Brevet FR2718260A1 — publié le 19951006

SOURCE D'ALIMENTATION A IMPEDANCE ELEVEE La oresente invention concerne des alimentations élec- rcues, et en particulier une alimentation à source de zourant convenant à une utilisation dans un réseau de com- munr.ication à deux fils. A nlre d'exemple seulement, l'invention est présentée dans le contexte d'un système de commande pour un bâtiment, qui utiise un support de communication à deux fils égale- 1O ment utilisé pour acheminer de la puissance vers des con- tzrieurs situés à distance dans le système. Le système de commande comprend de nombreux dispositifs émetteurs- rece-teurs à faible consommation énergétique, reliés en paraeile par l'intermédiaire du support de communication et de puissance à deux fils, bien que d'autres supports conviennent pour l'application de l'invention décrite. La figure 1 décrit une conception de base d'un tel réseau. Chaque dispositif dans le système de commande est adapté et disposé pour échanger des signaux par l'intermé- diaire du support à deux fils, tout en étant également adapté pour recevoir de la puissance depuis une alimenta- -ion centrale. Des paires de fils utilisées dans cette configuration Ont typiquement les fils torsadés l'un à l'autre pour équi- librer l'interaction électromagnétique entre eux-mêmes et d'autres fils voisins, et sont disponibles blindés ou non- bi-ncdes. Cependant, d'autres supports combinés de communi- catisn et d'alimentation peuvent comprendre d'autres confi- gura.ons de conducteurs ajustés ou adaptés pour conduire à la ois un courant d'alimentation depuis l'alimentation vers Les dispositifs émetteurs-recepteurs à distance, et des signaux de commande. L'impédance d'entrée effective de tous les dispositifs iors de "i'ecoute" d'un message de communication est de préférence considérablement supérieure à l'impédance de sortie ef.ective de la partie transmettrice de chaque dis- -ositif. Cependant, comme tous les dispositifs présents sur e reseau sont alimentés par la même paire de fils, la 4ceo::cn du signal de communication est affectée négative- ment si l'imoédance d'entrée d'alimentation du dispositif est faible par rapport à l'impédance effective de la partie %ceprc e du disposicif. 2e reéférence, le réseau nécessite donc pour les dis- posi-_ L une a:imentation ayant une impédance d'entrée extrêmement élevée aux fréquences utilisées par le signal de communication, tout en étant encore capable de fournir a puissance nécessaire pour alimenter chaque dispositif. Cela permet au plus grand nombre possible de dispositifs d'être connectés simultanément au support d'alimentation et de communication de signaux. A titre d'exemple seulement, des exigences de fonc- t'onnement typiques d'une source de courant destinée à alimenter des dispositifs en réseau peuvent être les sui- vantes: Tension maximale (à l'état transitoire): Vmax = 65 V Tension minimale de fonctionnement: Vmin = 6 V Gamme de régulation de courant: 5 mA 50 kOhms Gamme de fréquences de communication: 3 kHz Une alternative réside dans l'utilisation d'un induc- teur en série avec l'entrée de l'alimentation, afin d'obte- nir une impédance élevée aux fréquences de communication C désirées, tout en permettant encore au dispositif de rece- voitr e la puissance depuis les fils. Cependant, pour obte- nir l'impédance requise, l'inducteur doit présenter une inductance d'approximativement 5 Henry. De manière caracté- ri-st-ique, cette valeur d'inductance n'est disponible qu'en ui-i sant un inducteur ayant un grand nombre d'enroulements autour d'un noyau magnétique, ce qui est typiquement encom- brant et -eu economique s'il y a un grand nombre de dispo- sitifs de commande à distance sur le réseau. Ses aiimentations nécessaires pour fournir une source Ne zour=nt constante peuvent comprendre des sources de cou- rant a semi-conducteurs utilisant soit des transistors à - de champ à jonction (JFET) fonctionnant au-dessus de eur ension de eincement, ou des transistors bipoiaires en conflcuration "miroir", conçue pour utiliser la tension de i$ base des transistors bipolaires de manière à défienir le courant de coiiecteur, ou tout transistor linéaire fonc- tionnant avec une boucle de réaction négative qui tente de récguier le courant. Cependant, on sait également que des sources de cou- rant utilisant des transistors JFET fonctionnant au-dessus de la tension de pincement sont, de manière caractéristi- que, limitées par des paramètres du dispositif. Des impé- dances typiques de JFET, pour des dispositifs destinés à fonctionner dans ce mode, sont inférieures à 25 kOhms pour un courant de 4,7 mA. Des transistors (bipolaires ou à effet de champ) qui sont utilisés pour réguler le courant en réponse à un cir- cuit de réaction, dépendent du temps de réponse du circuit contrôleur pour présenter des performances appropriées. L'utilisation d'un tel circuit dans des applications à haute tension telles que celles décrites dans le mode de réalisation de l'invention est inutilement compliquée par l'utilisation d'une variété de circuits à base d'amplifica- teurs opérationnels en plus du circuit d'alimentation à courant constant. Une autre technique de source de courant qui utilise des circuits intégrés bipolaires linéaires est le miroir de courant. Un circuit à miroir de courant typique est repré- sente sur la figure 2. Le courant d'entrée lent est "éfiéchi" dans la partie de sortie du circuit, de sorte que, si l'imoédance du circuit est appropriée, un courant identique passera dans les collecteurs des deux transistors Q1 et Q2. Dans le zircuit à miroir de courant représenté sur la fiaure 2, ent. provoque le passage d'un courant dans la base du transistor Q1, permettant ainsi à un cou- rant de collecteur de passer dans le même transistor. Le curant. resuitant oasse à travers l'émetteur de Q1 et cree une chute de tension depuis la base vers l'émetteur, égale à -s, qui est iiee (de façon logarithmique) au courant passant Ient. Comme le transistor Q2 a sa base reliée en parallèle à la base du transistor Q1, il a la même tension base-émetteur et, donc, permet au même courant de passer dans son émetteur depuis l'alimentation connectée à son collecteur. Dans un circuit à composants discrets formant miroir de courant, ii est nécessaire d'introduire des résistances en serie avec les émetteurs des transistors, afin que les effets de la température et d'un désaccord des paramètres soient moins prononcés. Des résistances d'émetteur consti- 29 tuent également un moyen simple de calibrer si nécessaire le courant de sortie. Des versions en circuit intégré d'un miroir de courant utilisent diverses techniques connues pour obtenir le cou- rant constant et régulé nécessaire, mais dans le cas d'un réseau comprenant une pluralité de dispositifs espacés le long d'un support à deux fils conducteur de courant d'ali- mentaton et porteur de signaux, les exigences de haute tension qui sont nécessaires rendent une solution en cir- cuit intégré de courant plus difficile, pour ne pas dire imoraficable. Ainsi, un aspect de la présente invention est de four- nir une source de courant constant qui utilise une combi- naison nouvelle d'un principe de miroir de courant et d'une boucle de réaction négative afin d'obtenir la régulation de courant necessaire, qui présente encore une impédance d'en- trée élevee aux fréquences utilisées pour communiquer des signaux de commande. L'invention surmonte les problèmes que ces tecnniques de circuits comportent en elles-mêmes. Dans un aspect large de i'invention, une alimentation source de courant comprend: un circuit formant miroir de courant ayant une impé- dance d'entrée élevée et ayant également un courant y massant dans des première et deuxième voies, ainsi qu'une oartze de commande du passage du courant, des moyens de référence de courant adaptés pour éta- blir une connexion entre la partie de sortie de ladite pre- mière voie de courant dans ledit circuit formant miroir de courant et une sortie de ladite alimentation source de cou- rant, des moyens de détection de courant adaptés pour éta- blir une connexion entre la partie de sortie de ladite deuxième voie de courant dans ledit circuit formant miroir de courant et ladite sortie de ladite alimentation source de courant, un circuit de réaction connectant la partie de com- mande du passage du courant dudit circuit formant miroir de courant à la fois aux première et deuxième voies de cou- rant, dans laquelle le circuit de réaction régule le courant dans les moyens de détection de courant en sorte que la chute de tension totale sur les moyens de détection de courant et le circuit de réaction est adaptée à la chute de tension sur les moyens de référence de courant. Dans un autre aspect de l'invention d'une alimentation source de courant, le miroir de courant comprend deux tran- sistors à signaux faibles ayant leurs bornes de base connectées entre elles et leurs collecteurs connectés à une source de tension commune. Dans un autre aspect de l'invention d'une alimentation source de courant, les moyens de référence de courant com- prennent une référence de tension à diode Zener et une ré- sistance pour convertir le courant mesuré en une tension à des fins de comparaison avec la tension de référence. Un autre aspect concerne une alimentation source de tension selon l'un quelconque des aspects précédents, dans = acuel!e l'impédance d'entrée Drédéterminée de ladite ali- mentat-on source de courant est superieure à 50 Ohms. Un mode de réalisation particulier de l'invention va maintenant être décrit en détail en se référant aux figures annexees sur lesquelles il est illustré. i CCe mode de réalisation sert d'illustration et n'est pas imitatif pour l'invention. La figure _ montre une pluralité de dispositifs de commande interconnectés par une paire de fils qui forment une topologie en réseau courant; :5 La figure 2 est un circuit d'un miroir de courant de l'art antérieur; et La figure 3 montre un circuit source de courant selon un mode de réalisation de l'invention. Une grande variété de systèmes d'information, de com- 2J mande et de gestion utilisant des supports d'alimentation et de communication à deux fils a été développée pour une variété aussi grande de systèmes utilises dans les bâti- ments résidentiels et commerciaux et les zones industriel- les. Des paires de conducteurs sont facilement posées et acheminées dans des bâtiments neufs ou existants et de sim- ples connexions de type recouvrement peuvent être réalisées en tout point le long de la paire de conducteurs. La topo- logie de base d'un tel réseau est décrite schématiquement sur la figure i. Des fils 10 et 12 constituent un support pour La communication de signaux, depuis ou vers les dispo- sitfs 14, 16, 18 et 20, qui peuvent être distribués selon les besoins sur toute la longueur des fils 10 et 12. Il est préférable qu'il y ait une longueur maximale de fil le long de!acueile un dispositif peut être placé, et cet aspect de l 'invenrtion sera décrit plus loin dans la spécification. Un circuit d'alimentation source de courant approprie qui surmonte les problèmes de l'art antérieur, comprend un zircuit utilisant à la fois le principe du miroir de cou- rant et une boucle de réaction nécative. Le courant d'ali- mentai on peut ere régulé alors qu'une impédance d'entrée adéquae est rvue aux fréquences de communication utili- sees. _a figure 3 décrit un mode de réalisation d'un tel circuit d'alimentation source de courant, dans lequel R2 i0 est une résistance à valeur élevée qui délivre un courant suffisant à la base Q4 pour la mettre en conduction, apres cuoi la réaction à travers le transistor Q1 maintiendra le fonctionnement appropriée. Une diode Zener basse tension (3,3 V), Z3, est utili- sée pour établir une tension et un courant de référence et est un exemple de moyens de courant de référence. Un cir- cuit séparé c'ui produit une référence de courant faible pourrait également remplir cette fonction du circuit. Le transistor Q4 est un élément de sommation et fait partie du circuit de réaction de l'alimentation en courant qui délivre le courant de base aux deux transistors Q1 et Q2, provoquant l'écoulement du courant dans chacun des deux collecteurs de ceux-ci. Q1 et Q2, dans cette configuration l'un par rapport à l'autre, constituent un exemple de moyens formant miroir de courant. Une chute de tension appoaraît sur la résistance R6 en réponse au courant prove- nant du transistor Q2, une résistance étant un exemple de moyens de détection de courant. Le transistor Q4 régule le courant I2 en sorte que la chute de tension sur la résistance R6, plus la tension base-émetteur 7E du transistor Q4, correspond à la chute de tension Zener de Z3. ii faut souligner qu'il est préférable, mais pas cri- tique, que e zoefficient de température de la tension base- émetteur VE du transistor Q4 soit approximativement identique pour la diode Zener Z3, de sorte que le courant rêagulé n'est pas affecte négativement par une variation de température. Un condensateur CL est utilisé en option dans le cir- _cuit pour apporter de 'a stabilité à des fréquences de fonctionnement eélevees. e courant t traversant la diode Zener Z3 est régulé, et est de l'ordre de 5 mA pour la gamme de courants requise par e réseau. Cec garant-t la stabilité et la reproducti- iO0 biLité des caractéristiques de la diode Zener. Le transistor Q3 peut être inclus en option pour déli- vrer un courant supplémentaire à une tension plus élevée que celle de la borne de sortie de la source de courant. Des resistances R2, R3 et R4 sont de préférence incluses pour compenser les erreurs provoquées par des paramètres et des caractéristiques de température en désaccord entre les transistors discrets utilisés dans ce mode de réalisation, à savoir Q1 et Q2. La résistance R5 remplit une fonction similaire si le transistor supplémentaire Q3, avec sa capa- cité de transport de courant additionnelle, est utilisé. De plus, des circuits tels que décrits ci-dessus peuvent être ajoutés pour délivrer encore plus de courant afin de s'adapter à une application particulière de l'in- vention. La résistance R6 est un moyen de détection de courant utilisé pour prédéterminer le courant de régulation requis, et le courant délivré doit être généré par un circuit séparé. L'impédance totale de la source de courant aux fré- quences de communication, typiquement dans le domaine de 3 kHz leurs paramètres h, et peuvent donc fournir des performan- ces d'imeédance consistantes et prédictibles. Le transistor Q4 fonctionne avec un courant de collecteur très faible et n'affecte donc pas sensiblement l'impédance de sortie de la source de courant. La précédente description présente une version à com- posanrs discrets d'une alimentation source de courant cons- tant. Cecendant, il est dans les capacités d'une personne specialisee en La matière de réaliser un circuit ayant la même fonctionnalité sous la forme d'un circuit intégré ou d'un montage hybride en surface. Les principes du circuit sont les mêmes, mais la forme des parties électroniques est modifiée pour s'adapter à des considérations de production en grande serie. LI faut noter que l'invention utilise à la fois un principe de miroir de courant et une boucle de réaction négative pour obtenir la réponse de circuit désirée pour une source de courant convenant à l'application décrite. Cependant, les spécialistes en la matière comprendront que l'invention n'est pas limitée dans son utilisation à l'ap- pication décrite, et que l'invention ne se limite pas non plus, du point de vue des composants particuliers et des configurations décrites ici, à son mode de réalisation pré- féré. Il faut noter que diverses modifications peuvent être apportées sans s'écarter des principes de l'invention, et l'invention doit donc être considérée comme incluant toutes les modifications entrant dans ce cadre. REVENDICATIONS Alimentation source de courant, comprenant: un circuit formant miroir de courant ayant une impé- dance d'entrée élevée et ayant également un courant y passant dans des première et deuxième voies, ainsi qu'une cari-e de commande du passaae du courant, ces moyens de référence de courant adaptés pour éta- blir une connexion entre la partie de sortie de ladite première voie de courant dans ledit circuit formant miroir de courant et une sortie de ladite alimentation source de courant, des moyens de détection de courant adaptés pour éta- blir une connexion entre la partie de sortie de ladite deuxième voie de courant dans ledit circuit formant miroir de courant et ladite sortie de ladite alimentation source de courant, un circuit de réaction connectant la partie de com- mande du passage du courant dudit circuit formant miroir de courant à la fois aux première et deuxième voies de cou- rant, dans laquelle le circuit de réaction régule le courant dans les moyens de détection de courant en sorte que la chute de tension totale sur les moyens de détection de courant et le circuit de réaction est adaptée à la chute de tension sur les moyens de référence de courant. 2. Alimentation source de courant selon la revendica- tion _, dans laquelle le miroir de courant comprend deux transistors à signaux faibles ayant leurs bornes de base connectées entre elles et leurs collecteurs connectés à une source de tension commune. 3. Alimentation source de courant selon la revendica- tion i, dans laquelle les moyens de référence de courant comprennent une référence de tension à diode Zener et une résistance pour convertir le courant mesuré en une tension à des fins de comparaison avec la tension de référence. 4. Alimentation source de courant selon les revendica- tions 1, 2 et 3, dans laquelle ledit circuit de réaction comprend à transistor à signaux faibles ayant un collecteur connecté aux bornes de base dudit circuit formant miroir de courant, un émetteur connecte à la jonction de la deuxième voie de sourant dudit circuit formant miroir de courant et desdits moyens de détection de courant, et une base connec- tée a la jonction de la première voie de courant dudit circuit formant miroir de courant et desdits moyens de !0 référence de courant. 5. Alimentation source de courant selon la revendica- tion 4, dans laquelle ledit transistor à signaux faibles du ctrcuit de réaction est actionné avec un faible courant de collecteur tout en maintenant les caractéristiques d'impé- dance d'entrée de ladite alimentation source de courant. 6. Alimentation source de courant selon la revendica- tion 5, dans laquelle ledit transistor à signaux faibles du circuit de réaction est de type npn. 7. Alimentation source de courant selon la revendica- tion 2, dans laquelle lesdits transistors à signaux faibles sont des transistors appariés. 8. Alimentation source de courant selon la revendica- tion 2, dans laquelle lesdits transistors à signaux faibles sont des transistors de type npn. 9. Alimentation source de courant selon la revendica- tion 7, dans laquelle lesdits transistors à signaux faibles ont leurs émetteurs connectés par l'intermédiaire de résis- tances en série à ladite source de tension commune, de sorte à adapter les paramètres et les caractéristiques de temoérature desdits transistors à signaux faibles. i0. Alimentation source de courant selon la revendica- t-on 7, dans laquelle lesdits transistors à signaux faibles sont choisis sur la base de leurs caractéristiques de gain, de manière à fournir une caractéristique d'impédance d'entrée élevée prédéterminée. 11. Alimentation source de courant selon la revendica- tion 1, avant des moyens formant condensateur en parallèle avec lesdits moyens de référence de courant pour stabiliser en fréquence ladite alimentation source de courant. Alimentation source de courant selon la revendica- tion L, ayant au moins une voie supplémentaire de transport de courant fournie par des moyens amplificateurs de courant connectés auxdits moyens source de tension et à ladite sorti e de tension constante, ayant une partie de commande du passage du courant connectée à ladite partie de commande du passage du courant dudit circuit formant miroir de courant, de sorte que le courant délivré par ladite voie supplémentaire de Transport de courant s'ajoute au courant total délivré par ladite alimentation source de courant. 13. Alimentation source de tension selon l'un quelcon- que des revendications précédentes, dans laquelle l'impé- dance d'entrée prédéterminée de ladite alimentation source de courant est supérieure à 50 Ohms. 14. Système de communication à deux fils ayant une alimentation source de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes.