Brevet FR2607638A1 — publié le 19880603

j. CIRCUIT D'ALIMENTATION EN BASSE TENSION, SANS TRANSFORMATEUR ABAISSEUR DE LA TENSION DU SECTEUR. La présente invention concerne un circuit d'alimentation en basse tension, directement à partir de la tension du secteur, sans utilisation d'un transformateur électromagnétique. Ce circuit d'ali- mentation, destiné à l'alimentation de circuits intégrés utilise un transfert de charge électrique entre deux condensateurs, par l'inter- médiaire d'un dispositif semiconducteur de puissance tel qu'un thyristor ou un triac. Lorsque la tension de sortie devient inférieure à un seuil prédéterminé, un circuit de surveillance déclenche le dispositif semiconducteur de puissance. L'alimentation basse tension sans transformateur selon l'inven- i0 tion est destinée à alimenter les circuits intégrés qui eux-mêmes commandent un triac, dans son utilisation pour le contrôle d'une charge directement branchée sur le secteur. Le triac est le compo- sant le mieux adapté pour commander des charges connectées sur le secteur. Actuellement, avec le développement des circuits intégrés, les triacs sont généralement commandés par des fonctions logiques, ou linéaires, ou même par un microprocesseur. Une solution éco- nomique consiste à déclencher directement, sans transformateur ni coupleur optoélectronique, le triac par le circuit de commande. Ceci nécessite la réalisation d'alimentations basse tension à courant continu, qui conservent un point commun avec le secteur, de telle façon qu'il n'y ait pas de différence de masse entre les circuits d'alimentation, de commande, le triac et la charge commandée. Le courant de sortie de ces alimentations doit être suffisant pour amorcer le triac, mais également alimenter éventuellement d'autres composants tels que des afficheurs. La figure I représente le schéma électrique de l'utilisation d'une alimentation à basse tension, sans transformateur, pour ali- menter une charge au moyen d'un triac branché sur le secteur. Une charge 1, qui peut être par exemple une résistance, est connectée directement sur le secteur, en 220 Volts alternatif par exemple, par l'intermédiaire d'un triac 2. Celui-dci est déclenché en temps voulu et pendant le temps nécessaire, par un circuit de commande 3, dont le signal de sortie commande un diac 4 qui fait basculer la gachette du triac 2. Le circuit de commande qui est très fréquemment, actuellement, un circuit linéaire ou logique ou un microprocesseur nécessite une alimentation qui lui est fournie par une alimentation basse tension 5. En fonction de ce qui a été dit précédemment, il est intéressant que l'alimentation basse tension 5 ait un point commun de masse avec les circuits intégrés du circuit de commande 3, et avec le secteur. L'objet de l'invention est de proposer une alimentation basse tension, telle que 5, qui n'ait pas de transformateur abaisseur de tension, de sorte qu'il existe un point commun entre le secteur, l'alimentation basse tension 5, et le (ou les) circuit(s) intégré(s) 3 de commande du triac 2. Le fondement de l'alimentation basse tension selon l'invention réside en un transfert de charges électriques entre deux conden- sateurs, le premier condensateur étant chargé par le secteur et le second condensateur étant déchargé par le circuit qu'il alimente. Entre les deux condensateurs se trouve un moyen de commutation, qui est un thyristor ou un triac, et un circuit de surveillance. Lorsque la tension aux bornes du second condensateur s'abaisse en dessous d'un seuil prédéterminé, parce que le circuit alimenté a consommé une partie de l'énergie stockée dans le second conden- sateur, le circuit de surveillance ferme le moyen de commutation et le premier condensateur transfère sa charge électrique dans le second condensateur. A ce moment là le niveau d'énergie dans le second condensateur étant remonté au dessus du seuil prédéterminé le circuit de surveillance ouvre le moyen de commutation, et le premier condensateur se recharge sur le secteur. De façon plus précise l'invention consiste en un circuit d'ali- mentation en basse tension, sans transformateur abaisseur de la tension du secteur, caractérisé en ce qu'il comporte un premier condensateur, branché aux bornes d'entrée du circuit sur le secteur, et un second condensateur, branché aux bornes de sortie du circuit, sous basse tension, l'énergie stockée dans le premier condensateur étant transférée dans le second condensateur par un moyen de commutation, qui est un dispositif semiconducteur de puissance, contrôlé par un circuit de surveillance du niveau d'énergie dans l'un des deux condensateurs. L'invention sera mieux comprise par la description détaillée qui suit de quelques exemples de réalisation, cette description s'appuyant sur les figures jointes en annexe qui représentent: figure I: schéma électrique de l'utilisation d'une alimentation en basse tension, pour alimenter une charge au moyen d'un triac cette figure a été précédemment décrite, figure 2: schéma électrique de principe de l'alimentation selon l'invention, figure 3: schéma électrique de l'alimentation positive selon l'invention, figures 4, 5, 6: oscilogrammes en différents points de l'ali- mentation positive de la figure 3, figure 7: schéma électrique de l'alimentation négative selon l'invention, figure 8: schéma électrique d'une forme simplifiée de l'ali- mention positive selon l'invention, figures 9 et 10: oscilogrammes en différents points de l'alimentation positive simplifiée, figure 11: schéma électrique d'une forme simplifiée de l'alimentation négative selon l'invention. La figure 2 représente le schéma électrique de principe de l'alimentation basse tension selon l'invention: elle correspond au diagramme en bloc 5 de la figure 1. Cette alimentation reçoit sur deux bornes d'entrée la tension du secteur, et délivre sur deux bornes de sortie une tension continue d'alimentation Vcc, qui est de l'ordre de 15 Volts par exemple sous un débit pouvant atteindre 150 milliampères. Le fondement de cette alimentation est donc qu'un premier condensateur 6 est chargé directement par le secteur, et qu'il transfère sa charge électrique à un second condensateur 7, qui sert de source d'énergie pour le circuit d'utilisation branché aux bornes de sortie. L'énergie du premier condensateur 6 est transférée au second condensateur 7 à travers un moyen de commutation qui est un thyristor ou un triac 8. Ce moyen de commutation est ouvert ou fermé par un circuit de surveillance 9 qui mesure en permanence le niveau d'énergie soit dans le second condensateur 7 soit dans le premier condensateur 6. Lorsque le niveau dans le condensateur 7 s'abaisse en dessous d'un seuil prédéterminé le circuit de surveil- lance 9 agit sur la gachette du thyristor ou du triac 8 ce qui permet de recharger le second condensateur 7. Le premier condensateur 6, de capacité de l'ordre de 2,2 /pF/600V, est chargé par le secteur par l'intermédiaire d'une impé- dance en série 10. Une self 11 permet de lisser le courant qui est transféré du premier vers le second condensateur 7, électro- chimique, de capacité de l'ordre de 2200/v F sous 25 V. Ce schéma de base, qui est valable pour les quatre formes d'alimentation décrites par la suite, positive, négative, et leurs deux formes simplifiées, est explicité plus en détail dans la figure 3. L'impédance série 10 de la figure 2 est en fait, sur la figure 3 constituée par un condensateur 12, connecté au point chaud du secteur et un montage redresseur constitué par les deux diodes 13 et 14. Le condensateur 12 sert de doubleur de tension, ce qui permet de charger davantage et plus rapidement le condensateur 6, donc de stocker davantage cPd'énergie dans un plus petit volume. Le conden- sateur 12 sert également d'impédance série, avant le pont redresseur constitué par les diodes 13 et 14. Pendant la demie période croissante de la tension du secteur, un courant charge en positif le condensateur 6, à travers le circuit composé par 12 et 14. Pendant la demie période décroissante du secteur, la diode 13 charge le condensateur 6 à l'envers. Le cycle peut donc se répéter à chaque période secteur. La charge du condensateur 6 est cummulable jusqu'à obtenir à ses bornes une tension d'environ 600 Volts, si le secteur est de 220 Volts. Le circuit de surveillance 9 de la figure 2 est composé, sur la figure 3, par l'ensemble des composants, hormis la self Il et le thyristor 8, qui se trouvent entre les deux condensateurs 6 et 7. Ce circuit de surveillance comprend un condensateur de déclenchement , qui déclenche le thyristor ou le triac 8 à travers un diac 16. Le condensateur 15 est chargé à partir de la tension aux bornes du condensateur 6, par l'intermédiaire d'une résistance 17 de valeur élevée et d'une diode zéner 18. Mais l'énergie aux bornes du condensateur 15 est également surveillée par un transistor 19 monté en parallèle avec le condensateur 15, et dont la base est reliée à un pont diviseur constitué par une diode zéner 20 en série avec deux résistances 21 et 22. La diode zéner 20 est réunie au point chaud du circuit d'utilisation ou du condensateur 7, et la base du transistor 19 est réunie au point intermédiaire entre les deux résistances 21 et 22. La diode zéner 18 sert au démarrage, lorsqu'on branche l'alimentation basse tension. Elle permet de ne pas transférer de charge depuis le condensateur 6 vers le condensateur 7 tant que le premier condensateur 6 n'est pas suffisamment chargé et n'a pas atteint au moins la tension de la diode zéner 18. Sans la diode zéner le secteur charge immédiatement le condensateur 15, qui amorce le thyristor 8. La résistance 17 est de très forte valeur: 470.000 ohms par exemple, pour ne pas décharger le premier condensateur 6. Si la résistance 17 est supprimée, la charge du condensateur 6 est limitée par la tension de basculement de la diode zéner 18. Lorsque l'alimentation est en service, et après la période de démarrage, si la tension Vcc est supérieure à la tension aux bornes des résistances 22 et 21 plus la tension d'avalanche de la diode zéner , le transistor 19 est saturé. Puisqu'il conduit il court-circuite le condensateur 15 qui ne peut se charger, et le thyristor 8 reste bloqué. Lorsque la tension Vcc devient inférieure à la tension aux bornes des résistances 22, 21 et la zéner 20, le transistor 19 se bloque. Le condensateur 15 se charge alors par l'intermédiaire par la résistance 17 et la zéner 18, et lorsque sa charge a atteint une certaine valeur il génère une impulsion dans la gachette du thyristor 8 par l'intermédiaire du diac 16. L'énergie stockée dans le premier condensateur 6 est transféré dans le second condensateur 7 par l'intermédiaire du thyristor 8; l'inductance 11 permet de controler le courant pendant cette phase de transfert. La valeur de la diode zéner 20 fixe le seuil minimum de l'alimentation. La tension maximum est déterminée par le rapport des condensateurs 6 et 7. Ces deux grandeurs de tensions minima et maxima déterminent le taux d'ondulation. La fréquence de charge du condensateur 7 est fonction du courant débité par l'alimentation. On peut obtenir une tension de sortie Vcc ajustable en remplaçant l'une des deux résistances 21 et 22, ou les deux, par un potentiomètre qui permet de faire varier le niveau d'énergie stockée dans le conden- sateur 7. Le condensateur 6 se comporte dans ce montage comme un filtre passe-bas: il supprime tout risque d'amorçage intempestif du thyristor 8 pour des transitoires provenant du secteur. Les figures 4, 5 et 6 fournissent les oscilogrammes mesurés en différents points du circuit de l'alimentation selon l'invention de la figure 3. Sur la figure 4 la courbe 23 représente la tension du secteur, considéré comme base de temps pour les oscilogrammes. La courbe 25 donne le courant de charge du condensateur 6, la courbe 24 donne le courant total dans le condensateur 12. Le courant négatif est dO à la diode 13. La courbe 26 représente la tension aux bornes du condensateur 6: on voit qu'à chaque alternance du secteur, la tension aux bornes du condensateur 6 augmente jusqu'à atteindre une valeur proche de 600 Volts. Sur la figure 5, la tension du secteur étant toujours considérée comme une base de temps en 23, on voit que la tension aux bornes du condensateur 15 est représentée en 27: cette tension ne varie pas jusqu'au moment o le transistor 19 se bloque. Le condensateur se charge alors rapidement, à partir du condensateur 6, et à travers la résistance 17 et la diode zéner 18;. Au moment o le condensateur 15 a atteint une tension à ses bornes qui permet de faire basculer le diac 16 et conduire le thyristor 8, l'énergie stockée dans le condensateur 6 est brusquement transférée dans le conden- sateur 7. Cela correspond à la brusque chute de tension sur la courbe 26, et à une remontée du niveau d'énergie sur la courbe 28 qui donne la tension de sortie de l'alimentation selon Pinvention. La figure 6 donne l'influence du courant de sortie sur la fréquence du transfert de charge entre les deux condensateurs 6 et 7. Pour une tension de sortie de 15 Volts, la courbe 28 correspond à une intensité de 10 milliampères, la courbe 29 à une intensité de 40 milliampères, la courbe 30 à une intensité de 70 milliampères, et la courbe 31 à une intensité de 100 milliampères. Le transfert cd'éner- gie est d'autant plus rapide entre les deux condensateurs que le circuit qui consomme l'énergie stockée dans le second condensateur 7absorbe une intensité plus élevée. La figure 7 donne la schéma électrique d'une alimentation négative selon l'invention. Par rapport au schéma d'une alimentation à sortie positive de la figure 3, la schéma de la figure 7 est dans son ensemble symétrique par rapport à la masse, qui est ici constituée par la borne positive de la tension de sortie. Bien entendu les composants polarisés tels que les diodes 13 et 14, le transistor 19, et le condensateur électrochimique 7 sont adaptés à une sortie à tension négative. Dans l'alimentation sans transformateur selon l'invention, la tension aux bornes du second condensateur 7 est surveillée. Le i circuit de commande de la gachette du moyen de commutation 8 doit être connecté sur la sortie de l'alimentation, mais comme celle- ci est négative on ne peut disposer que cd'une impulsion de dé- clenchement négative. Dans ces conditions, un thyristor ne peut plus être utilisé, mais le triac peut s'amorcer et permettre le transfert de charge entre les deux condensateurs 6 et 7. Par conséquent pour une alimentation à sortie négative le moyen de commutation est un triac 8, avec une diode 32, montée en série sur l'anode A2 du triac pour supprimer tout risque de conduction inverse. Mis à part le remplacement d'un thyristor par un triac, le fonctionnement de l'alimentation négative de la figure 7 est donc en tout point comparable au fonctionnement de l'alimentation positive de la figure 3, et les oscillogrammes.fournis en figures 4, 5 et 6 sont transposables à une sortie sous tension négative. Le schéma électrique de la figure 8 correspond à une forme simplifiée de l'alimentation de l'invention, à sortie positive, et sans transformateur abaisseur de tension. Alors que selon les schémas des figures 3 et 7, le dispositif de surveillance 9 surveillait la tension aux bornes du condensateur de sortie 7, dans la forme simplifiée, en figure 8 pour une tension positive et en figure Il pour une tension négative, le système de surveillance contrôle la tension aux bornes du premier condensateur 6. Le procédé de charge du premier condensateur 6 sur le secteur est identique à celui utilisé dans les montages précédents. A chaque période du secteur, la tension aux bornes du condensateur 6 aug- mente jusqu'à un seuil fixé par la valeur de la diode zéner 18: la tension de seuil pour le déclenchement du moyen de commutation 8 est égale à la tension de la zéner 18 plus la tension de sortie Vcc. Dans cette forme simplifiée de montage le circuit de surveillance est constitué uniquement par une diode zéner 18 en série avec un condensateur 15, le diac 16 étant branché au point commun entre ces deux composants. Le condensateur 15 se charge à travers la diode zéner 18, et lorsque la tension à ses bornes atteint le seuil de retournement du diac 16, il génère une impulsion dans la gachette du moyen de commutation, le thyristor 8. Le thyristor s'amorce, et l'Pénergie stockée dans le premier condensateur 6 est transférée dans le second condensateur 7. La tension aux bornes du condensateur 7 augmente jusqu'à une tension maximale définie par la caracté- ristique d'une diode zéner 33 montée aux bornes du premier conden- sateur 7. Dans ce système d'alimentation simplifiée, la fréquence de charge du second condensateur 7 est donc indépendante de la puissance consommée. Les figures 9 et 10 donnent des oscillogrammes de charge premier condensateur 6, et de la tension de sortie. Sur la figure 9, la tension du secteur est rapportée en 23 comme base de temps. La courbe 34 donne la tension aux bornes du condensateur 6, qui se charge régulièrement lorsque la demie alternance est positive, et la courbe 35 donne le courant de charge du condensateur 6. Sur la figure 10, la courbe 36 correspond à la variation de la tension de la sortie pour une intensité consommée de 30 milliampères tandis que la courbe 37 donne la variation de tension de sortie pour une intensité consommée de 150 milliampères. On voit donc par compa- raison avec les courbes 28 et 31 de la figure 6, que dans la forme simplifiée de l'alimentation selon l'invention la fréquence de charge du second condensateur 7 est indépendante de la puissance consom- mee. La valeur du premier condensateur 6 doit être suffisante pour permettre de charger le condensateur 7 à la tension de sortie Vcc, lorsque le courant consommé est maximal. Si le courant de sortie est faible, le condensateur 7 se décharge peu et la diode zéner est alors traversée par le courant de décharge du condensateur 6. La figure 11 représente le schéma électrique d'une alimen- tation simplifiée selon l'invention, à tension de sortie négative. De même que l'alimentation négative de la figure 7 était symétrique de l'alimentation positive de la figure 3, cette alimentation négative simplifiée, en figure 11, est symétrique de l'alimentation positive simplifiée de la figure 8. Mais étant donné que dans le schéma simplifié on ne surveille plus la tension aux bornes de sortie sur le condensateur 7, mais la tension à l'entrée sur le condensateur 6, il s'en suit que le signal d'impulsion n'est plus un signal négatif. I1 n'y a pas de référence par rapport aux bornes de -Vcc. Donc on peut utiliser un thyristor 8, dont la gachette est du côté négatif. Pour l'ensemble des quatre schémas d'alimentation positive et négative, dans les formes normales ou simplifiées, on peut utiliser un triac à la place du thyristor 8. Il faut simplement brancher la gachette du triac de façon correcte par rapport à la tension de sortie, selon qu'elle est positive ou négative. L'alimentation basse tension selon lPinvention possède un cer- tain nombre d'avantages, dans ses deux formes normales ou simpli- fiées: - le potentiel de masse de l'alimentation est connecté direc- tement sur le secteur - les composants utilisés sont des composants standards, - les schémas sont simples, - lPalimentation est auto-protégée par une impédance série contre les courts-circuits en sortie, - le rendement est excellent et l'encombrement faible, ce qui est nécessaire pour son application avec des systèmes réalisés à base de circuits intégrés. La forme simplifiée de l'alimentation selon l'invention pré- sente seulement l'inconvénient d'une puissance dissipée dans la diode zéner de sortie, 33, lorsque Palimentation est en sous charge cette diode zéner peut débiter jusqu'à 1 W à vide pour une alimentation prévue pour 100 milliampères en sortie. A titre d'exemple non limitatif, les valeurs des composants utilisés aussi bien pour la forme normale que pour la forme simplifiée de l'alimentation basse tension sont les suivantes: Circuit de charge du premier condensateur: - condensateur 6: 2,2/pF, 600 V - condensateur 12: l/uF diodes 13 et 14: 1 N 4007 Self 11: 2 m H Thyristor 8: TYN 808, ou triac BTA 06700B + diac 16 DB3 Second condensateur 7: 2200/VF, 25 V Circuit de surveillance: - condensateur 15: 22 nF - Zéner 18: 150 V - résistance 17: 470 kQ. - transistor 19: 2 N 2222 pour une alimentation positive - transistor 19: 2 N 2907 pour une alimentation négative - Zéner 20: 15 V - résistance 21: 10 k -. - résistance 22: I k... L'alimentation basse tension sans transformateur selon l'inven- tion peut être réalisée avec d'autres composants que ceux cités ci- dessus à titre d'exemple sans sortir du domaine de l'invention, qui est précisée par les revendications suivantes. Le condensateur 6 se comporte dans ce montage comme un filtre passe-bas et il supprime tout risque d'amorçage intempestif du thyristor 8. REVENDICATIONS 1. Circuit d'alimentation en basse tension, sans transformateur abaisseur de la tension du secteur, caractérisé en ce qu'il comporte un premier condensateur (6), branché aux bornes d'entrée du circuit sur le secteur, et un second condensateur (7), branché aux bornes de sortie du circuit, sous basse tension, l'énergie stockée dans le premier condensateur (6) étant transférée dans le second conden- sateur (7) par un moyen de commutation (8), qui est un dispositif semiconducteur de puissance, contrôlé par un circuit de surveillance (9) du niveau d'énergie dans l'un des deux condensateurs (6 ou 7). 2. Circuit d'alimentation en basse tension selon la reven- dication 1, sans transformateur abaisseur de la tension du secteur, caractérisé en ce que le circuit de charge du premier condensateur (6) comprend une impédance série qui est un condensateur (12) et un circuit redresseur constitué par une première diode (13), connectée en inverse entre la masse et la borne de sortie de l'impédance série (12), et une seconde diode (14) connectée entre l'impédance série (12) et le premier condensateur (6). 3. Circuit d'alimentation en basse-tension, selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que, dans une première forme, le circuit de surveillance (9) mesure la tension aux bornes du second condensateur (7) et déclenche le moyen de commutation (8), avec une fréquence variable en fonction de l'intensité débitée, lorsque cette tension descend en dessous d'un seuil déterminé. 4. Circuit d'alimentation en basse tension selon la reven- dication 3, sans transformateur abaisseur de la tension du secteur, caractérisé en ce que le circuit de surveillance (9) comporte: - un diac (16), connecté entre la gachette du moyen de commutation (8) et le point commun à un condensateur de déclen- chement (15) et à une diode zéner (18), le condensateur de déclen- chement (15) étant chargé à partir du premier condensateur (6) à travers une résistance (17), de forte valeur, et la diode zéner (18) - un transistor (19), monté en parallèle avec le condensateur de déclenchement (15), et dont la base est asservie à la tension aux bornes du second condensateur (7) au moyen d'un pont diviseur constitué par une diode zéner (20) et deux résistances (21, 22). 5. Circuit d'alimentation en basse tension selon la reven- dication 3, sans transformateur.abaisseur de la tension du secteur, caractérisé en ce que, si la tension de sortie est positive par rapport à la masse, le moyen de commutation (8) est un thyristor. 6. Circuit d'alimentation en basse tension selon la reven- dication 3, sans transformateur abaisseur de la tension du secteur, caractérisé en ce que, si la tension de sortie est négative par rapport à la masse, le moyen de commutation (8) est un triac. 7. Circuit d'alimentation en basse tension selon la reven- dication 1, sans transformateur abaisseur de la tension du secteur, caractérisé en ce que, dans une seconde forme, le circuit de surveillance (9) mesure la tensiorn aux bornes du premier conden- sateur (6), et déclenche le moyen de commutation (8) avec une fréquence indépendante de l'intensité consommée, une diode zéner (33), montée en parallèle sur le second condensateur (7) controlant la tension aux bornes dudit second condensateur (7). 8. Circuit d'alimentation en basse tension selon la reven- dication 7, sans transformateur abaisseur de la tension du secteur, caractérisé en ce que le circuit de surveillance (9) comporte un diac (16) connecté entre la gachette du moyen de commutation (8) et le point milieu d'un circuit monté en parallèle sur le premier conden- sateur (6) et comportant un condensateur de déclenchement (15) et une diode zéner (18). 9. Circuit d'alimentation en basse tension, sans transformateur abaisseur de la tension du secteur, selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce que la tension du secteur, en entrée, et la basse tension, en sortie, ont une masse commune.