Brevet FR2654270A1 — publié le 19910510

La présente invention a pour objet un limiteur de la surtension qui apparaît aux bornes d'une charge inductive alimentée par une source à travers un premier interrupteur muni de moyens de fermeture périodique pendant des durées brèves Elle trouve une application particulièrement importante dans les installations à injection dites "monopoint" de moteurs à combustion interne et dans les dispositifs d'allumage par étincelles des moteurs, qui comportent une charge inductive (bobinage de l'injecteur ou primaire du transformateur de création de la haute tension d'allumage). On connaît déjà des limiteurs de surtension La plupart comportent simplement une diode Zener placée en parallèle avec le premier interrupteur et qui s'amorce lorsque la tension à ses bornes dépasse une valeur déterminée Cette solution a l'inconvénient de transformer en chaleur l'énergie stockée dans la charge. La présente invention vise à fournir un limiteur de surtension permettant de restituer à la source d'alimention, au moins partiellement, l'énergie stockée dans la charge inductive. Dans ce but, l'invention propose un limiteur comprenant, en plus du premier interrupteur, un second interrupteur de bouclage vers la source, caractérisé en ce qu'il comprend également une inductance placée en série avec le second interrupteur dans un circuit en parallèle avec la charge, un condensateur de découpage en parallèle avec le premier interrupteur et des moyens de commande du second interrupteur en réponse à la tension aux bornes de la charge. Cette disposition permet de réduire notablement la puissance dissipée dans le circuit d'attaque de la charge inductive qui regroupe le premier interrupteur (constitué généralement par un transistor) et ses moyens de commande Dans la pratique, une réduction de 30 % de la puissance dissipée est possible en ne mettant en oeuvre que des moyens simples, constitués par un interrupteur supplémentaire (qui d'ailleurs est prévu d'origine dans beaucoup de circuits d'allumage actuels et constitué par un simple transistor bipolaire ou MOS) et des moyens de commande très simples. Une diode de recirculation de courant est placée en parallèle avec l'inductance. La source de courant (généralement un accumula- teur) sera d'un type permettant l'absorption d'énergie électrique par circulation d'un courant inverse On peut considérer que l'ensemble du condensateur en parallèle avec le premier interrupteur, du second interrupteur, de l'inductance et des moyens de commande du second interrupteur constitue un convertisseur de tension à découpage, qui peut avoir un rendement élevé dans la mesure o les moyens de commande du second interrupteur sont correctement calibrés et o le condensateur est adapté à l'inductance. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un limiteur de surtension selon l'invention; la figure 2 est un schéma montrant l'évolution de la tension et du courant en plusieurs point du circuit de la figure 1; la figure 3 est un schéma d'installation d'injection monopoint équipée d'un limiteur du type montré en figure 1. Le schéma de la figure 1 montre les constituants essentiels d'une installation destinée à fournir des créneaux de courant de durée et de fréquence réglables à une charge 10 L'installation comprend une source 12 de courant continu, d 'un type pouvant récupérer 1 'énergie par circulation inverse de courant, constituée généralement par un accumulateur La durée et la fréquence des créneaux de courant traversant la charge sont fixées par la cadence et la durée de fermeture d'un interrupteur 14. Le schéma de la figure 1 est par exemple celui d'une installation d'injection monopoint pour moteurs à combustion interne, o la charge 10, ayant une inductance L et une résistance R, est constituée par le bobinage de l'injecteur Ce schéma est également celui des installations d'allumage dit "électronique" o la charge 10 est constituée par le primaire du transformateur d'allumage Dans un cas comme dans l'autre l'interrupteur 14 est en règle générale constitué par un transistor. Lors de la coupure du circuit par ouverture de l'interrupteur 14, la disparition du champ magnétique produit par la charge se traduit par une surtension Les installations actuelles comportent généralement, pour limiter cette surtension, un élément amorçable placé en parallèle avec l'interrupteur 14, constitué généralement par une diode zener L'énergie stockée dans la charge est alors dissipée en pure perte sous forme de chaleur qui doit être évacuée. Le limiteur de tension 16 montré en figure 1 permet au contraire de restituer à la source 12 1 'énergie stockée sous forme inductive dans la charge 10. Le limiteur 16 comporte dans ce but un circuit dont le fonctionnement est comparable à celui d'un convertisseur de tension à découpage, à rendement élevé. Il comprend un condensateur 18 placé en parallèle sur l'interrupteur 14 et une inductance 20 dont la valeur est choisie en fonction de la capacité du condensateur 18, pour obtenir une fréquence de découpage ayant un ordre de grandeur supérieur au k Hz Un commutateur 30 permet de fermer un circuit comprenant la charge 10 et l'inductance 20 Un élément à conduction unidirection- nelle, tel qu'une diode 32, placée en parallèle sur l'inductance 20 permet la recirculation de courant en shuntant l'inductance. Pour provoquer le fonctionnement en convertis- seur de tension, le commutateur 30, généralement consti- tué par un transistor, est commandé par un comparateur de tension 34 dont l'entrée est reliée au point situé entre la charge 10 d'une part, l'interrupteur 14 et le condensateur 18 d'autre part Le comparateur 34 est prévu pour fermer le commutateur 30 lorsque la tension de commande qu'il reçoit est inférieure à une valeur déterminée, afin de charger le condensateur, et ouvrir le commutateur 30 lorsque la tension est supérieure à cette valeur déterminée En fait, le comparateur est prévu pour présenter une hystérésis, c'est-à-dire provoquer l'ouverture pour une tension ayant une différence prédéterminée avec celle qui provoque la fermeture. Le fonctionnement du limiteur de la figure 1 apparaît sur la figure 2 o les lignes marquées I, V 1 et E montrent respectivement la variation en fonction du temps du courant qui traverse l'interrupteur 14, de la tension aux bornes du condensateur 18 (qui commande le comparateur 34) et de l'état du commutateur 30 (l'échelle n'étant pas respectée pour plus de clarté). Lorsque l'interrupteur 14 est fermé, un courant I fourni par la source 12 traverse la charge 10 et l'interrupteur 14 Lorsque l'interrupteur s'ouvre, à l'instant to, le courant qui le traverse s'annule La disparition du champ créé par l'inductance L de la charge 10 provoque une montée de la tension V 1 à ses bornes Le commutateur 30 étant alors ouvert, l'inductance tend à se décharger en faisant circuler un courant, de même sens que celui qui la traversait précédemment, à travers le seul trajet qui subsiste, à savoir le condensateur 18, en chargeant ce dernier Dès que la tension V 1 aux bornes du condensateur atteint une valeur V O + WV, le comparateur 34 ferme le commutateur 30 Le condensateur 18 se décharge alors à travers l'inductance 20 en restituant de l'énergie à la source 12 Dès que la tension V 1 est retombée à la valeur V 0-s V, par suite de la décharge du condensateur, le processus reprend Il s'achève lorsque l'énergie stockée dans l'inductance L devient incapable de recharger le condensateur 18: la tension V 1 descend alors progressivement, du fait des pertes, jusqu'à une valeur V'0 égale à la tension fournie par la source 12 La fermeture ultérieure de l'interrupteur 14 fait retomber la tension V 1 à 0 La diode 32 permet au courant de rebouclage de passer par un circuit à résistance faible. Des indications quantitatives, correspondant à une installation représentative, font apparaître l'intérêt de l'invention. Classiquement, la charge constituée par un injecteur monopoint à une inductance L de l'ordre de 2 m H et une résistance de l'ordre de 2 Ohms La puissance dissipée par le circuit de commande est alors réduite d'environ 1,5 W, c'est-à-dire de 30 %, par rapport à celle d'un circuit classique utilisant une diode Zener de limitation de surtension Ce gain de 30 % réduit la température du boîtier comportant le circuit et le calculateur de commande, ce qui rend l'ensemble plus fiable. La figure 3 montre une constitution possible d'une installation conforme au schéma de la figure 1. Les composants correspondants des deux figures portent le même numéro de référence L'interrupteur 14 est constitué par un transistor dont la base est alternati- vement portée à la masse et à une tension de commande +V 2, par exemple de 10 volts, par un calculateur, sché- matisé par un rupteur 36 L'interrupteur 14 permet de fermer par la masse le circuit de l'injecteur 10, relié en permanence à la source 12 fournissant une tension V'0, par exemple de 12 volts, sur la masse. Le commutateur 30 est constitué également par un transistor dont la base est reliée d'une part, par la mise en série d'une résistance et d'une diode 38, au condensateur 18, d'autre part, par une résistance, à un transistor d'attaque 40 Pour un condensateur 18 de 10 n F, on adoptera généralement une inductance 20 d'environ p H Le transistor 40 est commandé par un comparateur 42, qui constitue le circuit 34 avec le transistor 40. Le comparateur 42 reçoit, sur une entrée, une fraction de la tension aux bornes du condensateur 18, sur l'autre entrée la tension de référence V O Il est du type pré- sentant une hystérésis, par exemple par commutation aux valeurs V O + WV = 51,8 Volts et V O 6 V = 48,2 Volts. Dans ce cas la tension appliquée par le transistor d'at- taque 40 au commutateur 30 présente une loi de variation du genre montré sur la ligne 30 de la figure 2, les deux niveaux pris alternativement par la tension étant de O Volts et 50 Volts. Dans la pratique, le comparateur 42 et le tran- sistor 40 seront généralement incorporés à un calcula- teur déterminant la fréquence et le rapport cyclique des créneaux de commande d'injection. Comme on l'a indiqué plus haut, l'invention est également applicable à la limitation de tension aux bor- nes du primaire d'un transformateur dans une installa- tion d'allumage électronique Là encore, le gain à attendre de la mise en oeuvre de l'invention est d'environ 1,5 W, c'est-à-dire 30 * de la puissance dissipée par une installation d'allumage ne mettant pas en oeuvre l'invention Le gain total sur la puissance dissipée est alors de 3 W pour un calculateur regroupant les fonctions de commande d'allumage et d'injection et les circuits d'attaque. L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes et de nombreuses autres applications encore. Il doit être entendu que la portée du brevet s'étend à de telles variantes et applications restant dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 Limiteur de la surtension aux bornes d'une charge inductive ( 10) alimentée par une source ( 12) à travers un premier interrupteur ( 14) muni de moyens de fermeture périodique pendant des durées brèves, comprenant, en plus du premier interrupteur, un second interrupteur ( 30), caractérisé en ce qu'il comprend également une inductance ( 20) placée en série avec le second interrupteur ( 30) dans un circuit en parallèle avec la charge ( 10), un condensateur de découpage ( 18) en parallèle avec le premier interrupteur ( 14) et des moyens ( 34) de commande du second interrupteur ( 30) en réponse à la tension aux bornes de la charge. 2 Limiteur selon la revendication 1, caractérisé par une diode ( 32) de recirculation de courant placée en parallèle avec l'inductance. 3 Limiteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'inductance et le condensateur de découpage sont proportionnés l'un à l'autre de façon à réaliser un découpage à une fréquence dont 1 'ordre de grandeur est supérieur au k Hz. 4 Limiteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de commande du second interrupteur comprennent un comparateur ( 42) pour fermer le second interrupteur lorsque la tension aux bornes de la charge dépasse une valeur déterminée et l'ouvrir lorsque cette tension devient inférieure à une autre valeur, inférieure à la première. 5 Limiteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source ( 12) est constituée par un accumulateur ou tout autre élément permettant la récupération d'énergie électrique par passage d'un courant inverse. 6 Application du limiteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 à une installation d'injection monopoint de moteurs à combustion interne. 7 Application du limiteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 à une installation d'allumage par étincelles de moteur.