Brevet FR2591044A2 — publié le 19870605

FR 2591044 A2 19870605 FR 8509837 A 19850621 La présente invention concerne les appareils électroniques du type convertisseur de potentiel, permettant d'adapter la tension d'une sourçe, alternative ou continue, à la tension de fonctionnement d'un récepteur donné, ceci avec un rendement pro che de l'unite.pour un vclume et un poids treks inférieurs à des transformateurs errornagnétiques classiques. Dans des dispositifs connus de ce genre appeles communément "transformateurs électroniques", pour adaptera par exenple, le yotentif1 du réseau alternatif à celui d'une lampe à incandes- cence basse tension, l'on redresse et filtre le courant à 50 ou 60 Hz 120 ou 220 V afin d'alimenter un oscillateur à fréquence élevée dont la sortie est couplée à un transformateur ferrite, élévateur ou abaisseur, lequel réalise le transfert d'énergie en assurant le rapport convenable entre les tensions d'alir,enta- tion et de sortie.L'avantage principal de tels dispositifs re side dans le sait qu'une faible masse de ferrite permet de transformer avec très peu de pertes une puissance donnée, ce qu'une grosse masse ferromagnétique peu réaliser au prix de fortes psr- tes électriques.Si, de tels dispositifs sont satisfaisants dans leur principe, ils le sont beaucoup moins dans leur exécu tian pratique. Fn effet, le principe du découpage d'un courant est bin connu théoriquement, mais la réalisation d'un appareil autonome, de faibles poids et dimensions, sans grandes pertes et surtout d'un coup de revient suceptible de concurrencer un trans-Torn-ateur classique, n'a pas encore débouché, à ce jour, sur un produit fiable.Ainsi, se cantonne-t-on, actuellement à des realisations dites "alimentations à découpage", destines à fournir, à partir du secteur, les tensions multiples sous fortes puissances que nécessite, par exemple, le fonctionnement d'un téléviseur moderne. Avec de tels dispositifs on obtient un gain de poids et de volume appréciable par rapport à un transformateur classique, mais leur coût de revient est élevé, de telle sorte que l'application qui en est faite se limite à des secteurs très marginaux de l'industrie. Le transformateur électronique selon l'invention permet d'éviter cet inconvénient. Le module électronique qui 1 constitue ne con porte qu'une quinzaine de composants parfaitement standard dont le court propre joint au coût d'assemblage permet d'envisager 'a fabrication d'un transformateur électronique a prix de revient inférieur au pris de revient d'un transformateur ferromagnetique de puissance équivalente. A caractéristisques de sortie idcntiaues, ses avantages supplémentaires sont les suivante: poids 15 fois plus faible, volume 6 fois moindre, gain en rendement électrique ainsi qu' absence de bruit en fonctionnement et émission de parasites venants. Selon une première variante. illustrée par la figure 1. ciannexée, la tension issue du secteur alternatif est appliquée entre les bornes 1 et -2. Via la résistance 3 de limitation de courant 4 et l'inductance de filtrage 3, ladite tension secteur se retrouve. appliquée entre l'une des branches du pont redresseur constitue par les diodes 5,6,7 et 8. La tension ainsi redressée est ensuite appliquée entre les électrodes non communes des deux condensateurs 27 Ft 30 connectés en série. Ces condensateurs sont choisis avec des valeurs égales et leur électrode commune se comporte donc, du point de vue alternatif, comme le point milieu du circuit série qu'ils constituent.Ce point mi - lieu est relié par le primaire 13 du transformateur 9 à 1' électrode commune, à la fois au transistor 20 et au transistor 23. Ces transistors, montés en série, sont connectés par leurs électrodes opposées aux électrodes non communes des condensateurs 27 et 30de telle sorte que lesdits transistors et lesdits condensateurs constituent entre eux un pont dont ils forment respectivement, l'une et l'autre branche.L'électrode commune à l'un et l'autre des transistors 20 et 23 est également utilisée conme électrode de sortie, a la fois pour le. transistor 20 et pour le transistor 23-. La commande alternée desdits transistors 20 et 30 est respectivenent assurée par les enroulements 15 et 16 appartenant au micro-transformateur 17. Ces deux enroulements, sont bobinés sur une perle en ferrites de quelques millimètres de longueur dont le trou central traversé par un fil isolé tient lieu d'enroulement primaire. L'enroulement primaire 14 du micro-transformateur 17, suivent cette realisation, se trouye connecté en série avec le secondaire 12 du transformateur dt puissance 9. Lc circuit strie ainsi constitué par lesdits enroulements est connecté effiZ chacun des points milieu dudit pont, à savoir: d'une parX les électrodes e sortie ccmmKaes des transistors 20 et 23, et d'autre part, les électrodes communes des tondensateurs 27 et 30.Le sens relatif de rokina-te ces enroulements 15 et 16, est choisi de tf lic sorte qu'une inpulsion de polarité donnée traversant :'enroulfment primaire 14, ainsi que l'enroulement 12, induise entre les bornes des enroulements 15 Et 16 des impulsions Op- posées enphase.De cette manière, l'espace base-émetteur des transistors 20 et 23, connecté en parallèle, respectivement, entre les bornes des énroulements 15 et 16, assure la conduction alternée de l'espace collecteur-émetteur desdits transistors. Ainsi, lorsqu'un courant circule dans un sens donné dans le primaire 14,ce courant déclenche la-conduction de l'un desdits transistors pendant un temps proportionnel a' la capacité de son espace base-émetteur et l'inductance qui qui est associée en parallèle. Une fois ce temps écoulé, ledit transistor se bloque, alors que son courant collecteur a engendré une impulsion de commande du second transistor, lequel, devient conducteur à son tour. La conduction alternée cyclique des transistors 20 et 23,alimente donc, à partir du courant secteur redressé par le pont des diodes 5,6,7 et 8, le circuit oscillant constitué par les inductances 15 et 16 associées aux capacités base-émetteur des transistors considérés.Le courant alternatif ainsi généré, évacué vers la masse à travers le pont des condensateurs 27 et 30. En effet, l'impédance de ces condensateurs est faible, compte tenu du fait que la fréquence du dispositif oscillant sur les capacitéset inductances considérées, est élevée. Comme l'inductance Propre de l'enroulement de commande 14 est très faible devant celle de l'enroulement 12,l'énergie qu'il absorbe est très faible devant celle que peut restituer I1induc- tance de l'enroulement 12 du tranformateur 9. Le circuit T an tique du transformateur 9 stocke donc la majeure partie de 1' énergie qui se trouve évacuée sous tension plus élevée ou plus réduite que la tension d'alioentation par l'intermédiaire de l'enroulement se-condaire 12 entre les bornes de sortie 10 et 11. Lors de la mise sous tension des bornes secteur 1 et 2, les condensateurs 27 et 30 se chargeraient à la tension de crète du secteur, sans que le processus d'oscillation décrit plus haut ait pu s'engager. En effet. les transistors 20 et 23 se. trouvent en etat de b'ocage car leur espace base-e':tteur Est shunte par 1' rpzAanc presque nulle le leur inductance de commande res respective. Pour Tue le processus d'oscillation décrit plus haut puisse s'établir, il faut donc initier la conduction de l'un ou l'autre des transistors 20 et 23.Pour ce fairF, une cellule de déclenchernent comprenant le condensateur .26, la résistance 25 et le diac 24, permet de fournir l'impulsion de déclen che.mcnt rechçrchée La résistance de forte valeur 5 charge le condensateur 26 de faible valeur et dès que la tension aux bornes de ce dernier a atteint la tension de basculement du diac 24, une impulsion à courant élevé traverse l'inductance 16. La-tension instantanée développée entre les bornes de ladite inductance est suffisante pour assurer le débloquage de l'espace- base-émetteur du transistor 23 qui lui est couplé en parallèle. Le processus d'oscillation peut alors s'engager. La diode 38 connectée entre le collecteur du transistor 23 et l'une des bornes du condensateur 26 a pour fonction. d'interdire la charge dudit condensateur tant que le circuit oscille. Les diodes 21 et 22 ont pour rôle d'établir une double circulation du courant aux bornes des transistors 20 et 23. L'énergie à tension transtormée est alors disponible entre les bornes 10 et 11 du secondaire 12. Cette énergie se présente sous la forme de demi-sinusoIdes correspondant au secteur redressés découpées suivant des signaux rectanqulaires dont la période est déterminée par la période d'oscillation. Les diodes Zener 18 et 19 connectées respectivement sur l'espace base-émetteur des transistors 20 et-23 ont pour fonction de limi ter la tension inverse Zooliquée à une valeur non destructive. Un écran électrostatique 39 est prévu entre le primaire 13 et le secondaire 12 du transformateur 9. Cet écran permet de sup primer les rayonnements hertziens qui pourraient être émis par les conducteurs connectés aux bornes 10 et 11. Les diodes 28 et 29 connectees respectivement en parallèle sur les bornes des condensateurs 28 et 30, ont pour fonction d'éviter de soumettre lesdits condensateurs à une inversion de tension qui serait préjudiciable à leur fiabilité. Selon une seconde version du dispositif, objet de l'inven tion, illustrée par la figure 2 ci-annexée, le circuit decrit pre cédemment est modifié selon les points suivants. Le primaire 14 du micro-tranformateur 17 n'est plus inséré en série avec le secondaire 12 du transformateur de puissance 9, mais en série avec son primaire 13. LE fonctionnement demeurant par ailleurs similaire. Un condensateur 33 peut être facultativement connecté entre les bornes polarisées du pont de diodes 5,6,7 et 8, ce condensateur assurant le lissage de la tension secteur redressée, ce qui peut être avantageux dans certains cas. Les condensateurs de faible valeur 31 et 32 réliant respectivement les bornes 11 et 10 du secondaire 12 à l'une des bornes du secteur redressé, ont pour fonction d'assurer le découplage des fréquences parasites élevées à la masse, partant d'inhiber les rejets hert ziens que pourrait véhiculer le circuit de sortie du transfo9ma- teur 9. Les condensateurs 34 et 35 connectés respectivement entre collecteur et base des transistors- 20 et 23, ont pour fonction d'assurer une contre-réaction énergique sur les parasites de commutation de fréquence élevée. De cette manière, le circuit en fonctionnement, ne provoque pratiquement plus de parasites. Selon une troisième version du dispositif, objet de l'invention, illustrée par la figure 3, ci-annexée, le circuit décrit précedemment n'est modifié que sur les points qui suivent. Les électrodes de sortie des transistors 20 et 23 ne sont plus reliées directement l'une à l'autre, mais connectées respectivement à l'une des extrémités du primaire 13 du transformateur 9, ce primaire étant doté d'un point milieu, lequel est lui-même connecté au point milieu des condensateurs 27 et 30 montés en série. Ce disposition présente l'avantage de ne faire traverser lesdits demi-primaires 13 que par un courant de polarité donnée, ce qui limite les pertes par effet pelliculaire. Un potentiomètre 36 connecté entre l'une des bornes de larésis- tance 25 et la borne d'alimentation opposée, permet d'assurer la variation de la constante de temps de charge du condensateur 26 qui est connecté à la borne de son curSeur. De cette manière,l' on peut retarder le déclenchement du diac 24, ce qui permet d'assurer la gradation de la puissance délivrée par le secondaire 12 du transformateur 9, par la commande de l'angle de phase dudit déclenchement par rapport à la tension du secteur. Un condensateur 40 connecté entre l'une des bornes de la résistance 4 et l'une des bornes de l'inductance 3 a pour rôle de parfaire l'élimination des rejets parasites secteur. Le condensateur 37 connecté entre l'un des pôles du secteur et l'une des bornes du condensateur de déclenchement 26 a pour objet d'éliminer toute les interférences qui se produisent lorsqu'un tel dispositif est utilisé avec un gradateur classique exterieur. En effet, ledit condensateur agit en contre-réaction sur la charge du condensateur 26, assurant un déclenchement à bon escient de ce dernier. Le dispositif, objet de l'invention, peut etre utilisé dans tous les cas ou l'on souhaite transformer la tension d'une source continue ou alternative, en une tension, variable ou non, continue ou non. Il peut être utilisé dans la réalisation d'alimentations de laboratoire, d'alimentation de lampes halogènes à basse tension, d'alimentation pour appareils de radiodiffusion, etc..., son emploi se caractérisant par un encombrement très faible, un poids très avantageux, un excellent rendement électri- que, une absence totale de bruit audible, un échauffement propre très faible, et enfin des rejets secteur ou des rejets hertziens qui peuvent être assez faibles pour satisfaire les normes existant dans ce domaine. I1 peut en outre, être commandé de l'extérieur par un variateur externe, sans phénomènes gênants de pa pil lotements. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs, déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation envisagés, elle embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif convertisseur d'énergie électrique comprenant deux transistors 20 et 23 montés en série et deux condensateurs 2s et 30 montés aussi en série, les deux séries ainsi formées constituant les deux branches d'un circuit en pont dont les bornes communes sont reliées à une source d'alimentation polarisée, alors que les bornes non communes dudit pont, c'est à dire le point milieu des condensateurs en série, ainsi que le point milieu des transistors en série, sont reliées entre elles à travers un enroulement d'un transformateur de puissance 9 qui assure l'adaptation de la tension de-sortie, caractérisé par le fait que ledit enroulementA slt le primaire 13, soit le secondaire 12, est monté en série avec le primaire 14 d'un transformateur de commande 17 dont les secondaires 15 et 16 fournissent respEctivement un signal opposé en phase à l'élfctro- de de commande des transistors 20 et 23 auxquels ils sont connectés, caractérisé par le fait qu'un circuit de déclenchement comprenant la résistance 25, le condensateur 26 et le diac 24 assure 1 'ini- tiation de l'oscillateur ainsi constitué. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les diodes 21 et 22, convenablement polarisées, sont connectées entre, respectivement, le collecteur et l'émotteur des transistors 20 et 23. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les diodes Zener 18 et 19, convenablement polarisées, sont connectées entre, respectivement, la base et l'émetteur des transistors 20 et 23. 4. Dispositif selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé par le fait que les diodes 28 et 29, convenablement polarisées, sont connectées, respectivement, En parallèle avec les condensateurs 27 et 30. 5. Dispositif selon les revendications 1,2,3 et 4, caractérisé par le fait qu'un ou deux condensateurs 31 et 32, soit connecté entre les bornes de sortie du transformateur 9 et l'une des bornes de la source d'alimentation. soit connecté entre les bornes de sortie du transformateur 9 et l'une des borne de la source d'alimentation. 6. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4 et 5, caractérisé par le fait qu'une diode 38, convenablement polarisée soit connectée entre le point milieu des transistors 20 et 23 montés en série et la borne non commune du condensateur 26. 7. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5 et 6, caractérisé par le fait qu'une inductance de filtrage 3, associée ou non à un condensateur de filtrage 40, soient montés respec vivement en série et en parallèle sur la source d'alimentation. 8. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5,6,et 7, caractérisé par le fait qu'un potentiomètre de gradation 36 soit insèré entre la résistance 25 et le condensateur 26 de manière à modifier l'angle de phase de déclenchement du diac 24. 9. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5,6,7 et 8, caractérisé par le fait qu'un condensateur 37 connecté entre l'une des bornes de la source d'alimentation et l'une des bornes du condensateur 26 assure une contre-réaction qui tende à éliminer les interférences provoqués par un gradateur externe. 10. Dispositif selon les revendications 1,2,1,a,5,6,7,8 et 9, caractérisé par le fait que les inductances 15 et 16, peuvent appartenir, ou non, au même circuit magnétique. 11. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5,6,7,8,9,et 10, caractérisé par le fait que les électrodes de sortie des transistors 20 et 23 sont connectées respectivement à l'une des bornes d'un enroulement primaire 13, lequel est doté d'un point milieu primaire qui se trouve raccordé au point milieu des condensateurs 27 et 30 montés en série. 12. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5,6,7,8i9,10 et 11, caractérisé par le fait que deux condensateurs 34 et 35 connectés respectivement entre le collecteur et la base des transistors 20 caractérisé par le fait que deux condensateurs 34 et 35, connectés respfctivement entre le collecteur et la base des transistors 20 et 23, assurent une contre-réaction energique visant à éliminer les parasites de commutation.