Brevet FR2707397A1 — publié le 19950113

La présente invention concerne un dispositif électronique de protection, notamment pour la protection de la fonction ohmmètre d'un multimètre électronique, destiné à être connecté entre les bornes d'entrée du circuit à protéger, et comportant au moins un composant actif associé à un organe limiteur de courant pour éviter l'apparition d'une tension excessive aux dites bornes d'entrée. Bien que l'invention puisse trouver des applications dans la protection de tous types de circuits très sensibles aux variations de tension, l'invention sera plus particulièrement décrite, sans aucunement la limiter, dans le cadre de la protection d'ohmmètres ou de la fonction ohmmètre de multimètres numériques. Un problème qui se pose aux ohmmètres est celui de la protection contre des tensions excessives qui peuvent être appliquées aux bornes de l'appareil de mesure par suite d'une fausse manoeuvre. En effet, dans son utilisation normale, on dispose aux bornes de l'ohmmètre une résistance que l'on veut mesurer. L'ohmmètre intègre une source de courant qui fait circuler dans la résistance à mesurer et dans une résistance de référence, un certain courant, qui est mesuré pour en déduire la valeur de la résistance à mesurer. En conséquence, les circuits disposés entre les bornes d'entrée de l'ohmmètre ne sont pas prévus pour l'application d'une tension électrique, et l'application d'une telle tension peut gravement détériorer l'ohmmètre. Ce problème est d'autant plus réel dans le cas de la fonction ohmmètre d'un appareil de mesure multiusages du type multimètre numérique. En effet, de tels appareils sont successivement utilisés pour mesurer des tensions, des courants, et des résistances. Pour cela, un multimètre comporte une entrée commune à tous les circuits de mesure, et une borne d'entrée dédiée à un type de mesure particulier. Ainsi, pour mesurer une tension, on applique cette tension entre l'entrée commune et l'entrée du circuit de mesure de tension. Par conséquent, si cette tension est appliquée par mégarde entre l'entrée commune et l'entrée du circuit de mesure de résistance, l'ohmmètre risque d'être gravement endommagé. On connaît dans l'état de la technique un certain nombre de circuits de protection pour remédier à ce problème. Ainsi, dans un ohmmètre à source de courant, il est connu de disposer entre les bornes d'entrée de l'ohmmètre un circuit de protection utilisant une thermistance à coefficient de température positif, une diode de redressement et un transistor. Les composants de l'ohmmè- tre à protéger sont alors disposés en aval de ce circuit de protection. Ainsi, lors de l'application erronée d'une tension positive entre les bornes d'entrée, la diode de redressement est bloquée, protégeant ainsi les circuits de l'ohmmètre. Dans le cas de l'application d'une tension négative aux bornes d'entrée, la diode et le transistor du circuit de protection sont passants, et la thermistance est traversée par un certain courant, ce qui la fait basculer, protégeant ainsi les circuits de l'ohmmètre. Cependant, un certain nombre d'inconvénients subsistent, du fait de la conception des circuits de protection d'ohmmètres connus, des composants utilisés, et de leur agencement. En effet, la présence d'une diode en série avec la thermistance nuit à la dynamique de la mesure de résistance, du fait de sa chute de tension interne. En outre, les transistors généralement utilisés sont des composants à petits signaux limitant le niveau de protection en tension admissible. Le but de la présente invention est de remédier à l'ensemble des inconvénients liés aux circuits de protection selon l'état de la technique, et de fournir un dispositif électronique de protection permettant une protection efficace d'un circuit du type ohmmètre contre des surtensions de polarité et de durée quelconques, tout en préservant la précision et la plage de mesure de l'ohmmètre. A cet effet, l'invention concerne un dispositif électronique de protection destiné à être connecté entre les bornes d'entrée d'un circuit à protéger, notamment du type ohmmètre pourvu d'une source d'alimentation interne Vcc, ce dispositif comportant au moins un composant actif associé à un organe limiteur de courant et étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de surveillance et de commande qui détecte l'apparition d'une tension de surcharge à ses bornes d'entrée et commande le composant actif de façon à éviter l'établissement d'une tension excessive aux bornes d'entrée du circuit à protéger. Suivant d'autres caractéristiques du dispositif électronique de protection selon l'invention: - ledit circuit de surveillance et de commande est alimenté par ladite tension de surcharge. - ledit organe limiteur de courant est une thermistance connectée entre une des bornes d'entrée du dispositif électronique de protection et une borne d'entrée de l'ohmmètre à protéger, le circuit de surveillance et de commande étant connecté entre ladite borne d'entrée du dispositif électronique de protection et une électrode de commande du composant actif. - ledit dispositif de surveillance et de commande comporte au moins un premier transistor, un second transistor et un troisième transistor, - le premier transistor et le second transistor formant un montage super-émetteur-suiveur, la base du premier transistor étant connectée à ladite borne d'entrée du dispositif de protection par l'intermédiaire d'au moins une première résistance, l'émetteur du premier transistor et le collecteur du second transistor étant reliés d'une part à la cathode d'une première diode dont l'anode est reliée à la borne d'entrée commune de l'ohmmètre, et d'autre part à l'émetteur du troisième transistor, le collecteur du second transistor étant amené au potentiel d' alimentation VCC; - le troisième transistor ayant sa base polarisée par l'intermédiaire d'une seconde diode connectée en direct entre le potentiel d'alimentation et par une seconde résistance connectée entre la base du troisième transistor et la borne d'entrée commune de l'ohmmètre, le collecteur du troisième transistor étant connecté d'une part à la borne d'entrée commune de l'ohmmètre par l'intermédiaire d'une troisième résistance, et d'autre part à l'électrode de commande du composant actif. - l'émetteur du troisième transistor est court-circuité en haute fréquence avec l'électrode de commande du composant actif par l'intermédiaire d'un condensateur. - le dispositif électronique de protection comporte un quatrième transistor dont la base et le collecteur sont connectés à une borne d'entrée du circuit à protéger, et dont l'émetteur est connecté au potentiel d' alimentation Vcc - ledit composant actif est un transistor MOS FET dont l'électrode de commande ou grille est reliée à la sortie du circuit de surveillance et de commande, et dont la source et le drain sont connectés entre les bornes d'entrée du circuit à protéger. L'invention concerne également un ohmmètre comportant un dispositif électronique de protection présentant une ou plusieurs des caractéristiques précédentes. L'invention va être décrite plus en détail à l'aide des dessins ci-annexés dans lesquels La Figure 1 représente le schéma de principe d'un circuit de protection d'ohmmètre à source de courant conforme à l'état de la technique, La Figure 2 représente le schéma de principe du circuit de protection d'un ohmmètre ratiométrique conforme à l'état de la technique, La Figure 3 représente le schéma de principe d'un ohmmètre pourvu d'un dispositif de protection électronique selon l'invention, La Figure 4 représente le schéma électrique d'un exemple de réalisation du schéma de principe de la Figure 3, La Figure 5 représente le schéma équivalent du dispositif de protection selon la Figure 4 illustrant son fonctionnement lors de l'application d'une surtension négative, La Figure 6 représente le schéma équivalent du dispositif de protection selon la Figure 4 illustrant son fonctionnement lors de l'application d'une surtension positive, La Figure 7 représente le schéma équivalent du dispositif de protection selon la Figure 4 illustrant son fonctionnement en régime impulsionnel. On se réfère à la Figure 1. Dans un ohmmètre 1 à source de courant on a représenté les bornes A et B à droite desquelles seule une tension très faible peut être appliquée, sous peine de détériorer les circuits 2, 3 de l'ohmmètre et/ou de compromettre la mesure de résistance. Le circuit de protection 4 est disposé entre les bornes d'entrée 5, 6 constituées notamment par la borne commune 5 de l'appareil de mesure et sa borne 6 de mesure de résistance. Pendant l'utilisation de l'ohmmètre 1, on connecte la résistance (non représentée) à mesurer entre les bornes 5 et 6, et cette résistance est alors parcourue par un courant donnant lieu à une chute de tension qui permet de mesurer ladite résistance. Le circuit de protection 4 comporte un organe limiteur de courant, notamment une thermistance R montée en série avec une diode de redressement D . Le circuit 4 comporte également un transistor Q ayant sa base 7 reliée à la borne commune 5, son collecteur 8 relié à la base 7, et l'émetteur 9 connecté entre la borne A et l'anode de la diode de redressement D. La Figure 2 représente un circuit de protection 4 identique au précédent utilisé dans le cadre d'un ohmmètre ratiométrique faisant intervenir une résistance 10 en lieu et place de la source de courant 2 utilisée dans le circuit de la Figure 1. Dans chacun des deux cas précités, le circuit de protection 4 fonctionne de la manière suivante si au lieu de brancher une résistance à mesurer entre les bornes 5 et 6 de l'ohmmètre, on connecte accidentellement une source de tension représentée par 11 entre lesdites bornes et si cette source de tension est négative, la diode D et le transistor Q sont passants. De ce fait, la thermistance R est traversée par un courant, ce qui a pour effet de la bloquer et le courant I est fortement diminué ou réduit à zéro. De ce fait, la tension appliquée accidentellement aux bornes 5, 6 du circuit de protection 4 n'est pas transmise aux bornes A, B des circuits à protéger. Dans le cas de l'application d'une tension 11 positive, supérieure à la tension Vcc du générateur de tension 3 de l'appareil de mesure, la diode D est bloquée, ce qui a à nouveau pour effet de protéger les circuits de l'appareil de mesure en faisant tendre vers zéro la tension à leurs bornes A B. Les inconvénients de ces deux circuits connus sont résumés ci-dessous. En effet, la chute de tension aux bornes de la diode utilisée dans le sens passant nuit à la plage de mesure possible pour ltohmmètre. En outre, si l'on veut protéger les entrées de l'ohmmètre contre des tensions élevées, il est nécessaire que le transistor puisse supporter le courant de surcharge généré par l'application de la tension. Or traditionnellement, le transistor est un transistor à petits signaux, dont le courant de collecteur maximum admissible est de l'ordre de 500 mA. Par ailleurs, la résistance de la thermistance est typiquement de l'ordre d'un Kilo-Ohm, ce qui conduit à une limitation du niveau de protection à des tensions appliquées de l'ordre de 500 V. Enfin, certains circuits de protection connus ne sont efficaces que lorsque l'ohmmètre est alimenté, les circuits de l'ohmmètre étant dépourvus de protection par exemple lorsque la pile de l'ohmmètre est retirée ou défaillante. On se réfère à la Figure 3, représentant le schéma de principe d'un ohmmètre pourvu d'un dispositif 4' de protection selon l'invention. Comme précédemment, l'ohmmètre 1 se compose d'une source de tension Vcc 3, et d'un circuit U qui peut être constitué par la source de courant 2 ou la résistance de référence 10 de la Figure 1 ou de la Figure 2 respectivement, selon le type d'ohmmètre. Le circuit de protection 4' comporte des bornes d'entrée 5,6 et est disposé en amont des bornes A,B de l'appareil de mesure ou ohmmètre 1 et est constitué d'une thermistance R connectée entre les bornes 6 et A, d'un composant actif Q' constitué notamment par un transistor MOS-FET connecté entre les bornes A, B, et d'un circuit de surveillance et de commande 12 connecté entre la borne de mesure 6 et l'électrode de commande ou grille 13 du composant actif Q'. La Figure 4 fait apparaître à titre d'exemple le détail d'un mode de réalisation du circuit 12 de surveillance et de commande du dispositif de protection selon l'invention. Le circuit de surveillance et de commande 4' comporte 4 transistors Qî, Q2, Q3, Q4, les premier et quatrième transistors Ol et Q4 étant du type PNP, et les second et troisième transistors Q2, Q3 étant du type NPN. Les transistors Qî et Q2 forment un montage super-émetteur-suiveur dont l'impédance d'entrée est bQ1 x bQ2 x R2, ou RCQ2 est la charge équivalente vue par le collecteur de Q2, bQ1 et bQ2 sont respectivement le gain des transistors Q1 et Q2. La base du transistor Qî est connectée à la borne de mesure 6 par l'intermédiaire de premières résistances R1, R2, R3, R4, R5, ou d'une résistance totale équivalente. L'émetteur du premier transistor Q1 et le collecteur du second transistor Q2 sont reliés à la cathode d'une première diode D1 dont l'anode est reliée à la borne commune 5 ou B de l'ohmmètre. Le collecteur du second transistor Q2 est amené au potentiel d'alimentation Vcc par l'intermédiaire d'une connexion à la borne positive du générateur de tension 3. La sortie du montage super-émetteur-suiveur Qî, Q2 alimente l'émetteur du troisième transistor Q3 dont la base est polarisée par l'intermédiaire d'une seconde diode D2 connectée en direct entre Vcc et la base du troisième transistor Q3, et par une seconde résistance R6 connectée entre la base de Q3 et la borne commune 5 de l'ohmmètre. Le collecteur du troisième transistor Q3 est connecté à la borne commune 5 de l'ohmmètre par l'intermédiaire d'une troisième résistance R7. Le collecteur du transistor Q3 attaque la grille de commande G du transistor Q E dont le drain D est connecté à la borne A et dont la source S est connectée à la borne B correspondant à la borne commune 5 de l'ohmmètre. L'émetteur du troisième transistor Q3 est courtcircuité en haute fréquence avec la grille du transistor Q' par l'intermédiaire d'un condensateur C. Le dispositif comporte encore un quatrième transistor Q4 dont la base et le collecteur sont connectés au drain D de Q', et dont l'émetteur est connecté au potentiel Vcc Le fonctionnement du dispositif de protection 4' selon l'invention va maintenant être expliqué dans différents cas de figures. Lorsque l'on désire mesurer une résistance RH représentée en traits interrompus dans la Figure 4, le circuit de protection 4' fonctionne de la manière suivante. Quelle que soit la résistance RM à mesurer, la tension sur l'émetteur de Q3 (Vcc- VDZ - VbeQ3) est inférieure à la tension sur la base de Q3 (Vcc - VD2). Le transistor Q3 est donc bloqué. De ce fait, la grille du transistor Q' est ramenée à un potentiel de O Volt par l'intermédiaire de la résistance R7, et Q' est bloqué. La source de tension 3 de l'ohmmètre fait circuler un faible courant de mesure I, à travers la thermistance R et la résistance R, et ce courant sert à la mesure de la résistance R, de façon connue en soi. Fonctionnement pour une surtension négative. Le schéma équivalent de l'ohmmètre et de son dispositif de protection 4' dans le cas de l'application d'une surtension négative Vin est représenté dans la Figure 5 où les composants Q2, Q3, Q4, D2, C et R6 ont été omis à titre de simplification. Du fait de l'application d'une tension négative, la diode intrinsèque 14 de Q', présente entre le drain D et la source S de Q', est conductrice et Vsd est de l'ordre de 0,7 Volt. De même, la diode D1 est conductrice via la jonction émetteur-base de Qî polarisée en inverse, ce qui assure le blocage de Q3 et le maintien à O Volt de la grille de Q' par l'intermédiaire de la résistance R7. Le transistor MOS-FET Q' étant passant, un courant de surcharge Is traverse la thermistance R, qui bascule dès que sa limite de courant est atteinte, protégeant ainsi les circuits 2, 3 de l'ohmmètre. Ce fonctionnement est indépendant de la présence de Vcc, puisque Q' est commandé par la tension appliquée en 5,6, et par suite, l'ohmmètre est protégé même en cas d'absence de pile. Fonctionnement dans le cas d'une surtension positive. Dans ce cas, le schéma équivalent du montage de la Figure 4 est celui de la Figure 6, faisant apparaître les diodes intrinsèques des transistors Q1, Q2, Q3, Q4, Q5. Les jonctions base-émetteur de Q1 et collecteur-base de Q3 sont polarisées en direct. Les jonctions baseémetteur de Q2 et de Q4 sont polarisées en inverse et sont traversées par un courant de surcharge I's. La grille G de Q' est commandée par une tension Vgs qui est environ égale à VbeQ5 + VbeQ2, de valeur typique 16 Volts. Q' est donc conducteur et assure l'écoulement du courant de surcharge Is + I's, évitant ainsi l'apparition d'une surtension aux bornes A, B des circuits à protéger de l'ohmmètre. Il est à noter que ce fonctionnement est indépendant de la tension Vcc, comme précédemment, ce qui a pour effet de protéger l'ohmmètre même en l'absence d'alimentation Vcc Fonctionnement en régime impulsionnel. La Figure 7 représente le schéma équivalent du dispositif de protection de la Figure 4 dans le cas de l'application d'un échelon de tension Vin positif, correspondant au cas de l'application brutale d'une tension continue aux bornes d'entrée 5, 6. Dans ce cas, il faut mettre en conduction le transistor MOS-FET Q' le plus rapidement possible pour éviter que la tension entre le drain D et la source S de Q' n'atteigne la tension de claquage spécifiée par le constructeur. Comme précédemment, il faut aussi limiter la tension aux bornes A, B des circuits à protéger. Lors de l'application de l'échelon de tension Vin, le condensateur C se comporte comme un court-circuit. Une injection de charges dans la grille G de Q' a alors lieu, ce qui met Q' en conduction. Polarisé en direct, Q4 se sature et limite la tension sur le drain de Q' à Vcc + VbeQ4 tant que Q' n'est pas conducteur. La jonction collecteur-émetteur de Q4 encaisse de façon impulsionnelle le courant de surcharge le. Il ressort de ce qui précède que, dans tous les cas de fonctionnement, le dispositif électronique de protection 4' selon l'invention répond aux objectifs fixés en permettant de limiter l'apparition de tensions excessives aux bornes A, B du circuit, et en particulier de l'ohmmètre à protéger. En outre il est à noter que dans tous les cas, le bon fonctionnement du dispositif de protection 4' est indépendant de la tension Vcc, ce qui a pour effet de protéger l'ohmmètre même en l'absence d'alimentation Vcc. On donne ci-après à titre d'exemple non limitatif la nature des principaux composants du dispositif de protection de la Fig. 4. R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = 100 kQ de type minimelf R6 = R7 = 1 MO de type minimelf D1 = D2 = LL 4148 Q1 = BC 847 C Q2 = Q3 = BC 857 B Q4 = PMBT 2222 A Q' = VNO 300 M C = 10 nF. Le niveau de protection obtenu à l'aide du dispositif de l'invention réalisé avec les composants précités est de + 600 V continu et de 660 Veff à 50 Hz. REVENDICATIONS 1. Dispositif électronique (4') de protection destiné à être connecté entre les bornes d'entrée (A,B) d'un circuit à protéger, notamment du type ohmmètre (1) pourvu d'une source d'alimentation interne (Vcc), ce dispositif (4') comportant au moins un composant actif (Q') associé à un organe limiteur de courant (R) et étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de surveillance et de commande (12) qui détecte l'apparition d'une tension de surcharge (Vin) à ses bornes d'entree (5,6) et commande le composant actif Q' de façon à éviter l'éta- blissement d'une tension excessive aux bornes d'entrée (A,B) du circuit (1) à protéger. 2. Dispositif électronique de protection (4') selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de surveillance et de commande (12) est alimenté par ladite tension de surcharge (Vin). 3. Dispositif électronique de protection (4') selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit organe limiteur de courant est une thermistance (R) connectée entre une des bornes d'entrée (6) du dispositif électronique de protection (4') et une borne d'entrée (A) de l'ohmmètre (1) à protéger, le circuit de surveillance et de commande (12) étant connecté entre ladite borne d'entrée (6) du dispositif électronique de protection et une électrode de commande (G) du composant actif (Q'). 4. Dispositif électronique de protection (4') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif de surveillance et de commande (12) comporte au moins un premier transistor (Q1), un second transistor (Q2) et un troisième transistor (Q3), - le premier transistor (Q1) et le second transistor (Q2) formant un montage super-émetteur-suiveur, la base du premier transistor (Q1) étant connectée à ladite borne d'entrée (6) du dispositif de protection (4') par l'intermédiaire d'au moins une première résistance (R1, R2, R3, R4, R5), l'émetteur du premier transistor (Ql) et le collecteur du second transistor (Q2) étant reliés d'une part à la cathode d'une première diode (D1) dont l'anode est reliée à la borne d'entrée commune (5) de l'ohmmètre (1), et d'autre part à l'émetteur du troisième transistor (Q3), le collecteur du second transistor (Q2) étant amené au potentiel d'alimentation (Vcc); - le troisième transistor (Q3) ayant sa base polarisée par l'intermédiaire d'une seconde diode (D2) connectée en direct entre le potentiel d'alimentation (Vcc) et par une seconde résistance (R6) connectée entre la base du troisième transistor (Q3) et la borne d'entrée commune (5) de l'ohmmètre (1), le collecteur du troisième transistor (Q3) étant connecté d'une part à la borne d'entrée commune (5) de l'ohmmètre (1) par l'intermédiaire d'une troisième résistance (R7), et d'autre part à l'électrode de commande (G) du composant actif (Q'). 5. Dispositif électronique de protection (4') selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'émetteur du troisième transistor (Q3) est court-circuité en haute fréquence avec l'électrode de commande (G) du composant actif (Q') par l'intermédiaire d'un condensateur (C). 6. Dispositif électronique de protection (4') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un quatrième transistor (Q4) dont la base et le collecteur sont connectés à une borne d'entrée (A) du circuit (1) à protéger, et dont l'émetteur est connecté au potentiel d'alimentation (Vcc). 7. Dispositif électronique de protection (4') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit composant actif (Q') est un transistor MOS-FET dont l'électrode de commande ou grille (G) est reliée à la sortie (13) du circuit de surveillance et de commande (12), et dont la source (S) et le drain (D) sont connectés entre les bornes d'entrée (A,B) du circuit (1) à protéger. 8. Ohmmètre (1), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif électronique de protection (4') selon l'une quelconque des revendications précédentes.