Brevet FR2730879A1 — publié le 19960823

I " Appareil électronique, utilisé dans le cas de systèmes de sécurité pour les passagers d'un véhicule, notamment d'un véhicule utilitaire " L'invention concerne un appareil électronique, à savoir un transformateur de tension, qui est en particulier utilisé dans le cas de systèmes de sécurité pour les passa- gers d'un véhicule, auquel on peut amener du côté de l'en- trée une première tension d'entrée pour la transformer en une tension de sortie s'écartant de la tension d'entrée et pouvant être prélevée du côté de la sortie, avec au moins un accumulateur d'énergie et avec au moins un élément de circuit. Depuis que des systèmes de sécurité tels que des coussins d'air et/ou des raidisseurs de ceinture et analo- gues sont montés dans beaucoup de voitures particulières aujourd'hui déjà en série, on pense maintenant aussi à équiper des véhicules utilitaires tels que les camions et les autocars de systèmes de sécurité de ce type. Dans le cas des véhicules utilitaires de ce type on se raccorde à des réseaux de bord qui présentent des valeurs de tension différentes. C'est ainsi qu'il est habituel d'avoir des ré- seaux de bord avec une tension nominale de 12 volts comme aussi des réseaux de bord avec une tension nominale de 24 volts. Pour arriver alors à des nombres de pièces à fabri- quer qui sont économiquement raisonnables, on doit pouvoir faire fonctionner les composants électroniques des systèmes de sécurité avec une tension de fonctionnement unitaire, qui ne dépasse pas sensiblement une tension nominale de 12 volts. Leur montage dans des réseaux de bord ayant une au- tre tension exige en conséquence des transformateurs de tension appropriés, qui rabaissent le niveau de tension plus élevé du réseau de bord à la valeur plus basse de ten- sion nécessaire aux systèmes de sécurité pour passagers. En fait on a déjà dans ce but des régulateurs linéaires en technique intégrée. Un inconvénient de ces régulateurs est toutefois l'importance de leurs pertes en puissance, qui se produisent en particulier dans le cas des tensions de bord supérieures à 20 volts. Avantages de l'invention L'appareil électronique selon l'invention est ca- ractérisé en ce que l'on prévoit un premier accumulateur d'énergie sous la forme d'une bobine d'induction et un se- cond accumulateur d'énergie sous la forme d'un condensa- teur, en ce qu'en outre l'on prévoit deux éléments de circuit pouvant être commandés dans le même sens, ainsi qu'un circuit de commande pour commander les éléments de circuit et en ce que les éléments de circuit peuvent être commandés d'une manière telle que dans une première phase (phase de charge) soit chargée la bobine d'induction et que dans une seconde phase (phase de décharge) soit chargé le second accumulateur d'énergie. L'appareil électronique selon l'invention permet le fonctionnement d'un dispositif de branchement électroni- que conçu de façon universelle pour une tension de fonc- tionnement relativement basse dans une plage de tension relativement large, qui se situe entre environ 8 volts et 36 volts. Dans le cas des tensions d'entrée se situant à l'intérieur de l'intervalle de tension mentionné on délivre une tension stabilisée de sortie d'environ 12 volts. L'ap- pareil électronique se caractérise en outre par le fait qu'il présente un mode de construction relativement simple, qui permet d'avoir une fabrication économique en grande sé- rie. Suivant d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - les éléments de circuit peuvent être commandés en fonc- tion d'une intensité, qui est détectée au moyen d'une ré- sistance ampère métrique branchée en série avec l'élément de circuit. - on prévoit pour la commande des éléments de circuit un circuit de modulation par impulsions en largeur. - le circuit de modulation par impulsions en largeur est commandé au moyen d'une diode Zener, qui stabilise la tension de sortie. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de plusieurs modes de réa- lisation représentés sur les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 montre une représentation schématique par blocs de l'appareil électronique selon l'invention, et - la figure 2 montre un plan de circulation du courant d'un appareil électronique développé en série. Description des exemples de réalisation Sur la figure 1 on a représenté une vue schémati- que par blocs de l'appareil électronique selon l'invention. L'appareil sert de transformateur de tension et convertit une tension plus élevée du côté de l'entrée Ul en une ten- sion plus basse U2 appliquée du côté de la sortie. Le transformateur de tension consiste essentiellement en deux éléments de circuit Si, S2, en une bobine d'induction Li, qui sert d'accumulateur intermédiaire d'énergie, en deux diodes de roue libre Di, D2, en un condensateur d'accumula- tion d'énergie C2, et en une résistance ampère métrique R7. En outre il est prévu un sous-ensemble qui sert à la com- mande des éléments de circuit Si et S2 et qui est conçu es- sentiellement comme un modulateur d'impulsions en largeur. Finalement il est encore prévu une régulation de tension. Les différents éléments de circuit mentionnés sont en dé- tail reliés les uns aux autres comme suit: un premier rac- cordement de l'élément de circuit Si est raccordé à la cathode d'une diode D1, dont l'anode est à la masse. La ca- thode de la diode D1 est en outre reliée à une entrée d'une bobine d'induction LI, dont le raccord de sortie se trouve d'une part relié à une entrée de l'élément de circuit S2 et d'autre part à l'anode d'une seconde diode D2. Le raccord de la cathode de la diode D2 est relié au raccord de sortie sur lequel se trouve la tension de sortie U2. Le second raccord de l'élément de circuit S2 est relié par l'intermé- diaire d'une résistance R7 au raccord à la masse. Le rac- cord de sortie pour la tension de sortie U2 est relié à un raccord de condensateur C2 dont l'autre raccordement est à la masse. Les entrées de commande des éléments de circuit SI et S2 sont reliés à un sous-ensemble de commande (modulateur d'impulsions en largeur). Le raccord, éloigné de la masse, de la résistance R7 est en outre relié à un circuit servant à limiter le courant par l'inductance Ll. Le raccord de sortie est amené à un circuit de réglage de la tension. Les éléments de circuit SI1 et S2 sont fermés et ouverts en même temps. Les deux éléments de circuit Si, S2 restent fermés jusqu'à ce que le courant ait atteint à tra- vers la résistance R7 et de cette façon aussi l'inductance L1 une valeur déterminée. On désigne en règle générale cet intervalle de temps comme phase de charge. A ce moment les deux éléments de circuit SI et S2 s'ouvrent et l'énergie accumulée dans l'inductance Ll peut être chargée par l'in- termédiaire des diodes D1 et D2 dans le condensateur d'ac- cumulation C2. On désigne cet intervalle aussi comme phase de décharge. Cette décharge a lieu pendant une durée prédé- finie fixe. Ensuite on ferme à nouveau les deux éléments de circuit Sl, S2 et le processus se répète de façon pério- dique. Comme la montée de l'intensité pendant la phase de charge a lieu d'autant plus vite que la tension sur l'in- ductance Ll est grande, la longueur de la phase de charge est fonction de la tension d'entrée Ul. Les éléments de circuit Sl, S2 sont donc commandés par un signal modulé par impulsions en largeur. Dans le cas de ce circuit de trans- formateur, il n'est pas nécessaire d'avoir de commutation entre un fonctionnement en avant et un fonctionnement en arrière. On peut utiliser le circuit de transformateur en conséquence aussi pour passer d'une tension d'entrée basse Ul à une tension de sortie plus élevée U2. Le processus de branchement est dans ce cas toujours le même. Indépendam- ment de la tension d'entrée on prend toujours l'énergie à partir de la source de tension d'entrée. La régulation sur une tension de sortie fixe U2, qui se distingue de la ten- sion d'entrée Ul, a lieu grâce à la commande appropriée du modulateur d'impulsions en largeur qui commande les élé- ments de circuit Sl, S2. Le plan de circulation du courant d'un appareil électronique développé en série est représenté à la figure 2. On a prévu comme éléments de circuit Sl, S2 dans cet exemple de réalisation des éléments semi-conducteurs, à sa- voir des transistors Tl, T4. Les éléments de circuit qui sont encore représentés, à savoir les transistors T2, T3, sont utilisés pour commander les éléments de circuit Tl, T4. R7 désigne à nouveau la résistance déjà connue de la figure 1, qui sert essentiellement à mesurer l'intensité. Les diodes Dl et D2 correspondent aussi aux composants re- présentés sur la figure 1. Au moyen d'une diode Zener ZDl raccordée du côté de la sortie, a lieu une limitation de la tension de sortie sous l'influence du modulateur d'impl- sions en largeur. En détail les composants de l'exemple de réalisation selon la figure 2 sont reliés comme suit: sur le raccord d'entrée pour la tension d'entrée Ul se trouve le raccord de l'émetteur du transistor Tl, dont le raccord du collecteur est relié au raccord de la cathode de la diode Dl, dont le raccord de l'anode est à la masse. Le raccord de la base du transistor T1 est relié au raccord du collecteur du transistor T2, dont le raccord de l'émetteur est relié par une résistance R2 à la masse. Le raccord de la base du transistor T2 est relié par l'intermédiaire d'une résistance R3 au raccord de l'émetteur du transistor T1. Entre le raccord de l'émetteur du transistor T1 et le raccord de sa base on a monté une résistance R1. Le raccord du collecteur du transistor T3 est relié au raccord de la base du transistor T2. Le raccord de l'émetteur du transis- tor T3 est à la masse. Le raccord de la base du transistor T3 est relié au premier raccord de la résistance R4, dont le deuxième raccord est relié au raccord de l'anode de la diode Zener ZD1. Le raccord de la cathode de la diode Zener ZD1 est relié au raccord de la cathode de la diode D2. Le raccord de la base du transistor T3 est relié au premier raccord d'une résistance R6, dont le second raccord est re- lié au premier raccord d'une résistance R7, dont le second raccord est à la masse. Le raccord de la base du transistor T4 est relié au raccord de la base du transistor T2. Le raccord de l'émetteur du transistor T4 est relié au rac- cord, éloigné de la masse, de la résistance R7. Le raccord du collecteur du transistor T4 est relié au premier raccord d'une résistance R5, dont le second raccord est relié au premier raccord d'un condensateur Tl, dont le second rac- cord se trouve sur le raccord de la base du transistor T3. Le raccord du collecteur du transistor T1 est relié à un raccord de l'inductance Li. Le second raccord de l'induc- tance Li est relié au raccord de l'anode de la diode D2. Sur le raccord de sortie pour la tension de sortie U2 se trouve un premier raccord du condensateur d'accumulation C2, dont le second raccord est à la masse. Le mode de fonctionnement de l'appareil électro- nique représenté sur la figure 2 peut être décrit de la fa- çon suivante: la tension d'entrée U1 est appliquée au raccord prévu pour cette tension d'entrée. Par l'intermé- diaire de la résistance R3 le courant s'écoule ensuite dans les raccords des bases des transistors T2 et T4, ce qui fait prendre à ceux-ci l'état passant. Le courant du col- lecteur du transistor T2 met ce faisant le transistor T1 à l'état passant. De cette façon les éléments de circuit S1 et S2 sont fermés, en correspondance avec les transistors Tl et T4. Le courant de la base du transistor T1 est limité par la résistance R2 ainsi que par la tension base émetteur du transistor T4 et la chute de tension sur la résistance R7 à la valeur autorisée. Comme transistor T4 on utilise de façon appropriée un transistor Darlington. Le courant à travers la bobine d'induction L1 augmente et de cette façon aussi la chute de tension sur la résistance R7 prévue pour une mesure de l'intensité. De cette façon augmente en même temps le courant de la base du transistor Tl, qui passe toujours mieux avec une intensité croissante à travers la bobine d'induction L1. La chute de tension sur la résis- tance R7 atteint finalement la tension de seuil base émet- teur du transistor T3, grâce à quoi celui-ci est mis à l'état passant. De cette façon une partie du courant des bases des transistors T2 et T4 passe à travers le raccord du collecteur du transistor T3 à la masse. Le courant de la base du transistor T4 ne suffit alors plus pour faire pas- ser le courant de la bobine d'induction L1 à travers le raccord du collecteur. Par suite de la self-induction de la bobine d'induction LI la tension sur le collecteur du tran- sistor T4 se met à croître. Là dessus le condensateur Cl se charge par l'intermédiaire de la résistance R5 à la tension appliquée au raccord du collecteur du transistor T4. Dans ce cas le courant de charge s'écoule dans le raccord de la base du transistor T3. Celui-ci est de cette façon encore plus fortement sollicité et réduit davantage le courant des bases des transistors Tl et T4. Ce couplage capacitif si- multané du raccord du collecteur du transistor T4 au rac- cord de la base du transistor T3 a pour effet aussi de provoquer un rapide débranchement des transistors Tl et T4. La résistance R6 empêche dans ce cas le courant de charge de s'écouler du condensateur Cl via la résistance R7 à la masse. La résistance Ri accélère le débranchement du tran- sistor Tl. Tl et T4 sont alors complètement bloqués. Le courant de la bobine d'induction Ll s'écoule alors en con- séquence dans le circuit de roue libre par l'intermédiaire des diodes Dl et D2 dans le condensateur C2. Le condensa- teur Cl se charge en même temps davantage par l'intermé- diaire de la résistance R5 à la tension du collecteur du transistor T4. Le courant de charge maintient dans ce cas le transistor T3 à l'état passant. Le condensateur Tl est alors chargé. Le transistor T3 commence alors à se bloquer. Via la résistance R3 le courant de la base peut alors s'écouler à nouveau vers les transistors Tl et T4. Ceux-ci commencent à leur tour à passer à l'état passant. Le tran- sistor T4 tire le potentiel de son collecteur en direction de la masse. Le condensateur Cl est de cette façon déchargé par l'intermédiaire des résistances R5, R6 et R7. En même temps un courant négatif de la base s'écoule du transistor T3, qui a pour effet de bloquer très rapidement le transis- tor T3. Ici le couplage capacitif simultané entre le tran- sistor T4 et le transistor T3 conduit à une commutation rapide mettant les transistors Tl et T4 à l'état passant. Si la tension de sortie souhaitée s'est établie sur le condensateur C2, la diode Zener ZDI commence à deve- nir conductrice. De cette façon le transistor T3 est mis par l'intermédiaire de la résistance R4 à l'état passant. Celui-ci bloque alors les transistors Tl et T4 jusqu'à ce que la tension de sortie se soit à nouveau abaissée, en- suite le circuit de transformateur s'amorce à nouveau auto- matiquement. On obtient de cette façon un réglage, qui donne une tension de sortie presque constante. L'appareil électronique représenté sur la figure 2 constitue un trans- formateur relativement simple, qui peut produire une ten- sion de sortie stable, qui peut aussi bien être plus grande que plus petite que la tension d'entrée appliquée. Ceci est en outre obtenu avec très peu de composants, ce qui rend le circuit fiable et économique. En premier lieu l'appareil ne convient qu'à la production d'intensités de sortie relati- vement faibles, qui se situent environ en dessous de 100 milliampères. Toutefois en choisissant des éléments de cir- cuit appropriés puissants, par exemple des transistors MOSFET (transistors à effet de champ à grille isolée par oxyde métallique) et une bobine d'induction Ll actionnée magnétiquement seulement dans le cas d'intensités assez élevées, il est possible d'avoir une élévation de l'inten- sité de sortie. R E V E N D I C A T IONS 1) Appareil électronique en particulier pour ap- plication à des systèmes de sécurité pour les passagers d'un véhicule, auquel on peut amener du côté de l'entrée une première tension d'entrée pour la transformer en une tension de sortie s'écartant de la tension d'entrée et pou- vant être prélevée du côté de la sortie, avec au moins un accumulateur d'énergie et avec au moins un élément de cir- cuit, appareil électronique caractérisé en ce que l'on pré- voit un premier accumulateur d'énergie sous la forme d'une bobine d'induction et un second accumulateur d'énergie sous la forme d'un condensateur, en ce qu'en outre l'on prévoit deux éléments de circuit (Sl, S2, Tl, T4) pouvant être com- mandés dans le même sens, ainsi qu'un circuit de commande pour commander les éléments de circuit et en ce que les éléments de circuit (Sl, S2, Tl, T4) peuvent être commandés d'une manière telle que dans une première phase (phase de charge) soit chargée la bobine d'induction (Ll) et que dans une seconde phase (phase de décharge) soit chargé le second accumulateur d'énergie (C2). 2) Appareil électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de circuit (Sl, S2, Tl, T4) peuvent être commandés en fonction d'une intensité, qui est détectée au moyen d'une résistance ampère métrique (R7) branchée en série avec l'élément de circuit (S2). 3) Appareil électronique selon l'une des revendi- cations 1, 2, caractérisé en ce que l'on prévoit pour la commande des éléments de circuit (Sl, S2, Tl, T4) un cir- cuit de modulation par impulsions en largeur (R6, R7, T2, T3). 4) Appareil électronique selon l'une des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de modula- tion par impulsions en largeur est commandé au moyen d'une diode Zener (ZDl), qui stabilise la tension de sortie (U2).