Brevet FR2648963A1 — publié le 19901228

- 1 - Dispositif de protection d'une source de tension contre des courts- circuits La présente invention concerne un dispositif pour protéger une source de tension contre des courts-circuits dans un circuit de charge alimenté par la source. En particulier, un tel dispositif est destiné à protéger une source de tension pour téléalimenter des terminaux de télécommunications appliqués au point de référence S défini par la recommandation 1430 du CCITT, Fascicule 111.5, pages 141 à 177, octobre 1984. Selon cette recommandation, la tension de téléalimentation VE de la source a pour valeur nominale 41 Volts et lu doit être comprise entre 36 V et 42 V, et la puissance maximale à fournir au circuit de charge, ici constitué par la ligne reliant la source et les terminaux, doit être de 4 Watts environ. La source de télialimentation doit en outre être protégée contre les ccurts-ctrcuits en ligne. Une solution simple à ce problème pourrait consister a utf!Iser un circuit connu, connecté en série sur l'un des fils de la!in.e, pour limiter le courant en ligne à 120 mA, ce qui crrempond à un peu plus de 4 Watts pour une tension de source VE a: mcins égale à 36 Volts. Cette solution présente deux -:--rc'nients. D'une part, il faut dissiper 4 W dans le circuit de é:e-:-2L:tation. D'autre part, la limitation de courant interdit :e H:=_r des courants transitoires, de l'ordre de plusieurs t:'ede milliampères pendant quelques dizaines de t ei:_des, lors du branchement d'un terminal à la ligne. Pour re-er - ce dernier inconvénient, on pourrait augmenter le -D_- ' e limitation, ce qui augmenterait alors la puissance à '-4 cpar la source. :j irésente invention vise à fournir un dispositif de -'-. contre les courts-circuits évitant les inconvénients 3' '!--:ation de courant et les problèmes de dissipation lors de a.-cc d'un court-circuit en ligne. i Eû- fin, le dispositif de protection est caractérisé en ce s ua -wsed 2- - des moyens de mesure de tension pour détecter des tensions aux bornes du circuit de charge supérieures à des premier et second seuils de tension, le premier seuil étant supérieur au second seuil, - une thermistance à coefficient de température positif offrant une tension de basculement sensiblement inférieure au premier seuil de tension et nettement supérieure au second seuil, - des moyens d'interruption de courant connectés en série avec la thermistance entre une borne du circuit de charge et une borne de la source de tension et commandés par les moyens de mesure de tension, et - une résistance de dérivation connectée en parallèle entre la combinaison série comprenant la thermistance et les moyens d'interruption de courant, - lesdits moyens d'interruption de courant basculant d'un état fermé à un état ouvert en réponse à une tension croissante de circuit de charge excédant le premier seuil, et basculant de l'état ouvert à l'état fermé en réponse à une tension croissante de circuit de charge excédant le second seuil. L'invention fait appel à une thermistance à coefficient de température positif (CTP) qui, en première approximation, peut être considérée comme ayant deux états stables. A un premier état qui est défini par un courant ITH traversant la thermistance inférieur à un courant de basculement ITHb et à l'absence de court-circuit dans le circuit de charge, la résistance RTH de la thermistance est très faible, et peut être considérée comme une constante rTH. A un second état dit basculé, défini par un courant ITH supérieur à ITHb, la résistance RTH de la thermistance croit rapidement et exponentiellement. L'inertie thermique de la thermistance lors du basculement notamment est relativement grande, de l'ordre de quelques secondes, et par suite, la thermistance accepte des variations brèves de courant élevé, telles que des appels de courant transitoire lors du branchement d'un terminal à la ligne, sans entraîner un basculement du premier au second état. Comme on le verra dans la suite, si la thermistance est telle que rTH * 20 n et ITHb-130 mA, la source est capable de fournir environ 4 Watts sous. une tension VE supérieure à 36 Volts. Le - 3 - courant après basculement est inférieur à 5 mA, car le circuit de charge est en série avec la résistance de dérivation de plusieurs kiloohms. Toutefois, comme il est connu, après le basculement au second état, la thermistance demeure à l'état basculé tant que la tension VTH aux bornes de celle-ci est suffisante, de l'ordre de 3 Volts. L'utilisation seule de la thermistance ne permettrait donc pas de provoquer le retour de la thermistance au premier état, lors de la suppression de court-circuit, si par exemple le ou les terminaux raccordés à la ligne offre des impédances trop faibles. Les moyens de mesure de tension en combinaison avec les moyens d'interruption de courant, selon l'invention, permettent de reconnecter la thermistance avec la valeur rTH en série avec le circuit de charge, dès que la tension aux bornes du circuit de charge excède le second seuil de tension. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, en référence à la Fig. 1 unique montrant un dispositif de protection contre des courts-circuits selon une réalisation préférée de l'invention. Cette réalisation concerne particulièrement l'emploi du dispositif de protection DP pour une source de téléalimentation en tension ST fournissant une tension nominale VE-41 V à une ligne de transmission bifilaire polarisée LT qui présente une résistance de charge RL. Cette charge est constituée par exemple par la ligne elle-même et par un ou plusieurs terminaux reliés à la ligne selon la recommandation 1.430 du CCITT déjà citée. En fonctionnement normal, la charge RL est supérieure à 300 D et est traversée par un courant IL de l'ordre de 130 mA. Dans ces conditions, la source de tension ST fournit sensiblement plus que 4 Watts pour une tension VE comprise entre 36 V et 42 V. Le dispositif de protection DP comprend un pont résistif de division de tension Rl-R2, un circuit détecteur-mesureur de tension DM, un interrupteur de courant électronique IE, une thermistance TH et une résistance de dérivation RD. Des résistances RI et R2 du pont diviseur de tension sont connectées en série entre les bornes B+ et B- de la source ST, - 4 - typiquement à O Volt et -4] Volt. La somme des valeurs ohmiques des deux résistances RI et R2 est très élevée, supérieure à la centaine de kiloohms, afin de ne pas perturber le fonctionnement normal de la ligne. Une première borne de la première résistance RI est reliée à la borne B+ et à une première borne F+ de la résistance de charge RL constituée par une extrémité d'un premier fil de ligne à polarité positive. La première résistance RI est petite par rapport à la seconde résistance R2 ce qui permet de ramener toute mesure de tension aux bornes. de la charge RL à une me-ure aux bornes de la Io résistance R2. Typiquement, les résistances RI et R2 sont égales à ka et 560 kn. Le circuit détecteur-mesureur de tension DM comprend essentiellement un transistor bipolaire PNP, désigné par TB. L'émetteur E de ce transistor est relié à des secondes bornes communes B12 des résistances RI et R2 ainsi qu'à une résistance d'émetteur RE, typiquement de 6,8 kfl. Les base B et collecteur C du transistor TB sont reliés à des résistances RB et RC également de plusieurs kiloohms, typiquement égales à 220 kn et 6,8 kfO respectivement. L'interrupteur électronique IE est organisé autour d'un transistor à effet de champ, de préférence à grille isolée, tel qu'un transistor MOS à enrichissement et à canal à conductivité du type N, désigné par TM. La grille G du transistor TM est commandée par le circuit DM, et est reliée d'une part, au collecteur C du transistor TB à travers la résistance RC, et d'autre part, à la source S du transistor TM à travers une résistance de grille RG typiquement de 330 kP. La source S est également reliée à une première borne de la résistance R2 et à la borne à polarité négative B- de la source de tension ST. Le drain D du transistor MOS TM est relié à l'émetteur E du transistor bipolaire TB à travers la résistance RE. La thermistance TH est une résistance RTH à coefficient de température positif (CTP), par exemple en céramique ferro-électrique semiconductrice. Une première borne de la thermistance est reliée à la borne de polarité négative F- de la résistance de ligne RL, à la base B du transistor lB à travers la résistance RB, et à une première borne de la résistance RD. Une seconde borne de la thermistance TH est reliée au drain D du transistor TM, et est reliée à l'émetteur E du transistor bipolaire TB à travers la résistance RE. La résistance de dérivation RD a une première borne reliée à la première borne F- de la thermistance TH et une seconde borne reliée à la source S du transistor MOS TM. Le dispositif de protection DP offre deux états stables ETI et ET2 correspondant respectivement au fonctionnement normal de la ligne LT et à la présence d'un court-circuit indésirable dans la ligne. Ces deux états résultant de "mesures de tension" de la ligne, c'est-à-dire de la valeur de l'impédance d'entrée RL vue aux bornes F+ et F- de la ligne LT. En pratique, le circuit détecteur-mesureur de tension DM détecte la tension entre les bornes B12 et F- ce qui se traduit par une variation de la tension base-émetteur du transistor bipolaire TB. Comme cela apparaîtra dans la- suite, le circuit DM peut tre considéré comme localisé dans la branche médiane d'un pont de Wheatstone constitué par les résistances RI et R2, la résistance variable RL, et tantôt la thermistance TH pour l'état ETI, tantôt la résistance de dérivation RD pour l'état ET2. A l'état ET1 de fonctionnement normal, l'ensemble source ST et dispositif DP est équivalent à une source de tension de 41 V avec une impédance série interne égale à la résistance faible de la thermistance TH, qui alimente une résistance de charge RL au moins de l'ordre de RLI-300 D. D'une part, le transistor bipolaire TB est saturé ce qui commande à l'état passant le transistor MOS TM, et donc ferme l'interrupteur IE qui met pratiquement en série la thermistance TH avec la résistance de charge RL. D'autre part, la thermistance TH offre une résistance faible rTH, de l'ordre de 20 n, très inférieure à la résistance de dérivation RD, typiquement égale à 8,2 ki. La valeur de rTH=20 fi pour la thermistance est sensiblement constante tant que le courant dans la ligne LT est inférieur au courant de basculement ITHb de la thermistance, de l'ordre de 130 mA. Lorsque la tension VE de la source ST varie entre 36 et 42 V, la puissance fournie est sensiblement supérieure à 4 Watts. -6- Le premier état ETI est maintenu tant que la tension VTH;(RTH/(RTH+RL) )VE aux bornes D et F- de la thermistance TH est inférieure à une tension maximale VTH1, suite à une diminution de la charge RL tendant progressivement vers un court-circuit. En effet, lorsque la tension VL diminue, la tension VTH-E-VL augmente. La tension maximale VTHI correspond à un premier seuil VLI de la tension de charge VI. égal à environ 20 V, soit VTHI-VLI20 V pour VE;41 V. Il est à noter que la tension VTH1 est suffisamment grande O10 pour que des courants transitoires relativement forts, de l'ordre de 800 mA pendant 200 ms, dGs à un branchement d'un terminal à la ligne LT,-ne provoquent pas un basculement de l'état ETI à l'état ET2. La tension VTHI est d'autre part inférieure à la tension VTHm pour maintenir la thermistance TH au second état ET2. Cette dernière condition assure que - la thermistance présente toujours une résistance faible à l'état ETI en cas de surcharges fugitives de la ligne LT. Le second état ET2 correspond à un fonctionnement en surcharge, dû à un court-circuit plus ou moins franc entre les deux fils de ligne F+ et F-. Le passage de l'état ETI à l'état ET2 se produit dès que la tension VL est sensiblement inférieure a VL1, et donc la tension VTH aux bornes de la thermistance TH atteint VTHI. A l'état ET2, la thermistance est équivalente à une résistance très élevée, de l'ordre de plusieurs dizaines de kiloohms, ce qui provoque le blocage du transistor bipolaire TB, et par suite le passage à l'état nonconducteur du transistor MOS TM et l'ouverture de l'interrupteur IE. La source de tension ST est alors considérée comme seulement reliée à la résistance de dérivation RD ayant une valeur ohmique constante grande. La source ST fournit alors une puissance très faible de l'ordre de 412/8200=0,2 W, ce qui correspond à un courant IL en ligne inférieur à 5 mA. Le basculement précédent du premier état ET1 au second état ET2 peut être quasi-immédiat si le court-circuit dans la ligne est franc brusquement, c'est-à-dire si le courant en ligne IL est suffisamment élevé pour que la tension VTH aux bornes de la thermistance excède VTHI=E-VLI. Toutefois, le basculement de l'état ETI vers l'état ET2 est plus progressif, si le courant en ligne IL -7- est inférieur au courant élevé précédent, tout en étant supérieur au courant de basculement ITHb de la thermistance TH; dans ce cas, la tension VTH croit Jusqu'à VTH1 ce qui ouvre l'interrupteur IE. Le second état ET2 du dispositif DP est maintenu tant que la tension aux bornes de la résistance de dérivation est trop élevée pour débloquer le transistor bipolaire TB. En d'autres termes, l'état ET2 est maintenu lorsque la tension VL aux bornes de la charge RL est inférieure à un second seuil VL2-2 Volts, ce qui correspond à une résistance de charge RL2 - RD.VL2/(VE-VL2) - 400 n. Lorsque la résistance de charge RL excède la valeur RL2, suite à la suppression du court-circuit, le transistor bipolaire TB est à nouveau saturé, ce qui commande le passage à l'état conducteur du transistor MOS TM et donc l'ouverture de l'interrupteur IE. La thermistance TH offre alors à nouveau une résistance faible rTH-20 O en série avec la résistance RL. Il apparaît que le dispositif de protection bascule de l'état ET1 à l'état ET2 lorsque RL RL2 - 400 n. Ces variations de résistance RL présentent une hystérésis de RL2-RLI - 100 C et évitent les pompages. Selon d'autres variantes, la thermistance TH et le transistor TM peuvent être permutés entre les bornes F- et B- de la résistance RD, ou peuvent être connectés en parallèle avec la résistance RD entre les bornes B+ et F+ moyennant un changement de type du transistor TB. Le transistor TB peut être remplacé par un relais, et le transistor TM par un contact commandé par le relais, mais cette solution exige une consommation plus élevée en courant. -8- R E V E N D I C A T I O N S I - Dispositif pour protéger une source de tension (ST) contre des courtscircuits dans un circuit de charge (RL) alimenté par la source, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens de mesure de tension (DM) pour détecter des tensions (VL) aux bornes (F+, F-) du circuit de charge (RL) supérieures à des premier et second seuils de tension (VLl, VL2), le premier seuil (VL1) étant supérieur au second seuil (VL2), - une thermistance (TH) à coefficient de température positif (CTP) offrant une tension de basculement sensiblement inférieure au premier seuil de tension (VL1) et nettement supérieure au second seuil (VL2), - des moyens d'interruption de courant (IE) connectés en série avec la thermistance entre une borne (F-) du circuit de charge et une borne (B-) de la source de tension (ST) et commandés par les moyens de mesure de tension (DM), et - une résistance de dérivation (RD) connectée en parallèle entre la combinaison série comprenant la thermistance (TH) et les moyens d'interruption de courant (IE), - lesdits.moyens d'interruption de courant basculant d'un état fermé (ETI) à un état ouvert (ET2) en réponse à une tension croissante de circuit de charge excédant le premier seuil (VLI), et basculant de l'état ouvert (ET2) à l'état fermé (ETI) en réponse à une tension croissante de circuit de charge (VL2) excédant le second seuil (VL2). 2 - Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure de tension (DM) mesurent la tension de circuit de charge (VL) à travers un pont de résistances (RI, R2) très grandes par rapport à l'impédance du circuit de charge. 3 - Dispositif conforme à la revendication I ou 2, caractérisé en ce que les moyens de mesure de tension (DM) comprennent un transistor bipolaire (TB) dont les base (B) et émetteur (E) sont reliés aux bornes (F-, D) de la thermistance (TH) à travers des résitances (RB, RE) respectivement. 4 - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'interruption de courant (IE) comprennent un transistor à effet de champ (TM), de préférence -9- à grille isolée (MOS), dont la grille (G) est contr6lée par les moyens de mesure de tension (DM), et dont l'une des électrodes de drain et source (D, S) est reliée à la thermistance (TH). - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le basculement de l'état fermé (ETl) à l'état ouvert (ET2) et de l'état ouvert à l'état fermé des moyens d'interruption de courant (IE) correspondent à des résistances du circuit de charge (RL) dont la différence est de l'ordre de 100 Ohms. 6 - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la source de tension (ST) a une tension nominale (VE) de 41 Volts environ, les premier et second seuils de tension (VL1, VL2) sont de l'ordre de 20 et 2 Volts, et le courant de basculement (ITHb) de la thermistance (TH) est de l'ordre de 130 mA.