Brevet FR2523785A1 — publié le 19830923

La présente invention concerne un circuit de commande en commutation de charges inductives, en particulier un circuit de commande susceptible d'intégration monolithique, comprenant un étage final à transistors en push-pull, fonctionnant en classe B, utilisables pour piloter des relais, des solénoïdes et des moteurs à crurant continu Le type le plus simple d'étage final à transis- tors en push-pull, fonctionnant en classe B, est constitué par une paire de transistors complémentaires, montés en cascade par leurs bornes d'émetteur et de collecteur entre les deux pôles d'un générateur de tension d'alimentation La charge est raccor- dée au point de jonction entre les deux transistors qui constitue ainsi la borne de sortie de l'étage Par leurs bornes de basé, les deux transistors sont pilotés alternativement en opposition de phase à la conduction, ce qui détermine des passages de courant opposés dans la charge. Toutefois, la ommutation de tels transistors ne se produit pas instantanément, mais avec un état transitoire dans le temps dont la durée n'est pas négligeable, surtout quand ces transistors conduisent en saturation; en conséquence, lorsqu'ils sont comman- dés simplement en opposition de phase, on ne peut pas éviter, au cours de la commutation de l'étage final, qu'ils conduisent simultanément. La conduction simultanée des deux transistors provoque en général une augmentation indésirable de la dissipation de puis- sance dans l'étage final lui-même. Lorsque la charge raccordée à l'étage final est du type inductif, la force contre-électromotrice induite par la variation du courant qui la traverse en conséquence de la commutation de l'étage final élève brusquement la tension collecteur-émetteur du transistor en phase d'extinction, mais encore en conduction, déterminant ainsi, dans ce transistor, le maximum de la dissipa- tion de puissance, avec des effets parfois destructeurs. Pour cette raison, il faut éviter que les transistors d'un étage final en push-pull, compris dans un circuit de commande en commutation de charges inductives, conduisent simultanément pen- dant la commutation. Le mode le plus simple pour résoudre ce problème est, comme on le sait, celui qui consiste à réaliser un circuit de commande avec un étage final en push-pull dans lequel la commande d'allu- mage du transistor final éteint soit convenablement retardée par rapport à la commande d'extinction du transistor en conduction. La fig 1 est le schéma, en partie par blocs, d'un circuit de commande connu de ce type, susceptible d'intégration monoli- thique. Il comprend deux transistors bipolaires T 1 et T 2, respecti- vement de types PNP et NPI, montés en push-pull entre les deux pôles +Vcc et -Vcc d'un générateur de tension d'alimentation, pôles auxquels sont raccordés leurs émetteurs, tandis que leurs collecteurs sont reliés l'un à l'autre pour constituer la borne de sortie du circuit. Les bases de T 1 et de T 2 sont raccordées respectivement, par l'intermédiaire de circuits appropriés de polarisation, indiqués sur la figure par les blocs Pl et P 2 ' aux sorties de deux compa- rateurs A 1 et A 2 L'entrée inverseuse de A 2 et l'entrée non in- verseuse de A 1 sont reliées l'une à l'autre, constituant la borne d'entrée du circuit, à laquelle est raccordée une source de signaux de commutation, indiquée sur la figure par le bloc SW. L'entrée inverseuse de A 1 est raccordée à l'entrée non inverseuse de A 2 par l'intermédiaire d'un premier générateur de tension constante V TH, positive par rapport au potentiel de l'entrée non inverseuse de A 2; l'entrée non inverseuse de A 2 est raccordée à -Vce avec interposition d'un second générateur de tension constan- te VREF, positive par rapport au potentiel de -Vcc. En tension, le signal en entrée a, par rapport à -Vco, un niveau minimal inférieur à VREF et un niveau maximal supérieur à Vp M + VTH; la transition de la tension en entrée entre une valeur inférieure à V Rp E et une valeur supérieure à VREF V^^^ ou vice-versa détermine la commutation de l'étage final. Lorsque le niveau du signal est inférieur à VRCF, T est bloqué et T 2 est conducteur; quand le niveau du signal est supérieur à VR + V^Hg Tl conduit et T est bloqué. Pour des valeurs du signal comprises entre VTB, et REF + VTE, les deux transistors de l'étage final sont bloqués, ce qui fait que si l'on choisit convenablement la valeur VTH en fonction de la variation dans le temps du signal de commutation, on peut exclure la conduction simultanée de T 1 et T 2 ou, si on le juge plus opportun, en limiter la durée de façon à éliminer ses effets destructeurs. Un circuit de commande, intégrable monolithiquement, du type qui vient d'être décrit, résout efficacement le problème de la conduction simultanée possible des transistors finals d'un circuit de commande en commutation comportant un étage final à transistors en push-pull, mais il utilise à cet effet des composants relativement compliqués, comme les deux comparateurs, qui sont donc coûâteux en termes de surface d'intégration. le but de la présente invention est de réaliser un circuit de commande en commutation de charges inductives, intégrable monolithiquement, comprenant un étage final à transistors en push-pull, fonctionnant en classe B, qui-soit plus économique industriellement que les circuits connus. Ce but est atteint, d'après l'invention, par le fait que la base de chaque transistor de l'étage final est raccordée à un circuit de pilotage et à un transistor polarisé en saturation, piloté à la conduction en opposition de phase par rapport au transistor final auquel il est raccordé Ce transistor auxiliaire accélère l'extinction du transistor final en extrayant les char- ges de base de celui-ci, tandis qu'il en retarde l'allumage en absorbant son courant d'alimentation, d'une durée égale à celle de son propre état transitoire d'extinction. L'invention pourra être bien comprise à l'aide de la descrip- tion détaillée qui suit, donnée purement à titre d'exemple et, par conséquent, sans caractère limitatif, en référence au dessin annexé. La fig i est le schéma, en partie par blocs, du circuit de commande en commutation de charges inductives, connu dans l'état de la technique, qui a été décrit précédemment. La fig 2 est le schéma d'un circuit de commande en commita- tion de charges inductives, avec étage final en push-pull, suivant l'invention. Sur les figures, on a utilisé les mêmes lettres et numéros de référence pour les éléments correspondants. Le schéma d'un circuit de commande suivant l'invention, représenté sur la fig 2, comprend un étage final à deux transis- tors bipolaires T 1 et T 2, respectivement de types PNP et NPN, dont les collecteurs sont reliés l'un à l'autre pour constituer la borne de sortie du circuit L'émetteur de 1 et celui de T 2 sont raccordés respectivement au premier pèle +Voc et au second pôle -Voc d'un générateur de tension d'alimentation. A la base de T 1 est raccordé le collecteur d'un transistor bipolaire T 3, de type PNP; à celle de T 2 est raccordé le collec- teur d'un transistor bipolaire T 4, de type NPN L'émetteur de T 3 est raccordé à +Vcc, celui de T 4 à -V L La base de T 1 et celle de T sont raccordées respectivement au collecteur et à l'émetteur d'un transistor bipolaire T 14, de type NPN La base de T 3 et celle de T 2 sont raccordées respectivement au collecteur et à l'émetteur d'un transistor bipolaire T 23, de type NPN Le circuit de commande comprend également un montage différentiel formé de deux transis- tors de type PN Pi, T et T 12, dont les émetteurs sont reliés à +V,, par l'intermédiaire d'un générateur de courant constant A. Le collecteur de Tl et celui de T 12 sont reliés par contre à -VC, jpar l'intermédiaire respectivement d'une résistance 1 l et d'une résistance R 12 La base de T 14 et la base de T 23 sont rac- cordées respectivement au collecteur de Tll et au collecteur de T 12 La base de T 12 est reliée à +Vc, avec interposition d'une résistance R 1, et à -Vcc avec interposition d'une résistance R 2. La base de T est raccordée à une source de signaux de commuta- tion, représentée sur la figure par le bloc SW. On considèrera maintenant le fonctionnement du circuit représenté sur la fig 2 Les paramètres du montage différentiel comprenant les transistors Tl et T 12 sont calculés de telle manière que les signaux de commutation produits par SW et appli- qués à la base de Til déterminent alternativement la conduction de Til et de T 12 En conséquence, T 14 et T 23 sont alternativement en conduction eux aussi et, de la sorte, en fonction des signaux en entrée, ils pilotent à la commutation les transistors T 1 et T 2 de l'étage final et les transistors T et T raccordés à ceux-ci. 3 4 Les transistors T 3 et T 4 conduisent en saturation Par -contre, les transistors T 14 et T 23 conduisent en zone active de leur plage de fonctionnement ou en saturation à la limite de la zone active, ce qui fait que la durée de leurs états transitoires de commutation est négligeable. On supposera que T conduit et que T 23 est bloqué; dans ces conditions, T 1 et T 4 conduisent en saturation et T 2 et T 3 sont bloqués Lorsque le signal de commutation produit par SW détermine la commutation de T 14 et T 23, T 1, T 2, T 3 et T 4 Sont également pilotés à la commutation Avec un retard négligea- ble, le transistor T 3 commence à conduire en saturation; il extrait des charges de la base de T 1, ce qui réduit la durée de son état transitoire de Loanmtation entre la saturation et le blo- cage Par contre, le transistor T 4 continue à conduire, d'abord en saturation, puis en quasi-saturation, jusqu'à ce que sa base soit vidée des charges qui y sont emmagasinées Pendant èt état transi- toire, T 4 continue à absorber le courant d'émetteur de T 23, empê- chant ainsi la conduction de T 2 En conséquence, le transistor T 2 est commuté avec un retard déterminé par les conditions de satura- tion de T 4 Les transistors T et T 4, en accélérant l'extinction de T 1 et en retardant l'allumage de T 2, permettent d'éviter la conduction simultanée de T 1 et T 2 ou d'en limiter la durée de telle manière qu'elle ne soit pas dangereuse pour l'intégrité du dispositif. Le fonctionnement du circuit est analogue et symétrique dans le cas opposé de commutation: T accélère l'extinction de T 2, tandis que T retarde l'allumage de T 1, ce qui évite les effets nuisibles de la conduction simultanée. Les transistors T et T n'entratnent pas d'augmentation d'absorption de courant du circuit: en effet, le courant de base du transistor final T 1, en sortie, est réutilisé, à travers le transistor T 14, comme courant de base, en entrée, de T 4 (moins le courant de base, négligeable, de T 14) et le courant de base, en entrée, de T 2 est réutilisé, à travers T 23, comme courant de base, en sortie, de T 3 (moins le courant de base, négligeable, de T 23) En outre, le courant de collecteur de T 3 et T 4 est limité au courant d'extraction de charges des bases de T 1 et T 2 pendant l'état transitoire d'extinction. Un circuit de commande en commutation de charges induc- tives suivant l'invention se prête particulièrement bien à l'in- tégration dans un bloc monolithique de semiconducteur, d'après les techniques connues d'intégration Les transistors T 3 et T 4, qui sont les éléments de circuit caractéristiques de l'inven- tion, sont des transistors bipolaires normaux dont l'intégra- tion est peu coûteuse industriellement, tant en termes de dif- ficulté technique qu'en termes d'occupation de surface. L'avantage économique d'un circuit de commande suivant l'invention, par rapport à celui de l'état de la technique, est donc évident. Bien qu'il n'ait été décrit et représenté qu'un seul exemple de réalisation de l'invention, il va de soi que de nombreuses variantes sont possibles, sans que l'on s'écarte pour autant du cadre-de l'invention Par exemple, les transis- tors Tl, T T, T peuvent être remplacés par des transistors à effet de champ, ou encore, les transistors T 1 et T 2 de l'étage final peuvent être remplacés par des composants équivalents, comprenant plusieurs transistors, de façon connue en soi Par exemple, le transistor T 1 peut être remplacé par un premier composant à semiconducteur comprenant un transistor de type PNP, dont la base est la borne de commande de ce premier composant, l'émetteur et le collecteur de ce transistor étant respecti- vement raccordés au collecteur et à la base d'un autre transis- tor de type NPN, qui est compris lui aussi dans ledit premier composant et dont le collecteur et l'émetteur sont respecti- vement raccordés au p Cle +Vcc et à la borne de sortie de l'étage final De même le transistor T 2 peut être remplacé par un second composant à semiconducteur comprenant un transistor de type NPN, dont la base est la borne de commande de ce second composant, l'émetteur et le collecteur de ce transistor étant respecti- vement raccordés à la base et au collecteur d'un autre transis- tor qui est lui aussi compris dans ledit second composant et dont l'émetteur et le collecteur sont raccordés respectivement à -VCC et à la borne de sortie de l'étage final De même, le montage différentiel comprenant T et T 12 peut être remplacé par des organes de commutation plus complexes L'étage final peut être piloté à la commutation au moyen de circuits à réflexion de courant, à la place des transistors particuliers T 14 et T 14 23 ' RVENDICATIONS 1 Circuit de commande en commutation de charges inductives, susceptible d'intégration monolithique, comprenant un étage final en push-pull constitué par un premier (T 1) et un second (T 2) éléments de circuit à semiconducteur qui présentent chacun une première borne, une seconde borne et une borne de commande et qui sont montés en cascade, chacun par la première et la seconde bornes, entre les deux pôles (+V,,, -Vcc) d'un générateur de tension d'alimentation, les bornes de commande de ces éléments de circuit étant raccordées à une source d'alimentation (A) par l'intermédiaire d'un circuit de commande (Tll, T 12, T 14, T 23) raccordé à une source (SW) de signaux de commutation, en fonction desquels ce circuit de commande valide à la conduction le pre- mier (T 1) et le second (T 2) éléments de circuit, alternativement entre eux, caractérisé en ce qu'il comprend un premier (T 3) et un second (T 4) composants pour l'extraction de charges, raccor- dés respectivement aux bornes de commande du premier (T 1) et du second (T 2) éléments de circuit et couplés au circuit de commande (Tll T 12, T 14 T 23)' lequel commande l'activation du premier (T 3) et du second (T 4) composants pour l'extraction de charges en concomitance respectivement avec la validation à la conduction du second (T 2) et du premier (Tl) éléments de circuit, et en ce que le premier composant pour l'extraction de charges (T 3) est actif pendant une période de temps déterminée, d'une durée non inférieure à celle de la période de temps pendant laquelle le second élément de circuit (T 2) reste validé à la conduction, et le second composant pour l'extraction de charges (T 4) est actif pendant une période de temps déterminée, d'une durée non inférieu- re à celle de la période de temps pendant laquelle le premier élément de circuit (T 1) reste validé à la conduction. 2 Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier composant pour l'extraction de charges (T 3) est actif pendant une période de temps déterminée, d'une durée non inférieure à celle de la période de temps pendant laquelle le second élément de circuit (T 2) est en conduction, et le second composant pour l'extraction de charges (T 4) est actif pendant une période de temps déterminée, d'une durée non inférieu- re à celle de la période de temps pendant laquelle le premier élément de circuit (T 1) est en conduction. 3 Circuit de commande selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le premier (T 1) et le second (T 2) éléments de circuit à semiconducteur ont des types de conductibilité opposés, la première borne du premier élément (T 1) étant raccordée à un premier pôle (+Voc) du générateur de tension d'alimentation, la première borne du second élément étant raccordée au second pôle (-Voo) du même générateur de tension d'alimentation, les secondes bornes des deux éléments de circuit étant reliées l'une à l'autre pour constituer une borne de sortie du circuit, en ce que le premier (T 3) et le second (T 4) composants pour l'ectraction de charges sont respectivement un premier et un second transistors, ayant des conductibilités dont le type est respectivement le même que celui du premier (T 1) et du second (T 2) éléments de circuit à semiconducteur et présentant chacun une première borne, une seconde borne et une borne de commande, la première et la seconde bornes du premier transistor (T 3) étant raccordées respectivement au premier pôle (+Vc) du générateur de tension d'alimentation et à la borne de commande du premier élément de circuit (T 1), la première et la seconde bornes du second transistor (T 2) étant raccordées respectivement au second p 8 le (-Vcc) du générateur de tension d'alimentation et à la borne de commande du second élément de circuit (T 2), les bornes de commande du premier (T 3) et du second (T 4) transistors étant raccordées au circuit de commande (Tll, T 12, T 14, T 23), et en ce que le premier (T 3) et le second (T 4) transistors conduisent en saturation. 4 Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit de commande comprend un troisième (Tll) et un quatrième (T 12) transistors bipolaires de type PIP, dont les collecteurs sont reliés au second pôle (-Vce) du générateur de tension d'alimentation par l'intermédiaire de résistances (El, E 12) appropriées, la base du troisième transistor étant raccordée à la source (SW) de signaux de commutation, la base du quatrième transistor étant raccordée aux deux pôles du générateur de tension d'alimentation par l'intermédiaire de résistances appropriées, et un cinquième (T 14) et un sixième (T 23) transistors bipolaires de type NPN, dont les bases sont raccordées respectivement aux collecteurs du troisième (Tl) et du quatrième (T 12) transistors, le collecteur et l'émetteur du cinquième transistor (T 14) étant raccordés respectivement à -15 la borne de commande du premier élément de circuit (T 1) de l'étage final et à la borne de commande du second transistor (T 4), l'émet- teur et le collecteur du sixième transistor (T 23) étant raccordés respectivement à la borne de commande du second élément de circuit (T 2) de l'étage final et à la borne de commande du pre- mier transistor (T), et une source d'alimentation (A) formée par un générateur de courant constant, par l'intermédiaire duquel les émetteurs du troisième (Tll) et du quatrième (T 12) transistors bipolaires sont raccordés au p 8 le positif (+Vc) du générateur de tension constante. 5 Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 h 4, caractérisé en ce que le premier (T 1) et le second (T 2) éléments de circuit à semiconducteur sont des transistors. 6 Circuit de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier (T 1) et le second (T 2) éléments de circuit à semiconducteur, ainsi que le premier (T 3) et le second (T 4) transistors sont des transistors bipolaires, la première borne, la borne de commande et la seconde borne de chacun d'entreeux étant respectivement l'émetteur, la base et le collecteur. -7 Circuit de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier (Ti) et le second (T 2) éléments de circuit il à semiconducteur, ainsi que le premier (T 3) et le second (T 4) transistors sont des transistors à effet de champ, la première borne, la borne de commande et la seconde borne de chacun d'entre eux étant respectivement la "source", la "gâchette" et le "drain". 8 Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier élément de circuit de l'étage final comprend un transistor bipolaire de type PNP, dont la base est la borne de commande dudit élément, l'émetteur et le collecteur de ce transistor étant respectivement raccordés au collecteur et à la base d'un autre transistor bipolaire de type NPN, compris lui aussi dans le premier élément de circuit, transistor dont le collecteur et l'émetteur sont respectivement la première et la seconde bornes dudit élément, et en ce que le second élément de circuit de l'étage final comprend un transistor * 15 bipolaire de type NPN, dont la base est la borne de commande dudit élément, l'émetteur et le collecteur de ce transistor étant raccordés respectivement à la base et au collecteur d'un autre transistor bipolaire de type NPN, compris lui aussi dans le second élément de circuit, transistor dont l'émetteur et le collec- teur sont respectivement la première et la seconde bornes de cet élément. 9 Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la duréede l'état transitoired'extinction du premier (T 3) et du second (T) transistors est supérieure ou égale à la durée de l'État transitoire d'extinction du premier (T 1) et du second (T 2) éléments de circuit à semiconducteur de l'étage final. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est intégré dans un bloc monolithi- que de semiconducteur.