Brevet FR2517140A1 — publié le 19830527

Stabilisateur bipolaire transistorisé pour-basses tensions. L'invention concerne un stabilisateur bipolaire transistorisé dont la caractéristique de courant et de tension est proche de celle d'une diode Zener. Dans le circuit formé suivant l'invention, on utilise le couple régénératif bien connu de deux transistors complémentaires dans lequel la base de l'un est reliée au collecteur de l'autre, les émetteurs représentant les bornes du circuit. La caractéristique principale de l'invention est que dans le circuit mentionné on introduit une diode dont l'anode est reliée au collecteur du transistor PNP et la cathode au collecteur du transistor NFN. La bonne stabilisation de la tension eet obtenue lorsque les transistors et laguis diodes sont accordés de la façon que lton expliquera plus tard. En supposant que le couple de transistors est donné, pour obtenir une certaine tension, il faut choisir une diode, dont la caractéristique donnera cette tension. Dans le cas où l'on se sert d'éléments discrets d'une gamme existante, la nécessité de corriger la caractéristique de la diode peut apparattre. Dans certains cas cela est possible grâce à l'aide d'une résistance relativement grande qui est connectée parallèlement à la diode; en d'autres cas, à l'aide d'une résistance relativement petite qui se branche en série avec la diode. La solution peut être une combinaison de connections en série et parallèle. Voici les avantages principaux du circuit formé suivant l'invention - la tension stable (qui est analogue à la tension mentionnée d'une diode zoner) est très basse. Sa valeur peut varier entre 0,7 et 1,2 V. - La gamme opérationnelle des courants est très grande. On peut dire que la gamme typique va de 10 microA jusqu'à 10 mA. - la résistance dynamique dans la gamme opération- nelle du courant est très petite, de l'ordre de 1 Ohm. I1 est facile d'obtenir que dans la plupart de la gamme opérationnelle et pour des petits courants elle soit pratiquement nulle. - Le circuit ne produit pas de bruit comme c'est le cas avec les diodes Zener. Le stabilisateur de tension issu de l'invention est destiné d'abord à l'usage dans divers circuits électroniques à la manière dont on emploie des diodes Zener, mais dans la gamme de basses tensions et de courants faibles pour lesquels il est impossible de concevoir des diodes zoner correspondantes. En outre, il n'y a pas d'autres éléments bipolaires connus qui puissent avoir des caractéristiques semblables dans la gamme mentionnée des courants et des tensions. Il existe un "Schaltung mit Zenerdioden CharakterZstik"qui ressemble à 1' invention et a fait l1objet des brevets allemand nO 19 19203 (11-1969) et n" 20 38 983 (2-1972). I1 stabilise la tension à 1,5 Vpar des courants forts supérieurs à 30 mA. La différence entre la présente invention et ces brevets allemands est la suivante : à la place de la diode, ilsililisent une petite résistance inférieure à 10 Ohm. Le remplacement de la résistance par la diode, qui est reliée au circuit dans le sens passant, présente une nouveauté importante et une amélioration considérable. L'obtention de résistance basse stable à l'aide de courants faibles a une grande importance théorique. Le circuit selon l'invention, grâce à la diode, peut stabiliser la tension Jusqu'à 0,7 V min., par des cou rants qui sont considérablement inférieurs à 30 mA. Dans certains cas la limite inférieure de la gamme opérationnelle du courant, avec laquelle la résistance dynamique reste suffisante, peut descendre jusqu'à 2 microA. Dans ce qui suit l'invention sera décrite à l'aide des dessins ci-joints, dans lesauels la figure 1 représente le schéma du circuit élémentaire d'après l'invention qui, dans une branche, contient la diode. Les figures 2, 3 et 4 présentent trois exemples supplémentaires de l'exécution de la branche à diode de la figure 1. La figure 5 représente le diagramme donnant la caractéristique courant-tension du circuit. D'après le schéma de la figure 1, le circuit contient : un transistor PNP T1, un transistor NPN T2 et une diode D. Les transistors sont au silicium et la diode peut être soit au silicium soit au germanium. La base du transistor T1 est reliée au point 4 au collecteur du transistor T2 dont la base est au point 3 reliée au collecteur du transistor T1. La diode D est reliée par son anode au point 5 et par sa cathode au point 4. Tout le circuit est bipolaire car l'émetteur du transistor PNP T1 dans le point 1 tient le ralle d'une borne du circuit, tandis que l'émetteur du transistor NPN T2 tient le ralle de l'autre borne dans le point 2. U et I symbolisent la tension et le courant entre les bornes 1 et 2. Le diagramme de la figure 5 présente la caractéristique courant-tension f(U, I) obtenue par des mesures prises sur un circuit réalisé. Sur le diagramme on aperçoit que, avec la croissance de la tension U en commençant de O, le circuit reste pratiquement non-conducteur, jusqu'à la ten- sion pour laquelle on aperçoit l'apparition du courant. Ensuite, le courant croît brusquement ce qui entratne l'apparition d'un coude arrondi. Une fois le coude dépassé, la tension ne croit plus, mais reste pratiquement constante, c'est-à-dire indépendante du courant. Ceci représente l'entrée dans la gamme opérationnelle du courant qui a une limite supé- rieure au-delà de laquelle la tension reprend sa croissance Par gamme opérationnelle du courant on comprend l'intervalle du courant I dans lequel la caractéristique est verticale, c'est-8-dire dans lequel la résistance dynamique rd est très petite, par exemple inférieure à 1 Ohm. Dens certains cas la limite supérieure de la gamme est au-delà de 100 mA. Pour mieux expliquer l'effet de la diode D on va d'abord observer le cas où, suivant la figure 1, la branche avec diode est disconnectée. C'est alors qu'on obtient le circuit bien connu avec deux transistors complémentaires en couple régénératif. Dans ce circuit, en supposant que les transistors soient idéalement complémentaires, les courants de base sont forcément égaux au courant des collecteurs, ce qui entratne la profonde saturation des transistors. Les tensions collecteur-émetteur sont négligeahles par rapport aux tensions base-émetteur. Le point 3 est positif par rapport au point 4. Si l'on enregistre la dépendance des tensions U34 du courant total entre les points mentionnés, on obtient une caractéristique de diode qui est presque coincidente avec la caractéristique f(U, I) puisque les tensions du collecteur et de l'émetteur sont très petites. En observant la diode séparément du circuit, sa caractéristique doit être avant tout telle celle soit placée sensiblement à gauche de la caractéristique précédemment mentionnée lorsque les deux sont représentées sur le même diagramme. En d'autres termes, les tensions sur les bornes de la diode doivent être sensiblement inférieures à la tension précédemment mentionnée U. lorsque les deux sont mesurées sous des courants égaux. Lorsque la diodes, se conformant à la condition précédemment mentionnée, est rebranchée sur le circuit, reliant les collecteurs des transistors, elle conduit, en raison de sa petite résistance, presque la totalité du courant collecteur qui maintenant devient pratiquement commun aux deux transistors. En comparant avec le cas précédemment observé (sans diode) on constate que les courants de base sont maintenant considérablement réduits. Les tensions du collecteur et de l'émetteur sont augmentées et la tension entre les points 3 et 4 qui sont la base et le collecteur pour les deux transistors est réduite. Les tensions base-émetteur restent supérieures aux tensions correspondantes collecteur-émetteur, mais la saturation des transistors est maintenant ainsi réduite qu'il fonctionne avec une grande amplification, c'est-à-dire dans le domaine limite du régime d'amplification. Pour arriver à certaines conditions de la stabilité de la tension U, on va considérer les tensions dans le circuit de la figure 1. Pour le sens des courants on prendra le sens réel.- on marquant la tension base-émetteur du transis tor T2 avec UB2 et la tension de l'anode-cathode de la diode D avec UD et la tension émetteur-base du transistor T1 avec UBl, l'équation U = UB1 + UB2 - UD (1) La tension de la diode est UD = mET ln ( lb + 1) (2) d'où : IS courant inverse de saturation m : coefficient qui, avec des diodes réelles, va de 1 jusqu'au delà de 2 et ET : tension de température qui est ET = 26 mV à 300 K. Le courant de la diode ID est ID = I - IB1 - LB2 où Iî, IB2 sont des courants de base correspondants. Le courant I est en même temps le courant de l'émetteur 1E pour les deux transistors. Ayant en vue que les deux transistors fonctionnent avec amplification hFE d'ordre de grandeur 100, on prendra ID = I. A part cela, tenant compte qu'on est intéressé pour le courant I seulement dans le domaine du travail pour lequel est valable I # ID 1 (3) IS IS Pour l'équation (2) on obtient approximativement UD = mET ln I (4) IS Par conséquent pour les tensions UB1 et UB2 on arrive à UB1 = m1 ET ln I (5) Io1 UB2 = m2 ET ln 102 (6) En prenant des mesures sur maints circuits réalisés, on établit que, dans des domaines de travail, les courbes d'interdépendance des tensions ci-dessus mentionnées de courant I peuvent s'assimiler aux trois formules mentionnées. Il faut tenir compte que pour Is, Iol et 102 ainsi que pour les coefficients m, ml et m2 il faut prendre des valeurs qui proviennent des caractéristiques déjà observées. I1 faut considérer comme équivalents les coefficients mentionnés parce qu'ils dépendent du courant dont on tiendra compte plus tard. D'après (4), (5) et (6) en les plaçant dans (1) pour le courant U, on obtient l'équation formée de la façon suivante En supposant que ml m2 et m sont des constantes, l'équation (7) démontre que pour m = ml +m2 (8) La tension U indépendamment de I est égale :: Dans le cas de transistors idéalement complémentaires, on marquera leurs coefficients ml m2 avec mt ainsi que les courants 1o1 = 102 avec I0 et pour ce cas spécial la formule (8) étant la condition pour la stabilité de la tension U devient m = 2mt (8a) et la formule (9) qui donne la valeur de la tension stable devient UST = 2 ET ln IS (9a) Io O On constate qu'on obtiendrait la tension stable seulement si IS était supérieur a I Ainsi on présente la condition dont la mention est faite plus loin. A part cela, il est évident qu'avec les diodes qui ont un courant de saturation supérieur on obtient les tensions stables supérieures UST. Pour obtenir les tensions ST dans les limites de 0,7 - 1,1 V le rapport IS doit être très grand. De la Io formule précédente on déduit que pour 1,1 V le rapport nécessaire est = 1,538 x 109 ainsi que pour 0,7 V Io le rapport est IS = 0,702 x 106 Io D'aussi grands rapports peuvent tre atteints parce que le 10 des transistors est extrêmement mineur. Comme exemple on prend un circuit suivant la figure 1 qui est réalisé avec les transistors BC 212 et BC 182 et avec le GERMANIUM - GOLDDRAHTDIODE AAZ 21 (de la Comp. EI - Yougoslavie) pareil au type OA 1182 de la Comp. TUNGSRAM. Le circuit mentionné a donné la tension stable de du de 1,06 V avec la résistance dynamique |------| Ainsi qu'on l'a dit précédemment, les coefficients m et mt ne sont pas des constantes, mais dépendent du courant. Dans les transistors mt augmente très lentement avec l'accroissement de la tension UBE en partant approximativement de mtX 1 Dans les diodes qu'elles soient au silicium ou bien au germanium, m varie suivant le type et dans la plupart des cas dépend de 13 tension beaucoup plus que dans les transistors. Pour les courants faibles sa valeur varie entre 1 et 2 pour augmenter avec la croissance du courant, c'est-à- dire de la tension. Par exemple, dans le cas de la diode cidessus mentionné AAZ 21, dans l'extension du courant de 0,09 mA à 9 mA, ce qui correspond une variation de la tension de 0,13 à 0,36 V, le coefficient m augmente de 1,5 à 2,5. Les formules mentionnées précédemment sont déduites sous la condition que les coefficients soient constants. Cependant, l'étude de plusieurs circuits, avec diverses diodes, a mis en évidence que pour des gammes opérationnelles de courants on obtenait des extensions beaucoup plus grandes que celles dans lesquelles on pouvait considérer les coefficients relativement constants, et qui sont beaucoup plus larges que des extensions dans lesquelles m : m &num; 2. En dehors de cela, une bonne stabilisation peut être obtenue avec des diodes dans lesquelles m est en grande interdépendance avec la tension. Cela s'explique ainsi la gamme opérationnelle du courant est celle dans laquelle | dU | dI En supposant que les transistors sont égaux en partant des formules (1), (4), (5) et (6), on a dU l Is l I l = 2 mt Et ln + ( 2 mt - ml) ln + 2mt - m) dI Io Is I 1 dmt dm ou : mt = ml= dI dI I1 ne faut pas perdre de vue que mt et m sont des fonctions très complexes de I, d'autant plus que, à la façon dont on les a définis, ils sont dépendants des paramètres des transistors qui eux aussi dépendent de I. L'effet total de tous les facteurs est tel que l'on peut trouver des diodes dont m et Is donneront | dU | 1# dans un très large intervalle de cou dI rant I. Donc, le développement de telles diodes spéciales est aussi possible. Lorsqu'on utilise des diodes de la gamme existante, il est possible de pratiquer de très simples compensations, si cela est nécessaire. Si l'on branche, parallèlement à la diode D, une autre du même type, on obtient un accroissement de la tension stable UST d'environ 36 mV. C'est-à-dire que l'effet du cou rant double IS est réalisé. taque doublement suivant entratne l'augmentation de la tension UST de 36 mV encore. Si pour l'obtention d'une tension UST définie on dispose d'une diode qui a un IS correspondant, mais dont m initial est sensiblement égal à 1 (à un très faible courant), on peut alors, par le branchement en série de deux diodes identiques, réaliser l'effet d'une diode équivalente, dont m est sensiblement 2 (ce dont on a besoin) ce qui est le cas lors de l'usage de diodes Schottky. Dans le cas du circuit pour une UST supérieure (autour et au delà de 1 V) sur la courbe caractéristique du circuit apparatt un arrondissement plus accentué au commencement de la zone de stabilisation, c 'est-à-dire au coude de la caractristique telle qu'on peut l'apercevoir sur la figure 5. Cet arrondissement peut tre défavorable car il élève la limite inférieure de la gamme opérationnelle du courant. Cet arrondissement apparatt parce que, pour obtenir des UST supérieures, il faut une diode dont le courant inverse de saturation IS est supérieur (dans l'exemple cité UST= 1,06 V avec une diode dont IS = 9,22 microA). C'est-à-dire, toutes les formules données ont été déduites sous la condition I Is. L'arrondissement apparat avec les courants faibles qui ne sont pas supérieurs à IS dans une mesure suffisante. Inversement, plus les UST sont petits, ainsi que leurs correspondants, plus les coudes de la caraetristique sont prononcés. Dans le cas où UST = 0,7 V pour lequel IS est de l'ordre de grandeur de 10 nA, la caractéristique passe à la verticale à 1 microA. Le coude de la caractéristique du circuit précédemment décrit peut s'accentuer par le branchement en parallèle à la diode D d'une résistance R, comme représenté sur la figure P La valeur de la résistance doit être approximativement Et R # I , donc elle est relativement grande (même dans le cas des Is maximales de l'ordre de 1 K Q). En dehors de l'accentuation du coude, la résistance a pour effet la diminution de la résistance dynamique pour des courants faibles, donc elle abaisse la limite inférieure de la gamme opérationnelle. Pour des courants plus forts, de l'ordre de 1 mA, R perd son effet, puisque la résistance statique de la diode UD diminue sensiblement. La résistance statique de R doit I être choisie de façon que l'on obtienne une caractéristique qui soit le plus près possible de l'image de l'angle droit. Sur la figure 5 est donnée la caractéristique d'un circuit réalisé avec les transistors BC 212 et BC 182 et une diode AAZ 21 à laquelle est branché en parallèle une résistance R = 2400 Dans le cas où le circuit a une petite résistance dynamique, approximativement constante, ce qui a pour conséquence une petite inclinaison à droite de la partie verticale de la caractéristique , elle peut se redresser par la mise en série avec la diode D d'une résistance R1 comme le montre la figure 3, La résistance de R1 doit tre approximativement égale à la résistance dynamique qu'elle compense. Dans le cas où le m de la diode est légèrement inférieur à 2 mt, on peut s'aider avec une combinaison de résistances branchées en série et parallèlement. La figure 4 présente la combinaison de deux diodes D1 et D2 branchées parallèlement qui peuvent etre de deux types différents et qui ont chacurie leur résistance R1 voire R2, où le branchement parallèle de deux branchements en série est augmenté encore d'une résistance parallèle R. Dans le cas où m augmente plus rapidement avec la croissance de la tension sur la diodes le circuit aura une petite résistance dynamique négative qui peut tre compensée par ia même résistance ajoutée en série avec le circuit (par exemple, entre la borne 1 et l'émetteur du transistor T). On peut réaliser approximativement le même effet avec des résistances ajoutées en série aux bases des transistors qui doivent tre approximativement a fois plus grandes. L'examen d'un grand nombre de circuits identiques a démontré que (sauf dans le cas de certaines exigences spéciales) aucun réglage particulier n'était nécessaire. I1 suffit que les transistors et les les diodes soient du mme type, et que les résistances aient une tolérance régies par les normes. RE5ENDICATIONS 1. StabilisateUr bipolaire transistorisé pour basses tensions comprenant deux transistors complémentaires, la base d'un transistor étant reliée au collecteur de l'autre, les émetteurs formant les bornes du circuit,-caractérlsé par le fait que les collecteurs des transistors (T1, 2) sont reliés par au moins une diode (D) dont l'anode a une connection commune avec le collecteur du transistor PNP (T1) et avec la base du transistor NPN (z2) et la cathode a une connection commune avec le collecteur du transistor NPN et la base du transistor PNP. 2. Stabilisateur de tension transttorisé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une autre diode est connectée en série avec la diode précitée, formant ensemble une diode équivalente. 3. Stabilisateur de tension transistorisé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'une résistance est-connectée parallèlement avec la diode considérée. 4. Stabilisateur de tension transistorisé suivant les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait qu'une résistance est connectée en série avec la diode considérée.