Brevet FR2548403A1 — publié le 19850104

La présente invention se rapporte à des dispositifs stabilisateurs de tension, et plus particulièrement aux stabilisateurs de tension électroniques intégrés monolithiques, pouvant être utilisésdans des applications de type automobile. Les stabilisateurs de tension fournissent, à partir d'une tension d'une valeur non déterminée qui leur est appliquée, une tension présentant une valeur ou des valeurs bien spécifiées et constantes. On peut donc les utiliser, de façon appropriée, comme alimentations stabilisées pour d'autres dispositifs: en fonction de la charge qui est branchée sur eux, ils débitent le courant nécessaire pour que la tension appliquée à cette charge reste toujours constante. Actuellement, pour des raisons de compacité, de facilité 15 d'utilisation et de prix de revient, on a tendance à réaliser dans tous les domaines d'application des stabilisateurs de tension électroniques sous forme de circtit intégré. En général, les grandeurs électriques tension et intensité aux bornes de sortie de ces stabilisateurs de tension sont déterminées au moyen d'un circuit de régulation interne comprenant des moyens de rétroaction constitués par des éléments de circuit branchés aux bornes de sortie et sensibles à la valeur instantanée de ces grandeurs électriques. Les stabilisateurs de tension sous forme de circuit inté25 gré le plus couramment:utilisés sont les circuits à régulation définie de type "série", dans lesquels la tension de sortie est réglée à une valeur constante grace à un transistor de puissance en série à la sortie, et commandé de façon appropriée par la base, pour en déterminer la conduction en fonction de la charge. Le schéma de principe de ces stabilisateurs de tension à régulation de type "série" est représenté sur la figure 1. Un transistor bipolaire Ts, de type NPN, a son collecteur et son émetteur, reliés respectivement à une borne d'entrée IN et à une borne de sortie OUT Il est commandé par la base par un amplificateur différentiel A, monté de façon que ses bornes d'alimentation soient insérées entre la borne d'entrée IN et la masse L'entrée inverseuse de l'amplificateur A est reliée à la borne de sortie OUT, par l'intermédiaire d'une résistance R 1, et à la masse, par l'intermédiaire d'une résistance R 2 L'entrée non inverseuse de l'amplificateur A est reliée à une tension de référence VR Comme le savent les spécialistes de ce domaine, il 15 s'établit entre la borne de sortie OUT et la masse une tension dont la valeur dépend de la tension d'entrée VIN et de la charge branchée à la borne de sortie, tant que la tension VIN ne dépasse pas une valeur de seuil déterminée, caractéristique du circuit, au-dessus de laquelle il s'établit, par contre, à la sortie une 20 tension constante Vo dont la valeur est indépendante, tant de la tension d'entrée que de la charge et dépend uniquement du dimensionnement du circuit lui-même, en particulier du facteur de rétroaction 1 + R En effet, au-delà de cette valeur de seuil qui fixe la limite inférieure du domaine de fonctionnement 25 correct (et donc également de possibilité d'utilisation) du stabilisateur, le circuit de régulation a une action stabilisante. Quelle que soit la variation de la tension de sortie par rapport à la valeur prédéterminée, le diviseur R 1, R 2 produit une réaction à l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel 30 A qui amène le transistor Ts un niveau de conduction susceptible de rétablir sur la charge une tension présentant la valeur VO prédéterminée. On a coutume de repérer le domaine de fonctionnement, (ou mieux la limite inférieure de ce domaine) d'un stabilisateur 35 de tension par un paramètre, désigné dans la littérature technique par l'expression "dropout" (chute-limite) qui est la différence entre la valeur minimale de la tension d'entrée VIN nécessaire pour un fonctionnement correct du stabilisateur et la valeur de la tension constante Vo qui s'établit à la sortie du stabilisateur. Les stabilisateurs de tension à circuit intégré(sous forme de circuit intégré) que l'on utilise normalement dans les applications du type automobile sont du genre décrit précédemment; ils doivent cependant satisfaire à des exigences particulièrement sévères, à cause des conditions de fonctionnement caractérisées tant par des variations de température et d'humidité considérables que par des variations importantes, et parfôis brusques, de 10 la tension d'alimentation fournie par la batterie du véhicule automobile. De ce fait, ces stabilisateurs doivent avoir pour caractéristiques une fiabilité, une précision et une stabilité élevées dans un domaine de fonctionnement très étendu, ainsi qu'un 15 "drop-out" très bas. L'excursion de la tension d'alimentation normalement fournie par la batterie peut varier d'environ 5,5 à 6,5 V pendant la mise en route à froid, à environ 24 V, lorsqu'on utilise une seconde batterie montée en série avec la première, pour permettre 20 le démarrage dans toutes les conditions des pays froids. Il peut cependant se présenter également sur la ligne d'alimentation des pointes de tension élevées, positives ou négatives, dues aux charges inductives (bobines d'allumage, relais, etc) pendant les régimes transitoires d'extinction, pointes qui peuvent aller jusqu'à 100 ou 120 V lorsque le câble de l'alternateur se détache accidentellement de la batterie (dans ce cas, pointes positives, à énergies élevées). En plus des caractéristiques précitées, un stabilisateur de tension pour applications de type automobile doit en outre 30 présenter une consommation de courant particulièrement faible, pour des raisons de rendement, mais, surtout, de dissipation thermique Les stabilisateurs de tension à circuit intégré du type connu ne sont pas susceptibles de satisfaire en même temps à toutes les exigences des applications du type rencontré en auto35 mobile En effet, les stabilisateurs de tension fonctionnant correctement, même pour des tensions d'entrée très basses (ayant donc un "drop-out" bas), présentent une consommation de courant importante. Il y a lieu de rappeler ici qu'en général les transistors, tels que TS sur la figure 1, qui sont insérés dans les circuits intégrés, supportent des tensions plus élevées lorsqu' ils sont bloqués, que celles qu'ils supportent pendant le fonc5 tionnement en saturation ou en zone active. Les stabilisateurs qui s'avèrent meilleurs du point de vue de la consommation de courant présentent, par contre, un "drop-out" trop élevé pour le démarrage à froid et ils ne sont pas adaptés pour fonctionner correctement à des tensions éle10 vées. L'invention a pour objet un stabilisateur de tension intégré monolithique, dont le domaine de fonctionnement correct soit plus étendu que celui des stabilisateurs connus et qui satisfasse exactement aux exigences d'utilisation des applica15 tions de type automobile, et dont la consommation de courant soit la plus faible possible dans l'état actuel de la technique. On atteint cet objectif, grâce à un stabilisateur de tension intégré monolithique, comportant une première ligne d'entrée et une seconde ligne d'entrée permettant de le brancher sur 20 deux pôles d'un générateur de tension, et une première ligne de sortie et une seconde ligne de sortie entre lesquelles apparait une tension réglée à des valeurs constantes prédéterminées, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs circuits stabilisateurs de tension Rl, R 2, R 3 comportant chacun une première borne d'entrée 25 et une seconde borne d'entrée, reliées-électriquement à la première ligne d'entrée et à la seconde ligne d'entrée, respectivement, et une première borne de sortie et une seconde borne de sortie, entre lesquelles apparat une tension constante "Vo, Vo, '( 1/C)Vo, les premières bornes de sortie et les secondes bor30 nes de sortie de ces circuits stabilisateurs étant reliées respectivement à la première et à la seconde lignes de sortie, lesdits circuits stabilisateurs R 1, R 2, R 3 étant susceptibles de fonctionner correctement pour des tensions appliquées à leurs bornes d'entrée présentant des valeurs comprises dans des inter35 valles de valeurs déterminées, dont les valeurs minimales diffèrent entre elles, et ceux-ci étant du type dans lequel la tension déterminée entre les bornes de sortie est maintenue dans chacun à une valeur constante prédéterminée, grâce à un circuit de régulation comprenant des moyens de rétroaction constitués par des éléments de circuit, reliés auxdites bornes de sortie, cette valeur constante prédéterminée étant différente pour chaque cir5 cuit stabilisateur et étant plus ou moins élevée, selon que la valeur minimale de la tension aux bornes d'entrée qui permet le fonctionnement correct de chaque circuit stabilisateur est plus ou moins élevée. L'invention sera mieux comprise par la description dé10 taillée qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin annexé dont: la figure 1 est le schéma le plus général d'un stabilisateur de tension à régulation de type "série", déerit'précédemment; la figure 2 est un schéma, en partie sous forme de blocs, 15 d'un stabilisateur de tension, destiné à être appliqué en automobile, selon l'invention. Le schéma d'un stabilisateur de tension selon l'invention, représenté sur la figure 2, comprend trois circuits stabilisateurs de tension distincts, représentés sur la figure par des 20 blocs rectangulaires désignés par les références R 1, R 2 et R 3 respectivement, et comportant chacun une première borne d'entrée et une seconde borne d'entrée, ainsi qu'une première borne de sortie et une seconde borne de sortie. Le stabilisateur de tension comporte une première ligne 25 d'entrée et une seconde borne d'entrée, désignées respectivement par les signes "+" et "-", entre lesquelles est appliquée une tension VIN de valeur non spécifiée, et une première ligne de sortie et une seconde ligne de sortie, désignées respectivement par les signes "+" et "-", entre lesquelles s'établit une tension 30 VOUT présentant des valeurs constantes prédéterminées. La première borne d'entrée de Rl et celle de R 2 sont reliées directement à la première ligne d'entrée; la première borne de sortie de R 3 est, par contre, reliée à la première ligne d'entrée par une diode D et une résistance R, en série l'une avec 35 l'autre. Les secondes bornes d'entrée de Rl, R 2 et R 3 sont reliées directement à la seconde ligne d'entrée à laquelle est également reliée la première borne d'entrée de R 3, par l'intermédiaire d'un condensateur C et d'une diode Zener D 7, en parallèle l'une avec l'autre. Les premières bornes de sortie de R 1, R 2 et R 3 sont reliées directement à la première ligne de sortie Les secondes bornes de sortie de R 1, R 2 et R 3 sont reliées directement à la secon5 de ligne de sortie Selon l'invention, les circuits stabilisateurs de tension, représentés par les blocs Rl, R 2 et R 3, sont du type dans lequel les grandeurs électriques tension et intensité aux bornes de sortie sont déterminées de façon que la tension ait une valeur constante et prédéterminée au moyen d'un circuit de régulation interne, comprenant des moyens de rétroaction constitués par des éléments de circuit, reliés à ces bornes et sensibles à la valeur instantanée de ces grandeurs électriques: Rl, R 2 et R 3 peuvent être réalisés selon le schéma de montage connu représenté sur la figure 1. Les valeurs de la tension aux bornes d'entrée, qui constituent les limites inférieures des domaines de fonctionnement correct des circuits stabilisateurs Rl, R 2 et R 3 (et, par conséquent, également les "dropout" respectifs) sont, dans l'ordre progressivement croissantes. 20 Selon l'invention, la caractéristique essentielle pour le fonctionnement du stabilisateur de tension, c'est que les valeurs constantes des tensions déterminées entre les bornes de sortie des circuits stabilisateurs RI, R 2 et R 3 sont également progressivementcroissantes, les différences entre ces valeurs 25 pouvant toutefois être très faibles. On a indiqué symboliquement sur la figure par Va + VG, VG + Vc et Vc + Vd, les intervalles de valeurs de la tension aux bornes d'entrée qui constituent les domaines de fonctionnement corrects respectifs des circuits stabilisateurs R 1, R 2 et 30 R 3. De même, on a indiqué par d Vo, Vo et ( 1/C) Vo les valeurs constantes respectives des tensions déterminées entre les bornes de sortie. Il n'est pas nécessaire que les domaines de fonctionne35 ment correct des différents circuits stabilisateurs s'étendent en continu et sans superpositions: l'unique condition, c'est qu'avec plusieurs circuits stabilisateurs, on puisse couvrir tout le domaine de fonctionnement correct voulu pour le stabilisateur de tension dans son ensemble, et que chacun de ces circuits stabilisateurs, dans son domaine de fonctionnement correct limité, présente le rendement le meilleur que l'on puisse actuellement obtenir. Le nombre de circuits stabilisateurs compris dans le stabilisateur de tension peut être quelconque, du moment qu'il y en a au moins deux. Pour comprendre le fonctionnement d'un stabilisateur de 10 tension selon l'invention, comprenant un nombre quelconque de circuits stabilisateurs, on supposera qu'une tension présentant des valeurs progressivement croissantes est appliquée à ses lignes d'entrée. Jusqu'à une valeur de seuil déterminée, le stabilisateur 15 reste hors fonction; une fois cette valeur dépassée, un premier circuit stabilisateur entre en fonction et fournit, dès que la valeur de la tension apparaissant à ses bornes d'entrée est comprise dans son domaine de fonctionnement correct, sur ses propres bornes de sortie, donc aussi sur les lignes de sortie du stabili20 sateur, une tension constante de valeur prédéterminée Cependant, dès que la tension qui augmente sur les lignes d'entrée produit aux bornes d'entrée d'un second circuit de stabilisation de tension, une tension d'une valeur comprise dans son domaine de fonctionnement correct, il apparaît aussi aux bornes de sortie de ce 25 second circuit stabilisateur une tension d'une valeur constante prédéterminée, supérieure, selon l'invention, à celle qui est Àdéterminée entre les bornes de sortie du premier circuit Les moyens de rétroaction du premier circuit stabilisateur, branchés à ses bornes de sortie et donc également aux bornes de sortie du 30 second circuit, détectent une variation positive de la tension de sortie constante du circuit et, corrélativement, le circuit de régulation du premier circuit stabilisateur, qui comprend de tels moyens, règle à un niveau inférieur la conduction de l'élément de puissance final, pour compenser cette variation, comme 35 si elle était due à la charge. Le second circuit stabilisateur de tension subit cependant cette compensation et compense à son tour la régulation effectuée par le premier circuit, prévalant sur lui Le premier circuit stabilisateur détectant, par ses moyens de rétroaction, que la variation de la tension à ses bornes de sortie subsiste encore, tend ultérieurement à la compenser et en des temps très 5 brefs, comme on peut aussi le vérifier expérimentalement, finit par se mettre hors fonction. La tension établie entre les lignes de sortie du stabilisateur de tension reste ainsi réglée à la valeur constante prédéterminée de la tension de sortie de ce second circuit sta10 bilisateur, tant que la valeur de la tension aux lignes d'entrée n'amène pas la tension entre les bornes d'entrée d'un autre circuit stabilisateur à une valeur comprise dans le domaine de fonctionnement de ce circuit qui provoque, lui-même, la mise hors fonction du précédent et impose aux lignes de sortie la tension 15 constante correcte. En conclusion, après l'entrée en fonction, pour chaque valeur de la tension appliquée aux lignes d'entrée du stabilisateur de tension, un seul circuit stabilisateur qui en fait partie est actif car les circuits stabilisateurs ayant un "drop out" in20 férieur sont exclus du fonctionnement automatique. Les circuits stabilisateurs exclus du fonctionnement peuvent donc supporter, étant hors fonction, les tensions élevées qui entrent dans le domaine de fonctionnement des autres circuits stabilisateurs, adaptés spécifiquement à de telles tensions éle25 vées. L'avangage de la réalisation de cette mise hors fonctionnement automatique des circuits stabilisateurs non aptes à supporter certaines tensions, s&ns nécessiter aucun dispositif de commutation, apparaît évidente: cet avantage peut s'évaluer, 30 non seulement en termes de coûts de conception et d'occupation d'aire d'intégration, mais également en ternes de fiabilité. Comme on l'a déjà indiqué, il suffit de différences très faibles entre les valeurs constantes des tensions déterminées entre les bornes de sortie des différents circuits stabili35 sateurs pour permettre un fonctionnement correct du stabilisateur de tension dans son ensemble. La variation totale possible de la valeur de la tension sur les lignes de sortie peut rentrer, pour un stabilisateur de tension pour applications de type automobile selon l'invention, dans les limites de tolérance normalement admises pour la tension de sortie d'un stabilisateur de qualité élevée Une valeur typique de cpeut être, pour de telles applications, de 0,995. Selon un mode de réalisation pratique particulier et approprié du schéma de la figure 2, convenant pour des applications de type automobile, on peut utiliser pour Rl un circuit stabilisateur, à faible "drop-out", le plus faible pouvant être obtenu avec un circuit intégré à transistors, égal à la valeur de la tension collecteur-émetteur d'un transistor (tel que Ts) à la saturation; en supposant que la tension de sortie voulue soit de 5 V, ce qui est normalement requis dans de telles applications, on peut ainsi obtenir un fonctionnement correct,'même lorsque la tension de la batterie a une valeur très basse, de 5,5 à 7,5 V, 15 comme cela arrive, par exemple, pendant le démarrage à froid. Pour R 2, on peut, par contre, utiliser un circuit stabilisateur de tension à "drop-out" plus élevé et un domaine de fonctionnement limité à des valeurs de tension d'entrée pour des conditions de fonctionnement normales, qui présente cependant la 20 plus faible consommation de courant qu'on puisse actuellement obtenir. Comme exemples de circuits stabilisateurs de tension présentant de telles caractéristiques, il y a lieu de citer, par exemple, ceux qui comportent un étage de puissance final du type 25 Darlington présentant un "drop-out" égal à environ deux fois la valeur de la tension base-émetteur d'un transistor fonctionnant dans une zone active, plus la valeur de la tension collecteurémetteur d'un transistor à la saturation, et dont le domaine de fonctionnement est d'environ 7,5 V à environ 28 V. Pour R 3, enfin, il faut utiliser un circuit stabilisateur de tension adapté à des tensions plus élevées à ses bornes d'entrée, qui fonctionne correctement, même pour des pointes de tension pouvant atteindre 100 ou 120 V sur les lignes d'entrée du stabilisateur, de façon que l'alimentation stabilisée des disposi35 tifs électroniques utilisateurs comprenant des circuits logiques ne soit pas interrompue, ne serait-ce qu'un instant. Dans ce cas, il suffit que le circuit stabilisateur fonctionne dans un domaine, même limité, de valeurs de la tension à ses bornes d'entrée, mais supérieures à celle de la tension maximale fournie par deux batteries en série (environ 28 V) dans des conditions de fonctionnement normales, pour lesquelles il faut mieux que R 2 continue à fonctionner. La diode de Zener Dz, également à circuit intégré monolithique, est dimensionnée de façon que la valeur de sa tension de seuil Vz dans le sens inverse soit comprise dans le domaine de 10 fonctionnement de R 3 (par exemple 30 V). Lorsque la valeur de la tension aux douilles d'entrée du stabilisateur est supérieure à la valeur de seuil Vz, la diode Zener Dz se met à conduire, en maintenant à ses extrémités, et donc également aux bornes d'entrée de R 3, cette valeur de tension, 15 indépendamment de celle qui est présente sur les lignes d'entrée. La résistance R sert à limiter le niveau d'intensité passant par les diodes D et Dz, lorsque Dz se met à conduire. La diode D est, par contre, nécessaire pour pouvoir maintenir en fonction R 3, même pendant des régimes transitoires à pointes de tension négative, grâce à la charge emmagasinée dans le condensateur C pendant le fonctionnement normal précédent Cette diode évite en effet la décharge du condensateur à travers R sur la ligne d'entrée "+". Le condensateur C devant avoir une capacité relativement 25 élevée, on le réalise en général sous la forme d'un élément discret, à la différence de R, D et Dz que l'on peut réaliser sous la forme d'éléments intégrés ou discrets, selon les exigences. Il va de soi que l'on peut apporter à la description précédente et au dessin annexé de nonbreuses modifications de dé30 tail sans, pour cela, sortir du cadre de invention. Par exemple, d'autres circuits stabilisateurs, fonctionnant seulement sur la commande de moyens de commutation constitués par des circuits appropriés, pourraient être compris dans le stabilisateur de tension. REVENDICATIONS 1. Stabilisateur de tension intégré monolithique, comportant une première ligne d'entrée et une seconde ligne d'entrée permettant de le brarncher sur deux pôles d'un générateur de tension, et une première ligne de sortie et une seconde ligne * 5 de sortie entre lesquelles apparait une tension réglée à des valeurs constantes prédéterminées, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs circuits stabilisateurs de tension (R 1,R 2, R 3) comportant chacun une première borne d'entrée et une seconde borne d'entrée, reliées électriquement à la première ligne d'entrée et 10 à la seconde ligne d'entrée, respectivement, et une première borne de sortie et une seconde borne de sortie, entre lesquelles apparait une tension constante (a Vo, Vo, ( 1/")Vo, les premières bornes de sortie et les secondes bornes de sortie de ces circuits stabilisateurs étant reliées respectivement à la première et à * 15 la seconde lignes de sortie, lesdits circuits stabilisateurs (Ri, R 2, R 3) étant susceptibles de fonctionner correctement pour des tensions appliquées à leurs bornes d'entrée présentant des valeurs comprises dans des intervalles de valeurs déterminées, dont les valeurs minimales diffèrent entre elles, et ceux-ci étant du ty20 pe dans lequel la tension déterminée entre les bornes de sortie est maintenue dans chacun à une valeur constante prédéterminée, grace à un circuit de régulation comprenant des moyens de rétroaction constitués par des éléments de circuit, reliés auxdites bornes de sortie, cette valeur constante prédéterminée étant dif25 férente pour chaque circuit stabilisateur et étant plus ou moins élevée, selon que la valeur minimale de la tension aux bornes d'entrée qui permet le fonctionnement correct de chaque circuit stabilisateur est plus ou moins élevée. 2. Stabilisateur de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bornes d'entrée d'un premier circuit stabilisateur (Ri) et d'un second circuit stabilisateur (R 2) de l'ensemble de ces circuits sont reliées directement aux lignes d'entrée, et en ce que la première borne et la seconde borne d'un troisième circuit stabilisateur (R 3) sont reliées respectivement à la première ligne d'entrée par l'intermédiaire d'un élément résistant (R) et d'une diode (D), en série, et à la seconde ligne d'entrée, une diode de type Zener étant insérée entre les 10 bornes d'entrée du troisième circuit stabilisateur (R 3), les valeurs minimales des tensions aux bornes d'entrée du premier (R 1), du second (R 2) et du troisième circuits stabilisateurs, susceptibles d'en permettre un fonctionnement correct, et les valeurs constantes des tensions produites entre les bornes de 15 sortie desdits circuits stabilisateurs (R 1, R 2,R 3) étant, dans l'ordre, progressivement croissantes. 3 Stabilisateur de tension selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un condensateur (C) est inséré entre la première borne et la seconde borne du troisième circuit stabili20 sateur (R 3). 4. Stabilisateur de tension selon la revendication 2, utilisable pour des applications de type automobile, caractérisé en ce que le premier circuit stabilisateur (R 1) et le second circuit stabilisateur (R 2) sont susceptibles de fonctionner correc25 tement pour des tensions aux bornes d'entrée présentant des valeurs comprises respectivement entre 5,5 et 7,5 V environ et entre 7,5 et 28 V environ, la valeur de la tension de seuil de la diode de type Zener (Dz) dang le sens inverse et la valeur minimale de la tension aux bornes d'entrée du troisième circuit 30 stabilisateur (R 3) susceptible d'en permettre un fonctionnement correct étant toutes deux d'environ 30 V, et en ce que chaque valeur constante prédéterminée de la tension aux bornes de sortie des circuits stabilisateurs est inférieure à celle immédiatement supérieure d'un facteur égal à environ 0,995.