Brevet FR2900240A1 — publié le 20071026

B7571 - 06-TO-087 1 COMPARATEUR A FENETRE D'UNE TENSION ALTERNATIVE Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les comparateurs d'une tension alternative par rapport à un seuil et, plus particulièrement, les comparateurs à fenêtre qui détectent la présence d'une tension alternative à l'intérieur d'une fenêtre définie par des seuils autour du zéro de tension. Un exemple d'application de la présente invention concerne les détecteurs de défaillance d'un conunutateur d'alimentation d'une charge alternative. Un autre exemple d'application de l'invention concerne les détecteurs de passage par zéro pour déclencher des interrupteurs autour du zéro d'une tension d'alimentation alternative. Un autre exemple d'application de la présente invention concerne la détection d'état d'une charge du point de son alimentation, par exemple la détection de l'état d'une lampe à décharge haute intensité, utilisée en particulier dans le domaine automobile. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente, de façon très schématique, un exemple de montage utilisant un comparateur alternatif 1 (AC COMP) du type auquel s'applique la présente invention. Dans cet exemple, une charge 2 (L) est en série avec un interrupteur bidirectionnel K entre deux bornes 3 et 4 d'application d'une B7571 - 06-T0-087 2 tension d'alimentation alternative Vac. Le comparateur 1 comporte deux bornes d'entrée 11 et 12 respectivement connectées aux bornes de l'interrupteur K et compare la valeur absolue de la tension Vin aux bornes de cet interrupteur par rapport à un seuil TH. Le comparateur 1 est alimenté par une tension continue Vcc relativement basse (typiquement de quelques volts à quelques dizaines de volts) par rapport à la tension d'alimentation alternative relativement haute (une ou plusieurs centaines de volts) et fournit un signal de détection OUT à deux états selon que la tension Vin dépasse ou non en valeur absolue le seuil TH. La figure 2 illustre par un chronogramme le fonctionnement du comparateur 1 de la figure 1. La tension alter-native Vin est supposée identique à la tension Vac (interrupteur K ouvert) et le signal de sortie OUT est dans cet exemple supposé activé (état 1 correspondant typiquement au niveau Vcc) lorsque la tension Vin est à l'intérieur de la fenêtre définie par le seuil TH autour du niveau O. La figure 3 représente un exemple d'application de la présente invention à la détection du passage par zéro d'une tension d'alimentation alternative Vac appliquée entre deux bornes 3 et 4 d'un circuit constitué d'une charge 2 en série avec un commutateur alternatif bidirectionnel (dans cet exemple un triac 5). Le circuit 1 fournit le résultat OUT de sa détection à un circuit 6 (CTRL) de commande du triac 5. Le seuil TH est fixé par le circuit 6 et est typiquement une amplitude de quelques volts autour du zéro de tension de sorte que le signal OUT est envoyé sur une entrée ZVS du circuit 6 pour lui permettre de démarrer les périodes de conduction du commutateur 5 autour du zéro tension. Le circuit 6 est, comme le circuit 1, alimenté par une basse tension continue Vcc. La figure 4 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un autre exemple d'application de l'invention à la détection de dysfonctionnements (sortie FAIL du circuit 1) d'une lampe 2' à décharge alimentée par une tension alternative Vac. Pour simplifier, l'interrupteur de commande de B7571 - 06-T0-087 3 la charge 2' n'a pas été illustré. Le rôle du détecteur 1 est de détecter l'état (excité ou non) de la lampe 2' en comparant la valeur absolue de la tension à ses bornes par rapport au seuil TH. La figure 5 représente le schéma électrique d'un premier exemple classique de comparateur à fenêtre d'une tension alternative. On suppose une comparaison de la tension Vin aux bornes d'un triac 5 de commande d'un moteur M par rapport à deux seuils encadrant le niveau moyen de la tension alternative. Le comparateur de la figure 5 est basé sur l'utilisation de diodes Dl à D4 de limitation de tension en entrée d'amplificateurs 21 et 22 d'adaptation de niveau (BUFF) dont les sorties sont combinées par une porte logique 23 (XOR) réalisant une fonction de type OU-Exclusif et fournissant le signal OUT. L'entrée du premier amplificateur 21 est connectée au point milieu d'une association en série de résistances R24 et R25 reliées aux bornes 11 et 12 du triac 5 ainsi qu'au point milieu d'une association en série de deux premières diodes Dl et D2 entre les bornes d'application de la tension continue Vcc. Dans cet exemple, la borne positive d'application de la tension Vcc est confondue avec la borne 11 et avec la borne 3 tandis que la borne de masse 13 n'a pas de lien avec l'alimentation alternative. L'entrée du deuxième amplificateur 22 est reliée au point milieu d'une association en série de deux résistances R26 et R27 entre la borne 12 et la masse 13 ainsi qu'au point milieu d'une association en série de deux deuxièmes diodes D3 et D4 entre les bornes 11 et 13. Le seuil TH autour du zéro de tension est fixé, (côté positif), par le rapport des résistances R24 et R25 et, côté négatif, par le rapport des résistances R26 et R27. Par exemple, R24 = R27 et R25 = R26. Un inconvénient du circuit de la figure 5 est son encombrement. Il requiert quatre résistances, quatre diodes, deux amplificateurs d'adaptation de niveau ainsi qu'une porte logique de type XOR. B7571 - 06-T0-087 4 Un autre inconvénient est la présence de potentiels négatifs par rapport à la masse (tension d'une jonction de diode lors des alternances négatives), ce qui complique l'intégration. Les figures 6A, 6B et 6C illustrent par des exemples de chronogrammes représentant respectivement la tension Vac, le courant I injecté dans la source basse tension Vcc et le signal OUT, le fonctionnement du circuit de la figure 5. La figure 6B illustre un inconvénient supplémentaire de ce circuit qui est, lors des alternances positives de la tension alternative Vac, d'engendrer un courant inverse dans la tension continue Vcc. Un tel courant risque d'endommager la source de tension Vcc, notamment si celle-ci atteint une tension supérieure à celle imposée par un régulateur de tension à cause du courant parasite injecté. La figure 7 représente un deuxième exemple classique de comparateur 1' d'une tension alternative Vin par rapport à un seuil autour du zéro de tension. Pour simplifier la représentation de la figure 7, les éléments en amont du comparateur à fenêtre n'ont pas été illustrés. Le circuit de la figure 7 utilise deux comparateurs différentiels 31 et 32 alimentés par la tension Vcc et dont les sorties respectives sont combinées par une porte 23 de type OU-Exclusif également alimentée par la tension Vcc et fournissant le signal OUT. Des premières entrées (respectivement non inver- seuse et inverseuse) des comparateurs 31 et 32 sont reliées au point milieu d'une association en série de deux résistances R34 et R35 entre les bornes 11 et 13 (masse), ce point milieu étant également relié à la borne 12 par une résistance R39 de forte valeur (de l'ordre du Meghoms) dont le rôle est de tenir la tension par rapport au circuit amont. Les deuxièmes entrées (inverseuse et non inverseuse) des comparateurs 31 et 32 sont respectivement reliées aux points milieu d'une association en série de trois résistances R36, R37 et R38 entre les bornes 11 et 12. Cette association en série a pour objet de fixer le seuil TH, les résistances R36 et R38 étant toutes deux de même valeur. B7571 - 06-T0-087 La figure 8 est un chronogramme illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 7. Cette figure montre un exemple d'allure du signal OUT par rapport à deux seuils TH1 et TH2 des comparateurs 1 et 2 supposés ici de même valeur. 5 Par rapport au montage de la figure 5, l'avantage du circuit de la figure 7 est qu'en décalant la comparaison par rapport au niveau Vcc/2, il n'impose pas de tension négative. Toutefois, il maintient le risque d'un courant inverse dans la basse tension continue. Un autre inconvénient du circuit de la figure 7 est qu'il reste encombrant en requérant six résistances, deux comparateurs différentiels et une porte logique. Résumé de l'invention La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients des circuits connus de comparaison d'une tension alternative par rapport à une fenêtre de seuils définie autour du niveau moyen de la tension alternative. L'invention vise plus particulièrement à proposer un comparateur d'encombrement réduit par rapport aux solutions 20 classiques pour faciliter son intégration. L'invention vise également à éviter tout risque d'inversion de courant dans la basse-tension continue fournissant le signal de détection. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que 25 d'autres, la présente invention prévoit un comparateur à fenêtre d'une tension d'entrée alternative, comportant : entre deux bornes d'application d'une tension représentative de la tension à mesurer, deux premiers transistors d'un premier type, chaque premier transistor étant monté en 30 miroir de courant sur un deuxième transistor ayant une première borne de conduction reliée à l'une desdites bornes d'application, les deux deuxièmes transistors ayant une deuxième borne de conduction commune ; et deux troisièmes transistors d'un deuxième type montés 35 en miroir de courant entre ladite borne de conduction commune B7571 - 06-TO-087 6 des deuxièmes transistors et une source de courant, une tension continue étant appliquée sur une première borne de ladite source de courant et un signal de sortie étant fourni par une deuxième borne de la source de courant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la fenêtre de détection est fixée par la valeur de la source de courant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite tension représentative de la tension à mesurer est 10 appliquée par l'intermédiaire d'une résistance. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le comparateur est réalisé sous forme de circuit intégré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les transistors sont des transistors bipolaires, le premier type 15 étant PNP et le deuxième type étant NPN. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les transistors sont des transistors MOS, le premier type étant à canal P et le deuxième type étant à canal N. L'invention prévoit également un circuit de commande 20 d'un interrupteur au voisinage du passage par zéro d'une tension d'alimentation alternative comportant un comparateur à fenêtre. L'invention prévoit également un circuit de détection d'une éventuelle défaillance d'une charge alimentée par une tension alternative, comportant un comparateur à fenêtre. 25 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes 30 parmi lesquelles : la figure 1 décrite précédemment représente de façon très schématique un exemple d'application d'un comparateur à fenêtre que vise la présente invention ; la figure 2 décrite précédemment est un chronogramme 35 illustrant le fonctionnement du montage de la figure 1 ; B7571 - 06-TO- 087 7 la figure 3 décrite précédemment représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un deuxième exemple d'application de la présente invention à un circuit de commande au zéro de tension ; la figure 4 décrite précédemment représente un autre exemple d'application de la présente invention à une détection d'erreurs sur une lampe à décharge ; la figure 5 décrite précédemment représente le schéma électrique d'un premier exemple classique de comparateur à fenêtre ; les figures 6A, 6B et 6C décrites précédemment sont des chronogrammes illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 5 ; la figure 7 décrite précédemment représente le schéma 15 électrique d'un deuxième exemple classique de comparateur à fenêtre ; la figure 8 décrite précédemment est un chronogramme illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 7 ; la figure 9 représente le schéma électrique d'un mode 20 de réalisation d'un comparateur à fenêtre selon la présente invention ; la figure 10 est un schéma bloc fonctionnel illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 9 ; la figure 11 représente des allures très schématiques 25 de signaux illustrant le fonctionnement du comparateur de l'invention ; la figure 12 représente au autre mode de réalisation d'un comparateur à fenêtre selon l'invention ; et la figure 13 représente, de façon très schématique et 30 sous forme de blocs, un exemple d'application de la présente invention dans un montage détectant l'alimentation d'une charge commandée par un interrupteur bidirectionnel. De mêmes éléments ont été désignés par des mêmes références aux différentes figures qui ont été tracées pour les 35 chronogrammes sans respect d'échelle. Pour des raisons de B7571 -06-T0-087 8 clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits. En particulier, les circuits de commande des interrupteurs associés aux charges que vise à surveiller l'invention au moyen du comparateur à fenêtre n'ont pas été détaillés, l'invention étant compatible avec toute application classique. Description détaillée La figure 9 représente un mode de réalisation d'un circuit 10 formant un comparateur à fenêtre selon la présente invention. En figure 9, seul le comparateur a été représenté et sa connexion aux bornes du circuit dont il est chargé de détecter une tension d'entrée n'a pas été illustrée. Le compa- rateur 10 compare une tension alternative Vin présente entre deux bornes 11 et 12 par rapport à une fenêtre autour du zéro de tension définie par un seuil de courant (source de courant 41). Deux transistors bipolaires de type PNP T1 et T2 sont chacun connectés entre une borne 12' et la borne 11 correspondant à la borne d'application d'une tension continue Vcc. La borne 12' est reliée à la borne d'entrée 12 d'application de la tension alternative par l'intermédiaire d'une résistance R42 de forte valeur dont le rôle est d'assurer la tenue en tension du comparateur 10 par rapport à la tension alternative Vin. L'émetteur du transistor T1 est relié à la borne 12' tandis que l'émetteur du transistor T2 est relié à la borne 11. Le transistor T1 est monté en diode et en miroir de courant sur un transistor T3 PNP dont l'émetteur est relié à la borne 12'. Les bases des transistors T1 et T3 sont reliées au collecteur du transistor T1 (borne 11). Le transistor T2 est monté en diode et en miroir de courant sur un transistor PNP T4 dont l'émetteur est relié à la borne 11 et dont le collecteur est relié à celui du transistor T3. Les bases des transistors T2 et T4 sont reliées au collecteur du transistor T2. Un miroir de courant formé de deux transistors T5 et T6 de type NPN est chargé de prélever de la source 41, un courant proportionnel à celui du collecteur du transistor T3 ou T4 selon l'alternance de la B7571 -06-T0-087 9 tension Vin. Le transistor T5 a son collecteur relié à sa base et aux collecteurs des transistors T3 et T4 et son émetteur relié à la masse 13. Le transistor T6 a son émetteur relié à la masse et son collecteur, définissant la borne de sortie OUT, relié à la source de courant 41. Les bases des transistors T5 et T6 sont reliées ensemble aux collecteurs des transistors T3, T4 et T5. La figure 10 illustre sous forme de schéma bloc, les fonctions remplies par le circuit de la figure 9. La figure 11 illustre le fonctionnement du circuit de la figure 10 en représentant des exemples d'allures de signaux caractéristiques. Une première fonction 42 (V->I) est une conversion tension-courant assurée par la résistance R42 qui convertit la tension alternative Vin d'entrée en un courant Iin (figure 11). Les transistors T1 et T2 assurent une fonction 43 de redressement double alternance. Ce redressement est effectué par rapport au niveau de tension Vcc, ce qui évite la présence d'une tension négative en aval. Le miroir de courant des transistors T1 et T3 (respectivement T2 et T4) assure une fonction 44 de diviseur de tension d'un rapport k fixé par le rapport entre les surfaces d'émetteur des transistors (k pour les transistors T1 et T2 1 pour les transistors T3 et T4). Un rapport entre les transistors T2 et T4 différent de celui entre les transistors T1 et 3 fournirait des seuils différents pour les alternances positives et négatives. La source de courant 41 fournit un courant de référence continu, de préférence constant, duquel est soustrait le courant du transistor T3 ou T4 au moyen du transistor T6 en miroir sur le transistor T5. Cela revient à une fonction de comparaison 45 du courant mesuré par rapport au courant de référence. Si le courant mesuré est supérieur au courant Iref, la sortie OUT est au niveau bas (tout le courant Iref est absorbé par le transistor T6). Sinon, la source de courant 41 permet un niveau non nul sur la sortie OUT. B7571 - 06-TO-087 10 La source de courant 41 est réalisée par exemple au moyen d'une résistance, d'un montage de transistors connu sous le nom de source de Widlar ou toute autre source de courant intégrée. Un avantage de ce mode de réalisation de la présente invention est que la réalisation du comparateur à fenêtre est particulièrement simple. Une seule résistance est requise et trois montages miroirs de courant de deux transistors chacun suffisent. Un autre avantage de ce mode de réalisation et qu'il assure une autoprotection contre des perturbations ESD (décharges électrostatiques) dans la mesure où il s'agit d'une solution en courant. Un autre avantage d'une solution en courant et qu'elle rend le montage insensible aux variations de tension et aux capacités parasites, ce qui supprime les retards de détection. Un autre avantage de l'invention est qu'aucun courant négatif ne passe côté alimentation continue, ce qui protège le régulateur de tension éventuel. La figure 12 représente un comparateur à fenêtre 10' selon un deuxième mode de réalisation basé sur l'utilisation de transistors MOS. Par rapport au montage de la figure 9, les transistors bipolaires PNP sont remplacés par des transistors MOS à canal P P1, P3, P2, et P4 et les transistors bipolaires NPN sont remplacés par des transistors MOS à canal N, N5 et N6. Le fonctionnement du montage de la figure 12 se déduit de celui exposé en relation avec la figure 9. La figure 13 représente un exemple d'application du comparateur à fenêtre 10 de l'invention dans un montage de détection du fonctionnement d'une charge 2 (L) alimentée par une tension alternative Vac appliquée entre deux bornes 3 et 4, la charge 2 étant en série avec un interrupteur bidirectionnel K (par exemple un triac). Dans l'exemple de la figure 13, la résistance R42 d'accès au circuit 10 a été représentée externe pour illustrer le fait que tous les constituants du comparateur B7571 - 06-T0-087 11 à fenêtre 10 sont préférentiellement réalisés sous la forme d'un circuit intégré. La borne 12 est reliée au point milieu entre la charge 2 et l'interrupteur K. La borne 11 d'application du potentiel positif de la tension Vcc est reliée à la borne 3 tandis que sa borne négative représente la masse 13 par rapport à laquelle est référencé le signal OUT. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensions à donner aux différents transistors, qu'il s'agisse d'une réalisation à base de transistors bipolaires ou MOS, sont à la portée de l'homme du métier en fonction de l'application. On notera toutefois que les courants supportés par ces transistors sont, à l'exception des deux premiers (T1, T2, P1, P2), des courants atténués par rapport aux courants d'entrée. De plus, les adaptations éventuelles de l'invention en fonction de la destination du circuit sont également à la portée de l'homme du métier. Par exemple, les rapports de surface de transistors des différents miroirs sont à adapter en fonction du rapport entre les tensions Vin et Vcc pour les miroirs T1/T3 et T2/T4 (ou P1/P3 et P2/P4) et en fonction du courant Iref par rapport au courant mesuré pour le miroir T5/T6 (ou N5/N6). Le courant Iref peut si besoin être modulé par un paramètre jouant sur la source de courant 41 alors préférentiellement à base de transistors. En outre, des montages duals peuvent être prévus en inversant les types de conductivité ou de canal des transistors pour un signal de sortie négatif ou nul. REVENDICATIONS 1. Comparateur à fenêtre d'une tension d'entrée alternative (Vin), caractérisé en ce qu'il comporte : entre deux bornes (12', 11) d'application d'une tension représentative de la tension à mesurer, deux premiers transistors (T1, T2 ; P1, P2) d'un premier type, chaque premier transistor étant monté en miroir de courant sur un deuxième transistor (T3, T4 ; P3, P4) ayant une première borne de conduction reliée à l'une desdites bornes d'application, les deux deuxièmes transistors ayant une deuxième borne de conduction commune ; et deux troisièmes transistors (T5, T6 ; P5, P6) d'un deuxième type montés en miroir de courant entre ladite borne de conduction commune des deuxièmes transistors et une source de courant (41), une tension continue (Vcc) étant appliquée sur une première borne de ladite source de courant et un signal (OUT) de sortie étant fourni par une deuxième borne de la source de courant. 2. Comparateur selon la revendication 1, dans lequel la fenêtre de détection est fixée par la valeur (Iref) de la 20 source de courant. 3. Comparateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel ladite tension représentative de la tension à mesurer est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance (R42). 25 4. Comparateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 réalisé sous forme de circuit intégré. 5. Comparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les transistors sont des transistors bipolaires, le premier type étant PNP et le deuxième type étant 30 NPN. 6. Comparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les transistors sont des transistors MOS, le premier type étant à canal P et le deuxième type étant à canal N. 5B7571 - 06-TO-087 13 7. Circuit de commande d'un interrupteur (5) au voisinage du passage par zéro d'une tension d'alimentation alternative, caractérisé en ce qu'il comporte un comparateur à fenêtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Circuit de détection d'une éventuelle défaillance d'une charge (2') alimentée par une tension alternative, caractérisé en ce qu'il comporte un comparateur à fenêtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.