre l'avantage de maintenir l'alimentation de la lampe même quand la tension du réseau passe par des valeurs faibles, ce qui évite le risque d'extinction habituellement rencontré en fin d'alternance. Une autre application de l'invention, représentée sur la figure 3, concerne la charge progressive de condensateurs C de forte capacité On fait de plus en plus appel à de tels condensateurs pour emmagasiner de l'énergie élec- trique, en raison de leur aptitude à la libérer très rapidement, par exemple dans des radars, des lasers ou des tubes à éclats de type flash La difficulté habituellement rencontrée dans le stockage d'énergie au moyen de ces condensa- teurs vient de ce que, partant d'un réseau monophasé dont la tension typique est 220 volts, il faille les charger jusqu'à des tensions élevées, dépassant souvent le kilovolt, en évitant les régimes discontinus, les commutateurs méca- niques, les transformateurs à prises, les rhéostats de charge et plus générale- ment tout dispositif électromécanique sujet à usure. Pour surmonter aisément cette difficulté, le montage de la figure 3 comprend tout d'abord un pont de redresseurs R, un transistor hacheur Tr, une inductance L, une diode derécupération D, un générateur de sinusoïde pilote SIN et un capteur de courant S dont le fonctionnement a déjà été décrit plus haut. La batterie de condensateurs C est soumise à une tension constamment croissante, selon une loi parabolique de type U O = k r t, grâce au fait que le courant débité par le réseau est constamment proportionnel à sa tension Le montage fonc- tionne au départ en abaisseur, puis tour à tour en élévateur et abaisseur au rythme d'une fréquence double de celle du réseau, et enfin en élévateur seule- ment, une fois que la tension des condensateurs a été amenée à une valeur supé- rieure à la tension de crête U du réseau. Un dispositif à seuil S, attaqué par la tension U 0, vient inhiber le fonctionnement du transistor hacheur Tr lorsque la charge est terminée, pour que ni les condensateurs C ni la diode D n'aient à souffrir d'une tension qui pour- rait à la longue devenir excessive. 14585 REVENDICATIONS 1 Dispositif d'alimentation électronique comprenant un régulateur à découpage équipé d'un transistor hacheur (Tr) et alimenté à partir du réseau alternatif de distribution d'énergie par l'intermédiaire d'un circuit de redres- sement (R) à double alternance, ce régulateur à découpage étant commandé avec un rapport cyclique variable par un modulateur (M), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour faire fonctionner le régulateur à découpage tour à tour en élévateur et en abaisseur de tension à un rythme double de celui de la fréquence du réseau, de façon à lui faire absorber sur le réseau un cou- rant pratiquement sinusoïdal phasé avec la tension. 2 Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une inductance (L) connectée entre l'un des pôles du circuit de redressement (R) et la sortie du transistor hacheur (Tr), cette inductance (L) assurant le stockage de l'énergie et son transfert vers la charge par l'intermédiaire d'une diode de récupération (D) et d'un condensateur de filtrage (C), tandis qu'une consigne sinusoïdale (SIN) est appliquée après redressement sur le modulateur de rapport cyclique (M) et qu'un condensateur (c) de faible capacité est branché en amont du transistor hacheur (Tr) pour dériver les courants de haute fréquence véhiculés par ce transistor. 3 Dispositif d'alimentation selon la revendication 2, pour l'alimen- tation en courant alternatif d'une lampe à décharge (t), caractérisé en ce que l'inductance de stockage (L) comporte une prise médiane de façon à alimenter la lampe à décharge en polarité alternée par l'intermédiaire de deux circuits à diodes (Di, D 2) et transistors (Tr,, Tr 2). 4 Dispositif d'alimentation selon la revendication 2, pour la charge d'une batterie de condensateurs (C), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à seuil (S) inhibant le fonctionnement du transistor hacheur (Tr), pour interrompre la montée en tension desdits condensateurs.