FR2719725A1 - Dispositif d'alimentation d'une charge en courant continu basse tension. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'alimentation d'une charge (2) en courant continu basse tension à partir du réseau électrique alternatif, dispositif comportant un élément limiteur de courant (1), monté en série avec un commutateur (T1) qui est commandé par la tension présente aux bornes d'un condensateur (C) monté en parallèle avec la charge (2).

Description

DISPOSITIF D'ALIMENTATION D'UNE CHARGE EN COURANT CONTINU BASSE
TENSION
La présente invention concerne un dispositif destiné à alimenter une charge en courant continu basse tension à partir du réseau électrique alternatif sinusoïdal.

Elle est plus particulièrement destinée à des charges de faible puissance constituées par des circuits électroniques.

Il existe actuellement essentiellement trois types de dispositifs pour alimenter des circuits électroniques en courant continu basse tension, par exemple 5 V, à partir du réseau alternatif à 220 V.

Le premier fait appel à un montage utilisant un redresseur (généralement un pont de diodes), une impédance série (résistance ou capacité), une diode à avalanche fixant la valeur de la tension continue, et une capacité de filtrage.

Cette solution présente notamment l'inconvénient de ne plus être utilisable au-delà d'un besoin en courant de 10 mA en raison des dimensions et du coût que représenterait alors le montage, en particulier l'impédance série.

Le deuxième utilise un transformateur classique, mais est peu utilisé en raison de l'encombrement important que présente un transformateur.

Le troisième type de dispositifs consiste en des commutateurs (thyristors ou transistors) et diodes. Il existe des circuits intégrés qui répondent à cette fonction. Ces circuits présentent l'inconvénient de nécessiter une résistance en série entre l'alimentation alternative et le circuit, ce qui induit une forte dissipation d'énergie. De plus, ils sont d'un coût élevé en raison des composants utilisés.

Un objet de la présente invention est de remédier aux inconvénients des dispositifs existants en proposant un dispositif d'alimentation d'une charge en courant continu basse tension, à partir du réseau électrique alternatif, qui soit de constitution simple en ayant recours à peu de composants, qui présente un faible encombrement, sans nuire pour autant à l'obtention d'une bonne régulation de la tension de sortie.

Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un dispositif d'alimentation d'une charge en courant continu basse tension à partir d'une alimentation alternative, qui comporte un élément limiteur de courant, monté en série avec un commutateur qui est commandé par la tension présente aux bornes d'un condensateur monté en parallèle avec la charge.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre des moyens propres à commander le commutateur de sorte que la charge dudit condensateur, s'effectue, en régime établi, au début et à la fin de chaque alternance positive du signal d'alimentation sinusoïdal.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit commutateur comprend un thyristor GTO ouvrable par la gâchette, l'anode dudit thyristor GTO étant reliée à la sortie dudit limiteur de courant et sa cathode étant reliée à la charge, une première résistance de forte valeur étant disposée entre la gâchette et l'anode du thyristor GTO.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte également une première diode à avalanche, destinée à fixer le seuil d'ouverture du thyristor
GTO qui correspond sensiblement à la valeur nominale de la tension continue de sortie.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre un thyristor auxiliaire, la gâchette du thyristor auxiliaire étant reliée à l'anode de la première diode à avalanche, et son anode étant reliée à la gâchette du thyristor GTO tandis que sa cathode est reliée à la borne négative de l'alimentation.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le thyristor auxiliaire est choisi de sorte que son courant de maintien permette son blocage quelque peu avant la fin d'une alternance positive de l'alimentation.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte une seconde résistance, placée entre la gâchette et la cathode du thyristor auxiliaire.

Selon une variante de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre des moyens de protection contre un court-circuit dans la charge, constitués d'une troisième résistance montée en série avec une quatrième résistance pour constituer un pont diviseur de tension entre l'entrée du limiteur de courant et la borne négative de l'alimentation, la sortie du pont diviseur étant reliée à la cathode d'une seconde diode à avalanche dont l'anode est reliée à la gâchette du thyristor auxiliaire.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte une première diode montée en série avec le limiteur de courant en amont de ce dernier, et une seconde diode montée en série entre la cathode du thyristor GTO et la borne positive du condensateur.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est alimenté par la tension alternative du réseau industriel.

Le fait, selon l'invention, d'avoir recours à un élément limiteur de courant permet de limiter, notamment pendant le régime transitoire de chargement initial du condensateur, le courant traversant le circuit. Ainsi, à la fois les composants du dispositif et la charge fonctionnent, même en régime transitoire, sous faible courant. L'élément limiteur de courant permet d'obtenir un courant constant, même sous faible tension.

Cela conduit à ce que le condensateur peut être rechargé, en régime établi, en dissipant un minimum de puissance. Ce qui n'est pas le cas des circuits utilisant une résistance en série entre l'alimentation alternative et le circuit.

Le fait de prévoir des moyens propres, en régime établi, à charger le condensateur au début et à la fin de chaque alternance positive de la tension d'alimentation, permet de réduire, par rapport aux circuits existants, la tension sous laquelle s'effectue la charge et donc la puissance dissipée.

L'emploi d'un thyristor ouvrable par la gâchette (couramment appelé GTO), associé à ce limiteur de courant permet en outre, d'implanter avec des modifications mineures, des moyens de protection du dispositif contre les courts-circuits.

Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles
la figure 1 représente la caractéristique tensioncourant d'un élément limiteur de courant
la figure 2 représente le schéma d'un mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation selon l'invention
la figure 3 représente, sous forme de diagrammes temporels, la tension d'alimentation, le courant d'entrée du dispositif et la tension de sortie, en régime transitoire de mise sous tension du dispositif de la figure 2
la figure 4 représente, une vue agrandie des diagrammes de la figure 3 en régime établi
la figure 5 représente, sous forme de diagrammes temporels, la tension d'alimentation, le courant d'entrée du dispositif et la tension aux bornes de l'élément limiteur de courant, durant une alternance positive de la tension d'alimentation ; et
la figure 6 représente une variante du mode de réalisation de la figure 2 munie d'une fonction de protection contre les courts-circuits.

Comme le montre la figure 1, un élément limiteur de courant, du type utilisé selon l'invention, présente une caractéristique tension-courant correspondant à celle d'un transistor MOS à gâchette et source reliées. Lorsque le courant dans cet élément augmente, il se comporte comme une résistance de faible valeur. Quand le courant atteint une valeur limite "Icl", le courant est limité à cette valeur et la tension aux bornes du limiteur augmente en suivant la tension d'alimentation. La limite de fonctionnement du dispositif est fixée par une tension "Vmax" au-delà de laquelle l'élément entre en avalanche.

Le dispositif d'alimentation, tel que représenté à la figure 2 est connecté entre des bornes d'alimentation alternative "A" et "B" et des bornes d'alimentation continue "+" et "-". Entre les bornes "A" et "+", un élément limiteur de courant 1 est monté en série avec un thyristor ouvrable par la gâchette T1 (couramment appelé thyristor GTO). Une charge à alimenter 2 est raccordée entre les bornes "+" et "-" du dispositif. L'anode du thyristor GTO T1 est connectée à la sortie du limiteur 1 dont l'entrée est connectée à la borne "A". Cette anode est également reliée à la gâchette du thyristor GTO T1 par l'intermédiaire d'une résistance R1. Un condensateur C est placé en parallèle avec la charge 2, sa borne positive étant reliée à la cathode du thyristor GTO T1, tandis que sa borne négative est reliée à la borne "-" du dispositif. Les contraintes technologiques du thyristor GTO T1 et du limiteur de courant 1 font qu'ils ne supportent pas une tension inverse élevée. Pour éviter une détérioration de ces composants, on place une première diode D1 en amont du limiteur de courant 1. On bloque ainsi les alternances négatives du réseau alternatif.

Le thyristor GTO T1 joue le rôle d'un commutateur commandé par la tension présente aux bornes du condensateur C.

Sa gâchette est pour cela reliée à l'anode d'un thyristor auxiliaire T2 dont la cathode est reliée à la borne "B" de l'alimentation "Vac". La gâchette du thyristor auxiliaire T2 est reliée à l'anode d'une première diode à avalanche D3 ainsi que, par l'intermédiaire d'une résistance R2, à sa propre cathode.

Le rôle de la résistance R2 de faible valeur est double. D'une part, elle sert à éviter un amorçage intempestif du thyristor
T2 qui serait dû, même en l'absence de conduction de la première diode à avalanche D3, à un courant de fuite dans la diode
D3 qui pourrait déclencher le thyristor T2. D'autre part, elle permet de maintenir le courant de maintien "ih" du thyristor T2 à une valeur suffisante, afin de permettre son blocage au voisinage de la fin des alternances positives, comme on le verra par la suite. La cathode de la première diode à avalanche D3 est reliée à la borne positive du condensateur C, de sorte que la diode détermine la tension maximale aux bornes du condensateur C.

A la mise sous tension du dispositif, le thyristor
GTO T1 s'amorce, au début d'une première alternance positive par le courant qui circule dans le limiteur 1, la résistance
R1, la jonction gâchette-cathode du thyristor GTO T1 et la charge 2. Le thyristor GTO T1 étant amorcé, le condensateur C se charge, et ce jusqu'à ce que la tension aux bornes du condensateur C atteigne la somme de la tension d'avalanche de la diode D3 et de la tension de déclenchement gâchette-cathode du thyristor T2 (environ 0,7 V). A ce seuil de tension, la première diode à avalanche D3 conduit et un courant circule dans la gâchette du thyristor auxiliaire T2 qui s'amorce. Cet amor çage du thyristor T2 a pour effet, d'amener la différence de potentiel entre la gâchette et la cathode du thyristor GTO T1 à une valeur fortement négative et le thyristor GTO T1 se bloque.

La charge 2 est alors alimentée par le condensateur C.

Ce fonctionnement en régime transitoire est illustré par la figure 3, sur laquelle on peut voir, sous forme de diagrammes temporels, la tension d'alimentation "Vac", le courant d'entrée "Iin" du dispositif et la tension de sortie "Vout" qui correspond à la tension aux bornes du condensateur C. Si la fréquence du réseau industriel à 220 V est de 50 Hz, les alternances positives de la tension d'alimentation "Vac" ont une durée de 10 ms. Pendant la première alternance positive "P1", la charge du condensateur C s'effectue avec un courant limité à la valeur du courant limite "Icl" du limiteur 1, évitant ainsi tout risque de détérioration des composants. Si ce courant ne permet pas à la tension aux bornes du condensateur C de parvenir à la valeur seuil "VD3", fixée par la première diode à avalanche D3, durant la première alternance "P1", la charge du condensateur C n'est pas interrompue pendant cette alternance.

Au passage à O de la tension d'alimentation, le thyristor GTO T1 se bloque, et le condensateur C alimente la charge 2 pendant l'alternance négative "N1" de l'alimentation alternative.

Au début de la deuxième alternance positive "P2", le thyristor GTO T1 se réamorce et le condensateur C se charge jusqu'à ce que la tension à ses bornes "Vout" atteigne la valeur "VD3". A cet instant, le thyristor GTO T1 se bloque, en raison de l'amorçage du thyristor T2. C'est alors le condensateur C qui fournit le courant à la charge 2, la tension à ses bornes diminuant sous l'effet de la charge 2. Un faible courant circule alors dans le thyristor T2, limité par le limiteur 1 et par la résistance R1.

Au voisinage de la fin de l'alternance "P2", lorsque la tension d'alimentation diminue de sorte que le courant dans le thyristor T2 devient inférieur à son courant de maintien "ih", ce dernier se bloque. Cela a pour effet de permettre le réamorçage du thyristor GTO T1 qui provoque une nouvelle charge du condensateur C jusqu'à la fin de l'alternance positive, ou jusqu'à un nouvel amorçage du thyristor T2 si la tension seuil de la première diode à avalanche D3 est atteinte avant. Le dispositif est alors en régime établi.

Afin d'éviter que le condensateur C se décharge dans le circuit au voisinage de la fin des alternance positive, on place une seconde diode D2 entre la gâchette du thyristor GTO T1 et la borne positive du condensateur C. Cela permet d'éviter que la résistance gâchette-cathode "Rgk" du thyristor GTO T1 maintienne un courant dans le thyristor T2 qui soit supérieur à son courant de maintien "ih", ce qui empêcherait le réamorçage du thyristor GTO T1.

Il est à noter que dans l'exemple représenté aux figures, le régime transitoire dure pendant les deux premières alternances positives, cette durée pouvant se trouver allongée ou raccourcie en fonction de la valeur du courant limite "Icl" du limiteur 1, de la tension de sortie souhaitée et de la valeur du condensateur C.

En régime établi, comme on peut le voir sur la partie droite de la figure 3 ou sur la figure 4, le condensateur C se charge au début et à la fin de chaque alternance positive "Pi" du signal d'alimentation.

L'intervalle de temps 0, entre le début de l'alternance positive "Pi" du signal d'alimentation et le début de la phase de charge du condensateur C, correspond au temps d'amor çage du thyristor GTO T1. En d'autres termes, cet intervalle correspond au temps nécessaire pour que le courant d'alimentation circulant dans la résistance R1 atteigne la valeur du courant de gâchette devant circuler dans le thyristor GTO T1 pour qu'il s'amorce.

Au voisinage de la fin de l'alternance positive "Pi", lorsque le courant traversant le thyristor T2 devient inférieur à son courant de maintien "ih", celui-ci se bloque, autorisant ainsi le réamorçage du thyristor GTO T1.

Un tel mode de fonctionnement, obtenu par le choix d'un courant de maintien "ih" relativement élevé pour le thyristor auxiliaire T2, permet de charger le condensateur C deux fois par alternance positive. Ce mode est particulièrement avantageux dans la mesure où, en augmentant le nombre de phases de charge du condensateur C, on améliore la régulation de la tension de sortie tant vis-à-vis des variations de la tension d'entrée que des variations de la charge. Cela permet également de réduire la durée des phases de charge, et donc de charger le condensateur C à des moments où la tension "Vac", et donc la tension aux bornes du limiteur 1, est faible. Ce qui induit, en régime établi, une très faible dissipation d'énergie par le dispositif. De surcroît, le fait de recharger le condensateur C à la fin de chaque alternance positive "Pi" permet qu'il attaque l'alternance négative à pleine charge. Cela améliore encore la régulation, dans la mesure où, le condensateur C se décharge pendant toute la durée des alternances négatives "Ni".

La figure 5 illustre ce phénomène. La tension "V1" aux bornes du limiteur 1, pendant la phase de charge du début d'une alternance positive en régime établi, suit la tension sinusoïdale d'alimentation "Vac" pendant le temps où le thyristor GTO T1 est amorcé. Ce temps étant bref, la valeur de la tension "V1" ne dépasse pas 50 V dans l'exemple décrit. Le même phénomène se produit en sens inverse à la fin de l'alternance positive. La tension "V1" décroît depuis une valeur d'environ 30 V, correspondant au blocage du thyristor T2, jusqu'à 0 V, instant auquel le thyristor GTO T1 se bloque. Le condensateur C est ainsi chargé sous faible tension et avec un courant faible.

On obtient donc une alimentation continue basse tension, à partir d'une alimentation alternative du réseau industriel, en ayant recours à un nombre limité de composants, et avec une faible dissipation d'énergie en régime établi.

En outre, une fonction de protection contre un courtcircuit de la charge 2 peut aisément être incorporée au dispositif selon l'invention.

Pour ce faire, et comme le représente la figure 6, un pont diviseur de tension est placé entre l'entrée de l'élément limiteur de courant 1 et la borne négative "-" du dispositif, au moyen de deux résistances R3 et R4, montées en série. La sortie du pont diviseur qui correspond à la liaison entre les deux résistances R3 et R4 est reliée à la cathode d'une seconde diode à avalanche D4 dont l'anode est reliée à la gâchette du thyristor auxiliaire T2. La résistance R3, de forte valeur, est ainsi placée entre l'entrée du limiteur de courant 1 et la cathode de la diode D4. La résistance R4 est placée entre la cathode de la diode D4 et la borne n- n de l'alimentation.

Un courant circule donc, en fonctionnement normal, à travers les résistances R3 et R4 pendant toute la durée des alternances positives de la tension d'alimentation "Vac". Cela a pour seul effet d'accroître très légèrement la valeur du cou rant "Iin" hors des périodes de charge du condensateur C, pendant les alternances positives.

En cas de court-circuit dans la charge 2, le limiteur de courant 1 atteint la valeur seuil "Icl", son point de fonctionnement passe donc dans la zone de limitation de courant et la tension à ses bornes augmente. Le courant dans le pont diviseur augmente également, ce qui a pour conséquence de faire croître la tension aux bornes de la seconde diode à avalanche
D4.

Lorsque cette tension atteint le seuil défini par la tension d'avalanche de la diode D4, un courant circule à travers cette diode dans la gâchette du thyristor auxiliaire T2 qui s'amorce. L'amorçage du thyristor T2 entraîne, comme précédemment le blocage du thyristor GTO T1.

Comme on a pu le voir précédemment, le thyristor T2 se bloque quelque peu avant le passage à zéro du signal d'alimentation. Cela a pour effet de permettre au thyristor GTO T1 de se réamorcer à la fin de l'alternance positive. Le dispositif 1 va ainsi successivement se déclencher et se réamorcer à chaque début et fin d'alternance positive tant que le courtcircuit persiste dans la charge 2. Dès que le court-circuit aura disparu le fonctionnement normal pourra être repris sans qu'aucune intervention ait été nécessaire. La fonction de protection adjointe au dispositif d'alimentation constitue donc un disjoncteur à réarmement automatique.

Comme on vient de le voir, le courant de charge est en permanence contrôlé, ce qui confère au dispositif d'alimen- tation ainsi réalisé, une fiabilité optimale.

Bien que le temps de commutation des thyristors soit court, le temps de réponse en cas de court-circuit, qui est fixé par la tension d'avalanche de la diode D4, peut paraître important. Mais cela est sans conséquence sur la fiabilité de l'alimentation et de la protection de la charge 2, dans la mesure où le courant est en permanence limité à la valeur "Icl" par le limiteur de courant 1.

Les valeurs numériques indiquées sur les diagrammes des figures 3, 4 et 5, correspondent à un circuit alimenté par le réseau alternatif à 220 V et délivrant en sortie un courant de 50 mA sous une tension continue de 6,2 V. Le condensateur C de ce circuit présente une valeur de 200 RF et l'élément limiteur de tension 1 présente une valeur de courant de limitation "Icl" de 1,3 A.

Bien entendu la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, chacun des composants décrits (élément limiteur 1, thyristors T1 et T2, ...) pourra être remplacé par un ou plusieurs éléments remplissant la même fonction.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'alimentation d'une charge en courant continu basse tension à partir d'une alimentation alternative, caractérisé en ce qu'il comporte un élément limiteur de courant (1), monté en série avec un commutateur (T1) qui est commandé par la tension présente aux bornes d'un condensateur (C) monté en parallèle avec la charge (2).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens propres à commander le commutateur de sorte que la charge dudit condensateur (C), s'effectue, en régime établi, au début et à la fin de chaque alternance positive ("Pi") du signal d'alimentation sinusoïdal.

3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit commutateur comprend un thyristor GTO ouvrable par la gâchette (T1), l'anode dudit thyristor GTO (T1) étant reliée à la sortie dudit limiteur de courant (1) et sa cathode étant reliée à la charge (2), une première résistance (R1) de forte valeur étant disposée entre la gâchette et l'anode du thyristor GTO (T1).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une première diode à avalanche (D3), destinée à fixer le seuil d'ouverture du thyristor GTO (T1) qui correspond sensiblement à la valeur nominale de la tension continue de sortie.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un thyristor auxiliaire (T2), la gâchette du thyristor auxiliaire (T2) étant reliée à l'anode de la première diode à avalanche (D3), et son anode étant reliée à la gâchette du thyristor GTO (T1) tandis que sa cathode est reliée à la borne négative de l'alimentation.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le thyristor auxiliaire (T2) est choisi de sorte Jue son courant de maintien ("ih") permette son blocage quelque peu avant la fin d'une alternance positive ("Pi") de l'alimentation.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde résistance (R2), placée entre la gâchette et la cathode du thyristor auxiliaire (T2).

8. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de protection contre un court-circuit dans la charge (2), constitués d'une troisième résistance (R3) montée en série avec une quatrième résistance (R4) pour constituer un pont diviseur de tension entre l'entrée du limiteur de courant (1) et la borne négative de l'alimentation, la sortie du pont diviseur étant reliée à la cathode d'une seconde diode à avalanche (D4) dont l'anode est reliée à la gâchette du thyristor auxiliaire (T2).

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une première diode (D1) montée en série avec le limiteur de courant (1) en amont de ce dernier, et une seconde diode (D2) montée en série entre la cathode du thyristor GTO (T1) et la borne positive du condensateur (C).

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est alimenté par la tension alternative du réseau industriel.