Brevet FR2652687A1 — publié le 19910405

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de protection contre la surcharge et le court-circuit de circuits de pilotage de sortie. Les circuits de pilotage de sortie (transis- tors, transistors à effet de champ FET, etc.) d'une sor- tie de commande utilisée pour commander la fourniture d'énergie électrique à un récepteur sont détériorés en cas de surcharge ou de court- circuit. Un dispositif de protection contre la surcharge et le court- circuit est proposé, par exemple, dans le brevet US 4 695 915. Ce dispositif n'utilise pas de valeur de référence, ce qui a pour conséquence qu'on ne peut pas fixer la limite de courant de surcharge à une valeur désirée. En outre, la limite de courant change avec les variations de la ten- sion d'alimentation du récepteur, puisque ces variations modifient le courant de base. De plus, le transistor de sortie nécessite un courant de commande important, ce qui entraîne de fortes pertes thermiques. Pour cette raison, il est pratiquement impossible d'intégrer plu- sieurs sorties dans un circuit imprimé unique. En outre, le dispositif n'est pas immédiatement activé lorsqu'on applique le signal de commande. Au contraire, une impul- sion extérieure séparée est nécessaire. L'objet de la présente invention est d'éviter les inconvénients ci-dessus et de procurer un système de protection qui ne nécessite pas de résistances,con- sommant de l'énergie et générant de la chaleur,en série avec la charge réceptrice. De telles résistances entrai- nent des pertes thermiques qui rendent impossible l'in- tégration de plusieurs unités de protection dans le même boîtier. Le procédé de l'invention pour la protection contre la surcharge et le courtcircuit d'éléments de commande de sortie est caractérisé en ce qu'au moins un élément de commande de sortie est commandé dans une situation normale par une tension de référence qui est fixée indépendamment d'une commande extérieure, tandis que, dans une situation de surcharge ou de court-circuit, le signal de commande est appliqué pendant de courts ins- tants seulement, et en ce que, lorsque le courant de charge de l'élément de sortie dépasse une certaine Iimi- te, la valeur de référence commence à diminuer rapidement. Les caractéristiques des autres modes de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention et du dispositif prévu pour l'application du procédé sont indiquées dans les autres revendications annexées. L'invention procure l'avantage important que le circuit de pilotage de sortie est complètement isolé même dans une situation de surcharge momentanée, ce qui a pour effet que la génération de chaleur est immédia- tement empêchée. En outre, l'invention comporte des dispositions pour le contrôle de la présence d'une situation de surcharge ou de court-circuit au moyen de très courtes impulsions appliquées à certains interval- les et, pour que le circuit de pilotage soit à nouveau activé, le courant de charge doit être plus faible que dans une situation dé surcharge. Cet agencement assure qu'il ne peut jamais se produire de surchauffe. On peut ainsi intégrer plusieurs sorties (par exemple sept) dans un circuit unique. En outre, le circuit peut être directe- ment commandé par un microprocesseur. De plus, le circuit de commande peut être réalisé sous la forme d'un circuit de type drain ou de type source. Le circuit protège l'élément de pilotage de sortie contre tout type decourt-circuit ou de surcharge. La surchauffe de 1' élément de pilotage est pratiquement impossible, ce qui améliore la fiabilité et donne une plus longue vie utile. Le circuit n'utilise pas de ré- sistances de puissance ni de composants produisant de la chaleur. Cela permet de créer un circuit intégré com- prenant par exemple huit sorties de commande, ce qui évi- te la nécessité de solutions comportant des boîtiers com- pliqués. On peut également fabriquer un circuit à com- patibilité de broches avec le circuit présentement uti- lisé, de sorte qu'on peut effectuer la protection con- tre les courts-circuits par remplacement de l'ancien cir- cuit par un nouveau. Outre les dispositions qui précèdent, l'inven- tion comprend encore d'autres dispositions qui ressorti- ront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: la figure la est un schéma de principe de la protection contre lescourts-circuits et les surcharges dans le cas d'une sortie de commande de type source; la figure lb est un schéma illustrant le prin- cipede la protection contre lescourts-circuits et les surcharges, dans le cas d'une sortie de commande de type drain; la figure 2 représente une protection contre les surcharges et lescourts-circuits, de type source; la figure 3 représente une protection contre les surcharges etlescourtscircuits, de type drain; la figure 4 représente les cycles de fonction- nement du circuit dans une situation normale; et la figure 5 représente les cycles de fonction- nement du circuit pendant une situation de surcharge ou de court-circuit. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'ob- jet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. On considère d'abord un élément de pilotage de sortie de commande de type source (transistor, FET, etc.) qui est détérioré en cas de surcharge ou de court- circuit. Le schéma de la figure 1 illustre le principe de fonctionnement du circuit de protection contre les courts-circuits et les surcharges pour ledit élément de pilotage. Lorsqu'un signal d'entrée devient actif, une logique de commande 1' envoie une courte impulsion de détection à l'élément 3' et contrôle en même temps la sortie pour rechercher la présence d'une situation de court-circuit ou de surcharge. S'il n'y a pas de situation de court-circuit ou de surcharge, la logique de commande 1' applique à l'élément de pilotage 3' un signal de com- mande déterminé par une valeur de référence de commande 2', et l'élément de pilotage devient ainsi actif. Par contre, s'il y a une situation de court-circuit ou de surcharge, un circuit 4' de contrôle de surcharge et de court-circuit interrompt le signal de commande envoyé par la logique 1' à l'élément de pilotage. Après dispa- rition de la situation de surcharge ou de court-circuit, l'élément de pilotage est à nouveau activé par une im- pulsion venant de l'oscillateur 2'. L'oscillateur con- trôle la durée de la situation de court-circuit ou de surcharge par envoi decourtes impulsions de détection, par l'intermédiaire de la logique de commande, à l'élément de pilotage, à intervalles réguliers et, dès qu'on ne détecte plus de situation de surcharge/court-circuit, l'élément de pilotage peut continuer à fonctionner con- formément à l'entrée. La figure 2 représente les unités de commande d'éléments de pilotage de type source pour sept entrées Il... I7, les unités de commande pour les entrées Il et I7 étant représentées sur lafigure. Toutes ces unités de commande sont identiques en construction et en fonc- tionnement, de sorte qu'on décrit seulement ici l'unité pour l'entrée Il. Sur la figure, le dernier chiffre du repère des composants de l'entrée Il est 1 et il est 7 pour les composants de l'entrée I7. L'élément de pilotage de sortie est constitué de deux transistors Q31 et Q41 connectés comme une paire Darlington. L'émetteur de la paire Darlington est raccor- dé à latension d'alimentation +Vcc, tandis que le collec- teur est raccordé à la sortie 01. Dans le circuit de com- mande de l'élément de pilotage de sortie, l'émetteur d'un premier transistor Q1 est raccordé au collecteur d'un transistor auxiliaire Q21, le collecteur est raccordé à la base d'un deuxième transistor Qll et la base est raccordée à un point compris entre une première résis- tance R71, dont l'autre extrémité est raccordée à la ten- sion d'ralimentation +Vcc, et une deuxième résistance R61 dont l'autre extrémité est raccordée au collecteur du transistor oscillateur Q50. L'émetteur du transistor auxiliaire Q21 est raccordé à la tension d'alimentation +Vcc. L'émetteur et la base de Q21 sont connectés par une troisième résistance Ri. Le signal d'entrée Il, par l'intermédiaire d'une quatrième résistance R21, est ap- pliqué à la base d'un troisième transistor Q51 dont l'é- metteur est raccordé à la terre et dont le collecteur est raccordé, à travers un condensateur Cl, à la base du premier transistor Q1. Le collecteur de Q51 est égale- ment raccordé, à travers une cinquième résistance R41, à la base du transistor auxiliaire Q21 et, à travers une sixième résistance R31, à la base d'un quatrième transistor Q61. L'émetteur du deuxième transistor est raccordé au collecteur du transistor auxiliaire; la base est raccordée à la sortie O1 à travers une septième ré- sistance Rll, et le collecteur est raccordé à la base de l'élément de pilotage de sortie et,à travers une huitième résistance R51,à l'émetteur du quatrième tran- sistor Q61. Dans chaque unité, le collecteur du quatriè- me transistor Q61 est raccordé à un point entre une diode Zener D8 et une neuvième résistance R10, l'autre borne de la diode Zener étant raccordée à la tension d'a- limentation +Vcc tandis que l'autre extrémité de la résis- tance est mise à la terre, la tension de référence Vd étant prise audit point. Le circuit comprend un oscillateur qui est com- mun à toutes les unités de commande et consiste en un condensateur C2 et deux circuits intégrés à bascules de Schmitt. Une résistance R9 et un circuit en série d'une diode D9 et d'une résistance R8 sont connectés aux bornes des bascules de Schmitt. La sortie de l'ampli- ficateur est raccordée, à travers une résistance R50, à la base du transistor Q50 dont l'émetteur est à la terre. Lorsque la tension à l'entrée Il augmente au-dessus du seuil, le troisième transistor Q51 commence à conduire, ce qui rend également conducteur le transistor auxiliaire Q21. Le premier transistor Q1 est maintenant rendu con- ducteur par un signal obtenu par l'intermédiaire du con- densateur CI. Ainsi, le deuxième transistor Qll reçoit un signal de base qui l'empêche d'être conducteur. Il résulte de ces actions que le quatrième transistor Q61 commence à conduire, ce qui applique une tension de commande à la base de l'élément de pilotage de sortie. La diode D8 constitue un régulateur de polarisation assu- rant que de petites variations de la tension d'alimen- tation n'affectent pas la commande de l'étage de sortie. Le circuit de contrôle de surcharge et de court-circuit est constitué du deuxième transistor Qll etde la sep- tième résistance Rll. Lorsque la tension du signal de sortie O1 chute, le résultat est que le deuxième transis- tor Qll commence à conduire, ce qui modifie la tension de base de l'élément de pilotage de sortie de sorte que ce dernier commence à devenir non conducteur. Cela a encore pour effet que la tension de sortie O1 continue à chuter rapidement. De cette manière, l'élément de pilo- tage de sortie est très rapidement coupé. La circulation de courant de fuite est empêchée au moyen du transistor auxiliaire Q21, de la troisième résistance R1 et de la cinquième résistance R41. Le circuit oscillateur fournit une courte im- pulsion à intervalles réguliers, pour contrôler la pré- sence par exemple d'une situation de court-circuit. L'impulsion del'oscillateur rend conducteur le premier transistor Q1, ce qui empêche la conduction par le deu- xième transistor Qll. L'élément de pilotage de sortie est maintenant commandé par le quatrième transistor Q61. Si la situation de court-circuit a disparu, la tension de sortie en O1 ne chute pas et l'élément de pilotage de sortie reste donc dans l'état de conduction. Lors- que l'entrée Il passe à l'état bas, le troisième tran- sistor Q51 cesse de conduire, ce qui rend le quatrième transistor Q61 non conducteur. Ainsi privé de son signal de commande de base, l'élément de pilotage de sortie ne conduit plus. On considère maintenant un élément de pilotage de sortie de commande de type drain(transistor, FET, etc.) qui est détérioré en cas de surcharge ou de court- circuit. Dans ce cas, la protection contre la surcharge/ court-circuit est basée sur le principe illustré sur la figure lb, qui correspond complètement au principe de la figure la. La seule différence est que, dans ce cas, la charge est connectée à la tension d'alimentation tan- dis que,dans le cas d'un circuit de protection de type source, la charge est raccordée à la terre. La figure 3 représente les unités de com- mande pour des éléments de pilotage de type drain pour sept entrées Il'...I7'. Les unités de commande sont iden- tiques en construction et en fonctionnement et elles ont toutes les mêmes composants. Les composants de chaque unité sont désignés par des repères dans lesquels le der- nier chiffre correspond au numéro de l'entrée concernée. On considère maintenant à titre d'exemple l'unité de commande de l'entrée Il'. Dans ce cas également, l'élément de pilotage de sortie est contitué de deux transistors Q31' et Q41' connectés en une paire Darlington. Dans le circuit de commande de l'élément de pilotage de sortie, le collec- teur du premier transistor Qi' est raccordé à une résis- tance Rll',dont l'autre extrémité est raccordée à la sortie O1', et à la base d'un deuxième transistor Qll', l'émetteur est raccordé à l'émetteur du deuxième tran- sistor Qll' et la base estraccordée à l'entrée Il' à travers un condensateur Cl'. La base de l'élément de pi- lotage de sortie et le collecteur du deuxième transis- tor Qll' sont connectés, par l'intermédiaire d'une deu- xième résistance R31', à un point situé entre une troi- sième résistance R100', qui est commune à tous les élé- ments de pilotage et qui est connectée à la tension d'a- limentation Vcc', et une diode Zener D8' raccordée à la terre, la tension deréférence Vd' étant prise à ce point. Une deuxième diode Dl' est collectée entre l'en- trée Il' et la deuxième résistance R31'. La base du tran- sistor auxiliaire Q21' est raccordée à l'entrée à travers une quatrième résistance Ri', le collecteur est raccordé à l'émetteur du deuxième transistor Qll', et l'émetteur ainsi que l'émetteur de l'élément de pilotage de sortie sont raccordés à la terre. La base du premier transis- tor QI' est raccordée à un oscillateur par l'intermédiai- re d'une cinquième résistance R21'. L'oscillateur est commun à toutes les unités de commande et il est constitué de deux circuits intégrés à bascule de Schmitt IC' connectés à un condensateur C8'. Une résistance R9' et un circuit en série composé d'une diode D9' et d'une résistance R8' sont raccordés de part et d'autre des bascules de Schmitt. Lorsque l'entrée Il' devient haute, le premier transistor Qi' est rendu conducteur par une tension ap- pliquée à sa base à travers le condensateur Ci', ce qui empêche la conduction par le deuxième transistor Qll'. Le courant circulant dans la deuxième résistance R31' est maintenant envoyé à la base de l'élément de pilotage de sortie. Si le collecteur de l'élément de pilotage de sortie possède la charge correcte, alors la tension du collecteur tombe au-dessous d'une certaine valeur, de sorte que le deuxième transistor Qll' ne reçoit pas de tension de base et que l'élément de pilotage de sortie reste dans l'état conducteur. Lorsque l'entrée est basse, aucun courant de fuite ne peut circuler du collecteur de l'élément de pilotage desortie à la terre, par l'in- termédiaire dela première résistance R11' et de la base du deuxième transistor QI', puisque le transistor au- xiliaire Q21' n'est pas conducteur. Dans le cas o le collecteur de l'élément de pilotage de sortie est court-circuité à la tension d'a- limentation, alors après la courte impulsion allant du condensateur Ci' à la base du premier transistor, le deuxième transistor devient conducteur puisqu'il re- çoit une tension de base venant du collecteur de l'élé- ment de pilotage de sortie. Par conséquent, le courant qui circule dans la deuxième résistance R31' est envoyé à la terre à travers le deuxième transistor, de sorte que l'élément de pilotage de sortie ne reçoit pas de cou- rant de commande et reste coupé. Le condensateur Cl' oblige la sortie à pren- dre l'état correspondant à l'entrée, directement sans attendre une impulsion del'oscillateur. Dans une situation de court-circuit par exemple, les impulsions fournies par l'oscillateur à intervalles réguliers contrôlent la présence de l'état de court- circuit. Si le collecteur de l'élément de pilotage de sortie est encore en liaison de court-circuit avec la tension d'alimentation, alors la tension de commande appliquée à sa base ne produit pas une réduction suf- fisante de la tension de collecteur, de sorte que l'élé- ment de pilotage de sortie reste coupé. Lorsque la situation de court-circuit disparaît, l'impulsion fournie par l'oscillateur provoque la chute de la tension de collecteur de l'élément de pilotage de sortie, de sorte que le deuxième transistor Qll' ne reçoit pas de tension de commande et est donc non conducteur. Ainsi, le courant venant de la deuxième résistance R31' circule dans la base de l'élément de pilotage de sortie qui reste donc dansl'état conducteur. Si on le désire, on peut commuter l'élément de pilotage de sortie à l'état non conducteur, par mise de l'entrée Il à l'état bas. Dans ce cas, le courant venant de la deuxième résistance R31' ne circule pas vers la base de l'élément de pilotage de sortie qui cesse donc de conduire. L' impulsion d'oscillateur ne provoque pas non plus la mise en conduction de l'é- lément de pilotage de sortie. La diode Zener D8' maintient une tension de base constante même si la tension d'alimentation Vcc' varie. La figure 4 représente les cycles de fonction- nement dans une situation normale et la figure 5 repré- sente les cycles de fonctionnement dans une situation de surcharge ou de court-circuit, avec indication des actions aux points suivants du circuit (voir la figure lb): 1 entrée, 2 entrée de l'élément de pilotage, 3 sortie de l'élément de pilotage, 4 oscillateur. Les flèches indiquent la séquence d'évènements. Dans une situation normale, l'entrée de l'unité de commande dé- termine l'entrée de l'élément de pilotage qui détermi- ne à son tour la sortie de l'élément de pilotage. Sur la figure 5, une situation de court-circuit ou de sur- charge apparaît à l'instant 1" et disparaît à l'instant 2". Pendant cette situation, l'oscillateur envoie une impulsion qui apparaît à l'entrée de l'élément de pi- lotage et donc également à sa sortie. Lorsque la situa- tion anormale a disparu, l'impulsion fournie par l'os- cillateur a pour effet de rétablir le fonctionnement normal. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in- vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la protectiond'1éléments de pi- lotage de sortie contre les surcharges et les courts- circuits, caractérisé en ce qu'au moins un élément de pilotage de sortie (Q31,Q41;Q31',Q41')est commandé dans une situation normale par une valeur de référence (+Vd) éta- blie indépendamment d'une commande extérieure (I1-I7_ I1'-I7'), tandis que dans une situation de surcharge ou de court-circuit le signal de commande est appliqué pen- dant de courts instants seulement, et en ce que, lors- que le courant de charge de l'élément de pilotage de sortie dépasse une limite fixée, la valeur de réfé- rence commence à diminuer rapidement. 2. Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que, lorsque la tension d'entrée est appliquée, la logique de commande (1') envoie une im- pulsion de détection à l'élément de pilotage (3') pour vérifier si la sortie est en état de surcharge ou de court-circuit etelle empêche l'élément de pilotage de re- cevoir un signal de commande pendant une telle situation, et en ce que la durée de l'état de surcharge ou de court- circuit est contrôlée au moyen d'impulsions de détec- tion envoyées par l'intermédiaire de la logique de com- mande (1') à l'élément de pilotage (3') à intervalles réguliers, l'élément de pilotage (3') étant autorisé à continuer à fonctionner conformémentà l'entrée dès que l'état de surcharge ou de court-circuit a disparu. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur de référence introduite dans l'élément de pilotage de sortie est réduite par li- mitation du courant de commande qui circule dans sa base, dans une situation de court-circuit ou de surcharge,au moyen d'un dispositif qui procure un autre chemin, en plus du chemin traversant 1' élément de pilotage de sor- tie, pour le courant de commande, au moins une partie de ce courant étant dérivée dans ledit autre chemin dans une situation de surcharge ou de court-circuit. 4. Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le courant dans ledit autre chemin circule à travers un commutateur (Qll; Qll') commandé par la tension de collecteur ou d'émet- teur de l'élément de pilotage de sortie. 5. Dispositif pour la protection d'éléments de pilotage de sortie contre les surcharges et les courts- circuits, conçu pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que, pour chaque élément de pilotage (3'), le dispositif comporte une logique de commande (1') pour commander l'élément de pi- lotage au moyen d'une valeur de référence (+Vd;+Vd') établie indépendamment de la commande extérieure (I1-I7; Il' et I7') et fournie par une unité de tension de réfé- rence (2'), un circuit de contrôle de surcharge et de court-circuit (4') qui empêche la circulation du cou- rant de commande vers l'élément de pilotage pendant une situation de surcharge ou de court-circuit, et un oscil- lateur (5') qui contrôle la durée de la situation de court-circuit ou de surcharge au moyen d'impulsions de détection fournies à l'élément de pilotage par l'inter- médiairede la logique de commande. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que, lorsque la tension d'entrée est appliquée, la logique de commande émet une impulsion de détection pour détecter s'il existe une situation de sur- charge ou de court-circuit. 7. Dispositif suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le dispositif comporte des com- mutateurs statiques commandés parmi lesquels, dans une situation normale, le premier commutateur (Qi) est rendu conducteur par empêchement de la conduction par un deu- xième commutateur (Qll) lorsque l'entrée (I1-I7) devient haute et un troisième commutateur (Q51) commence à con- duire, rendant conducteur le premier commutateur, de sor- te qu'un quatrième commutateur(Q61) commence à condui- re, activant l'élément de pilotage de sortie, et il com- porte une résistance (Rll) qui constitue en combinaison avec le deuxième commutateur un circuit de contrôle de surcharge et de court-circuit dans lequel, lorsque la tension de sortie (01-07) chute dans une situation de surcharge ou de court-circuit, ledit deuxième commuta- teur commence à conduire, ce qui dérive le courant de commande de la base de l'élément de pilotage de sortie, et un oscillateur qui est commun à tous les éléments de pilotage et émet des impulsions dedétection à in- tervalles réguliers, ces impulsions rendant conducteur le premier commutateur, avec l'effet que le deuxième com- mutateur cesse de conduire et que l'élément de pilotage de sortie reçoit son courant de commande par l'intermé- diaire du quatrième commutateur (Q61). 8. Dispositif suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le dispositif comprend des commutateurs statiques commandés parmi lesquels, lors- que la tension d'entrée est appliquée dans une situation normale, le premier commutateur (Q1') devient conduc- teur, ce qui empêche la conduction par le deuxième commu- tateur (Ql'), de sorte que le courant de commande peut circuler dans la base de l'élément de pilotage de sortie tandis que sa tension de collecteur ou équivalent tombe au-dessous d'un certain niveau et que l'élément de pilo- tage reste dans l'état conducteur, tandis que dans une situation de surcharge ou de court-circuit le deuxiè- me commutateur (QU1') est rendu conducteur, ce qui a pour effet que le courant de commande est envoyé à la terre à travers le deuxième commutateur, de sorte que l'élément de pilotage de sortie ne reçoit pas de cou- rant de commande et reste donc coupé, en ce que le circuit de contrôle de surcharge et de court-circuit du disposi- tif est constitué d'une résistance (Rll') et du deuxiè- me commutateur (Qll'), et en ce que les impulsions in- troduites dans leséléments de pilotage de sortie à in- tervalles réguliers par l'oscillateur commun servent à vérifier si la situation de court-circuit ou de surchar- ge a disparu, de sorte que, lorsque par exemple une si- tuation de court-circuit disparaît, l'impulsion de l'os- cillateur entraîne la chute de la tension du collecteur de l'élément de pilotage ou une tension équivalente et dans ce cas le deuxième commutateur (Qll') ne reçoit: pas de courant de commande et est donc coupé, de sorte que le courant de commande peut circuler dans la base de l'élément de pilotage, maintenant ainsi ce dernier dans l'état conducteur.