Brevet FR2892266A1 — publié le 20070420

Domaine de l'invention La présente invention concerne un circuit de commande d'un élément PTC utilisé comme élément chauffant. Etat de la technique Les éléments PTC sont des composants semi-conducteurs dont la résistance dépend de la température avec un coefficient de température positif extrêmement non linéaire ; on définit la résistance à froid des températures ambiantes, par exemple de 20 C et la résistance à chaud en mode de fonctionnement stationnaire. Les éléments PTC peuvent servir à limiter l'intensité ou la température. Ils peuvent également servir d'éléments chauffants. Le document DE 31 38 547 Al décrit une installation de régulation de température d'un capteur d'oxygène selon lequel l'élément chauffant du capteur est un élément PTC ou dans lequel un élément chauffant résistant du capteur et un élément PTC sont branchés en série. L'utilisation d'un élément PTC offre l'avantage important de ne pas nécessiter d'autres moyens électroniques de commande car du fait de son coefficient de température positif, l'élément PTC a une résistance autorégulée. Il est connu de façon générale de commander un élément chauffant résistant qui n'est pas un élément PTC, en mode cadencé ; selon ce mode de fonctionnement on branche (au maximum) ou en coupe l'élément chauffant selon une durée impulsionnelle prédéfinie et/ ou une durée de période prédéfinie pour régler la température de l'élément chauffant. Le document DE 197 49 535 Al décrit un circuit pour chauffer un capteur. Selon ce document, un élément chauffant résistant qui n'est pas un élément PTC est commandé de manière cadencée. La commande cadencée de l'élément résistant se fait dans le cas d'une régulation de température avec un régulateur de température à deux points, de sorte que la durée de l'impulsion et/ou la fréquence des impulsions sont fixées par le régulateur en deux points. La saisie de la température réelle de l'élément chauffant résistant nécessaire à la régulation de température se fait par exemple à l'aide d'un capteur de température distinct couplé thermiquement à l'élément chauffant résistant. En variante, la température réelle de l'élément chauffant résistant peut se déterminer indirecte- ment à partir de la résistance interne de l'élément chauffant résistant. Pour protéger les circuits électriques, en particulier contre des intensités excessives qui peuvent détériorer les composants et aussi constituer un risque d'incendie, on utilise des fusibles ; ces fusibles sont classés d'une part selon l'intensité de déclenchement prédéfinie et d'autre part selon une caractéristique temps/courant prédéfinie décrivant le comportement du temps de fusion en fonction du courant d'erreur. On distingue entre les fusibles rapides et les fusibles lents et plusieurs niveaux sont prévus. L'élément décisif pour la mise en oeuvre d'un fusible est l'intégrale du fusible qui indique l'énergie nécessaire pour faire fondre le fil conducteur fusible. L'intégrale du fusible décrit ainsi la caractéristique et le comportement impulsionnel du fusible. L'intégrale de fusible se détermine à partir du carré de l'intensité de 10 x courant de déclenchement et du temps de fusion correspondant. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un circuit permettant la gestion d'un élément PTC utilisé comme élément chauffant, qui soit économe à réaliser, offre une grande sécurité de fonctionnement et permette d'atteindre de nouveau la température prédéfinie du dispositif à chauffer. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un circuit du type défini ci-dessus, caractérisé par un élément PTC en série avec un fusible et un mo- dulateur de largeur d'impulsion qui branche ou coupe complètement l'élément PTC en mode cadencé avec des durées d'impulsions prédéterminées (til, ti2) et/ou des durées de périodes prédéterminées (tpl, tp2), et les durées d'impulsions (til, ti2) et/ou les durées de périodes (tpl, tp2) étant prédéterminées et fixées de façon qu'au moins une mesure de la va- leur efficace (Ieff) du courant passant dans l'élément PTC se trouve toujours en dessous de l'intégrale de fusion du fusible. Avantages de l'invention Le circuit selon l'invention pour gérer un élément PTC utilisé comme élément chauffant prévoit de brancher l'élément PTC en série avec un fusible. Il est prévu un modulateur de largeur d'impulsion qui commande en mode cadencé par une durée d'impulsion prédéfinie et/ ou une durée de période prédéfinie en assurant une commutation dans le sens du branchement ou de la coupure. La durée impulsionnelle et/ou la durée de la période sont fixées pour qu'au moins une mesure de la valeur efficace du courant passant dans l'élément PTC soit toujours en dessous de l'intégrale de fusion du fusible. Le circuit selon l'invention permet tout d'abord de concevoir le montage en fonction du courant traversant l'élément PTC inférieur au courant froid de l'élément PTC. Cela permet une réalisation économique du circuit. Le circuit selon l'invention offre une grande sécurité qui résulte non seulement de ce que l'on prévoit un élément chauffant autoli- mitant comme élément PTC, mais en plus on prévoit un fusible. Il est particulièrement avantageux que le courant de déclenchement du fusible soit fixé à une valeur qui ne se situe que juste au-dessus de l'intensité à chaud de l'élément PTC. Un développement de l'invention prévoit de modifier la du-rée d'impulsion et/ou la durée de période du signal de commutation four-ni par le modulateur de largeur d'impulsion en fonction d'au moins une mesure de l'intensité du courant traversant l'élément PTC. Un développement prévoit une rampe croissante prédéfinie qui fixe la durée de l'impulsion et/ou la période de l'impulsion du signal 15 de commutation fourni par le modulateur de largeur d'impulsion. Un développement de cette réalisation prévoit une rampe à croissance exponentielle. Un autre développement de cette réalisation prévoit que la rampe présente une valeur finale pour laquelle le signal de commutation fourni par le modulateur à largeur d'impulsion correspond à un signal qui représente la constance de l'état de commutation. Cette mesure permet de minimiser la perte de puissance dans l'élément de commutation et de maximiser la tension de fonctionnement fournie par l'élément PTC comme puissance de chauffage. Un développement prévoit de faire dépendre la durée 25 d'impulsion prédéfinie et/ou la durée de période prédéfinie de la tension de fonctionnement du circuit. Ce moyen permet une adaptation à différentes tensions de fonctionnement que fournit une source de tension. Le circuit selon l'invention convient notamment pour des véhicules automobiles ayant des applications à 12V et aussi à 24V. 30 L'élément chauffé par l'élément PTC est par exemple le carburant du véhicule ou par exemple une solution aqueuse d'urée d'où l'on récupère de l'ammoniac utilisé comme agent réactif dans un catalyseur SCR. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 35 détaillée à l'aide d'un mode de réalisation d'un circuit selon l'invention re-présenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un circuit selon l'invention, - la figure 2 montre le chronogramme de l'intensité du courant, 30 35 - la figure 3 montre un chronogramme de signal de commutation, et - la figure 4 montre un chronogramme de signal en forme de rampe. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un élément PTC 10 branché en série avec un fusible 11 et un élément de commutation 12. Le montage en série des éléments 10, 11, 12 est relié par un commutateur 13 à une source de tension 14 qui fournit une tension de fonctionnement U. L'élément PTC 10 est traversé par un courant I lorsque l'élément de commutation 12 et le commutateur 13 sont fermés. L'élément PTC 10 est couplé thermiquement à un élément 15 à chauffer. L'élément de commutation 12 reçoit un signal de commutation S d'un modulateur à largeur d'impulsion 16 et fournit un signal IS au modulateur de largeur d'impulsion 16. Le modulateur de largeur d'impulsion 16 reçoit en outre un signal de tension 18 qui lui est fourni par un sélecteur de tension 17 et un signal de rampe R fourni par un générateur de rampe 19. Le générateur de rampe 19 et le sélecteur de tension 17 sont reliés au commutateur 13. La figure 2 montre le chronogramme du courant I de l'élément PTC 10 en fonction du temps t. Le courant I commence par l'intensité à froid IK à l'instant tO du branchement ; cette intensité à froid est par exemple égale à 30A. Pendant la durée de chauffage D, le courant I augmente de façon exponentielle jusqu'à l'intensité à chaud IH qui est par exemple égale à 5A. On enregistre l'intervalle de temps td. La figure 3 montre le chronogramme du signal de commu- tation S en fonction du temps t. Le signal S a une durée d'impulsion ti 1, ti2 et une durée de période tp 1, tp2. Pendant les durées d'impulsions ti 1, ti2, le signal de commutation S est au niveau de branchement 1 ; en dehors des durées d'impulsions tif, ti2 le signal est au niveau de coupure 0 . La figure 4 montre un signal de rampe R en fonction du temps t. Le signal de rampe R commence à l'instant de branchement tO par la valeur de départ SW et se termine après une durée de chauffage effective D' par la valeur finale EW. Le circuit selon l'invention fonctionne comme suit : L'élément PTC 10 est prévu pour chauffer l'élément 15 au-quel il est couplé thermiquement. Pour des raisons de sécurité, l'élément PTC 10 est en série avec un fusible 11. Sans autres précautions, à la fermeture du commutateur 13 on aurait le courant I en fonction du temps t comme le montre le chronogramme de la figure 2 ; ce courant présente une chute exponentielle partant du courant à froid IK jusqu'au courant à chaud IH. Au point de branchement t0, l'intensité du courant est par exemple égale à 30A ; cette intensité diminue pendant la durée de chauf- fage D pendant laquelle la température de l'élément PTC 10 augmente jusqu'à la température finale ; l'intensité descend alors à l'intensité à chaud IH qui correspond par exemple à 5A. Le circuit, notamment le fusible 11, doit être conçu pour tenir au courant à froid IK égal par exemple à 30A. io Pour éviter que celui-ci soit surdimensionné uniquement pour tenir la durée de chauffage D, il est prévu de faire fonctionner l'élément PTC 10 selon un mode de fonctionnement cadencé avec coupure ou branchement total de l'élément PTC 10. Le signal de commutation S selon la figure 3 correspondant à l'élément de commutation 12, par exem- 15 ple un transistor à effet de champ, présente pour cette raison uniquement le niveau de branchement 1 ou le niveau de coupure 0 . Le niveau de branchement 1 existe pendant les durées d'impulsion ti 1, ti2 qui peu-vent se produire dans un ordre périodique de durée de période tp 1, tp2. Par une conception appropriée du signal de commutation S 20 on peut prévoir un fusible 11 avec un courant de déclenchement qui ne se situe que juste au-dessus de l'intensité à chaud IH du courant I passant dans l'élément PTC 10 à l'état stationnaire après la durée de chauffage D. En outre, l'ensemble du circuit traversé par le courant I est conçu du point de vue des contraintes thermiques pour une intensité à chaud IH 25 beaucoup plus faible par comparaison au courant à froid IK. Dans la conception du signal de commutation S il faut veiller à ce qu'au moins une mesure de la valeur efficace de l'intensité I soit inférieure à l'intégrale de fusion du fusible 11. La valeur efficace de l'intensité I est donnée par la formule suivante : 30 /oJ td 12 (t)dt t I = intensité instantanée td = durée de passage du courant ; ici il s'agit par exemple de l'intervalle 35 de temps td. L'intégrale de fusion du fusible 11 est donnée par la formule suivante : Leff = (1) intégrale de fusion =12 • td (2) I = intensité instantanée td = durée de passage du courant ; ici il s'agit de l'intervalle de temps td. Selon la formule (1) il suffit par exemple d'utiliser à la place de la valeur efficace de l'intensité I, le carré de la valeur efficace Ieff de l'intensité I. L'intervalle de temps td porté dans la formule (1) doit être choisi de manière appropriée. On suppose de préférence que le courant I dans chacun des intervalles considérés td a une décroissance linéaire, ce qui permet une simple formation de valeur moyenne dans l'intervalle td. L'intervalle td, dont la durée augmente de préférence avec le temps t, se situe par exemple à 10 ms. Jusqu'à ce que l'on atteigne l'intensité à chaud HI il peut y avoir plusieurs secondes suivant la capacité calorifique de l'élément PTC 10, la capacité calorifique de l'élément 15 à chauffer ainsi que de la température ambiante. La durée de branchement moyenne du signal de commutation S est fixée pour que la mesure (1) de la valeur efficace Ieff de l'intensité I ne dépasse à aucun instant l'intégrale de fusion (2). Le signal de commutation S a une durée de période comprise par exemple entre 10 ms et 100 ms alors que la durée impulsionnelle ti 1, ti2 peut se situer dans une plage comprise par exemple entre 1 ms et 90 ms. La fixation du signal de commutation S peut se calculer théoriquement en connaissant la relation entre la mesure (1) de l'intensité efficace Ieff de l'intensité I et l'intégrale de fusion (2). On prévoit de préférence une application par laquelle on fixe le signal de commutation S expérimentalement dans le cadre d'essais faits à l'aide d'un circuit approprié. De façon avantageuse, le signal de commutation S est fixé pour tenir compte de l'élévation de température de l'élément PTC 10 et de la diminution continue de l'intensité I. La prise en compte peut se faire par exemple en mesurant l'intensité I. Dans l'exemple de réalisation présenté, on intègre la saisie de l'intensité dans l'élément de commutation 12. De tels éléments de commutation 12 à capteur d'intensité intégré sont disponibles dans le commerce. En fonction de l'intensité I on peut prolon-ger successivement des durées d'impulsions tif, ti2 et/ou raccourcir successivement les durées de périodes tpl, tp2. L'adaptation continue du signal de commutation S se fait de nouveau de préférence à l'aide d'une application. Un autre développement avantageux qui ne nécessite pas la saisie de l'intensité prévoit également une variation des durées d'impulsions ti 1, ti2 et/ ou des durées de périodes tp 1, tp2. Le signal de commutation S peut être influencé par un signal de rampe R fixé de ma- nière préalable et qui augmente entre la valeur de départ SW et la valeur finale EW. Le signal de rampe R peut par exemple augmenter de manière linéaire. L'augmentation exponentielle présentée à la figure 4 est fixée de préférence en fonction de l'augmentation de l'intensité du courant en fonction du temps t comme à la figure 2. La figure 4 montre la durée de chauffage effective D' qui du fait du fonctionnement cadencé est plus longue que la durée de chauffage D représentée à la figure 2. Le signal de rampe R permet d'allonger les durées d'impulsions successives til, ti2 et/ou de raccourcir les durées de périodes successives tpl, tp2. En principe, il est possible de calculer le tracé du signal en forme de rampe R. Mais de préférence on fixe le signal de rampe R dans le cadre d'une application en utilisant un circuit pratique. Un développement avantageux prévoit qu'après la durée de chauffage effective D' le signal de commutation S ne possède plus que le niveau de commutation 1, de sorte que l'élément de commutation 12 reste en permanence branché. Ce moyen permet d'une part une réduction minimum de la puissance perdue dans l'élément de commutation 12 et d'autre part l'élément PTC 10 pourra fournir la puissance de chauffage maximale pour la tension de fonctionnement donnée U. L'utilisation du sélecteur de tension 17 qui indique le signal de tension 18 au modulateur de largeur d'impulsion 16 permet de fixer le signal de commutation S selon la tension de fonctionnement U de la source de tension 14. Le circuit selon l'invention peut ainsi fonctionner avec différentes tensions de fonctionnement, par exemple 12V ou 24V. Le sélecteur de tension 17 fixe le signal de tension 18, par exemple luimême 3o directement à l'aide de la tension de fonctionnement U. Le cas échéant on peut prévoir une sélection manuelle dans le cadre de la fixation d'un pro-gramme d'exécution. 35 REVENDICATIONS 1') Circuit de commande d'un élément PTC (10) utilisé comme élément chauffant, comprenant un élément PTC (10) en série avec un fusible (11) et un modulateur de largeur d'impulsion (16) qui branche ou coupe corn-plètement l'élément PTC (10) en mode cadencé avec des durées d'impulsions prédéterminées (til, ti2) et/ou des durées de périodes pré-déterminées (tpl, tp2), et les durées d'impulsions (til, ti2) et/ou les du-rées de périodes (tpl, tp2) étant prédéterminées et fixées de façon qu'au moins une mesure (1) de la valeur efficace (Ieff) du courant (I) passant io dans l'élément PTC (10) se trouve toujours en dessous de l'intégrale de fusion (2) du fusible (11). 2 ) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 les durées d'impulsions (til, ti2) et/ou les du durées de périodes (tpl, tp2) sont fixées en fonction de l'intensité (I) du courant passant dans l'élément PTC (10). 3 ) Circuit selon la revendication 2, 20 caractérisé en ce qu' un signal de rampe (R) a une rampe croissante qui fixe la durée des impulsions (til, ti2) et/ou la durée des périodes (tpl, tp2). 4 ) Circuit selon la revendication 3, 25 caractérisé en ce que le signal de rampe (R), partant d'une valeur de départ (SW), présente une croissance exponentielle jusqu'à atteindre une valeur finale (EW). 5 ) Circuit selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce qu' après une durée de chauffage efficace (D') de l'élément PTC (10), le signal de commutation (S) est en permanence à un niveau de branchement [1]. 6 ) Circuit selon la revendication 1, 35 caractérisé en ce que la durée des impulsions (til, ti2) et/ou la durée des périodes (tp1, tp2) dé-pendent de la tension de fonctionnement (U) de l'élément PTC (10).