Brevet FR2741729A1 — publié le 19970530

PROCEDE D'OBTENTION D'UNE TENSION EFFICACE CONSTANTE A PARTIR D'UNE TENSION CONTINUE VARIABLE La présente invention concerne un procédé permettant de contrôler la valeur efficace de la tension aux bornes d'un récepteur lorsque celui-ci est alimenté par une tension continue variable dans une marge limitée, de manière que les variations de cette tension continue ne perturbent pas le fonctionnement du récepteur. L'invention s'applique notamment, mais de façon non limitative, au maintien du flux lumineux des lampes à incandescence lorsqu'elles sont alimentées à partir d'une batterie ou d'une pile dont la tension varie en fonction de l'état de sa charge. Lorsque des lampes à incandescence sont alimentées à partir d'une batterie ou d'une pile, dont la tension varie évidemment en fonction de l'état de sa charge, il est bien connu que le flux lumineux de cette lampe dépendra directement et essentiellement de la valeur efficace de sa tension d'alimentation. Dans ce sens, on peut estimer qu'une variation de la tension d'alimentation de 15 % produit une variation du flux de 50% environ. Dans ces conditions, le maintien d'un flux lumineux minimum implique le surdimensionnement de la batterie et une réduction de la durée de vie de la lampe. La plupart des solutions connues à ce problème impliquent un coût supérieur à l'économie qui peut être obtenue, ce qui conduit à admettre que ces inconvénients sont sans solution. D'une façon plus concrète, et en écartant l'utilisation d'un régulateur linéaire, à cause de ses pertes élevées, une solution typique consiste à utiliser un convertisseur de modulation de largeur d'impulsions (PWM) de la tension de la batterie, suivi d'un filtre d'harmoniques, afin de pouvoir ajuster une tension continue. Puisque la valeur d'une tension continue coïncide avec sa valeur efficace, ce système régule également la tension efficace qui est celle qui perturbe le flux lumineux de la lampe et sa durée de vie. Cette solution présente notamment l'inconvénient fondamental du coût du filtre, coût qui peut être réduit en augmentant la fréquence du convertisseur PWM, ce qui génère à son tour une augmentation des pertes et oblige à utiliser des transistors de plus grande vitesse qui compliquent le contrôle. Le résultat final est un coût global plus élevé qu'en absence du régulateur. D'autres solutions possibles présentent l'inconvénient de devoir travailler souvent à des tensions de batterie très basses, comme pour les applications d'éclairage d'urgence et d'éclairage portable. Le procédé proposé par l'invention résout d'une façon entièrement satisfaisante le problème ci-dessus, en permettant d'obtenir un régulateur à très bas prix, ce qui permet à son tour d'adapter la tension de la batterie à toute tension de lampe plus basse et qui, en outre, est applicable à une batterie basse tension, jusqu'à 2,5 volts, ce qui est pratiquement impossible avec les procédés connus à l'heure actuelle. Pour ce faire, et plus concrètement, le système de l'invention est basé sur l'utilisation d'une boucle de contrôle ajustant la tension moyenne générée par l'intermédiaire d'un convertisseur PWM qui découpe la tension d'alimentation, à fréquence fixe ou variable, et dont la consigne varie en fonction de la tension d'alimentation afin de maintenir pratiquement constante la tension efficace aux bornes de ce récepteur. La tension de consigne variable est obtenue en soustrayant d'une tension fixe une proportion également fixe de la tension d'alimentation, qui est variable dans une marge limitée. Selon une autre des caractéristiques de l'invention, les coefficients ci-dessus, c'est-à-dire la tension fixe de laquelle est soustraite la proportion également fixe de la tension d'alimentation, ainsi que cette proportion, peuvent être calculés en fonction de plusieurs critères pratiques et, notamment, en fonction de critères d'optimisation de l'erreur de la tension efficace par rapport à la tension idéale, comme la méthode des moindres carrés, des valeurs préajustées des tensions efficaces sur deux points quelconques de la marge de variation de la tension d'alimentation, etc. Le bas prix de la conversion PWM sans filtrage est joint donc à la régulation de la valeur moyenne afin d'obtenir la régulation de la tension efficace. Le procédé de l'invention peut s'étendre également au contrôle de l'intensité efficace consommée par un récepteur à partir d'un générateur d'intensité continue variable, dans une marge limitée. Avantageusement, les caractéristiques de l'invention pourront mieux se comprendre avec la description suivante faite en regard des dessins joints, dans lesquels La figure 1 est un schéma-bloc d'un régulateur PWM, sans filtre, utilisable comme boucle de contrôle de la valeur moyenne. La figure 2 est un diagramme représentant les valeurs de la tension, en fonction du temps, obtenues au moyen du circuit de la figure 1. La figure 3 est un diagramme représentant la valeur efficace de la tension de sortie en fonction de la valeur de la tension de la batterie, obtenu par application du procédé selon l'invention. La figure 4 est un diagramme représentant l'erreur relative d'approximation en fonction du paramètre défini par la relation entre les valeurs maximale et minimale de la tension de la batterie, obtenu par application du procédé selon l'invention. Les figures 5 et 6 représentent des exemples de schémas fonctionnels conformes à l'invention. Enfin, la figure 7 montre le schéma complet d'un circuit d'application pratique de ce procédé. Le procédé de l'invention part de l'idée d'analyser la tension efficace de sortie d'un régulateur PWM, sans filtrer, lorsque l'on utilise une boucle de contrôle de la valeur moyenne, tel que représenté sur la figure 1, composé d'un additionneur 1, un contrôleur 2 et un amplificateur PWM 3. La tension qui arrive au contrôleur 2 correspond à la valeur de consigne ou tension de référence (Vr) moins la tension de sortie (Vs), Vb étant la tension de la batterie. Le schéma de la figure 2 montre le découpage de la tension de la batterie, à fréquence fixe, et la valeur constante de la tension efficace de sortie. La valeur efficace de sortie est donnée par: Vb étant la valeur de la tension maximale de l'onde antérieure, t/T est le rapport entre le temps de conduction et la période du PWM. En admettant que le gain en continu du vérificateur est très élevé, par exemple un intégrateur, le système de contrôle fera que la valeur moyenne de sortie Vsm coïncide avec la valeur de consigne Vr. VbtX Vsm = Vr = T Dans ces circonstances, la valeur efficace de sortie sera et, par conséquent Si l'on suppose que VSeff est constant alors que Vb change, il est évident que ceci ne peut s'obtenir qu'en faisant varier Vr. Notamment, si Vr était k/Vb, alors la valeur de Vseff serait Vseff = et, par conséquent, constante, comme on le souhaite. C'est-à-dire qu'il faut introduire une fonction non linéaire k/vb dans la boucle de contrôle, ce qui, à nouveau, n'est pas souhaitable. L'originalité du procédé est de chercher une alternative à la fonction k/Vb consistant à l'approcher avec un polynôme de premier ordre "a + b Vb", où a et b sont des constantes. Ce polynôme doit être simple et facile à synthétiser, de manière que l'erreur soit minimum dans l'intervalle des tensions de la batterie. Pour identifier ces coefficients, la condition est d'égaliser la tension efficace au début et à la fin de la décharge, ce qui conduit à la fonction suivante de la valeur efficace A titre d'exemple, si l'on fixe quelques valeurs typiques, Vbmin = 3 V, Vbmax = 3,9 V, Vseffmin = 2,4 V, l'on obtient la fonction Vseff suivante dont la représentation graphique est montrée à la figure 3 où l'on peut voir que, pour une variation de la tension de la batterie entre 3 et 3,9 Volts, on obtient une variation maximale de Vseff de 0,02 V, ce qui constitue une très faible valeur. Une démonstration de la justesse du procédé est constituée par la représentation de l'erreur d'approximation définie par le coefficient Vseffmax / Vseffmin en fonction du paramètre p = Vbmax / Vbmin (voir figure 4), d'où l'on déduit l'excellente précision de l'approximation pour la vérification habituelle de la tension d'une batterie, pile ou redresseur non contrôlés. A titre d'exemple d'application pratique, à partir de la formule connue de la valeur efficace, et en désignant t/T = il résulte que la valeur moyenne de la tension de sortie, Vs, est Vsm = 6 * Vb c'est-à-dire d'où l'on déduit que, Vsm = a + b Vb, ce qui conduit aux schémas fonctionnels des figures 5 et 6 où sont représentées deux réalisations équivalentes d'une boucle de contrôle et où apparaissent les constantes a et b, la première étant la tension de référence, à valeur constante. Sur la figure 5, la boucle de contrôle comprend deux additionneurs 1 et la, un contrôleur 2 et un amplificateur 3. La tension qui arrive au contrôleur 2 sera la tension de référence "a" plus le produit "b Vb", par l'intermédiaire de l'additionneur 1, moins la tension de sortie vs, par l'intermédiaire de l'additionneur la. Le schéma représenté sur la figure 6 est équivalent à celui de la figure 5, avec les additionneurs 1 et lb. Par ailleurs, ces schémas comportent les mêmes repères que pour la figure 1 pour désigner des composants équivalents. Dans les réalisations décrites concernant les figures 5 et 6, la tension de sortie Vs pour la réalimentation peut être multipliée par une constante, afin de pouvoir sélectionner une valeur quelconque pour cette tension de sortie. Sans prétendre limiter le domaine d'application de l'invention, et à titre d'exemple, la figure 7 représente un schéma de circuit d'application de l'idée décrite. Sur ce schéma, Vb est la tension continue variable de la batterie 4 ou source d'alimentation et R1 représente la résistance de la lampe incandescente 5 dont on cherche à maintenir constante la valeur efficace Vseff de la tension d'alimentation. La référence 6 désigne un générateur de tension de référence, de valeur constante "a", qui coïncide avec celui des figures 5 et 6. Le schéma représenté comprend des résistances R2...R8, un comparateur de Schmitt Aoi, des transistors Q1 et Q2 et un condensateur C1. Le contrôleur est constitué du comparateur de Schmitt Aol et des résistances R7 et Rs, qui contrôlent l'hystérésis. I1 comprend en outre, dans ce cas, le condensateur C1 qui filtre la tension du noeud 7, en générant la fonction PWM, l'ensemble définissant le convertisseur PWM. La tension entre les points 8 et 9 est approximativement égale à la tension de référence "a". La tension au noeud 7, qui est égale à la tension de référence, puisque Aol est un comparateur à gain très élevé, est obtenue comme combinaison linéaire de la tension de batterie Vb et de la tension de sortie Vs. La constante de multiplication de sortie est définie par les résistances R2 et R3 qui permettent d'adapter la tension requise par la lampe 5 aux valeurs habituelles des tensions de référence. L'ensemble formé par les résistances R5 et R6 et les transistors Q1 et Q2 agit comme interrupteur de puissance pour le générateur de PWM. Le convertisseur PWM (figure 7) est constitué d'un comparateur Aol qui reçoit à l'entrée négative 8 une tension moyennée par la capacité C1, dont la valeur est l'addition des deux tensions, l'une étant proportionnelle à la tension d'alimentation continue Vb grâce au diviseur de tension R4/R3, et l'autre est proportionnelle à la tension découpée appliquée aux bornes de la lampe 5 grâce au diviseur de tension R2/R3, l'entrée négative du comparateur Aol recevant un signal constitué de l'addition de la tension de référence 6 et d'une partie de la tension découpée appliquée aux bornes de la lampe 5 grâce au diviseur de tension R8/R7, la sortie du comparateur actionnant la tension appliquée aux bornes de la lampe 5 par l'interrupteur de puissance constitué par les résistances R5 et R6 et les transistors Q et Q2. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'une tension efficace constante à partir d'une tension continue variable, dans une marge limitée, applicable notamment à l'éclairage par lampes à incandescence alimentées par batterie, piles ou redresseurs de réseau, caractérisé en ce que la tension moyenne générée par un convertisseur PWM découpant la tension d'alimentation à fréquence fixe ou variable, est régulée par une boucle de contrôle dont la tension de consigne varie en fonction de la tension d'alimentation, afin de maintenir pratiquement constante la tension efficace aux bornes du récepteur, cette tension de consigne variable étant obtenue en déduisant d'une tension fixe (a) une proportion également fixe (b) de la tension d'alimentation (Vb) qui est variable, dans une marge limitée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les coefficients (a) et (b) sont calculés sur la base de critères d'optimisation de l'erreur de la tension efficace par rapport à la tension idéale, tels que la méthode des moindres carrés, des valeurs préfixées des tensions efficaces sur deux points quelconques de la marge de variation de la tension d'alimentation ou autres. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur PWM (figure 7) est constitué d'un comparateur (Aol) qui reçoit à l'entrée négative (8) une tension moyennée par la capacité C1, dont la valeur est l'addition des deux tensions, l'une étant proportionnelle à la tension d'alimentation continue Vb grâce au diviseur de tension R4/R3, et l'autre est proportionnelle à la tension découpée appliquée aux bornes de la lampe (5) grâce au diviseur de tension R2/R3, l'entrée négative du comparateur (Aol) recevant un signal constitué de l'addition de la tension de référence (6) et d'une partie de la tension découpée appliquée aux bornes de la lampe (5) grâce au diviseur de tension R8/R7, la sortie du comparateur actionnant la tension appliquée aux bornes de la lampe (5) par l'interrupteur de puissance constitué par les résistances R5 et R6 et les transistors Q1 et Q2.