Brevet FR2679718A1 — publié le 19930129

La présente invention concerne d'une façon générale un dispositif régulateur de la tension de charge d'une batterie par un alternateur. Dans un régulateur classique, on compare la tension de sortie de l'alternateur, par exemple la tension D+ disponible au point commun des diodes dites "trio" d'un alternateur triphasé, avec une tension de seuil fixe En amont du circuit comparateur, on élimine par filtrage l'essentiel de la composante ondulatoire de la tension D+ et en aval de la comparaison, on prévoit un circuit de puissance qui ouvre et ferme un circuit d'alimentation de l'enroulement d'excitation de l'alternateur en fonction du résultat de la comparaison. Concrètement, un circuit régulateur conventionnel peut comprendre un circuit intégrateur-comparateur associé à un trigger, qui a pour objet d'éviter que les ouvertures/fermetures dudit circuit d'alimentation se fassent à une cadence excessivement rapide Un inconvénient d'un tel circuit réside en ce que, lorsque le débit ou la charge de l'alternateur augmente, la valeur moyenne de la tension régulée baisse. Il est connu pour pallier ce phénomène d'apporter au niveau de la tension appliquée au circuit intégrateur-comparateur une correction appropriée permettant d'obtenir, dans tous les régimes de fonctionnement, une valeur moyenne de tension régulée sensiblement constante. Cette correction peut être apportée en captant le courant qui circule dans l'enroulement d'excitation et en superposant à la tension à réguler une tension continue fonction de cette information. La technique classique pour ce faire consiste à prévoir une résistance de shunt en série avec l'enroulement, et à utiliser la tension aux bornes de ce 2 - shunt comme information représentative du courant dans l'alternateur. Cette solution présente cependant des inconvénients Tout d'abord, la présence du shunt implique une dissipation d'énergie par effet joule qui peut s'avérer gênante Ensuite, le circuit de traitement branché aux bornes du shunt, qui doit être à même de traiter une différence de potentiel flottante, est relativement coûteux. La présente invention vise à pallier ces inconvénients Elle propose à cet effet un circuit régulateur de la tension de charge d'une batterie par un alternateur, notamment dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de traitement et de comparaison recevant une fraction déterminée d'une tension délivrée par l'alternateur et engendrant par eux-mêmes une variation monotone de la tension moyenne régulée en fonction de la charge de l'alternateur, des moyens de commutation de puissance en série avec un enroulement d'excitation de l'alternateur et commandés par la sortie des moyens de traitement et de comparaison, des moyens semi-conducteurs de correction associés directement et de façon non résistive aux moyens de commutation de puissance et capables de produire un décalage de ladite fraction de tension appliquée aux moyens de filtrage, ledit décalage variant de façon monotone avec l'intensité du courant dans l'enroulement d'excitation et de la charge de l'alternateur, de manière à compenser ladite variation monotone engendrée par les moyens de traitement et de comparaison et obtenir une valeur moyenne de la tension de charge essentiellement constante sur toute la plage de fonctionnement de l'alternateur. 3 - D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma électrique de l'ensemble d'un circuit régulateur selon la présente invention, et la figure 2 est un schéma électrique détaillée d'une partie du circuit de la figure 1. En référence tout d'abord à la figure 1, la tension D+ issue du point commun des diodes trio (non représentées) d'un alternateur triphasé est appliquée à un pont diviseur ajustable comprenant une résistance. ajustable Ri et des résistances fixes R 2 et R 3, en série. Le point commun entre R 2 et R 3 (noté "b") est appliqué à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel A 4 via une résistance R 4 Un condensateur Cl est monté entre la sortie de A 4 et son entrée inverseuse La sortie de A 4 est en outre reliée à une première borne d'une résistance R 6 La seconde borne de R 6 est reliée d'une part à l'entrée inverseuse de A 4 via une résistance R 5 et d'autre part à l'entrée non-inverseuse de A 4 via une résistance R 7. Le signal présent sur la seconde borne de R 6 est appliqué à l'entrée inverseuse d'un deuxième amplificateur opérationnel Ai via une résistance R 8. L'entrée non inverseuse de Ai est reliée via une résistance R 9 aux premières bornes de deux résistances R 10 et Rll La seconde borne de R 10 est reliée à la masse via trois diodes Dl, D 2, D 3 reliées en série dans le sens passant, et à l'entrée non-inverseuse de A 4 Un condensateur C 2 est monté entre la sortie de Ai et son entrée inverseuse La sortie de Ai est reliée directement à l'entrée inverseuse d'un troisième amplificateur opérationnel A 2 L'entrée non-inverseuse de A 2 est reliée -4- au point commun d'un pont diviseur de tension constitué par deux résistances R 12 et R 13 en série entre une ligne d'alimentation continue stabilisée AL et la masse La sortie de A 2 est reliée à son entrée non-inverseuse via une résistance R 14, et directement à la seconde borne de R 11. La sortie de A 2 attaque via une résistance R 15 la base d'un transistor bipolaire NPN T 4 ' sont l'émetteur est à la masse et dont le collecteur est relié via une résistance R 16 à la ligne AL précitée Le collecteur de T 4 ' attaque la base d'un autre transistor NPN T 4, dont l'émetteur est à la masse Un montage série d'une résistance R 17 et d'une résistance R 18 est prévu entre la ligne de tension D+ et le collecteur de T 4 Le point is commun entre R 17 et R 18 est relié à la base d'un transistor PNP T 5 dont l'émetteur est relié à la ligne D+ et dont le collecteur est relié à la masse via une résistance R 19 Ce collecteur est également relié aux bases de deux transistors NPN T 6 et T 7 respectivement via deux résistances R 20 et R 21 Les émetteurs de T 6 et T 7 sont à la masse Le collecteur de T 6 est relié à la ligne D+ via une résistance R 22 Une résistance R 23 relie les collecteurs de T 6 et T 7 Une résistance R 24 relie le collecteur de T 7 à une borne d'un circuit de puissance CP pour la commande du courant d'excitation Ie circulant dans un enroulement d'excitation Le de l'alternateur et comprenant, comme on le verra en détail plus loin, des moyens pour dériver une information représentative de ce courant Ie L'enroulement Le est branché entre le circuit CP et la ligne D+ Le circuit CP est également relié directement à la ligne D+ et à la masse. Un montage série d'une résistance R 30 et d'une diode zéner Zl est relié entre la ligne D+ et la masse. Le point commun entre R 30 et Z 1 est relié à la base d'un transistor NPN T 3 Une diode zéner Z 2 est montée entre la base de T 3 et la masse L'émetteur de T 3 est reliée à la - masse via une résistance R 32 et directement à la base d'un transistor NPN T 2 Les collecteurs de T 2 et de T 3 sont reliés à la ligne D+, tandis que l'émetteur de T 2 est relié à la ligne d'alimentation stabilisée AL. La base de T 2 est reliée à la base d'un autre transistor NPN Tl dont le collecteur est relié au collecteur de T 3 et dont l'émetteur est relié à la seconde borne de R 10 via une résistance R 33. On va maintenant décrire en détail en référence à la figure 2 le circuit de puissance CP. L'enroulement d'excitation Le est branché entre la ligne D+ et le collecteur d'un transistor de puissance multi-émetteurs T 101 de type NPN dont les émetteurs sont reliés à la masse Les signaux de commande issus du transistor T 7 de la figure 1 sont appliqués à la base de T 101 via la résistance R 24 Le collecteur de T 101 est relié à une première borne de Le, dont la seconde borne est reliée à la ligne D+. Un transistor NPN T 102 a sa base reliée à celle de T 101 et son émetteur relié à la masse De façon préférée, dans le cas d'une réalisation intégrée, T 102 est constitué par une cellule individuelle du transistor multi-cellules T 101. Le collecteur de T 102 est relié à l'émetteur d'un transistor NPN T 104 La base de T 104 est reliée à la base d'un transistor identique T 103 dont l'émetteur est relié au collecteur de T 101 Le collecteur de T 103 est relié à sa base. Les collecteurs de T 103 et T 104 sont reliés respectivement aux collecteurs de deux transistors T 105, T 106 de type PNP, dont les bases sont reliées l'une à l'autre ainsi qu'au collecteur de T 106. Les émetteurs de T 105 et T 106 sont reliés à une ligne d'alimentation continue stabilisée AL' respectivement via deux résistances R 101 et R 102 Cette ligne AL' est reliée au point commun entre une résistance 6 - R 108 et une diode zéner Z 101 montées en série entre la ligne D+ et la masse Les collecteurs de T 103 et T 105 sont également reliés à la ligne AL' via une résistance R 106. Un transistor PNP T 107 a sa base reliée à celles de T 105 et T 106 et son émetteur est relié à la ligne AL' via une résistance R 103. Le transistor multi-émetteurs T 108 de type PNP constitue la diode de roue libre de l'enroulement Le Il est relié par sa base et son collecteur à la ligne D+, et par ses émetteurs à la première borne de Le. Le transistor T 109 est un transistor PNP dont l'émetteur est relié aux émetteurs de T 108 et dont la base est reliée à celle de T 108. Dans le cas d'une réalisation intégrée, T 109 est de préférence réalisé à partir d'une cellule inviduelle du transistor T 108 (de façon analogue aux transistors T 101 et T 102). Le collecteur de T 109 est relié à l'émetteur d'un autre transistor PNP T 110 La base de T 110 est reliée aux bases de deux autres transistors PNP T 111 et T 114 dont les émetteurs sont reliés à la ligne D+ Ces bases sont en outre reliées au collecteur de T 111. Les collecteurs de T 110 et T 111 sont respectivement reliés aux collecteurs de deux transistors NPN T 112 et T 113 dont les bases sont reliées entre elles ainsi qu'au collecteur de T 112. Les émetteurs de T 112 et T 113 sont reliées à une ligne de tension continue stabilisée AL" via des résistances respectives R 104 et R 105 Les collecteurs de T 111 et T 113 sont également reliés à la ligne AL" via une résistance R 107. La ligne AL" est reliée au point commun entre une diode zéner Z 102 et une résistance R 111 montées en série de la ligne D+ vers la masse. 7 - La base d'un transistor PNP T 115 est reliée à la ligne AL" Son émetteur est relié au collecteur de T 114 et son collecteur au collecteur de T 107. On observe que le circuit de la figure 2 comprend deux parties distinctes et semblables respectivement associées aux composants de puissance TIOI et T 108 (respectivement le circuit construit autour de T 102 à T 107 et le circuit construit autour de T 109-T 115). Les collecteurs de T 107 et T 115 sont reliés au collecteur d'un transistor NPN T 116, à la base de ce dernier ainsi qu'à la base d'un autre transistor NPN T 117 Les émetteurs de T 116 et T 117 sont reliés à la masse Le collecteur de T 117 est relié à une borne "b" correspondant à la borne "b" de la figure 1. On va maintenant décrire le fonctionnement du circuit selon la présente invention. Sur la figure 1, le circuit construit autour de Tl-T 3 est destiné à appliquer sur la ligne d'alimentation AL, à partir de la tension fluctuante D+, une tension continue stable, par exemple de + 5 volts C'est à partir de cette tension stable qu'est élaborée, à l'aide des résistances R 12 et R 13, la tension de seuil fixe appliquée à l'entrée non inverseuse du comparateur A 2. Par ailleurs, Tl alimente les diodes Dl à D 3 dans le sens passant via R 33, pour fixer sur l'anode de Dl une tension de référence bien déterminée, notée Vref, égale au cumul des tensions de déchet de ces trois diodes. Bien entendu, on pourra utiliser tout autre moyen approprié pour produire cete tension de référence Vref. Les amplificateurs opérationnels Ai, A 2 et A 4 peuvent être alimentés à partir du point commun entre R 30 et Z 1. A l'entrée du circuit construit autour de A 4 est appliquée la superposition: d'une fraction de la tension D+, déterminée par les valeurs de Rl à R 3, et 8 - d'une tension continue de correction appliquée à la borne "b" et dont la valeur est fonction du courant dans l'enroulement d'excitation, comme on va le voir plus loin. Le circuit construit autour de A 4 est un filtre actif passe- bas de type classique en soi destiné à éliminer du signal l'essentiel de sa composante ondulatoire à haute fréquence. Ce filtre fournit en sortie une tension représentative de la valeur moyenne de D+, corrigée. Un avantage de l'utilisation d'un filtre actif réside en ce que la capacité de Cl peut être bien inférieure à celle du condensateur d'un filtre passif, ce qui permet à Cl d'occuper une surface de semiconducteur tout à fait réduite dans le cas de la réalisation intégrée du circuit régulateur. Le circuit construit autour de Al et A 2 combine un comparateur-intégrateur et un trigger, avec une contre- réaction via la résistance R 11 Il se comporte à la manière d'un trigger de Schmidt, c'est-à-dire que les basculements de A 2 ont lieu sur deux niveaux d'entrée différents, respectivement inférieur et supérieur, selon que le signal est en phase descendante ou ascendante. Plus précisément, la résistance Rll permet de faire varier, selon l'état de sortie de A 2, la tension de référence Vref appliquée sur l'entrée non-inverseuse de l'étage intégrateur Al. Un tel circuit a pour objet essentiel de limiter la fréquence à laquelle s'effectue la régulation et également d'éviter des commutations intempestives déclenchées par d'éventuelles ondulations résiduelles dans le signal appliqué à Al, non supprimées par l'action du filtre construit autour de A 4. La contre-réaction de la sortie de A 2 sur Al via Rll modifie la valeur de la tension de référence, notée Vref', appliquée à l'entrée non- inverseuse de Al, cette -9- tension Vref' étant dérivée de Vref via R 9 et Rl O Ainsi la valeur moyenne de Vref' augmente en même temps que le rapport cyclique du signal délivré par A 2, lui-même essentiellement proportionnel au courant d'excitation Il est aisé de démontrer que ce phénomène aboutit à une diminution de la valeur moyenne de la tension régulée en fonction de la charge du régulateur (on observe en effet que les étages Ai et A 2, du fait de l'inversion de signaux assurée par l'étage A 4, travaillent sur des signaux dont l'évolution est l'inverse de celle de la valeur moyenne de D+). Les étages construits autour de T 4 ', T 4, T 5, T 6 et T 7 permettent de transcrire le basculement de la sortie de A 2 au niveau du transistor de puissance T 101 inclus dans le circuit de puissance CP T 4 'a pour objet d'effectuer l'inversion logique nécessaire du fait que les composants Al et A 2 travaillent sur des signaux dont l'évolution est inverse de l'évolution de la valeur moyenne de D+. On observe par ailleurs le montage particulier de T 6, T 7, R 22, R 23 et R 24 Ce montage vient se substituer à un montage classique dans lequel T 7 n'existe pas et est remplacé par une simple résistance, et ce nouveau montage a pour objet d'éviter l'amorçage intempestif du circuit régulateur lorsque la tension D+ comporte des crêtes positives de tension élevées susceptibles d'amorçer T 101 pendant que T 6 est saturé. On va maintenant décrire le fonctionnement du circuit de la figure 2. Lorsqu'un courant circule dans l'enroulement Le et dans le transistor T 101, une fraction bien déterminée de ce courant (par exemple un millième de ce courant dans le cas o T 101 comporte à la base mille cellules dont une est utilisée pour T 102) circule dans T 102. Les transistors T 103-TI 04 et T 105-T 106 sont deux paires de transistors formant miroirs de courant, montés - entre la masse et la ligne AL', dont la différence de potentiel par rapport à la masse est fixée par la valeur de Z 101 et égale par exemple à + 5 volts Ces miroirs de courant ont pour objet de recopier au niveau de T 107 le courant qui circule dans T 102 De cette manière, T 107 délivre par son collecteur un courant lb proportionnel au courant d'excitation direct (c'est-à-dire au courant qui traverse Le pendant les périodes o T Ol I est saturé). De la même manière, le transistor T 109 est traversé par une fraction bien déterminée (par exemple un millième) du courant qui traverse la diode de roue libre définie par T 108. Les paires de transistors T 110-Tlll et T 112-T 113 constituent des miroirs de courant montés entre la ligne D+ et la ligne AL", dont la différence de potentiel par rapport à D+ est maintenue constante par Z 102 et par exemple égale à 5 volts Ces miroirs de courant permettent de recopier dans T 114 et T 115 le courant qui traverse T 109 T 115 délivre par son collecteur un courant Ib qui est proportionnel au courant de roue libre circulant dans Le et T 108 pendant les périodes o T 101 est bloqué. Les courants délivrés par les collecteurs de T 107 et T 115 sont réunis et traversent T 116, qui forme avec T 117 un miroir de courant T 116 et T 117 constituent un circuit mélangeur, et T 117 soutire donc au point "b" un courant Ib proportionnel au courant circulant dans l'inductance Le. Grâce à ce circuit, on s'affranchit d'une mesure de courant par prise de tension aux bornes d'un shunt en série avec Le, avec les avantages tels qu'ils ont été mentionnés en introduction. On a indiqué plus haut que fraction de la tension D+ appliquée à l'entrée du filtre A 4 était corrigée en fonction du débit ou de la charge de l'alternateur Cette correction est assurée par le courant Ib précité, qui il - superpose à la tension D+ une composante continue proportionnelle à la valeur de Ib et causée par la circulation de Ib dans Ri et R 2. Ainsi, lorsque la charge de l'alternateur s'accroît, la régulation s'effectue sur une valeur de tension d'entrée qui est décalée vers le bas de façon croissante par rapport à la valeur moyenne de D+ En conséquence, par cette partie spécifique du circuit, la valeur de la tension régulée tend à augmenter progressivement avec la charge de l'alternateur. On comprend que cette correction de la valeur moyenne régulée permet de compenser l'effet inverse obtenu comme décrit plus haut par les circuits Al et A 2, et en fin de compte le circuit de l'invention permet d'obtenir une valeur régulée essentiellement constante sur toute la plage de fonctionnement de l'alternateur. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite ci- dessus et représentée sur les dessins, mais l'homme de l'art saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. En particulier, le circuit de régulation sur valeur moyenne tel que décrit ci-dessus peut être complété si on le souhaite par des circuits annexes de détection de crêtes, positives et/ou négatives, de la tension D+, destinés notamment à éviter que cette tension ne comporte une composante ondulatoire excessive risquant d'induire un échauffement excessif des diodes écrêteuses classiquement associées à l'alternateur. 12 - REVENDICATIONS 1 Circuit régulateur de la tension de charge d'une batterie par un alternateur, notamment dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de traitement et de comparaison (A 4, Ai, A 2) recevant une fraction déterminée d'une tension (D+) délivrée par l'alternateur et engendrant par eux- mêmes une variation monotone de la tension moyenne régulée en fonction de la charge de l'alternateur, des moyens de commutation de puissance (CP, T 101) en série avec un enroulement d'excitation (Le) de l'alternateur et commandés par la sortie des moyens de traitement et de comparaison, des moyens semi-conducteurs de correction (T 102- TT 107; T 109-T 115; T 116, T 117) associés directement et de façon non résistive aux moyens de commutation de puissance et capables de produire un décalage de ladite fraction de tension appliquée aux moyens de filtrage, ledit décalage variant de façon monotone avec l'intensité du courant dans l'enroulement d'excitation et de la charge de l'alternateur, de manière à compenser ladite variation monotone engendrée par les moyens de traitement et de comparaison et obtenir une valeur moyenne de la tension de charge essentiellement constante sur toute la plage de fonctionnement de l'alternateur. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement et de comparaison comprennent un filtre actif passe-bas (A 4). 3 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement et de comparaison comprennent un circuit intégrateur (Ai) auquel est appliqué une tension de référence et un circuit comparateur (A 2) auquel est appliquée une tension de seuil fixe, la tension de référence du circuit intégrateur variant en fonction de l'état de sortie du circuit comparateur. 13 - 4 Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de commutation de puissance comprennent un premier transistor (Tl Ol) et en ce que les moyens de correction comprennent un deuxième transistor (T 102) associé au premier transistor de manière à être traversé par un faible courant égal à une fraction déterminée du courant dans le premier transistor, et des moyens formant miroirs de courant (T 103-T 106) pour recopier et appliquer à un circuit mélangeur (T 116, T 117) ledit faible courant. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu en association avec l'enroulement d'excitation une diode de roue libre constituée par un troisième transistor (T 108) et en ce que les moyens de correction comprennent un quatrième transistor (T 109) associé à la diode de roue libre de manière à être traversé par un faible courant égal à un fraction déterminée du courant dans la diode de roue libre, et des moyens formant miroirs de courant (T 110-T 113) pour recopier et appliquer la ladite résistance (R 3) ledit faible courant. 6 Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que les premier et deuxième, respectivement les troisième et quatrième transistors (T 101, T 102; T 108, T 109) sont réalisés sur une même pastille de semi- conducteur et comprennent un grand nombre de cellules dont au moins une constitue le deuxième, respectivement le quatrième transistor. 7 Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits faibles courants associés au premier transistor (Ti 01) et au troisième transistor (T 108) sont combinés dans ledit circuit mélangeur (T 116, T 117) en un seul faible courant représentatif du courant traversant ledit enroulement (Le). 8 Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit faible courant est soutiré au point 14 - milieu d'un pont diviseur (RI-R 3) auquel est appliquée la tension à réguler (D+). 9 Circuit selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de traitement et de comparaison commandent en conduction/blocage en parallèle deux transistors (T 6, T 7), dont le collecteur d'un premier transistor étant relié à la Lension à réguler via première résistance (R 22), le collecteur du second transistor étant relié au collecteur du premier transistor via une deuxième résistance (R 23) et à une entrée de commande des moyens de commutation de puissance via une troisième résistance (R 24). Circuit selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens intégrateurs- comparateurs engendrent par eux-mêmes une tension régulée qui décroît avec la charge de l'alternateur et en ce que les moyens de correction engendrent par eux-mêmes une tension régulée qui croit avec la charge de l'alternateur.