Brevet FR2558660A1 — publié le 19850726

Ia présente invention concerne les dispositifs de protec- tion électronique contre les courts-circuits pour des circuits comprenant des éléments de puissance à semiconducteur, en parti- culier les dispositifs de protection pour les étages finals push-pull, contre le court-circuit entre la borne de sortie de ceux-ci et le pôle positif de l'alimentation. Ces étages finals push-pull peuvent être par exemple ceux des amplificateurs de puissance à basse fréquence. On demande en général que les dispositifs de protection, lorsqu'ils sont intégrés en même temps que le circuit à proté- ger, soient simples et économiques, qu'ils n'occasionnent pas de pertes de puissance utile et qu'ils ne limitent en aucune manière le fonctionnement dynamique du circuit lui-même. Le schéma de montage d'un dispositif de protection connu, normalement utilisé dans des circuits amplificateurs intégrés monolithiquement, contre le court-circuit entre la borne de sortie de l'étage final push-pull et le pôle positif de l'ali- mentation, est représenté sur la fig. 1 des dessins. L'étage final push-pull de la fig. 1 comprend deux transistors bipolai- res de puissance, T1 et T2, tous deux de type NPN, dont le premier est raccordé par son collecteur au p8le positif +Vcc d'un générateur de tension d'alimentation et dont le second est raccordé par son émetteur au p8le négatif -Vcc du même généra- teur. Le point A de jonction entre l'émetteur de T1 et le col- lecteur de T2 constitue la borne de sortie de l'étage final, sur laquelle est connectée, par l'intermédiaire d'un élément capa- citif, une première borne d'une charge RL, dont la seconde borne est raccordée au p8le négatif -Vcc. Les transistors de puissance T1 et T2 sont pilotés à la conduction en opposition de phase entre eux, au moyen d'éléments de circuit de commande non représentés sur la figure, ces éléments étant raccordés aux bornes de base des transistors. Le dispositif de protection comprend un transistor bipo- laire T4 de type PNP, dont l'émetteur est raccordé à la borne A de sortie, et un transistor bipolaire T6 de type NPN, dont la base est raccordée au collecteur du transistor T4 et, par l'intermédiaire d'une résistance R6, au pôle négatif -Vcc. Le collecteur et l'émetteur du transistor T6 sont raccordés respec- tivement à la base du transistor de puissance T2 et au p1le négatif -Vcc. Ia base du transistor T4 est raccordée au pôle positif +Vcc par l'intermédiaire de deux diodes D1 et D2 en série, ainsi qu'au p0le négatif -Vcc par l'intermédiaire d'un généra- teur de courant constant G1. La base du transistor T4 est ainsi reliée à une référence de tension, qui impose un seuil pour la conduction de ce tran- sistor. En effet, le transistor T4 ne peut commencer à conduire que quand la borne A de sortie se met à un potentiel inférieur à celui du pôle positif +Vcc au maximum d'une valeur égale à la tension base-émetteur normalement appliquée à un transistor bipolaire en conduction. Puisque le transistor de puissance T1 n'est jamais amené à conduire en saturation, le transistor T4 ne peut conduire que quand il y a un courtcircuit entre la borne A de sortie et le pôle positif +Vcc ou bien une surtension en sortie. A ce moment, la conduction du transistor T4 détermine éga- lement la conduction du transistor T6, lequel éteint le tran- sistor de puissance T2, protégeant ainsi l'étage final. En effet, si le transistor T2 restait allumé pendant le court-circuit, il serait endommagé, peut-être irrémédiablement, par le fait qu'il est soumis simultanément à une tension col- lecteur-émetteur égale à la tension d'alimentation et à un passage de courant égal au courant maximal de court-circuit. Naturellement, si l'on interrompt les conditions de court- circuit, les transistors T4 et T6 s'éteignent et l'étage final reprend automatiquement son fonctionnement normal. Mais un dispositif de protection du type qui vient d'être décrit, qui fonctionne parfaitement, sans occasionner le moindre inconvénient, lorsque la charge est de type résistif ou capacitif, n'est pas adapté pour une charge de type ohmico-inductif, comme l'est par exemple un haut- parleur commandé par l'étage final d'un amplificateur de basse fréquence. En effet, lorsqu'il est raccordé, à la borne de sortie d'un étage final push-pull, une charge inductive, les brusques variations,-à certaines fréquences, du courant qui passe dans une telle charge crèent dans celle-ci une force contre-électro- motrice qui peut élever la valeur du potentiel de la borne de sortie audelà de la -valeur du potentiel du pôle positif de l'alimentation. Même s'il n'y a aucun court-circuit, le dispositif de pro- tection décrit ci-dessus intervient en éteignant le transistor de puissance inférieur de l'étage final tandis qu'il conduit normalement, accentuant de cette manière la surtension en sortie, avec, en conséquence, une distorsion importante de la forme d'onde du signal de sortie. Le but de la présente invention est de réaliser un dispo- sitif de protection pour un étage final push-pull, contre le courtcircuit entre la borne de sortie de celui-ci et le p8le positif de l'alimentation, qui puisse être utilisé sans aucun inconvénient pour le fonctionnement correct de cet étage final, de quelque type que soit la charge qui lui est raccordée. Ce but est atteint, d'après l'invention, avec un disposi- tif comprenant un premier et un second comparateurs à seuil comportant l'un et l'autre une première borne d'entrée raccor- dée à la borne de sortie de l'étage final et comportant chacun une seconde borne d'entrée raccordée à une ?éférence de tension prédéfinie. Ia référence à laquelle est raccordé le premier comparateur est maintenue à un potentiel inférieur à celui de l'autre. La borne de sortie du premier comparateur est reliée à la borne d'activation d'un élément de circuit à basse impédance, inséré entre la borne de sortie de l'étage final et le potentiel négatif de l'alimentation. La borne de sortie du second comparateur est reliée à une borne d'inhibition de l'étage final. L'invention pourra être mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit, donnée purement à titre d'exemple et, par conséquent, sans caractère limitatif, en référence aux dessins ci-annexés.- la fig. 1 est le schema de montage d'un étage final push- pull avec le dispositif de protection connu qui a été décrit précédemment. La fig. 2 est le schéma de montage par blocs d'un étage final push-pull, avec un dispositif de protection suivant l'in- vention. La fig. 3 illustre une réalisation possible, en circuit intégré monolithique, du schéma par blocs de la fig. 2. Sur les figures, on'a utilisé les mêmes lettres et numéros de référence pour les parties correspondantes. Sur la fig. 2 est représenté, par un bloc Gv, un étage final push-pull, inséré entre les deux p8les, positif +Vcc et négatif -Vcc, d'un générateur de tension d'alimentation. Cet étage final comporte une borne IN d'entrée de signal, une borne d'inhibition raccordée à un point du parcours du signal et une borne de sortie A, à laquelle est couplée capacitivement une charge RL intercalée entre cette borne de sortie et le pale négatif -Vcc. Le dispositif de protection suivant l'invention, par lequel l'étage Gv est protégé contre le court-circuit entre sa borne de sortie et le pale positif de l'alimentation, comprend un premier A1 et un second A2 comparateurs à seuil et un élément de circuit à basse impédance LI. Le premier comparateur à seuil A1 comporte une première et une seconde bornes d'entrée, raccordées respectivement à la borne A de sortie de l'étage final et à une première référence de tension RIF1, ainsi qu'une borne de sortie, raccordée à une borne d'activation de l'élément de circuit à basse impédance II. le comparateur A1 n'est en mesure de générer un signal en sortie que quand le potentiel de sa première borne d'entrée dépasse d'une valeur préalablement fixée celui de sa seconde borne d'entrée. Ce signal sert à activer l'élément de circuit à basse impédance MI qui est inséré entre la borne A de sortie de l'étage final et le pale négatif -Vcc. Le second comparateur à seuil A2 comporte une première et une seconde bornes d'entrée, reliées respectivement à la borne A de sortie de l'étage final et à une seconde référence de tension RIF2, ainsi qu4une borne de sortie, raccordée à la borne d'inhibition de l'étage final. Le comparateur A2 n'est en mesure de générer un signal en sortie que quand le potentiel de sa première borne d'entrée dépasse d'une valeur préalablement fixée celui de sa seconde borne d'entrée. Ce signal sert à désactiver l'étage final ou une partie de celui-ci raccordée à sa borne d'inhibition. Ia borne de sortie du comparateur A2 peut être également raccordée à une borne d'inhibition du premier comparateur A1, qui est ainsi rendu incapable, par le signal généré par le comparateur A2, de produire son propre signal de sortie. Cette dernière jonction est indiquée sur la fig. 2 par une ligne discontinue, afin de montrer qu'elle n'est pas indis- pensable pour le fonctionnement correct de la protection. Les valeurs de seuil prédéfinies pour les deux compara- teurs A1 et A2 et pour les références de tension auxquelles ceux-ci sont raccordés sont déterminées de telle manière que pendant le fonctionnement normal de l'étage final, s'il est produit dans la charge, lorsqu'elle est de type inductif, une force contre-électromotrice causée par des variations de courant et suffisante pour élever le potentiel de la borne A de sortie en comparaison du potentiel du p0le positif de l'alimentation, le comparateur A1 produise son signal de sortie avant le com- parateur A2. Ainsi est activé l'élément de circuit à basse impédance LI, à travers lequel le courant qui est créé par l'inductance de la charge pendant le transitoire peut passer directement de la charge vers le p0le négatif -Vcc. De cette manière, on évite la poursuite de l'élévation du potentiel de la borne A de sortie qui provoquerait également l'intervention du comparateur A2 avec, en conséquence, le blocage indésirable de l'étage final ou de la partie de celui-ci qui est raccordée à la borne d'inhibition. Ce n'est qu'en cas de court-circuit effectif entre la borne A de sortie et le pale positif de l'alimentation que l'élément de circuit à basse impédance I ne peut pas empêcher l'intervenu tion du comparateur A2, dont le signal de sortie provoque la désactivation de l'étage final, qui supporte ainsi sans dommage les conditions de court-circuit, et éventuellement aussi la désactivation du comparateur A1. Sur la fig. 3 est représentée une forme de réalisation par- ticulière de circuit correspondant au schéma par blocs de la fig. 2, se prêtant particulièrement bien à une intégration mono- lithique, ce qui permet notamment de limiter au maximum l'occu- pation de surface d'intégration. L'étage final push-pull comprend deux transistors bipolaires de puissance T1 et T2, tous deux de type NPN, dont le premier est raccordé par son collecteur au p8le positif +Vcc d'un géné- rateur de tension d'alimentation et dont le second est relié par son émetteur du pôle négatif -Vcc du même générateur. Le point de jonction A entre l'émetteur de T1 et le col- lecteur de T2 constitue la borne de sortie de l'étage final, à laquelle peut être raccordée une charge, non représentée sur la figure. Les bases des transistors T1 et T2 sont raccordées res- pectivement à l'émetteur d'un transistor de commande Tdl de type NPN et au collecteur d'un transistor de commande Td2 de type PNP. Le collecteur du transistor Tdl et l'émetteur du transistor Td2 sont raccordés respectivement au pôle positif +Vcc et au collecteur du transistor T2. Le signal d'entrée parvient à l'éta- ge final par une borne IN d'entrée, constituée par la borne de base d'un transistor T3 de type NPN, dont le collecteur est raccordé à la base du transistor Td2, tandis que son émetteur est connecté sur le pôle négatif -Vcc. la base de Tdl est également raccordée au collecteur du transistor T3 par l'intermédiaire de trois diodes en série D, D5, D7, outre qu'elle est reliée au pôle positif par l'intermé- diaire d'un générateur de courant constant G3. Le point A de jonction est raccordé directement à l'émet- teur d'un transistor T4 de type PNP et il est raccordé, par l'intermédiaire d'une résistance R5, à l'émetteur d'un transis- tor T5, lui aussi de type PNP. Les bases des transistors T4 et T5 sont raccordées à deux références de tension différentes, RIF1 et RIF2 respectivement. La première de ces références est à un potentiel plus élevé que la seconde. Le collecteur du transistor T4 est raccordé à la base d'un transistor T6 de type NPN et, par l'intermédiaire d'une résis- tance R6, au pôle négatif -Vcc. le collecteur du transistor T5 est raccordé, par l'intermédiaire d'une résistance R3, à la base du transistor T3. Le collecteur et l'émetteur du transistor T6 sont raccordés respectivement à la base du transistor T3 et au pale négatif -Vcc. Le transistor T5 constitue, avec la référence de tension RIF2 à laquelle sa base est raccordée, le comparateur à seuil désigné par A1 sur le schéma par blocs de la fig. 2. En particulier, les transistors T3, Td2 et T2, compris dans l'étage final à protéger, constituent l'élément de circuit à basse impédance LI, sans autre nécessité de constituants spé- ciaux. Dans la forme de réalisation préférée du schéma de circuit représenté sur la fig. 3, la tension appliquée à la base du transistor T5 est maintenue constante à une valeur égale à celle de la tension d'alimentation, moins deux fois et demie la ten- sion base-émetteur normalement appliquée à un transistor bipo- laire en conduction. Pour cette raison, le transistor T5 ne peut commencer à conduire que quand la borne de sortie A se met à un potentiel inférieur à celui du pale positif +Vcc, au maximum d'une valeur égale à une fois et demie la tension base-émetteur normalement appliquée à un transistor bipolaire en conduction. Le transistor T4 constitue par contre, avec la référence de tension RIF1 à laquelle sa base est raccordée, le comparateur à seuil indiqué par A2 sur le schéma par blocs de la fig. 2. Dans le cas o le transistor de puissance T1 n'est jamais amené à conduire en saturation, la tension appliquée à la base du transistor T4 est maintenue constante à une valeur égale à celle de la tension d'alimentation, moins une fois et demie la tension base-émetteur normalement appliquée à un transistor bipolaire en conduction. En conséquence, le transistor T4 ne peut commencer à conduire que quand la borne A de sortie se met à un potentiel inférieur à celui du pale positif +Vcc au maximum d'une valeur égale à la moitié de la tension base-émetteur normalement appli- quée à un transistor bipolaire en conduction. Lorsqu'au cours du fonctionnement normal de l'étage final, si la charge est de type inductif, il est produit dans la charge, à la suite d'une brusque variation du courant qui passe dans celle-ci, une force contreélectromotrice qui tend à amener le potentiel de la borne A de sortie à des valeurs égales ou supérieures à celles du potentiel du p8le positif + Vcc, le transistor T5 commence aussit8t à conduire, allumant également T3, Td2 et enfin T2, à travers lequel l'inductance de la charge se décharge sur le p8le négatif -Vcc. De cette manière, le po- tentiel de la borne A ne peut pas se mettre à des valeurs qui permettraient la conduction du transistor T4 et il ne se produit donc aucun effet sur le fonctionnement correct de l'étage final. Il y a lieu de faire observer qu'avec cette solution de circuit, on peut-éviter l'utilisation, autrement indispensable, d'une diode de recirculation si la charge est de type inductif: en effet, la fonction de cette diode est remplie par le même transistor de puissance T2. Par contre, lorsqu'un court-circuit entre la borne de sor- tie et le p8le positif de l'alimentation porte le potentiel de la borne A à la valeur du potentiel du pôle positif +Vcc, le transistor T4 commence immédiatement à conduire lui aussi, ce qui, en allumant le transistor T6, éteint les transistors de l'étage final T3, Td2 et T2. De cette manière, le transistor de puissance T2 n'est pas endommagé par les conditions de court- circuit. Tandis que la résistance R5 est insérée afin d'éviter les autooscillations, la résistance R3 sert à limiter le courant de collecteur du transistor T5 à une valeur prédéfinie, infé- rieure ou au maximum égale au courant de collecteur du transis- tor T6. En conséquence, lorsque le transistor T4 commence à conduire à cause du court-circuit, l'action du transistor T5 est automatiquement annulée. On réalise en pratique la désacti- vation du comparateur A1 au moyen du signal de sortie du compa- rateur A2. Naturellement, lorsque les conditions de court-circuit sont supprimées, le transistor T4 s'éteint, tandis que l'étage final peut reprendre normalement son fonctionnement. Il est également possible de protéger contre le court- circuit en sortie vers le p8le positif de l'alimentation un étage final ayant une structure en pont et comprenant deux sec- tions identiques à transistors fonctionnant en push-pull, chacun étant du type indiqué précédemment. A chacune de ces sections est appliqué un dispositif de protection suivant l'invention, de la manière indiquée sur les fig. 2 et 3. Mlais dans ce cas, la borne de sortie du second comparateur à seuil A2, compris dans chacun des deux dispositifs de protection, est raccordée aux deux bornes d'inhibition des deux étages finals. Les réfé- rences de tension peuvent alors être en commun. Eu égard au fait qu'il n'a été représenté et décrit qu'un seul exemple de réalisation de l'invention, il est évident que de nombreuses variantes sont possibles, sans que l'on s'écarte pour autant du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection pour un étage final push-pull (Gv), contre le court-circuit entre la borne de sortie (A) de cet étage final et le pôle à potentiel plus élevé (+Vcc) d'un générateur de tension d'alimentation entre les deux p8les duquel l'étage final est inséré, cet étage final comportant une borne d'entrée pour son raccordement à un générateur de signaux et une borne d'inhibition, caractérisé en ce qu'il com- prend un premier (A1) et un second (A2) comparateurs à seuil comportant chacun une première et une seconde bornes d'entrée et une borne de sortie, la première borne d'entrée des deux comparateurs étant raccordée à la borne de sortie (A) de l'éta- ge final, la seconde borne d'entrée du premier comparateur (A1) et la seconde borne d'entrée du second comparateur (A2) étant raccordées respectivement à une première (RIF1) et à une secon- de (RIF2) références de tension, le seuil de chacun des deux comparateurs étant réglé de telle manière que chaque compara- teur ne produise un signal en sortie que quand le potentiel de sa première borne d'entrée dépasse d'une valeur prédéfinie celui de sa seconde borne d'entrée, les références de tension et les seuils des comparateurs étant prédéfinis de telle -manière que le premier comparateur (A1) commence à produire un signal en sortie pour une valeur de potentiel, à la borne de sortie (A) de l'étage final (G), inférieure à celle pour la- quelle le second comparateur (A2) commence à produire un signal en sortie, et en ce qu'il comprend un élément de circuit à basse impédance (LI), qui est inséré entre la borne de sortie (A) de l'étage final et le p le de potentiel moins élevé (-Vcc) du générateur de tension d'alimentation et qui comporte une borne d'activation à laquelle est raccordée la borne de sortie du premier comparateur (A1), la borne de sortie du second 1 1 comparateur (A) étant raccordée à la borne d'inhibition de l'étage final (Gv). 2. Dispositif de protection selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le premier comparateur (A1) comporte une borne d'inhibition qui est raccordée à la borne de sortie du second comparateur (A). 3. Dispositif de protection selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'élément de circuit à basse impédance (LI) est constitué par au moins un transistor (T2),comportant une première borne, une seconde borne et une borne de commandequi est inséré, par sa première et sa seconde bornes,entre la borne de sortie (A) de l'étage final (Gv) et le pale de potentiel moins élevé (-Vcc) du générateur de tension d'alimentation, la borne de commande de ce transistor (T2) étant raccordée à la borne de sortie du premier comparateur à seuil (A1). 4. Dispositif de protection selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'élément de circuit à basse impédance (LI) est constitué par un transistor final de puissance (T2) compris dans l'étage final (Gv) et inséré entre la borne de sortie (A) v et le p0le de potentiel moins élevé (-Vcc) du générateur de tension d'alimentation.