Brevet FR2513829A1 — publié le 19830401

La présente invention est relative à un étage de sortie pour des alimentations électriques à mode commuté. Dans les alimentations à mode commuté, il est cou- rant que la tension du réseau public alternatif soit redressée et filtrée pour constituer une source de courant continu afin de fournir de l'énergie à une charge électrique contr 8 lée par un oscillateur commutant l'étage de sortie de l'alimentation. L'étage de sortie comporte généralement un transis- tor exigeant un courant de base considérable pour assurer la saturation et réduire au minimum la dissipation de puissance -dans ce transistor La chute de tension à partir de la source de courant continu pour obtenir ce courant de base élevé, en- tra ne un gaspillage d'énergie et des difficultés pour dissi- per la grande quantité de chaleur engendrée, cette particula- rité des étages de sortie commutants est tout à fait indésira- ble et contraste avec la bonne efficacité thermique qu'ils présentent par ailleurs. Le courant de base élevé nécessaire pour saturer le transistor de sortie, implique la fourniture d'une grande quantité d'énergie pour mettre en oeuvre l'étage de sortie. L'oscillateur commandant cet étage de sortie utilise générale- ment des transistors de commande à base suralimentée. Dans un tel étage de sortie, il est usuel de four- nir un courant de sortie présentant en fonction du temps, une forme ondulée qui est trapézo Idale plutôt que dentelée, si bien que le courant de pointe dans le secondaire d'un transformateur quelconque couplé à cet étage de sortie, peut se rapprocher davantage de la valeur moyenne de ce courant afin de réduire au minimum les contraintes subies par les redresseurs et les con- densateurs de filtrage dans le circuit secondaire L'obtention de cette forme d'onde trapézoïdale entra ne l'utilisation de nombreux composants additionnels Le temps de stockage des tran- sistors de sortie a pour conséquence que de tels étages ne peu- vent pas fonctionner correctement avec un faible coefficient d'utilisation du courant primaire -Cette incapacité à fonction- ner dans ces conditions, se traduit par un échauffement du tran- sistor ou des transistors de sortie. Il est en conséquence souhaitable de créer un étage de sortie pour une alimentation électrique en mode commuté, qui puisse être commandé avec un signal de basse énergie en provenance 1 * d'un oscillateur, qui ne nécessite pas la dissipation de grandes quantitésd'énergie à partir d'une source de courant continu, et qui fonctionne dans le circuit primaire d'un transformateur aveo une forme ondulée trapézoïdale du courant en fonction du temps à bas coefficient d'utilisation, malgré la simplicité de sa construction. A cet effet, la présente invention concerne un étage de sortie pour une alimentation électrique en mode commuté dans lequel un dispositif de sortie est susceptible d'être mis sélectivement en oeuvre pour permettre à un premier courant élec- trique de passer dans une charges en réponse à la fourniture d'un second courant électrique passant dans une entrée de com- mande du dispositif de sortie, étage de sortie caractérisé en ce que l'énergie nécessaire pour le passage du second courant est dérivée en tant qu'une partie de l'énergie susceptible d'être délivrée par le premier courant -harge et en ce que le se- cond courant est susceptible d'être piloté sélectivement dans cette entrée de commande, en réponse à un signal de commande extérieur. Dans une réalisation préférée de l'invention, un transistor de sortie commande l'enroulement primaire d'un trans- formateur à partir d'une alimentation en courant continu Un enroulement secondaire est de préférence couplé par une première de ses extrémités et par l'intermédiaire d'une première diode, et d'une source de courant constant, à la première extrémité d'un inducteur La seconde extrémité de l'inducteur est, de préférence, couplée à la base du transistor de sortie Une se- conde diode relie de préférence la première extrémité de l'in- ducteur à la terre Le collecteur d'un transistor de shuntage est de préférence relié à la base du transistor de puissance, tandis que son émetteur est mis à la terre La base du transis- tor de shuntage est de préférence reliée à une source externe de signal de commande telle qu'un oscillateur si bien que la base du transistor de puissance peut être mise électriquement à la terre en étant commandée en réponse à la fourniture d'un signal de commande externe La seconde extrémité de l'enroulement se- condaire du transformateur est de préférence reliée à l'émetteur du transistor de puissance L'émetteur du transistor de puis- sance est de préférence mis à la terre au moyen d'une résistance. Le circuit fonctionne de préférence de façon que lorsque le 2.- 2 2513829 transistor de shuntage n'est pas conducteur électriquement, un courant constant est maintenu par l'inducteur à travers la base du transistor de puissance, mais lorsque le transistor de shunta- ge est électriquement conducteur, le courant constant maintenu dans l'inducteur est maintenu dans une boucle comprenant la se- conde diode,-l'inducteur et le transistor de shuntage De pré- férence le circuit inverse la polarité de là jonction base- émetteur du transistor de puissance alors que le transistor de shantage est rendu électriquement conducteur, pour décharger la jonction base-émetteur du transistor de puissance. L'invention va être décrite plus en détail en se référant à un exemple de réalisation représenté sur les dessins ci-jointe, dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'une réalisation préfé- rée de l'étage de sortie d'une alimentation électrique en mode commuté, conforme à l'invention, la figure 2 montre les parties de la figure 1 qui sont conductrices lorsque le collecteur du transistor de puissanceèlaisse passer le courant, la figure 3 A montre la relation entre le courant de collecteur et le temps pour le transistor de puissance, la figure 3 B montre la relation entre le courant de base et le temps pour le transistor de puissance, la figure 4 montre les parties de la figure 1 qui laissent passer le courant à l'instant o le transistor de puissance est mis hors circuit, la figure 5 montre les parties de la figure 1 qui laissent passer le courant lorsque le transistor de puissance est complètement hors circuit. la figure 6 montre les parties de la figure 1 qui laissent passer le courant à l'instant oh le transistor de puis- sance est mis en circuit. La figure 1 est une représentation schématique d'une réalisation préférée de l'invention Le collecteur d'un transis- tor npn de puissance 10 est relié à une première extrémité d'un enroulement primaire 12 d'un transformateur 14 La seconde ex- trémité de l'enroulement primaire 12 est reliée à une alimenta- tion 16 pour alimenter le transformateur 14 en courant continu dérivé par redressement et filtrage d'un réseau électrique pu- blic. 4.- Un enroulement de puissance 18 du transformateur 14 fournit du courant alternatif pour redressement et filtrage comme sortie de l'alimentation en mode commuté Une première ex- trémité d'un enroulement de polarisation 20 est reliée à l'anode d'une première diode 22 tandis que la seconde extrémité de cet enroulement est reliée à l'émetteur du transistor de puissance le sens de l'enroulement de polarisation 20 est tel que lors- que le courant traversant le transistor de puissance 10 et l'en- roulement primaire 12 augmente, la première diode 22 est conduc- trice. La cathode de la première diode est reliée à une source de courant constant 24 qui peut être de tout type connu dans cette technique* La source de courant constant 24 est reliée à une première extrémité d'un inducteur 26 et à la cathode d'une se- conde diode 28 L'anode de cette seconde diode 28 est reliée à la terre la seconde extrémité de l'inducteur est reliée à la base du transistor de puissance 10. Une résistance 30 est branchée entre l'émetteur du transistor de puissance 10 et la terre Le collecteur d'un tran- sistor npz de shuntage 32 est relié à la base du transistor de puissance 10 L'émetteur du transistor de shuntage 32 est relié à la terre La base du transistor de shuntage 32 est reliée à un conducteur de commande externe 34. La figure 2 montre la circulation du courant lors- que le transistor de puissance 10 est conducteur. Pendant cette période, le transistor de shuntage 32 n'est pas conducteur, le signal sur la ligne de commande ex- terne étant inférieur à 0,7 volt et positif par rapport à la terre. Le transistor de puissance 10 laisse passer un cou- rant croissant 36 à travers l'enroulement primaire 12 du trans- formateur Ce courant croissant 36 du transistor de puissance in- duit une force électromotrice dans l'enroulement de polarisation 20, de sorte que la diode 22 devient conductrice et qu'un cou- rant de boucle 38 dont l'intensité est prédéterminée par le gé- nérateur 24 de courant constant, et qui est "mémorisé" par l'in- ducteur 26, circule à travers la jonction base-émetteur du tran- sistor de puissance 10, mettant en circuit le transistor de puissance 10, et ce courant revient à l'enroulement de polarisa- 5.- tion 20 par l'intermédiaire de l'témetteur du transistor de puissance 10. La figure 3 A montre la forme ondulée en fonction du temps du courant de collecteur cdu transistor de pui ssance 10 e Le fonctionnement du circuit de la figure 2 correspond aux par- ties de courant ascendant 41 de la figure 3 A. La figure 3 B montre la forme ondulée en fonction du temps du courant de base du transistor de puissance 10 La partie opérationnelle du circuit indiquée sur la figure 2 cor- respond aux parties du courant de base ascendant 42 de la fi- gure 3 B. La figure 4 montre le fonctionnement du circuit lorsque le transistor de shuntage 32 est mis en circuit par application d'une tension dépassant 0,7 volt et positive par rapport à la terre sur le conducteur de commande externe 34 de la figure 1. Cette mise en circuit du transistor de shuntage 32 entra ne la mise hors circuit du transistor de puissance 10 et correspond aux chutes 43 du courant de collecteur sur la figure 3 A et aux chutes rapides 44 et aux remontées 45 du cou- rant de base sur la figure 3 B. Lorsque le transistor de shuntage 32 est mis en cir- cuit, le courant de boucle 38 de la figure 2 est dérivé vers la terre et revient vers l'enroulement de polarisation 20 par l'in- termédiaire de la résistance 30 pour devenir le courant de mraise hors circuit 46 de la figure 4 Le courant 46 maintient sa va- leur initiale du fait de l'inertie que lui confère l'inducteur 26. Le courant de mise hors circuit 46 en circulant à travers la résistance 30, comme cela est indiqué, inverse la polarisation de la Jonction émetteur-base du transistor de puis- sance 10, qui réagit en devenant non conducteur La charge stockée à la base du transistor de puissance 10 est rapidement déchargée à la terre à travers le transistor de shuntage 32 ce qui se traduit par les remontées 45 du courant de base inversé sur la figure 3 B correspondant au courant de décharge de base 48 de la figure 4. La figure 5 montre les conditions prévalant après que le transistor de puissance 10 ait été mis hors circuit. Le transistor de shuntage 32 demeure en circuit, en réponse au signal continu du conducteur de commande externe 34 6.- de la figure 1 Te courant cesse de circuler à travers la combi- naison constituée par l'enroulement de polarisation 20, la première diode 22 et la source de courant constant 24, puisqu'au- cune énergie n'est alors fournie au transformateur 14 A la place, le courant circule dans la boucle comprenant la seconde diode 28, l'inducteur 26 et le transistor de shuntage 32 comme courant de maintien 50 L'inertie de l'inducteur 26 fait que le courant de maintien 50 reste sans altération à la valeur ini- tialement commandée par la source de courant constant 28 l Ia constante de temps de l'inducteur 26 est choisie de façon à ce que le courant de maintien 50 ne subisse en pratique pas de diminution pendant un intervalle normal entre les périodes de conductibilité du transistor de puissance 10 La seconde diode 28 est non conductrice exceptée lorsqu'elle laisse passer le courant de maintien 50 Ce stade dans le fonctionnement du cir- cuit correspond aux parties nulles 52 du courant de collecteur de la figure 3 A et aux parties nulles 53 du courant de base de la figure 3 B. La figure 6 montre les conditions prévalant lorsque le transistor de puissance 10 est à nouveau mis en circuit, en correspondance avec les parties montantes 54 du courant de col- lecteur de la figure 3 A et les parties montantes 55 du courant de base de la figure 3 B. Le transistor de shuntage 32 de la figure 1 est mis hors circuit, Le courant de maintien 50 de la figure 5 est ins- tantanément dérivé à travers la jonction base-émetteur du tran- sistor de puissance 10 en provoquant la mise en circuit rapide de ce dernier Après quoi se répète le cycle opératoire repré- senté sur les figures 2 et suivantes. La description qui vient d'ttre faite du fonction- nement du circuit est basée sur l'hypothèse que ce circuit fonc- tionne en permanence Les spécialistes comprendront que le cir- cuit doit être démarré et que ce démarrage peut être effectué en fournissant délibérément un petit courant de polarisation à la base du transistor de puissance 10 qui peut être utilisé par le transistor de shuntage 32 comme source commutable de commande pour le transistor de puissance 10 afin d'accumuler de l'énergie dans l'enroulement de polarisation 20 du transformateur 14, et dans l'inducteur 26 jusqu'à ce que cette énergie soit limitée par l'action de commande de la source de courant constant 28. 7.- Le courant de polarisation de démarrage peut être supprimé ou bien sa présence peut être maintenue si on le désire. La source de courant constant 26 peut être soit un circuit semiconducteur actif, ou bien un élément de circuit conducteur non linéaire tel qu'un tube régulateur fer-hydrogène, un dispositif de résistance à coefficient de température posi- tif, etc, la commande de ce courant n'a pas besoin d'être plus précise qu'il n'est nécessaire pour éviter que l'énergie en provenance du transformateur 14 injectée dans le reste du circuit devienne d'une importance telle qu'elle provoque des dommages Certains types de sources de courant-constant 24 permettent au courant de circuler seulement dans un sens, et permettent ainsi de supprimer la première diode 22. L'exemple ci-dessus a été décrit en se référant à un étage de sortie à transistor de puissance Avec des modi- fications simples, le circuit peut être réalisé pour comporter une paire de transistors de sortie montés en push-pull, ou bien pour commander un ou plusieur thyristors, triacs etc La commutation du courant dans la base et en dehors de la base du transistor de puissance 10 a été décrite avec uti- lisation d'un transistor de shuntage 32 Il y a lieu de remar- quer que d'autres schémas existent et sont applicables à la pré- sente invention pour commuter ainsi le courant. La sortie d'alimentation dont l'invention constitue une partie, a été jusqu'à maintenant décrite comme étant dérivée d'un enroulement de puissance 18 du transformateur 14 Il y a lieu de remarquer que le transformateur 14 ne doit pas nécessai- rement avoir un enroulement de puissance 18, et qu'il peut être utilisé uniquement pour exciter l'enroulement de polarisation 20, tandis que d'autres charges électriques peuvent être reâ 5 es au collecteur du transistor de puissance 10. L'étage de sortie de la réalisation préférée de l'invention est décrit comme étant commandé par un oscillateur externe Les spécialistes remarqueront qu'un tel étage peut être rendu auto-oscillant. 8. 2513829 REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S- 1. Etage de sortie pour une alimentation électrique en mode commuté dans lequel un dispositif de sortie ( 10) est sus- ceptible d' tre mis sélectivement en oeuvre pour permettre à un premier courant électrique de passer dans une charge ( 14) en réponse à la fourniture d'un second courant électrique pas- sant dans une entrée de commande du dispositif de sortie ( 10), étage de sortie caractérisé en ce que l'énergie nécessaire pour le passage du second courant est dérivée en tant qu'une partie de l'énergie susceptible d'être délivrée par le premier courant à la charge ( 14) et en ce que le second courant est susceptible d'être piloté sélectivement dans cette entrée de commande, en réponse à un signal de commande extérieur. 2. Etage de sortie selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le second courant est susceptible d'être inversé dans cette entrée,. 3. Etage de sortie selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un induc- teur ( 26) pour mémoriser le second courant. 4 Etage de sortie selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un régu- lateur à courant constant ( 24) pour commander l'intensité du second courant. 5. Etage de sortie selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que la charge comprend un transformateur ( 14). 6. Etage de sortie selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que le transformateur comporte un enroulement secondaire ( 20) pour fournir la partie de l'énergie susceptible d'être délivrée par le premier courant. 7. Etage de sortie selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que le dispositif de sortie ( 10) est un transis- tor de puissance ( 10). 8. Etage de sortie selon la revendication 6, caracté- risé en ce que l'inducteur ( 26) est connecté en série avec la base du transistor de puissance, une première extrémité de l'en- roulement secondaire étant connectée à l'émetteur de ce tran- sistor de puissance, tandis que sa seconde extrémité est con- nectée en série avec le régulateur de courant, ce régulateur étant à son tour connecté à l'extrémité de l'inducteur opposée 9. 2513829 à la base du transistor de puissance, le point commun entre l'in- ducteur et le régulateur étant mis à la terre par une diode, la base du transistor de puissance étant mise à la terre par un transistor de shuntage susceptible d'8 tre mis en oetuvre sé- lectivement, tandis que l'émetteur du transistor de puissance est mis à la terre par une résistance.