Brevet FR2867623A1 — publié le 20050916

La présente invention se rapporte à un système de protection électronique d'une charge électrique (de type relais, carte électronique ou autres), par exemple une charge pilotée par une sortie d'un appareil électronique, permettant de limiter le courant d'alimentation de la charge et de se protéger contre les surcharges et courts- circuits. L'invention se rapporte également à un appareil électrique utilisant un tel système de protection électronique. Il existe plusieurs solutions électroniques connues pour remplir les fonctions de protection et de régulation d'un courant électrique. Une première approche simple consiste à utiliser un transistor ballast piloté par un régulateur de courant mesurant le courant d'alimentation. Cependant, en cas de court-circuit de la charge, le transistor ballast n'est pas protégé et doit alors dissiper toute la puissance susceptible d'être fournie à la charge, ce qui peut l'endommager. Pour résoudre le problème de protection thermique du circuit assurant la fonction ballast, une seconde approche connue consiste à utiliser un limiteur de courant associé à une protection thermique, tel qu'un circuit LM317. Ce type de montage présente néanmoins l'inconvénient de provoquer une chute de tension importante entre la tension d'alimentation à l'entrée du système et la tension disponible en sortie pour la charge électrique. Dans certaines applications, cette chute de tension peut être rédhibitoire. Certaines solutions proposent alors d'associer un limiteur de courant (qui fonctionne en réalité en régulateur de courant) à un disjoncteur électronique, comme par exemple dans le document US5581433. Un limiteur de courant est un dispositif qui permet de faire en sorte que le courant ne dépasse pas une valeur maximale autorisée, notée 'max. Un disjoncteur électronique est un dispositif qui permet, en cas de surcharge ou de court-circuit, de couper ou de limiter le courant à une valeur minimale, notée Imin, très inférieure à la valeur Imax. Dans ces solutions, on effectue une mesure du courant d'alimentation de la charge au travers d'une résistance. Cette mesure de courant est utilisée par le limiteur/régulateur de courant qui pilote alors un transistor ballast pour limiter le courant comme déjà décrit ci dessus. Mais cette même mesure est également utilisée par le disjoncteur électronique de façon à piloter le transistor ballast en interrupteur en cas de surcharge du courant, pour ne laisser passer qu'une faible valeur résiduelle Imin du courant. Cependant, un tel dispositif impose un traitement qui nécessite un circuit électronique relativement complexe (par exemple amplificateurs, ASIC spécifique ou microcontrôleur) pour réaliser la fonction disjonction et la fonction limitation de courant avec la même mesure du courant de charge. Ce circuit électronique requiert souvent sa propre alimentation électrique. Il faut alors soit utiliser une alimentation particulière, ce qui pénalise fortement le coût de la solution, soit utiliser l'alimentation de la charge. Mais dans ce cas, l'alimentation de ces composants dépend de la tension nominale de la charge électrique à piloter, ce qui fait que la solution retenue ne fonctionne que pour une plage d'alimentation donnée et qu'elle doit être modifiée pour l'utiliser dans une plage d'alimentation différente, ce qui limite le champ d'utilisation et donc pénalise également le coût de la solution. Le but de l'invention est de proposer une solution simple et économique permettant d'éviter les inconvénients ci-dessus de façon à pouvoir s'adapter à de nombreuses applications. Pour cela, l'invention décrit un système de protection électronique d'une charge électrique, composé d'un dispositif de disjonction électronique et d'un dispositif de limitation du courant d'alimentation de la charge électrique. Le dispositif de limitation du courant comprend un bloc impédant parcouru par ledit courant d'alimentation, un transistor ballast capable de limiter ledit courant d'alimentation et un bloc régulateur de courant mesurant ledit courant d'alimentation aux bornes du bloc impédant et dont une sortie pilote le transistor ballast pour limiter ledit courant d'alimentation à une valeur maximale autorisée. Selon l'invention, le dispositif de disjonction électronique comporte un bloc comparateur qui mesure une chute de tension occasionnée par le transistor ballast lorsque le bloc régulateur limite ledit courant d'alimentation, une sortie du bloc comparateur pilotant le transistor ballast lorsque ladite chute de tension est supérieure à un seuil prédéterminé. Selon une caractéristique, lorsque ladite chute de tension devient supérieure au seuil prédéterminé, le dispositif de disjonction électronique peut être retardé à l'aide d'un module retard qui est composé d'un condensateur raccordé à la sortie du bloc comparateur. Par ailleurs, le dispositif de disjonction électronique peut être inhibé par un ordre logique d'inhibition agissant sur la sortie du bloc comparateur. La mesure de la chute de tension fournit une information supplémentaire qui facilite la réalisation d'une solution simple. Avantageusement, un tel système de protection peut ainsi ne comporter que des composants discrets, notamment de type transistors, qui ne nécessitent pas d'alimentation spécifique, ce qui simplifie encore la mise en oeuvre du système de protection. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente un schéma de principe d'un système de protection 10 électronique conforme à l'invention, la figure 2 montre un premier mode de réalisation du système de protection avec un transistor ballast de type PNP, la figure 3 montre un second mode de réalisation du système de protection avec un transistor ballast de type NPN, la figure 4 détaille un exemple de réalisation d'un bloc impédant utilisé dans le système de protection. En référence à la figure 1, un système de protection électronique 10 sert à protéger le circuit d'alimentation d'une charge électrique 5 (telle qu'un relais, une entrée de carte électronique, un voyant, ...) alimentée par une source de tension continue 6. Un tel système peut être utilisé dans divers appareils électriques. En particulier, il peut être utilisé dans un disjoncteur électronique ou dans un équipement d'automatisme pour protéger les sorties de cet équipement d'automatisme, par exemple pour protéger une sortie TOR utilisateur alimentée en 24Vcc dans un variateur de vitesse ou un automate programmable, et plus généralement pour protéger tout organe alimenté par une tension continue. Le système de protection 10 est relié en aval à la charge électrique 5 par des bornes aval positive et négative, respectivement 12,13, et est relié en amont à la source de tension 6 par des bornes amont positive et négative, respectivement 14,15. La borne amont positive 14 est reliée au pôle "+" de la source de tension 6 et la borne amont négative 15 est reliée au pôle "" de la source 6. Les bornes négatives 13 et 15 sont raccordées ensemble au zéro de tension. Le système de protection 10 est composé d'un dispositif de limitation du courant d'alimentation de la charge électrique 5 pour limiter la puissance électrique fournie à la charge, associé à un dispositif de disjonction électronique pour protéger le circuit d'alimentation en particulier lors d'un court-circuit de la charge. Le dispositif de limitation du courant comprend un transistor ballast 19, un bloc impédant 20 et un bloc régulateur de courant 30. Dans un premier mode de réalisation représenté dans les figures 1 et 2, le transistor ballast 19 est un transistor de type PNP, dont la base est connectée à la sortie du bloc régulateur de courant 30, dont l'émetteur est relié au bloc impédant 20 et dont le collecteur est relié à la borne aval positive 12 de la charge 5. Le bloc impédant 20 est branché entre la borne amont positive 14 de la source 6 et l'émetteur du transistor ballast 19. Le bloc régulateur 30 mesure le courant d'alimentation de la charge 5 aux bornes du bloc impédant 20 et est chargé de piloter la base du transistor ballast 19 en fonction de cette mesure. Dans l'exemple de la figure 2, le bloc régulateur 30 est composé d'un simple transistor 31 de type PNP dont le collecteur constitue la sortie du bloc régulateur 30, dont la base constitue l'entrée "" du bloc régulateur 30 et dont l'émetteur constitue l'entrée "+" du bloc régulateur 30. Ces entrées "-" et "+" sont reliées aux bornes du bloc impédant 20 de façon à mesurer le courant d'alimentation de la charge 5. Selon l'invention, le dispositif de disjonction électronique comprend un bloc comparateur 40 qui mesure une tension entre deux points du circuit et fournit en sortie un signal qui est également raccordé à la base du transistor ballast 19. Le bloc comparateur 40 comporte une entrée "+" et une entrée "-" ainsi qu'une sortie qui est fonction de la chute de tension mesurée entre ces deux entrées. Selon une première variante représentée en figure 2, le bloc comparateur 40 mesure la chute de tension occasionnée par le transistor ballast 19 directement entre l'émetteur (entrée "+") et le collecteur (entrée "") du transistor ballast 19. Selon une seconde variante représentée en figure 1, le bloc comparateur 40 mesure la chute de tension occasionnée par le transistor ballast 19 aux bornes d'un ensemble constitué du transistor ballast 19 et du bloc impédant 20, c'est- à-dire entre la borne 14 du système de protection 10 (entrée "+") et le collecteur (entrée "-") du transistor ballast 19, incluant ainsi dans la mesure la chute de tension due bloc impédant 20. Cette seconde variante permet de mesurer un écart de tension supérieur et donc d'être plus sensible de manière à pouvoir déclencher plus rapidement. Dans l'exemple de la figure 2, le bloc comparateur 40 est composé d'un simple transistor 41 de type PNP dont la base constitue l'entrée "-" du comparateur 40, dont l'émetteur constitue l'entrée "+" du comparateur 40 et dont le collecteur constitue la sortie du comparateur 40. Une résistance d'entrée 42 permet de régler la valeur d'un seuil prédéterminé Vmax de la chute de tension entre base et émetteur au-delà duquel le transistor 41 provoquera la disjonction du système. En sortie du comparateur 40, une résistance de sortie 44 entre le collecteur et la borne négative 15 permet de convertir en tension le courant fourni par le collecteur du transistor 41. Lorsque I a t ension d u collecteur du transistor 31 du bloc régulateur 30 est supérieure à la tension du collecteur du transistor 41 du bloc comparateur 40, alors c'est le bloc régulateur 30 qui pilote la base du transistor ballast 19, et une diode 43, dont l'anode est dirigée vers le collecteur du transistor 41, bloque le retour vers le bloc comparateur 40. Le courant d'alimentation de la charge 5 est alors régulé par la sortie du bloc régulateur 30. En effet, si le courant d'alimentation mesuré par le bloc régulateur 30 dépasse une valeur maximale Imax autorisée, alors la tension du collecteur du transistor 31 augmente ce qui a pour effet d'augmenter la tension de la base du transistor ballast 19 et donc de limiter le courant d'alimentation de la charge 5. Si le courant d'alimentation repasse au-dessous de la valeur maximale Imax autorisée, le niveau de tension du collecteur du transistor 31 baisse ce qui enlève la limitation due au transistor 31. Imax est déterminée par le rapport entre la tension VBE du transistor 31 et l'impédance Z du bloc impédant 20. Lorsque le courant d'alimentation est limité par le bloc régulateur 30, il s'ensuit une chute de tension dans le circuit d'alimentation occasionnée par le transistor ballast 19. Cette chute de tension est proportionnelle à l'écart entre le courant et la valeur de limitation ImaxÉ Si la chute de tension est supérieure au seuil prédéterminé Vmax, correspondant par exemple au cas d'un courant de court-circuit dans la charge 5, cela va provoquer une élévation de la tension dans le collecteur du transistor 41, en sortie du bloc comparateur 40. Ainsi, quand la tension du collecteur du transistor 41 du bloc comparateur 40 deviendra supérieure à la tension du collecteur du transistor 31 du bloc régulateur 30 (additionnée de la légère baisse de tension provoquée par la diode 43), alors c'est le bloc comparateur 40 qui pilotera le transistor ballast 19, la diode 43 étant alors passante. Le haut niveau de tension du collecteur du transistor 41 se retrouvera ainsi dans la base du transistor ballast 19, avec pour effet de bloquer le transistor ballast 19 ou de limiter fortement sa conduction de telle sorte que son collecteur ne fournira qu'un très faible niveau de courant Imin, largement inférieur à lm, Grâce à ce dispositif, on protège donc le circuit d'alimentation de la charge 5 à cette valeur Gin. En régime normal, c'est-à-dire quand le courant d'alimentation de la charge est inférieur à Imax, aucun des transistors 31 et 41 n'agit sur le transistor ballast 19. La base du transistor ballast 19 est reliée à la borne négative 15 de la source de tension 6 au travers d'une résistance de base 35 qui permet alors de fixer le niveau de conduction du transistor ballast 19 en régime normal. La valeur de la résistance de base 35 est de préférence calculée de telle sorte de saturer le transistor ballast 19 à une tension VCE la plus faible possible, pour éviter une perte de tension disponible pour la charge 5. Avantageusement, le bloc comparateur 40 peut aussi comporter un bloc retard pour retarder le blocage du transistor ballast 19, permettant ainsi de ne pas disjoncter intempestivement dès qu'une pointe du courant d'alimentation survient pendant une faible durée. Pour cela, le bloc retard est par exemple simplement constitué d'une capacité 45 raccordée entre le collecteur du transistor 41 et la borne négative 15. Lorsque le collecteur du transistor 41 délivre un courant, celui-ci sert d'abord à charger la capacité 45 avant de pouvoir piloter le transistor ballast 19. Le retard induit est donc lié au temps de charge de la capacité 45. Le bloc comparateur 40 peut également comprendre une entrée logique d'inhibition 11 permettant d'activer ou d'inhiber le dispositif de disjonction électronique. Selon l'exemple de la figure 2, le bloc comparateur 40 possède un transistor 46 de type NPN dont la base est reliée à l'entrée d'inhibition 11, dont l'émetteur est relié à la borne négative 15 et dont le collecteur est relié au collecteur du transistor 41 via une résistance 47. Lorsque l'entrée d'inhibition 11 est à l'état 0, le transistor 46 est bloqué et le fonctionnement du bloc comparateur 40 est celui décrit ci-dessus. Par contre, lorsque l'entrée 11 est à l'état 1, le transistor 46 est passant ce qui rabaisse le niveau de tension du collecteur du transistor 41 au-dessous du niveau de tension du collecteur du transistor 31, inhibant donc la fonction disjonction engendrée par le bloc comparateur 40. L'état passant du transistor 46 permet aussi de décharger la capacité 45 et de réarmer le disjoncteur électronique. Suivant le fonctionnement souhaité, l'entrée logique 11 peut être commandée de manière unitaire ou cyclique. En fonctionnement unitaire, elle peut être raccordée à un organe manuel de type bouton poussoir entre autres. En fonctionnement cyclique, l'entrée logique 11 peut par exemple être raccordée à un oscillateur ou à un port d'un microprocesseur. Quand la charge présente un courant supérieur à Imax, une inhibition périodique permettra alors d'une part de conserver la limitation du courant de charge à la valeur crête Imax et d'autre part de fournir un courant moyen dont la valeur sera déterminée par le rapport cyclique de l'entrée logique 11. Dans un second mode de réalisation équivalent présenté en figure 3, l'invention est réalisée avec un transistor ballast NPN 19' et non plus PNP 19. Le système de protection 10' est alors relié en aval à la charge électrique 5 par des bornes aval positive et négative, respectivement 12', 13', et est relié en amont à la source de tension 6 par des bornes amont positive et négative, respectivement 14',15'. Les bornes amont positive 14' et négative 15' sont reliées respectivement au pôle "+" et au pôle "-" de la source 6. Les bornes négatives 13' et 15' sont raccordées ensemble au zéro de tension. La borne positive amont 14' est reliée au collecteur d'un transistor ballast NPN 19'. Un bloc impédant 20' est branché entre l'émetteur du transistor ballast 1 9' et la b orne a val 1 2'. U n b loc régulateur 30' mesure le courant circulant dans le bloc impédant 20' grâce à un transistor NPN 31' dont la base (entrée "+") et l'émetteur (entrée "") sont connectés aux bornes du bloc impédant 20' et dont le collecteur est relié à la base du transistor ballast 19' de façon à pouvoir le piloter. Un bloc comparateur 40' mesure une chute de tension dans le transistor ballast 19' et le bloc impédant 20'. Il est composé d'un transistor 41' de type PNP dont la base constitue l'entrée "-", dont l'émetteur constitue l'entrée "+" et dont le collecteur est raccordé à la sortie du comparateur 40'. Une résistance d'entrée 42', reliée à la base du transistor 41', permet de régler la valeur du seuil prédéterminé Vmax de la chute de tension au-delà duquel le transistor 41' provoquera la disjonction du système. En sortie du comparateur 40', une résistance de sortie 44' permet de limiter le courant fourni par le collecteur du transistor 41'. Ensuite, la sortie du comparateur 40' attaque la base d'un transistor NPN 48' dont l'émetteur est relié à la base du transistor ballast 19' et le collecteur relié à la borne négative 15'. Ainsi, lors d'une chute de tension supérieure à Vmax, le transistor 48' devient passant et force la base du transistor ballast 19' à zéro, permettant de limiter le courant à la valeur minimale résiduelle Im;n. Comme dans le premier mode de réalisation de la figure 2, une entrée d'inhibition 11' peut forcer à zéro la sortie du collecteur du transistor 41', par l'intermédiaire d'un transistor 46'. De même, un module retard, constituée d'une capacité 45', peut être ajouté pour différer la disjonction du système pendant un certain temps. Selon une première alternative, le bloc impédant 20 (ou 20'} n'est composé que d'une simple résistance 21. Selon une seconde alternative, le bloc impédant 20 est composé d'une résistance 21 raccordée en parallèle avec un composant NTC 22. Un composant NTC possède une résistance qui est variable avec la température. Cette variation de l'impédance Z du bloc impédant 20 en fonction de la température est choisie pour pouvoir compenser la dérive en température de la tension VBE du transistor 31, ce qui permet donc de réduire avantageusement les fluctuations de la valeur maximale autorisée ImaxÉ Selon une troisième alternative, le bloc impédant 20 est composé d'une résistance 21 raccordée en parallèle avec un circuit absorbant constitué d'une capacité 24 et une résistance 23 en série. Ce circuit absorbant permet avantageusement d'absorber une pointe de courant transitoire dans le circuit d'alimentation, sans déclencher le système de protection. L'exemple de la figure 4 montre un bloc impédant 20 cumulant la seconde alternative avec la troisième alternative. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements d e d étail et de m ême e nvisager l'emploi d e moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Système de protection électronique d'une charge électrique, comprenant un d ispositif d e d isjonction électronique et un dispositif de limitation du courant d'alimentation de la charge électrique, lequel dispositif de limitation du courant comporte: un bloc impédant (20) parcouru par ledit courant d'alimentation, un transistor ballast (19) capable de limiter ledit courant d'alimentation, un bloc régulateur de courant (30) mesurant ledit courant d'alimentation aux bornes du bloc impédant (20) et dont une sortie pilote le transistor ballast (19) pour limiter ledit courant d'alimentation à une valeur maximale autorisée (Imax), caractérisé en ce que le dispositif de disjonction électronique comporte u n bloc comparateur (40) qui mesure une chute de tension occasionnée par le transistor ballast (19) lorsque le bloc régulateur (30) limite ledit courant d'alimentation, une sortie du bloc comparateur pilotant le transistor ballast (19) lorsque ladite chute de tension est supérieure à un seuil prédéterminé (Vmax). 2. Système de protection électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc comparateur (40) détecte une chute de tension aux bornes du transistor ballast (19). 3. Système de protection électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc comparateur (40) détecte une chute de tension aux bornes d'un ensemble constitué du transistor ballast (19) et du bloc impédant (20). 4. Système de protection électronique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le bloc comparateur (40) comporte un transistor PNP (41) dont le collecteur est raccordé à la sortie du bloc comparateur (40). 5. Système de protection électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque ladite chute de tension devient supérieure au seuil prédéterminé (Vmax), le dispositif de disjonction électronique peut être retardé à l'aide d'un module retard qui est composé d'un condensateur (45) raccordé à la sortie du bloc comparateur (40). 6. Système de protection électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de disjonction électronique peut être inhibé par un ordre logique d'inhibition (11) agissant sur la sortie du bloc comparateur (40). 7. Système de protection électronique selon la revendication 1, caractérisé 5 en ce que le transistor ballast (19) est un transistor PNP. 8. Système de protection électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor ballast (19') est un transistor NPN. 9. Système de protection électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc impédant (20) comporte une résistance (21) raccordée en 10 parallèle avec un composant NTC (22). 10. Système de protection électronique selon l'une des revendications 1 ou 9, caractérisé en ce que le bloc impédant (20) comporte une résistance (21) raccordée en parallèle avec un circuit d'absorption de pointe comprenant une résistance (23) en série avec un condensateur (24).