Brevet FR2578365A1 — publié le 19860905

Transformateur de tension La présente invention concerne un transformateur de tension destiné à transformer une première tension continue en une seconde tension continue plus élevée. Un transforma- teur de tension de ce genre est nécessaire par exemple pour faire fonctionner un téléviseur couleur avec un accumula- teur 12 V pour véhicule automobile. A cette fin il est connu (demande de brevet alle- mand publiée n 3 017 369) d'utiliser un transformateur de tension dans lequel l'accumulateur alimente un circuit ca- pable d'osciller et un transistor de puissance qui, comman- dé par ce dernier, produit dans l'enroulement primaire d'un transformateur un courant périodiquement interrompu. La tension ainsi élevée par transformation de façon à présen- ter la valeur désirée peut alors être prélevée par un en- roulement secondaire du transformateur. Des transformateurs de tension de ce genre, prévus pour le domaine d'utilisation cité, transmettent une puis- sance relativement importante de l'ordre de 100 W. C'est pourquoi il est nécessaire de prendre des mesures addition- nelles qui offrent une protection contre un fonctionnement incorrect et évitent qu'il ne se produise de trop fortes tensions, en particulier au niveau du transistor de puis- sance. La présente invention a pour but de permettre à un transformateur de tension du genre décrit d'être protégé, d'une manière simple sur le plan de la réalisation du montage, contre des défauts de fonctionnement et des sur- tensions. Ce but est atteint selon une première caractéristique de l'invention, pour un transformateur de tension destiné à transformer une première tension continue en une seconde tension continue plus élevée et qui comprend un transforma- teur ainsi qu'un étage pilote et un transistor commandant l'enroulement primaire du transformateur, lesquels éléments constitutifs sont alimentés avec la première tension conti- nue et forment un montage auto-oscillant, un enroulement secondaire délivrant, par l'intermédiaire d'un premier re- dresseur fonctionnant dans le sens d'aller et d'un conden- sateur de charge, la seconde tension continue, par le fait qu'un -second redresseur fonctionnant dans le sens de retour est monté entre un autre enroulement secondaire et le con- densateur de charge. Le redresseur destiné à produire la tension de fonctionnement plus élevée ou plusieurs redresseurs desti- nés à produire des tensions de fonctionnement variées fonc- tionnent sur le principe dit de redressement d'aller. Cela signifie que ces redresseurs sont conducteurs et amènent de l'énergie aux condensateurs de charge connectés lorsque le transistor de puissance monté du côté du primaire est lui aussi conducteur. Des circuits présentant ce mode de fonc- tionnement sont également appelés des transformateurs de flux. Selon la caractéristique de l'invention, définie plus haut, il est prévu, outre le redressement d'aller, un redressement de retour qui agit sur le même condensateur de charge que le redressement d'aller. Ceci peut être obtenu par une polarisation correspondante du redresseur ou de l'enroulement alimentant le redresseur. A cet égard l'en- roulement qui alimente le redresseur pour le redressement de retour fait avantageusement office d'enroulement dit de démagnétisation et a pour effet de réduire l'énergie emma- gasinée dans le transformateur. Le redresseur pour le re- dressement de retour a en outre pour effet de limiter lors du retour, c'est-à-dire durant la phase de blocage du tran- sistor de puissance, l'amplitude des impulsions au niveau de l'enroulement alimentant ce redresseur. Ainsi l'amplitu- de des impulsions au niveau des autres enroulements du transformateur est elle aussi limitée et il en est, par conséquent, de même pour la tension efficace, au niveau du transistor de puissance, durant le temps de retour. Le dispositif présentant ce fonctionnement dans le sens de retour est également dénommé transformateur de blocage. Suivant un développement de l'invention un conden- sateur est encore relié au collecteur du transistor de puissance. Ce condensateur limite la pente de l'impulsion au niveau du collecteur du transistor de puissance. A la fin du temps de retour ce condensateur produit en coopéra- tion avec les inductances une oscillation dans l'impulsion de retour de telle façon que cette impulsion de retour présente, à l'issue du temps de retour, automatiquement la valeur zéro et que par conséquent au moment o le transis- tor de puissance passe à l'état conducteur, au début du temps d'aller H, ne se produisent pas de courants de charge indésirables. D'autres caractéristiques avantageuses de l'inven- tion consistent en ce que le second redresseur est alimenté par un enroulement secondaire séparé et en ce que dans le cas o le courant de collecteur du transistor de puissance doit être relativement élévé ce dernier est constitué par un circuit de Darlington comprenant deux transistors. Le montage côté primaire est rendu auto-oscillant grâce à une boucle de rétroaction s'étendant du transistor de puissance à l'étage pilote. Une v a r i a n t e d e l'invention consiste, pour un transformateur de tehsion destiné à transformer une première tension continue en une seconde tension continue plus élevée et comprenant un transformateur ainsi qu'un étage pilote et un transistor commandant l'enroulement primaire du transformateur, les- quels éléments constitutifs sont alimentés avec la première tension continue et forment un montage auto-oscillant, un enroulement secondaire délivrant, par l'intermédiaire d'un premier redresseur fonctionnant en redressement d'aller, la seconde tension continue, en ce que la boucle de rétroac- tion comporte une diode polarisée et soumise à une tension initiale de telle sorte que dans le cas d'un accroissement inadmissible de la tension de collecteur du transistor l'aller prend fin prématurément et que dans le cas d'un ac- croissement plus prononcé la diode se trouve bloquée et le montage oscillant reste à l'état o le transistor est blo- qué. Cette boucle de rétroaction est ainsi en outre mise à profit pour obtenir un circuit protecteur. Ceci sera encore décrit plus en détail à propos d'un exemple de réalisation. Une autre caractéristique avantageuse de l'inven- tion consiste en ce que les enroulements alimentant le premier et le second redresseurs sont polarisés en sens contraire et les redresseurs dans le même sens l'un par rapport à l'autre. Entre le collecteur du transistor de puissance et un point de référence (terre) est avantageusement monté un condensateur et ce, de préférence, en parallèle avec le trajet collecteur-émetteur du transistor de puissance et/ou avec l'enroulement primaire du transformateur. Le condensateur est avantageusement calibré de tel- le manière que l'allure oscillatoire de la tension produite au niveau du collecteur par le condensateur et les induc- tances actives présente, à la fin du retour, sensiblement un passage par zéro. Suivant une autre caractéristique de l'invention il est associé à l'étage pilote un circuit d'amorçage auto- oscillant. Celui-ci fait que le montage puisse à partir de l'état de repos, c'est-à-dire par exemple en cas de sur- charge ou de court-circuit, passer de nouveau automatique- ment à l'état de travail. Le circuit d'amorçage est de préférence constitué par un circuit auto-oscillant qui continue d'osciller même en cas d'arrêt du transformateur de tension proprement dit. L'étage pilote est avantageusement complété pour former un circuit capable d'osciller qui en cours de fonc- tionnement normal oscille en synchronisme avec la fréquence de travail du transformateur de tension et, lorsque la diode reste bloquée, continue d'osciller à une faible fré- quence (1 à 3 kHz) et sert de circuit d'amorçage. Au transistor pilote peut avantageusement être as- socié encore un autre transistor, ces deux transistors for- mant un circuit bistable. Les deux variantes principales de l'invention, dé- crites plus haut, sont applicables indépendamment l'une de l'autre. Cependant, il est particulièrement avantageux de combiner ces deux variantes car cela permet d'obtenir une protection particulièrement sûre contre des dégâts dus à un mauvais fonctionnement. En outre, on obtient ainsi un haut rendement et une plus longue durée de vie de l'accumula- teur. Un exemple de réalisation de l'invention, dans le- quel les deux variantes principales précitées sont combi- nées, est expliqué plus en détail ci-dessous à l'aide des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma de montage simplifié d'un transformateur de tension selon l'invention; la figure 2 montre des courbes destinées à élucider le mode de fonctionnement du montage de la figure 1; et la figure 3 représente un exemple de réalisation de l'invention qui a été mis à l'épreuve sur un plan pratique. Selon la figure 1 un accumulateur G pour véhicules automobiles qui présente une tension de E = + 12 V alimen- te, par l'intermédiaire d'un étage pilote comprenant le transistor T2, les résistances R1, R2, R3, R4 ainsi que le condensateur C3, le transistor T1 qui est réalisé en tant que transistor de puissance. Le transistor T1 est monté en série avec l'enroulement primaire P du transformateur Tr. Ce circuit est rendu auto-oscillant grace à la boucle de rétroaction comportant la diode D4 et oscille avec une fré- quence de l'ordre de 25 kHz. L'enroulement secondaire S1 délivre, par l'intermédiaire du redresseur Dl, au condensa- teur de charge C18 une tension de fonctionnement B1 de + 80 V pour le récepteur Ro. Les enroulements S3 et S4 dé- livrent,-par l'intermédiaire d'autres redresseurs, des ten- sions de fonctionnement B2 et B3 de moindre valeur. Ce circuit fonctionne selon le principe dit de redressement d'aller. Cela signifie que le redresseur D1 est conducteur chaque fois que le transistor T1 est lui aussi conducteur. Au condensateur de charge C18 est en outre encore relié le redresseur D2 qui est alimenté par l'enroulement secondaire S2. Cet enroulement secondaire S2 est polarisé en sens contraire de l'enroulement S1 de sorte que le re- dresseur D2 opère un redressement dit de retour. Le redres- seur D2 est donc conducteur chaque fois que le transistor T1 est bloqué. Le transistor T3 forme avec le transistor T2 un circuit bistable. Grace à l'action du redresseur D2 la tension appli- quée à l'extrémité supérieure de l'enroulement S2 ne peut pas excéder la tension constante B1. La tension impulsion- nelle appliquée à l'enroulement S2 est donc limitée dans son amplitude. Ainsi toutes les autres tensions impulsion- nelles appliquées au transformateur Tr, y compris la ten- sion appliquée au transistor T1 et aux diodes D1 et D2, sont limitées en amplitude de sorte qu'ii ne peut pas se produire de tensions excessivement élevées. En outre, il est obtenu une amenée d'énergie additionnelle dans le con- densateur de charge C18. L'enroulement S2 joue le r8le d'un enroulement dit de démagnétisation pour réduire l'énergie magnétique emmagasinée dans le transformateur Tr. Le re- dressement d'aller utilisé a pour avantage que l'énergie effective au niveau du récepteur ne passe pas par l'induc- tance du transformateur. Comme le montre la figure 2a, il se produit au ni- veau du collecteur du transistor T1 durant le temps de re- tour R, du fait du blocage du transistor, une impulsion de retour. Le condensateur C1 sert à limiter la pente des flancs de cette impulsion selon la figure 2a. Le flanc ascendant présente une durée de 1 microseconde. Au bout du temps de retour R le condensateur C1 provoque en coopéra- tion avec les inductances actives, en particulier l'enrou- lement primaire P, une oscillation. L'accord est choisi de telle manière que l'impulsion présente selon la figure 2a à l'issue du temps de retour sensiblement la valeur zéro. Le flanc descendant, qui correspond à peu près à un quart de période sinusoidale, présente une durée d'environ 3 à 5 microsecondes. Lorsque, au bout de ce temps de retour R, le transistor Ti est mis en circuit et la tension à travers le trajet collecteur- émetteur doit devenir nulle, la tension Vce présente donc, grâce à l'oscillation, au bout du temps de retour déjà sensiblement la valeur zéro de sorte que la tension VA et le courant à traver.s la diode D2 deviennent nuls. Si, à l'issue du temps de retour R, la tension Vce n'était pas nulle mais présentait une valeur plus élevée, alors le condensateur Cl devrait être rapidement déchargé par l'intermédiaire du transistor Tl, ce qui peut faire courir un risque au transistor Tl. Le condensateur Cl peut être monté, soit en parallèle avec le trajet collecteur- émetteur, soit également en parallèle avec l'enroulement primaire P. Le rapport des nombres de spires des enroule- ments SI et S2 détermine le rapport de l'amplitude de la tension impulsionnelle selon la figure 2a à celle de la tension de fonctionnement E. A cet égard: Vce - E Si E S2 La diode D4 forme une boucle de rétroaction grâce à laquelle le circuit est auto-oscillant. Au début du temps d'aller H la tension Vce est pratiquement nulle, la diode D4 conductrice et les tensions VA et VB également presque nulles, le transistor T2 bloqué et par conséquent le tran- sistor Tl conducteur par l'intermédiaire de la résistance Rl. Durant le temps d'aller H le condensateur C3 se charge par l'intermédiaire de la résistance R2 de sorte que la tension VB croit dans le sens positif. Au bout d'un laps de temps, qui est déterminé par la constante de temps R2C3, la base du transistor T2 est suffisamment positive pour que le transistor T2 devienne conducteur et bloque, par l'in- termédiaire de la diode D5, le transistor Tl à l'issue du temps d'aller. Par suite du blocage du transistor Tl se produit durant le temps de retour R, en raison de l'induc- tance de l'enroulement primaire P, l'impulsion dite de retour selon la figure 2a qui présente l'amplitude définie plus haut. La durée R de l'impulsion de retour est essen- tiellement déterminée par la durée du temps d'aller H et le rapport des nombres de spires des enroulements Sl.1 et S2 suivant l'équation: R = H. S2 o H est déterminé par la constante de temps C3-R2. Etant donné que l'impulsion de retour est produite par la variation du courant à travers le transistor Tl, cette impulsion, formée de la manière décrite par le condensateur C1, retombe à zéro au bout du temps de retour R. Puis commence à nouveau le temps d'aller H, comme décrit plus haut. Ainsi l'ensemble du montage c8té primaire est rendu auto-oscillant. La tension Vce durant le temps d'aller H est pro- portionnelle au courant de collecteur circulant durant ce laps de temps. En cas de fonctionnement normal la tension ne présente que des valeurs faibles puisque le transistor doit fonctionner en tant qu'interrupteur. Si le courant passant par le transistor T1 vient à présenter par suite d'un dérangement, par exemple un défaut ou une surcharge, des valeurs excessivement élevées, alors la tension Vce croît elle aussi excessivement durant le temps d'aller H. Ceci est indiqué sur la figure 2a par la ligne L. Dans ces conditions de fonctionnement le transistor sort de l'état de saturation et ne fonctionne plus comme un simple inter- rupteur. Durant le temps d'aller est alors produite au niveau du transistor Tl, en raison de la tension élevée disponible, une trop forte puissance. Le transistor Tl peut ainsi être mis en danger. Cet accroissement de tension est détecté par la diode D4 et se répercute sur la tension VA qui par conséquent croit également, selon la courbe L, plus rapidement que dans des conditions de fonctionnement norma- les. Ainsi le transistor T2 devient conducteur plus tôt, c'est-à-dire au cours du temps d'aller H, et le transistor T1 est par conséquent en même temps bloqué et protégé contre une trop forte puissance. Le temps d'aller H est donc raccourci et, par conséquent, la fréquence du trans- formateur de tension se trouve accrue de la façon voulue. La diode D4 reste durant la partie raccourcie restante du temps d'aller H conductrice comme auparavant. Le bloc secteur continue donc en tant que tel de fonctionner. La tension Vce, l'impulsion de retour selon la figure 2a et la puissance transmise sont toutefois limitées, par la fin prématurée du temps d'aller H, de telle manière que les éléments constitutifs ne courent aucun risque. Si la charge appliquée croît encore, par exemple en cas de court-circuit, la durée du temps d'aller H et l'am- plitude de l'impulsion selon la figure 2a deviennent de plus en plus réduites. La tension Vce finit par varier suffisamment pour que la diode D4 reste bloquée en perma- nence. Cela signifie que la boucle de rétroaction est in- terrompue, le circuit n'oscille plus et reste à l'état o le transistor T2 est conducteur et le transistor Tl est bloqué. Par conséquent, le montage est également résistant aux courts-circuits. Un avantage du montage consiste en ce que pour la détermination du courant de collecteur du transistor T1 aucune résistance n'a besoin d'être prévue dans l'émetteur pour le prélèvement d'une tension proportionnelle à ce courant. Une telle résistance consommerait inutilement de la puissance. La valeur du courant circulant dans le transistor T1 est établie exclusivement à partir de la tension Vce durant le temps d'aller. Le dérangement mentionné, pour lequel sont prévus les circuits protecteurs décrits, peut se produire par exemple: 1) lorsqu'une forte charge provoque unedésaturation du transistor T1; 2) lorsque le noyau du transformateur Tr est endommagé; 3) lorsque le transistor T1 présente une trop faible ampli- fication de courant; ou 4) lorsque l'une des diodes D1, D2 est claquée, c'est-à- dire qu'elle détermine un court-circuit. - En l'absence d'autres mesures il peut arriver que, par exemple après un dérangement, le circuit reste à l'état o le transistor T2 est conducteur et le transistor Tl est bloqué, et ne se remet pas en marche. C'est pourquoi est en outre prévu le circuit d'amorçage comprenant le transistor T3, le condensateur C4 et les résistances R5, R6. Le tran- sistor T3 forme avec le transistor T2 un circuit bistable qui à lui seul oscille avec une fréquence-d'environ 3 kHz. Lorsque le transistor T2 est bloqué, le transistor T3 est commandé, par l'intermédiaire de la résistance R4 et du condensateur C4, de façon à être conducteur. Lorsque le transistor T2 est conducteur, la tension appliquée au col- lecteur est presque nulle et de ce fait le transistor T3 est bloqué. Tant que le transformateur de tension fonction- ne correctement avec sa fréquence nominale, le circuit bistable comprenant les transistors T2 et T3 oscille auto- matiquement à la fréquence de travail du transformateur de tension, par exemple 25 kHz, le transistor T3 -étant tou- jours conducteur lorsque le transistor T2 est bloqué. Dans ces conditions de fonctionnement le circuit protecteur n'a pratiquement aucune signification pour le fonctionnement et oscille simplement en synchronisme avec le transformateur de tension. Lorsque le montage reste à l'état o le tran- sistor Tl est bloqué, le circuit bistable comprenant les transistors T2 et T3 continue d'osciller à une fréquence de 3 kHz, laquelle est déterminée par la résistance R5 et le condensateur C4. Cela veut dire que le transistor T2 est bloqué pour cette fréquence et, par conséquent, le transis- tor T1 est commandé de façon & être conducteur. Ainsi le transformateur de tension serait toujours remis en marche périodiquement, par le circuit d'amorçage comprenant les transistors T2 et T3, afin de déclencler à nouveau le fonctionnement du transformateur de tension. Sur la figure 3 les éléments constitutifs corres- pondant à ceux de la figure 1 sont désignés par les memes chiffres. Etant donné qu'il faut un courant de collecteur relativement fort pour le transistor T1, il est prévu pour cet étage de puissance un circuit de Darlington comprenant les transistors Tla et Tlb. Le transistor T2 est également formé par un circuit-de Darlington comprenant les transistors T2a et T2b. En série avec l'interrupteur S est encore prévu un circuit protecteur de batterie. Ce circuit entre en action lorsque la tension de la batterie descend au-dessous de la valeur de 8 V. Ce circuit est constitué par une bascule de Schmitt comprenant les éléments constitutifs T4, D6, DZ, R7, R8, -R9, R10 et Rll. Le circuit fonctionne dans des conditions normales lorsque la tension VE est supérieure à 9 V et est mis hors circuit lorsque la tension VE est inférieure à 8 V. Afin de réduire la tension de saturation du transistor Tla le courant de base circulant à travers le transistor Tlb est prélevé par la prise a et limité au moyen de la résistance R27. Pour obtenir un temps de mise hors circuit suffi- samment court du transistor Tla, le transistor T2a doit délivrer un courant de base court mais dont la polarité s'inverse très rapidement. Ce courant passe par la diode D27, le condensateur C27, la diode D5 et le transistor T2a. C'est pourquoi le circuit de Darlington comprenant les transistors T2a et T2b est utilisé. La diode D29 est néces- saire pour l'état de mise hors circuit et évite une circu- lation de courant parallèle à l'interrupteur S. La diode D5 sert au découplage entre le collecteur du transistor T2a et la base du transistor Tlb afin que les tensions qui y sont appliquées puissent présenter l'allure voulue. REVENDICATIONS i - Transformateur de tension destiné à transformer une première tension continue (E) en une seconde tension continue plus élevée (Bl) et comprenant un transformateur (Tr) ainsi qu'un étage pilote et un transistor (Tl) qui commande l'enroulement primaire (P), lesquels éléments constitutifs sont alimentés avec la première tension conti- nue (E) et forment un montage auto-oscillant, un enroule- ment secondaire (Sl) délivrant, par l'intermédiaire d'un premier redresseur (Dl) fonctionnant dans le sens d'aller, et d'un condensateur de charge (C18), la seconde tension continue (Bl), caractérisé en ce qu'un second redresseur (D2) fonctionnant dans le sens de retour est monté entre un enroulement secondaire (S2) et le condensateur de charge (C18). 2 - Transformateur de tension destiné à transformer une première tension continue -(E) en une seconde tension continue plus élevée (Bl) et comprenant un transformateur. (Tr) ainsi qu'un étage pilote et un transistor (Tl) qui commande l'enroulement primaire (P), lesquels éléments constitutifs sont alimentés avec une première tension continue (E) et forment un montage autooscillant, un enroulement secondaire (S) délivrant, par l'intermédiaire d'un premier redresseur (Dl) fonctionnant dans le sens d'aller, la seconde tension continue (Bl), caractérisé en ce que la boucle de rétroaction comporte une diode (D4) polarisée et soumise à une tension initiale de telle maniè- re que dans le cas d'un accroissement inadmissible de la tension de collecteur (Vce) du transistor (1) l'aller (H) prend fin prématurément et que dans le cas d'un accroisse- ment encore plus important de cette tension la diode (D4) est bloquée et le montage oscillant reste à l'état o le transistor (Tl) est bloqué. 3 - Transformateur de tension selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le second redresseur (D2) est alimenté par un enroulement secondaire séparé (S2). 4 - Transformateur de tension selon la revendica- tion 2, carctérisé en ce que les enroulements (Sl, S2) alimentant respectivement le premier et le second redres- seurs (D1, D2) sont polarisés en sens contraire et les redresseurs (D1, D2) sont polarisés dans le même sens l'un par rapport à l'autre. - Transformateur de tension selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le transistor (T1) est constitué par un circuit de Darlington comprenant deux transistors (Tla, Tlb). 6 - Transformateur de tension selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un condensateur (C1) est monté entre le collecteur du transistor (T1) et un point de référence (terre). 7 - Transformateur de tension selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que le condensateur (C1) est monté en parallèle avec le trajet collecteur-émetteur du transistor (T1). 8 - Transformateur de tension selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que le condensateur (C1) est monté en parallèle avec l'enroulement primaire (P). 9 - Transformateur de tension selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que le condensateur (C1) est calibré de telle façon que l'allure oscillatoire de la tension (Vce) provoquée au niveau du collecteur par le condensateur (C1) et les inductances actives présente, à la fin du temps de retour, sensiblement un passage par zéro. - Transformateur de tension selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étage pilote comprenant un transistor (T2), des résistan- ces (R1, R2, R3, R4) et un condensateur (C3) est associé un circuit d'amorçage auto-oscillant comprenant un transistor (T3), des résistances (R5, R6) et un condensateur (C4). 11 - Transformateur de tension selon la revendica- tion 10, caractérisé en ce que le transistor pilote (T2) est complété de façon à former un circuit (T2, T3) capable d'osciller, qui en cas de fonctionnement normal oscille en synchronisme avec la fréquence de travail du transformateur de tension et, lorsque la diode (D4) reste bloquée, conti- nue d'osciller à une fréquence basse (1 à 3 kHz) et sert de circuit d'amorçage. 12 - Transformateur de tension selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce qu'au transistor pilote (T2) est associé un autre transistor (T3) et les deux transistors (T2, T3) forment un circuit bistable.