Brevet FR2575008A1 — publié le 19860620

La présente invention concerne une alimentation à découpage comprenant des moyens de redressement d'une tension alternative de réseau, un transformateur haute fréquence d'isolement à enroulements primaire et second daire de même polarité, branché,au primaire, sur les moyens de redressement de la tension du réseau et, au secondaire, sur au moins une charge, dans le circuit pria maire du transformateur, des moyens pour en interrompre la tension, c'est-à-dire la découper, et, dans le circuit secondaire du transformateur, des moyens pour découper a tension, des moyens de lissage de la tension découpée du secondaire, et des moyens de régulation de la tension continue aux bornes de la charge agencés pour comparer la tension découpée et lissée du secondaire du transformateur avec une tension de référence et commander cette tension découpée et lissée. Une telle alimentation en tension continue à partir d'une tension alternative à convertisseur alternatif-con tinu est notamment décrite dans le brevet français 2 374 768, avec,comme moyens de régulation, des moyens agencés pour commander les moyens de découpage du primaire et, comme moyens de découpage du secondaire, des moyens de redressement. Cette alimentation peut être utilisée dans toutes sortes d'appareils, comme par exemple des postes de télé- vision, des machines à écrire, des téléimprimeurs. Elle présente, en cas de grandes variations de la tension secteur, un rendement qui reste satisfaisant, et elle accepte aussi des variations de charge déjà impor- tantes. La tension aux bornes de la charge est régulée, et donc maintenue constante, par la commande du taux de con duc tien des moyens de découpage du primaire agencés pour maintenir constante l'intégrale de la-tension secondaire d'une période à l'autre. Compte-tenu de la vitesse de commutation des moyens de découpage actuellement disponibles sur le marché, n1 importe quelle tension de régulation peut néanmoins être obtenue de façon satisfaisante avec un nombre approprié de spires des enroulements du transformateur à impulsions haute fréquence. I1 s'agit donc d'un transformateur, certes, d'isolement, mais également de régulation. Compte-tenu de la polarité identique des enroulements du transformateur, les moyens de découpage et de redressement de la tension secondaire conduisent quand les moyens de découpage du primaire conduisent également. L'alimentation en question est une alimentation å transfert direct d'énergie. Dans le cas où cette alimentation, du type mentionné ci-dessus, doit alimenter une deuxième charge, ou même plusieurs autres, on peut prévoir un deuxième enroulement secondaire du transformateur, avec un nombre de spires toujours approprié, et un circuit identique au premier aux bornes de ce second enroulement secondaire de trans for- mateur, et encore obtenir une bonne tension de charge correctement régulée. Mais si par exemple le deuxième circuit secondaire du transformateur sert à alimenter une tête d'impression de téléimprimeur à très grandes variations de charge, qui, lorsqu'elle ne frappe pas, met ce deuxième secondaire en circuit ouvert, il peut arriver, précisément dans ce cas, que la tension secondaire découpée et redressée persiste aux bornes des moyens de lissage qui.ne peuvent plus alors jouer leur ralle, le condensateur qu'ils comportent généralement ne pouvant plus se décharger dans une diode dite de roue libre qu 2 8 comportent généralement aussi. Pour pallier cet inconvénient, on est conduit à prévoir soit une charge résiduelle, soit une diode Zener pour maintenir le courant de sortie au-dessus d'un seuil et empêcher ainsi la tension de sortie de s'élever au-delà d'une plage de tension sensiblement rectiligne. Malheureusement, la correction de cet inconvénient en induit un second. En effet, et à supposer que la régulotion sur le premier circuit secondaire soit tout-à-fait satisfaisante, la régulation sur le second circuit secondaire à charge variable, à cause de la présence de cette résistance résiduelle ou de cette diode Zener, ne peut pas ltêtre aussi. En effet, la diode Zener a une certaine tolérance qui empoche de compenser le défaut de couplage entre l'enroulement secondaire du circuit à charge variable et l'enroulement primaire du transformateur. Quant à la résistance résiduelle, il faudrait que sa valeur puisse varier pour que la tension de sortie du circuit puisse être stabilisée. En outre, la tolérance sur la régulation du deuxième circuit de charge est augmentée du fait du couplage des deux enroulements secondaires du transformateur. On est alors conduit à l'une ou l'autre de deux solu- tions sans parler de celle consistant à disposer de on plusieurs alimentations complètes /peut prévoir tout d'abord un second régulateur sur le second circuit secondaire en question. Mais s'il s'agit d'un régulateur linéaire, le rendement en puissance de l'ensemble va baisser. Et s'il s'agit d'un régulateur du type à découpage, comme le premier régulateur évoqué ci-dessus, comprenant un oscillateur, la multiplicité de ces oscillateurs va augmenter le coût et l'encombrement de l'alimentation. On peut aussi prévoir plusiéurs convertisseurs en parallèle sur la sortie des moyens de redressement de la tension du réseau. Nais dans ce cas-, si les fréquences de découpage respectives des convertisseurs sont différentes, des problèmes de battement vont surgir. Outre les inconvénients de l'alimentation du type mentionné ci-dessus qui viennent dlêtre évoqués, il faut encore noter que les moyens de commande des moyens de découpage de la tension primaire mettent souvent en oeuvre des photocoupleurs, dont le coût est élevé, ou des transformateurs d'isolement, dont le bon couplage est difficule à assurer, et que le couplage de plusieurs enroulements secondaires au primaire du transformateur à impulsions est tout aussi difficile à assurer. Les régulateurs secondaires n'en sont que plus indispensables. La présente invention vise donc à pallier tous ces inconvénients, c'est-à-dire à au moins éviter tous ces régulateurs secondaires. A cet effet, la présente invention concerne une alimentation à découpage, comprenant des moyens de redressement d'une tension alternative de réseau, un transformateur haute-fréquence d'isolement à enroulements primaire et secondaire de même polarité, branché, au primaire, sur les moyens de redressement et, au secondaire, sur au moins une charge, dans le circuit primaire du transformateur, des moyens de découpage de sa tension, et, dans le cir .cuit secondaire du transformateur, des moyens de découpage de sa tension, des moyens de lissage de la tension découpée du. secondaire et des moyens de régulation de la tension continue aux bornes de la charge agencés pour comparer la tension découpée et lissée du secondaire du transformateur avec une tension de référence et commander cette tension découpée et lissée, alimentation caractérisée par le fait que les moyens de découpage du primaire du transformateur ont un taux de conduction fixe et les moyens de découpage de la tension du secondaire du transformateur et les moyens de régulation sont agencés pour que ceux-ci commandent ceux-là. L'alimentation de l'invention présente plusieurs avantages. Elle élimine la boucle de régulation du secondaire vers le primaire. Elle permet d'ut$1iser comme moyens de découpage de la tension secondaire du transformateur des moyens qui n'assurent pas en mAme temps de fonction de redressemet, c;est-à-dire de convertir directement les impulsions, ou créneaux, de la tension aux bornes du secondaire du trans formateur en tension régulée, sans passer par une tensionredressée, et d'effectuer la régulation sans oscillateur, comme dans la forme de réalisation préférée de lealimentam tion de l'invention, dans laquelle les moyens de régulation comprennent une bascule agencée pour commander les moyens de découpage du secondaire et pour qu'elle les rende passants aux fronts montants des impulsions du second les daire et/bloque aux instants où la tension de sortie aux bornes de la charge dépasse la tension de référence. Les moyens de découpage du secondaire peuvent avant geusement comporter un transistor du type NPN ou PNP, un thyristor, un interrupteur à deux états stables (GTO), ou tout autre composant fonctionnant en tout ou rien. Dans l'alimentation de de l'invention, la précision de la régulation ne dépend plus du couplage dans le transformateur, mais seulement de la précision de la tension de référence, de la précision des moyens de comparaison et de la vitesse de réaction de la boucle de régulation. L'alimentation présente aussi et surtout llavantageD recherché à l'origine, de pouvoir disposer, en parallèle sur l'enroulement secondaire, plusieurs circuits de charge régulés et délivrant des tensions différentes, sans pour autant devoir multiplier les oscillateurs, un seul, ooe dans la forme de réalisation préférée de l'alimentation, étant prévu dans les moyens de découpage du primaire pour le pilotage d'un transistor de découpage. En effet, la tension de sortie de chacun des circuits de charge ne dépend pratiquement pas de son propre courant de charge et pas du tout de celui des autres circuits de charge. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la forme de réalisation préférée de l'alimentation de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente le schéma électrique de l'alimentation régulée de l'invention, avec un seul circuit de charge; - la figure 2 représente le schéma de l'alimentation de l'invention avec deux circuits de charge; - les figures 3 représentent les courbes de la tension et du courant primaires et des pertes en commutation du transistor de pilotage du transformateur de l'alimenta- tion de l'invention;; - les figures 4 représentent des courbes analogues à celles des figures 3, mais avec avance du blocage des transistors secondaires, et - les figures 5 représentent des courbes analogues à celles des figures 4, mais avec retard de l'état passant des transistors secondaires. Sur la figure 1, l'alimentation en tension continue d'une charge 1 s'effectue à partir de la tension alternative d'un réseau 2 disponible. Elle comporte un transformateur d'isolement 3 à haute fréquence - il peut s'agir par exemple de 30 kHz - à grande mutuelle, à faible self de fuite et à enroulements primaire 4 et secondaire 5 de même polarité. Le primaire 4 du transformateur 3 est branché sur la sortie d'un pont redresseur à diodes 6, classique, dont l'entrée est branchée sur le réseau 2. La tension du secteur 2 redressée et appliquée au primaire 4 du transformateur est découpée au moyen d'un oscillateur à fréquence fixe 7 commandantRpar sa base)un ùn transistor 8 de découpage ou de commutation, donc à taux de conduction fixe, en série avec l'enroulement primaire 4. La tension redressée par le pont 6 est filtrée par un condensateur 9. Le secondaire 5 du transformateur 3 est branché sur la charge 1 par l'intermédiaire d'un interrupteur de découpage 10 et d'un circuit de lignage 11 en série. Le circuit de lissage 11 comporte une bobine d'induction 12, en série avec l'interrupteur 10, entre un condensateur 13 et une diode de protection 14, dite de roue libre, en parallèle, la diode 14, qui shunte l'enroulement secondaire 5 et l'interrupteur 10 en série, étant disposée pour ne laisser passer que le courant de décharge du condensateur 13, en parallèle sur la charge 1 quand l'interrupteur 10 est ouvert. En parallèle sur la charge 1 est branché un pont diviseur à résistances 15, 16, de valeurs prédéterminées, pour extraire une partie de la tension continue de sortie V V16~ et la comparer à une tension de référence Vlp,f V15 +V16 dans un comparateur 17, recevant sur une de ses entrées, négative, cette partie de tension de sortie et, sur l'autre de ses entrées, positive, la tension de référence Vref La sortie du comparateur 17 est reliée à l'entrée de remise à zero (RAZ) 18 d'une bascule bistable 19 dont l'entrée 20 est reliée à l'entrée de l'interrupteur 10 et dont la sortie 21 commande la commutation de l'interrupteur 10. Le pont 15, 16, le comparateur 17 et la bascule 19 forment une boucle de régulation 22.Sur un front montant des impulsions, ou créneaux, de la tension aux bornes de l'enroulement secondaire 5 du transformateur 3, impulsions engendrées par le transistor de commutation 8 du primaire 4, la bascule 19 change d'état pour fermer l'interrupteur 10 avant de changer à nouveau d'état pour commander ltouverture de l'interrupteur 10 dès que la partie extraite de la tension de sortie aux bornes de la charge 1 dépasse la tension de référence Vr f. La fonction de découpage, de eommutation,de l'interrupteur est avantageusement assurée par un transistor 10, ici du type PNP (figure 2). Pour que ce transistor 10 ne soit pas détériore par les alternances négatives de la tension aux bornes du secondaire 5 du transformateur 3, une diode de protection 23 (figure 2) est disposée en série entre le secondaire 5 et le transistor 10. Dans le cas où la fonction de commutation du circuit de charge serait assurée, par exemple, par un thyristor, la diode de protection ne serait alors plus nécessaire. A la fermeture de l'interrupteur correspond l'état passant du transistor 10, et à l'ouverture, l'état bloqué, quand l'énergie nécessaire est transférée dans la bobine 12. Dans le cas où plusieurs charges doivent être ali mentées sous des tensions différentes, comme par exemple dans un téléimprimeur comportant en particulier des microprocesseurs, un moteur, une tête d'impression, on branche, en parallèle sur 11 enroulement secondaire 9 du transformateur 3, autant de circuits identiques, mais délivrant des tensions différentes, avec leur boucle de régulation, qu'il y a de charges à alimenter. Sur la figure 2 on a représenté deux circuits de charge avec leurs éléments semblables portant les mêmes références que sur la figure 1, celles du deuxième circuit étant seulement affectées d'un accent.Ces deux circuits sont indépendants l'un de l'autre et la stabilisation de la tension de sortie de l'un est sans influence sur celle de l'autre. Le rendement du circuit de charge de la figure 1 ou de l'un des circuits de la figure 2, dépend beaucoup des pertes en commutation du transistor 8, du circuit primaire. Soit I le courant circulant dans l'enroulement primaire 4 du transformateur 3, et comprenant la somme des courants secondaires ramenés au primaire, et V la tension aux bornes du transistor 8, représentés sur les figures 3A, 3B, en fonction du temps t. Les pertes en commutation dans le transistor 8 sont illustrées par le signal P de la figure 3G, correspondant à la multiplication des signaux I et V. I1 s'agit de pertes impulsionnelles non négligeables, qui se produisent à chaque changement d'état t. (fermeture), ti+î (ouverture ou blocage), ...du transistor 8. Si on détermine le rapport entre le nombre de spires de l'enroulement primaire 4 et le nombre de spires de l'enroulement secondaire 5 du transformateur 3 pour que les interrupteurs ou transistors 10, 10', ... se bloquant systématiquement avant le transistor 8, et c'est ce que la régulation à priori vise précisément à effectuer, compte-tenu du couplage entre les enroulements, et -confor- mément aux courbes des figures 4A, 4B, 4C, le courant primaire I' est déjà presque nul quand le transistor 8 se bloque et que la tension V' commence à crottre, ce qui réduit considérablement les pertes à l'ouverture PO du o transistor 8, le courant primaire I' commençant à chuter, avant l'ouverture du transistor 8, une première fois à l'ouverture t1 de l'un des deux transistors 10, 10' et une seconde fois à 1'ouverture t2 de l'autre des deux a transistors 10, 10'. Si, en outre, et par des moyens retardateurs classiques dans les circuits secondaires, on retarde l'action de la bascule 19 commandant l'état passant, ou la conduction, des transistors 10, 10', par rapport au transistor 8, et, conformément aux courbes des figures 5A, gB, 5C, la tension V" étant déjà presque nulle quand le transistor 8 devient passant et que le courant primaire I" atteint une valeur notable, on réduit considérablement les pertes à la fermeture, le courant primaire I" commençant seulement à croître, après la fermeture du transistor 8, une première fois à la fermeture tF de l'un des deux transistors 10, 2 10' et une seconde fois à la fermeture tF de l'autre des deux transistors 10, 10'. Ainsi, en cas d'avance du blocage et de retard de llétat passant des transistors 10, 10' par rapport à ceux du transistor 8, respectivement, les pertes en commutation deviennent négligeables. Dans ce cas toujours, on peut ne pas prévoir les réseaux d'aide à la commutation du transistor 8 quand la tension redressée du réseau 2 est élevée. La régulation d'alimentation qui vient d'être décrite est d'une grande simplicité et peut être intégrée dans un boîtier de puissance pas plus encombrant qu'un boîtier de régulateur linéaire. En outre, au circuit de régulation qui vient d'être décrit peuvent être associés des circuits de protection, par exemple de limitation en courant, de protection contre les surtensions, de protection en température; etc. Enfin, on a décrit et représenté une alimentation en tensions positives, mais l'invention s'appliquerait tout aussi bien à l'alimentation de charges en tensions continues négatives. Il suffirait par exemple, pour cela, d'inverser les bornes des diodes de protection 23, 23', celles des diodes de roue libre, t4, 14' et des condensateurs de lissage 13, 13' et de prévoir des transistors de découpage du type NPN. REVENDICATIONS 1 - Alimentation à découpage, comprenant des moyens (6) de redressement d'une tension alternative de réseau (2), un transformateur haute-fréquence d'isolement (3) à enroulements primaire (4) et secondaire (5) de mAme pola rite, branché, au primaire, sur les moyens de redressement (6) et, au secondaire, sur au moins une charge (1), dans le circuit primaire du transformateur (3), des moyens (7, 8) de découpage de sa tension, et, dans le circuit secondaire du transformateur (3), des moyens (10) de découpage de sa tension, des moyens (11) de lissage de la tension découpée du secondaire et des moyens de régulation de la tension continue aux bornes de la charge (î) agencés pour comparer la tension découpée et lissée du secondaire du transformateur (3) avec une tension de référence et commander cette tension découpée et lissée, alimentation caractérisée par le fait que les moyens (7, 8) de découpage du primaire du transformateur (3) ont un taux de conduction fixe et les moyens (10) de découpage de la tension du secondaire du transformateur et les moyens de régulation (22) sont agencés pour que ceux-ci (22) commandent ceux-là (10). 2 - Alimentation selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de régulation comprennent une bascule (19) agencée pour commander les moyens (10) de découpage du secondaire et pour qu'elle les rende passants aux fronts montants des impulsions de la tension du secondaire (5) et les bloque aux instants où la tension de sortie aux bornes de la charge (î) depasse la tension de référence. 3 - Alimentation selon la revendication 22 dans laquelle le rapport entre le nombre des spire s des enroulements primaire (4) et secondaire (5) du transformateur (3) est déterminé pour que les instants de blocage des moyens de découpage du secondaire (10) soient systématiquement antérieurs à ceux des moyens de découpage du primaire (7, 8). 4 - Alimentation selon l'une des revendications 2 et 3, dans laquelle il est prévu des moyens pour retarder l'action de la bascule (l9) commandant l'état passant des moyens de découpage du secondaire (10). 5 - Alimentation selon l'une des revendications 2 à 4, dans laquelle la bascule (19) est reliée par une entrée de remise à zéro (18) à la sortie d'un comparateur (17) recevant, sur ses entrées, la tension de charge et la tension de référence. 6 - Alimentation selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle les moyens de découpage du primaire comprennent un oscillateur (7) à fréquence fixe pilotant un composant (8) fonctionnant en-tout ou rien en série avec l'enroulement primaire (4) du transformateur. 7 - Alimentation selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle les moyens de découpage du secondaire comprennent un composant (10) fonctionnant en tout ou rien. 8 - Alimentation selon la revendication 7, dans laquelle leditcomposant est un thyristor. 9 - Alimentation selon la revendication 7, dans laquelle ledit composant est un transistor en série avec une diode de protection. 10 - Alimentation selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle plusieurs circuits de charge, comprennent, chacun, des moyens de découpage de la tension secondaire (10; 10'), de lissage (11; llt) et de régulation (22; 22(), sont montés en parallèle sur l'enroule- ment secondaire (5) du transformateur (3).