Brevet FR2706698A1 — publié le 19941223

DISPOSITIF ELECTRONIOUE POUR L'ADAPTATION DE LA TENSION EFFICACE D'ALIMENTATION AUX BORNES D'UNE CHARGE RESISTIVE. L'invention concerne un dispositif électronique, destiné à permettre l'adaptation et notamment l'abaissement de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive. En d'autres termes, sont d'ores et déjà exclus du champ d'application de la présente invention tous dispositifs d'adaptation d'une telle tension aux bornes d'une charge essentiellement selfique, capacitive, voire un ensemble intégrant une charge selfique, une charge capacitive et une charge résistive. De manière très courante, l'industrie électrique ou électronique nécessite d'abaisser la tension disponible, notamment soit la tension du secteur alternatif 24, 48, 120, 220 ou 380 volts, soit une tension continue délivrée par une batterie ou un accumulateur, afin de permettre l'alimentation de circuits électriques ou électroniques à une tension efficace voulue. S'agissant de l'adaptation de la tension efficace aux bornes d'une charge purement résistive, on connait principalement trois technologies. La première d'entre elles consiste à abaisser la tension en intégrant en série avec la charge résistive concernée, une ou plusieurs autres résistances. Outre le fait que cette ou ces résistances additionnelles ne sont utilisables que pour une charge fixe de résistance donnée, elles engendrent également de très importantes pertes d'énergie, notamment par effet Joule, et demandent par conséquent, selon les applications dans lesquelles elles entrent, la mise en place de dispositifs d'évacuation de la chaleur ainsi générée. On connait également le système d'abaissement de tension au moyen d'un régulateur dit "ballast", c'est-à-dire constitué par un transistor. Outre comme dans Ie précédent, la perte d'énergie due à l' effet Joule, et partant la nécessité de mettre en place un organe d'évacuation de la chaleur ainsi générée, I'utilisation d'un transistor implique un câblage trois branches pour son fonctionnement, compliquant de fait le circuit en résultant. Enfin, on connait également le principe du convertisseur à découpage. Un tel convertisseur présente un encombrement important, et une fiabilité réduite, compte tenu de la relative complexité de sa mise en oeuvre (branchement sur trois bornes minimum). Enfin, il est d'un coût particulièrement élevé. De la sorte, d'ores et déjà, un grand nombre d'applications lui sont rationnellement interdites. L'objet de l'invention est de proposer un dispositif permettant l'adaptation et notamment l'abaissement de la tension efficace d'alimentation d'une charge résistive, nécessitant un raccordement en série au moyen de seulement deux bornes, et susceptible de fonctionner avec une charge variable, engendrant de faibles pertes d'énergie, de volume réduit et d'un faible coût de revient. Ce dispositif électronique pour l'adaptation de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive, se caractérise en ce qu'il est constitué par un circuit électronique monté simplement en série avec ladite charge résistive aux bornes de l'alimentation électrique, et comprenant: - un interrupteur, destiné à couper temporairement l'alimentation de la charge; - un générateur de signaux, commandant l'ouverture et la fermeture dudit interrupteur selon une fréquence et un rapport cyclique définis, le dit générateur étant alimenté en énergie électrique au moyen d'un circuit de prélèvement d'énergie monté en parallèle par rapport audit interrupteur. En d'autres termes, l'invention consiste à faire appel, afin d'adapter et notamment de limiter la tension efficace d'alimentation de la charge résistive, à un interrupteur électronique, dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un circuit spécifique, dont les caractéristiques propres de fonctionnement sont variables et réglables en fonction de la tension efficace que l'on désire disposer en sortie, et notamment aux bornes de ladite charge résistive. De manière connue, le rapport cyclique K est défini comme étant égal au cours d'une période, du rapport de la durée de conduction de l'interrupteur sur la durée totale de ladite période. Ainsi, si ti représente la durée de conduction de l'interrupteur pendant la période T, et t2, la durée de non conduction dudit interrupteur pendant cette période T, alors on a: T=tI +t2 et K = tl/T = ti/(ti + t2) Selon une première caractéristique de l'invention, et s'agissant des circuits fonctionnant en courant continu, l'interrupteur est constitué par un transistor MOS, monté en série avec la charge résistive entre les deux bornes d'alimentation, et dont la grille ou électrode de commande est directement connectée au générateur de signaux. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, plus particulièrement destinée aux circuits fonctionnant en courant alternatif, l'interrupteur électronique est constitué de deux transistors MOS montés en série avec la charge entre les bornes d'alimentation électrique, et dont la source de chacun d'eux est en permanence à la même tension, et dont leur grille ou électrode de commande est reliée au générateur de signaux. Selon l'invention, le générateur de signaux est constitué par un oscillateur associé à des composants, diodes, résistances et capacités, dont les caractéristiques permettent de définir la fréquence des signaux qu'il émet et le rapport cyclique K. Le générateur est alimenté par une tension continue délivrée par le circuit de prélèvement. Le générateur de signaux constitue donc un organe de commande, permettant ainsi de contrôler en permanence la tension dans la grille du transistor considéré, et partant, de gérer l'état bloquant ou passant dudit transistor, ainsi que la durée de ces états. Selon une caractéristique fondamentale de l'invention, le circuit comprend également un parasurtenseur, constitué notamment par une diode Zener montée en inverse entre l'alimentation et la source du ou des transistor(s). La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent à titre indicatif mais non limitatif, à I'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique du dispositif conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation du synoptique d'un correspondant à un abaisseur de tension fonctionnant en courant alternatif. La figure 3 est une représentation du synoptique d'un abaisseur de tension fonctionnant en courant continu. La figure 1 représente un schéma simplifié du dispositif d'abaissement de la tension efficace conformément à l'invention. On a représenté par la référence (1) la tension d'alimentation électrique, constituée, dans le cas d'espèces, soit par Ie secteur périodique alternatif, soit par une tension continue, telle que par exemple délivrée par une batterie ou par un accumulateur. Entre les bornes de cette tension, est montée en série une charge résistive (4), par exemple une lampe ou un appareil de chauffage, et le dispositif (5) abaisseur de tension conforme à l'invention. Par ailleurs, on a désigné par (2) et (3) les bornes de la tension d'alimentation aux bornes dudit dispositif. Ce dispositif (5) comporte un interrupteur électronique (6), dont le basculement est commandé par un générateur de signaux (9), lui-même alimenté en énergie par un adaptateur d'alimentation (10), prélevant l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement dudit générateur (9) pendant les phases où I'interrupteur (6) est ouvert. De fait, cet organe de prélèvement (10) est monté en parallèle aux bornes (2,3) dudit interrupteur (6). Parallèlement, un parasurtenseur (12) assure la protection de l'ensemble du dispositif (5) contre les surtensions susceptibles d'intervenir au niveau de l'ensemble du circuit électrique, et plus particulièrement,pour protéger le dispositif (5). Ce parasurtenseur est également monté en parallèle aux bornes dudit interrupteur (6). Le générateur de signaux (9) délivre des signaux électriques continus, selon une fréquence et un rapport cyclique K définis. Il est constitué par un oscillateur, constitué par exemple par un circuit intégré en technologie CMOS du type 4060, dont les différentes sorties sont couplés à des composants, type diode, résistance, capacité, propres à définir ladite fréquence et le dit rapport cyclique. De fait, la charge résistive (4) est soumise à ses bornes à une tension rectangulaire de même rapport cyclique K et de même fréquence que ceux fournis par le générateur de signaux (9). La puissance qu'elle délivre est alors K fois inférieure à celle qu'elle délivrerait si elle était directement alimentée par la source (1). Ce rapport K peut être fixe ou variable et dépend de la tension efficace à laquelle on souhaite soumettre la charge (4). La figure 2 est une représentation synoptique d'une forme de réalisation de l'invention, fonctionnant avec une source de courant alternatif. Dans le cas d'espèce, l'interrupteur électronique (6) est constitué par deux transistors MOS T1 et T2, placés en série entre les bornes (2) et (3). Ainsi qu'on peut l'observer à la figure 2, la source de chacun des deux transistors T1 et T2 est au même potentiel au niveau du point A, servant par ailleurs de référence au générateur de signaux (9). De fait, les deux transistors T1 et T2 reçoivent les mêmes signaux de commande issus du générateur de signaux (9) au niveau de leur électrode de comande ou grille. Partant, ils sont donc bloqués ou saturés en même temps. Lorsqu'ils sont saturés, ils constituent alors un simple courtcircuit entre l'alimentation et la charge qui se trouvent alors pleinement alimentée. En revanche, s'ils sont bloqués, c'est le transistor qui est polarisé "dans le bon sens", en fonction de la polarité de l'alimentation alternative à un instant donné, qui assure l'isolation. La charge n'est alors pas alimentée. Le générateur de signaux (9) est alimenté électriquement au moyen d'un circuit électrique, également appelé "adaptateur d'aIimentation". Ce circuit comprend tout d'abord une diode D1, montée en direct entre la borne (2) et le point B, et une diode D2, montée en direct entre la borne (3) et le point B. Une résistance R1 est montée en série à l'issue des diodes Du et D2, et une capacité C1 est montée en parallèle entre les points A et B. Enfin, une diode Zener Z3 est montée en inverse entre les points B et A. En prenant comme convention la borne (2) positive et la borne (3) négative lors de l'alternance positive, la diode D1 est passante et permet le chargemment de la capacité C1 à travers la résistance R1 quand l'interrupteur T2 est ouvert. Corrolairement, la diode Zener Z3 assure la limitation et la régulation de Ia tension d'alimentation du générateur de signaux (11). En fonction des conventions prises précédemment, le courant passe par la diode D1 lorsque l'alternance est positive, et se referme par la diode inverse interne au transistor T2 et la lampe (4), vers l'autre borne de la source. Lors de l'autre alternance, la diode D2 remplace la diode D1 et le transistor T1 remplace le transistor T2 dans leur fonction respective, le reste du fonctionnement demeurant rigoureusement équivalent. En d'autres termes, cet adaptateur d'alimentation permet même lorsque les transistors T1 et T2 sont en état passant, d'alimenter le circuit intégré (11) par décharge de la capacité C1, alimentation qui permet le fonctionnement de celui-ci et notamment son action au niveau des électrodes de commande ou grilles desdits transistors T1 et T2. Le générateur de signaux (9) est, comme déjà précisé, fondamentalement constitué par un circuit intrégré (11), auquel sont couplées les résistances R3, R4 et R5 d'une part, la capacité C2 d'autre part, et enfin les diodes D3, D4 et Dg. Les deux résistances R4 et R5, associées à la capacité C2 déterminent la fréquence de fonctionnement dudit circuit intégré (11), et la position respective des trois diodes D3, D4 et D5 déterminent quant à elles le rapport cyclique K. Ce type de générateur est, de manière connue, relativement insensible aux parasites, de sorte qu'il permet d'aboutir à un fonctionnement plus précis, et donc plus rigoureux des interrupteurs à transistors. Une diode Zener ZI est montée en inverse entre la sortie de la diode D1 et le point A. Elle assure en coopération avec les diodes D1 et D2 d'une part, et des diodes internes des transistors T1 et T2 d'autre part, la protection contre toute surtension du circuit électronique. Lors d'une surtension positive, le courant passe par la diode D1, par la diode Zener Z1, et par la diode interne au transistor T2, en enfin par la charge (4). La tension entre les bornes (2) et (3) ne peut donc excèder la tension aux bornes de D1 additionnée de la tension aux bornes de Z1 et de celle aux bornes de la diode interne de T2, soit environ la tension aux bornes de Z1. On applique le même raisonnenement lors d'une surtension négative avec la diode D2, la Zener Z1 et le transistor T1. Ce type de diode Zener est généralement placée directement sur l'alimentation (1) dans les circuits traditionnels, et devrait donc être cent fois plus puissante pour être susceptible de protéger efficacement lesdits circuits. Ce dispositif peut avantageusement être utilisé pour de nombreuses applications fonctionnant en courant alternatif, afin d'adapter la tension efficace au niveau d'une charge résistive, telle que notamment des lampes à incandescence, des appareils de chauffage à effet Joule, etc.. . On peut ainsi souhaiter réaliser des convertisseurs, 48 - 24 Volts alternatif, ou 220 - 110 Volts alternatif. Dans ce cas, la diode D5 n'est alors pas utilisée, et les diodes D3 et D4 définissent un rapport cyclique de 1/4 en puissance, et partant de 1/2 en tension efficace en application des lois fondamentales de l'électricité. En effet, ces lois donnent directement: P = U2/R, où P désigne la puissance, U la tension d'alimentation et R la résistance de la charge (4). Ainsi qu'on l'a montré précédemment, la puissance dissipée au niveau de la charge (4) devient K fois inférieure à la puissance P disponible entre les bornes de l'alimentation (1). On a donc: K.P = U2eff/R Où Ueff représente la tension efficace aux bornes de la charge. En effectuant le rapport de ces deux expressions, on obtient: K = U2eff/U2 Afin d'éviter les variations apparentes, la fréquence doit avantageusement être relativement élevée et notamment comprise entre 500 à 10 000 hertz, voire plus. Dans le cadre d'un convertisseur 48 - 12 Volts alternatif, la diode D5 est raccordée sur la sortie Q7 et non Q8 du circuit intégré (il), et une diode D6 supplémentaire est raccordée sur la sortie Q4. On obtient dans ce cas un rapport cyclique de 1/16 en puissance et donc 1/4 en tension. Bien entendu, de nombreux autres rapports cycliques peuvent être obtenus, la valeur de ceux-ci résultant du choix des composants. Une autre application du dispositif conforme à l'invention concerne la possibilité de réaliser des clignotants, notamment pour les lampes. Dans ce cas, les diodes D3 et D4 ne sont pas utilisées, la diode D5 conférant au circuit générateur un rapport cyclique fonction de l'application, et par exemple de 1/2, la fréquence étant choisie pour que la cadence de clignotement soit bien perçue par l'utilisateur, typiquement de 60 à 180 coups/minute, soit une fréquence d'environ 1 à 3 hertz. Dans le même ordre d'idée, on peut également réaliser un clignotant convertisseur, permettant ainsi de faire clignoter une lampe 24 Volts à partir d'une alimentation de 48 Volts. Dans ce cas, les trois diodes D3, D4 et D5 sont utilisées, et branchées par exemples aux sorties respectives représentées sur la figure 2. Un commutateur, agissant aux niveau des diodes D3, D4, D5, D6, judicieusement positionné peut permettre de passer très rapidement d'une configuration à l'autre, en fonction du choix de l'utilisateur. Selon une autre application de l'invention, et en liaison avec la figure 3, on utilise comme alimentation une source continue. Le fonctionnement reste le même que celui précédemment décrit, mais un seul transistor MOS T1 et une seule diode D1 sont utilisés. On conçoit aisément les très nombreuses applications que présente ce dispositif. Sa fonction d'abaisseur de tension, c'est-à-dire de convertiseur de tension, permet par exemple de raccorder une remorque 12 ou 24 Volts sur un camion tracteur 36, 48 voire 96 Volts, le convertisseur 48 - 24 Volts permet ainsi l'utilisation de lampes standard 24 Volts sur des chariots élévateurs à batterie de 48 Volts. Bien entendu le dispositif présente de nombreuses autres applications. ll peut également être utilisé comme système de gradation par paliers pour des appareils de chauffage électrique, munis d'un seul élément chauffant. REVENDICATIONS 1/ Dispositif électronique pour l'adaptation de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive (4), caractérisé en ce qu il est constitué par un circuit électronique (5) monté simplement en série avec ladite charge résistive (4) par les bornes (2,3) sur l'alimentation électrique, et comprenant: - un interrupteur (6,T1,T2), destiné à couper temporairement l'alimentation de la charge; - un générateur de signaux (9,11), commandant l'ouverture et la fermeture dudit interrupteur selon une fréquence et un rapport cyclique définis, le dit générateur étant alimenté en énergie électrique au moyen d'un circuit de prélèvement d'énergie monté en parallèle par rapport audit interrupteur. 2/ Dispositif électronique pour l'adaptation de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive (4) fonctionnant en courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur est constitué par un transistor MOS T1, monté en série avec la charge résistive entre les deux bornes d'alimentation, et dont la grille ou électrode de commande est directement connectée au générateur de signaux (9,11). 3/ Dispositif électronique pour l'adaptation de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive (4) fonctionnant en courant alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur électronique est constitué de deux transistors MOS T1 et T2 montés en série avec la charge entre les bornes d'alimentation électrique, et dont la source de chacun d'eux est en permanence à la même tension, et dont leur grille ou électrode de commande est reliée au générateur de signaux (9,11). 4/ Dispositif électronique pour l'adaptation de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive (4) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le générateur de signaux (9) est constitué par un oscillateur associé à des composants, diodes (D3, D4, D5, D6), résistances (R3, R4, R5) et capacité (C2), dont les caractéristiques permettent de définir la fréquence des signaux qu'il émet et le rapport cyclique, ledit générateur étant alimenté par une tension continue délivrée par le circuit de prélèvement. 5/ Dispositif électronique pour l'adaptation de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive (4) selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le circuit de prélèvement est constitué par une diode D1 montée en série à l'issue de la borne positive (2) de la source d'alimentation électrique, et par une capacité C1 montée en parallèle aux bornes A,B de l'alimentation de l'oscillateur, l'alimentation proprement dite du générateur de signaux (9) étant assurée directement à partir de la source lorsque l'interrupteur (6) est ouvert, et par la décharge de ladite capacité C1 lorsque l'interrupteur (6) est ferme, la capacité C1 étant rechargée lors des phases d'ouverture de l'interrupteur. 6/ Dispositif électronique pour l'adaptation de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive (4) selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le circuit de prélèvement est constitué d'une part, par une diode D1 montée en série à l'issue de la borne positive (2) de la source d'alimentation électrique vers la borne B de l'alimentation de l'oscillateur, par une capacité C1 montée en parallèle aux bornes A,B de la dite alimentation de l'oscillateur, et d'autre part par une diode D2, montée en série à l'issue de la borne (3) en direction de la borne B. 7/ Dispositif électronique pour l'adaptation de la valeur de la tension efficace d'alimentation aux bornes d'une charge résistive (4) selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce qu'il comprend également un parasurtenseur, constitué notamment par une diode Zener Z3 montée en inverse entre l'alimentation et la source du ou des transistor(s).