FR2572600A1 - Stabilisateur electronique de tension, utilisable en particulier dans l'automobile, avec protection contre les surtensions transitoires de polarite opposee a celle du generateur - Google Patents

Abstract

LE STABILISATEUR COMPREND UN DISPOSITIF FINAL DE PUISSANCE T1 ET DES MOYENS DE PROTECTION Z2, T2 RACCORDES A UNE BORNE DE COMMANDE DE CE DISPOSITIF T1 DE MANIERE A AMORCER DANS CELUI-CI LA CONDUCTION EN SENS OPPOSE AU SENS DE FONCTIONNEMENT NORMAL LORSQUE LES SURTENSIONS TRANSITOIRES DE POLARITE OPPOSEE A CELLE DU GENERATEUR R ATTEIGNENT UNE VALEUR PREALABLEMENT FIXEE. L'ENERGIE ASSOCIEE AU TRANSITOIRE EST AINSI DECHARGEE A TRAVERS LE DISPOSITIF FINAL DE PUISSANCE T1 LUI-MEME ET IL NE DOIT PAS ETRE FAIT APPEL A DES COMPOSANTS DE PUISSANCE SUPPLEMENTAIRES POUR REMPLIR CETTE FONCTION, CE QUI SE TRADUIT PAR UNE ECONOMIE DE SURFACE ET UNE DIMINUTION DES FRAIS DE REALISATION.

Description

la présente invention concerne des stabilisateurs électro-

niques de tension, en particulier des stabilisateurs électroni-

ques de tension à usage dans l'automobile, du type dans lequel l'étage final de puissance (étage "pass") est constitué par un transistor bipolaire de type PINP vertical à collecteur isolé. Un stabilisateur électronique de tension est intercalé entre le générateur et la charge, constituée par les autres

dispositifs électroniques de la voiture, pour obtenir une ten-

sion d'alimentation continue et indépendante du courant absorbé

par cette charge.

Un stabilisateur doit absorber toutes les sollicitations électriques qui se présentent à son entrée et il doit les supprimer à sa sortie. En particulier, il doit supporter, en

se protégeant lui-même et en protégeant la charge, les dange-

reuses surtensions positives et négatives qui se manifestent dans le circuit électrique de la voiture. Une forte impulsion de tension négative est produite par exemple, pendant la période transitoire de décomposition de champ ("field decay") de l'alternateur si l'interrupteur principal du circuit (clé de

contact) est ouvert alors que les charges inductives (enroule-

ment de champ de l'alternateur, allumage, moteurs électriques) sont raccordés au stabilisateur. Un stabilisateur électronique

devra supporter les fortes surtensions négatives en se compor-

tant comme un interrupteur ouvert.

Pour les applications dans lesquelles un courant de sortie relativement élevé est requis, on utilise un stabilisateur électronique dont l'étage final de puissance est constitué par un transistor bipolaire de puissance de type PNP. Un tel stabilisateur a un rendement d'alimentation élevé, en ce sens aue la chute de tension entrée-sortie relative minimale

("drop-out") est égale à la tension de saturation collecteur-

émetteur (VcEsAT) du transistor PIfP, qui est le minimum de drop-out que l'on puisse obtenir dans l'état actuel de la technique. Le transistor PNP utilisé comme étage final peut être un PNP latéral ou un PNP vertical à collecteur isolé. Ce dernier a une plus grande densité de courant en comparaison de l'autre et il a un gain de courant plus élevé: son utilisation est donc avantageuse, parce qu'il permet d'occuper une plus petite surface du silicium et de délivrer un courant plus élevé à la sortie du stabilisateur. Toutefois, un transistor PNP vertical à collecteur isolé a une tension de rupture inverse de la jonction baseémetteur (VEBO) qui est nettement inférieure à celle d'un PNP latéral, ce qui fait qu'il n'est pas en mesure de supporter des surtensions négatives élevées en se comportant comme un interrupteur ouvert. De telles surtensions provoquent

en effet la rupture de sa jonction base-émetteur.

Dans les stabilisateurs électroniques dont l'étage de

puissance est constitué par un transistor PNP vertical à collec-

teur isolé, pour éviter la destruction du transistor en présence de fortes surtensions négatives, on introduit ordinairement une

protection, dont il est cité un exemple de réalisation ci-

après dans la présente description et qui limite lesdites

surtensions. Mais une telle protection occupe une surface très étendue, comparable à celle qu'occupe le transistor PNP de puissance, ce qui fait que son colt est relativement élevé et qu'il n'est pas convenable économiquement de réaliser en un unique circuit intégré, à la fois les composants de puissance, c'est-à-dire le transistor PNP et sa protection, et les autres

composants du stabilisateur.

Le but de la présente invention est de réaliser un stabi-

lisateur électronique de tension, du type dans lequel l'étage final de puissance est constitué par un transistor PNP vertical

à collecteur isolé, doté d'une protection contre les surten-

sions négatives qui occupe une surface beaucoup plus petite que les protections usuelles, ce stabilisateur étant donc

réalisable avantageusement du point de vue économique.

Ce but est atteint avec le stabilisateur électronique de

tension suivant la présente invention, comportant une borne d'en-

trée pour son raccordement à un générateur-qui fournit une tension d'un premier type de polarité par rapport à une borne de masse, une borne de sortie pour son raccordement à une charge et une borne commune à l'entrée et à la sortie pour son raccordement à la borne de masse et comprenant un étage de réglage comportant une première (-) et une seconde (+) bornes d'entrée et une borne de sortie, un circuit de rétro-action relié à la borne de sortie du stabilisateur et à la première borne d'entrée (-) de l'étage

de réglage, un dispositif final de puissance comportant une pre-

mière et une seconde bornes raccordées respectivement à la bor-

ne d'entrée et à la borne de sortie du stabilisateur et comportant une borne de commande raccordée à la borne de sortie de l'étage de réglage, des moyens de protection contre des surtensions transitoires de polarité opposée à la premiere, caractérisé en ce que les moyens de protection sont raccordés à la borne de commande du dispositif final de puissance et sont capables d'amorcer dans celui-ci)aconduction en sens opposé par rapport au sens de fonctionnement normal lorsque lesdites surtensions

transitoires atteignent une valeur préalablement fixée.

L'invention pourra être mieux comprise à l'aide de la

description détaillée qui suit, donnée à simple titre d'exemple

et, par conséquent, sans intention limitative, en référence

aux dessins ci-annexés.

La figure 1 est un schéma de montage simplifié d'un stabi-

lisateur de tension doté d'une protection contre les surtensions

négatives de type connu.

La figure 2 est un schéma de montage simplifié d'un stabi-

lisateur de tension doté d'une protection contre les surtensions

négatives réalisée suivant l'invention.

Sur les deux figures, on a utilisé les mêmes numéros et

lettres de référence pour désigner les parties-correspondantes.

Le circuit représenté sur la figure 1 comporte une borne IN d'entrée pour son raccordement à un générateur qui fournit une tension positive par rapport à la masse, une borne OUT de sortie pour son raccordement à une charge et une borne commune

à-l'entrée et à la sortie pour sa mise à la masse.

Ce circuit comprend un dispositif final de puissance, constitué par un transistor bipolaire de puissance Tl, de type

PNP vertical à collecteur isolé, dont l'émetteur et le collec-

teur sont reliés respectivement à la borne IN d'entrée et à la borne OUT de sortie. Le transistor T1 est commandé à sa base par un étage de réglage, représenté sur la figure 1 par un bloc R.

Cet égage de réglage est réalisé de façon bien connue des spécia-

listes et, par conséquent, non indiquée sur le dessin. Il est ordinairement constitué par un amplificateur différentiel qui commande un transistor bipolaire de type NPN propre à piloter le transistor bipolaire de puissance de type PNP, selon ce qui est représenté par exemple sur la figure 3, à la page 444 de l'article de P. Menniti et S. Storti, intitulé "Low Drop Regulator with Overvoltage Protection and Reset Function for Automotive Environment" et publié dans la revue "IEEE Journal of solidState

Circuits", vol. SC-19, NA 3, juin 1984.

L'étage de réglage R comporte deux bornes d'entrée, l'une inverseuse (-) et la seconde non inverseuse (+), une borne de sortie et une borne pour la mise à la masse. La borne d'entrée

inverseuse est raccordée à la borne de sortie OUT par l'inter-

médiaire d'une résistance R1 et à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R2. A la borne d'entrée non inverseuse est appliquée une tension de référence VR. La borne de sortie est

reliée à la base de Tl.

Le circuit de la figure 1 comprend en outre une diode Zener de puissanoe Z1, une première diode de puissance Dl et une

seconde diode de puissance D2, montées en série entre elles.

Plus précisément, l'anode de Z1 est raccordée à la borne IN d'entrée, les cathodes de Zl et de Dl sont reliées entre elles, l'anode de Dl et la cathode de D2 sont raccordées ensemble à la

borne OUT de sortie et l'anode de D2 est mise à la masse.

De façon connue en soi dans la technique, il s'établit, entre la borne OUT de sortie et la masse, une tension Vu dont la valeur dépend de la tension d'entrée Vi et de la charge raccordée à la borne de sortie, seulement tant que la tension

Vi est inférieure à une valeur de seuil déterminée, caractéris-

tique du circuit, au-dessus de laquelle il s'établit par contre

en partie une tension continue VO dont la valeur est indépen-

dante, tant de la tension d'entrée Vi que de la charge et dépend seulement de la tension de référence VR et du dimensionnement

du circuit lui-même, en particulier du rapport entre les résistan-

ces Rl et R2. En fait, au-delà de cette valeur de seuil, qui définit la limite inférieure du champ de fonctionnement correct (et, par suite, d'utilisation possible) du stabilisateur, l'étage

de réglage R agit de manière stable. Il compare la tension de réfé-

rence VR avec une fraction de la tension de sortie Vu obtenue par les répartiteurs Rl,R2 et s'il y a des variations de la tension de sortie par rapport à la valeur pré-fixée VO, il pilote

le transistor Tl à un niveau de conduction tel qu'il est ré-

tabli, sur la charge, une tension ayant la valeur VC.

Pendant le fonctionnement normal du stabilisateur, le transistor Tl est activé, tandis que la diode Dl est polarisée en sens inverse, ce qui fait que la diode Zener Z1 n'entre pas

en conduction. Dans une telle situation, la diode D2 est égale-

ment désactivée.

La diode Zener Z1 a une tension d'amorçage inférieure à la tension de rupture inverse de la jonction base-émetteur de Tl,

d'o il résulte qu'elle protège Tl des surtensions négatives.

En effet, pendant les périodes transitoires o il apparait des surtensions négatives, le transistor T1 est désactivé et au moment o la tension entre son collecteur et son émetteur (VcE) devient égale à la somme de la tension d'amorçage de Z1 et de la tension de seuil de D1, ces composants entrent en conduction et déchargent l'énergie associée aux transitcres, évitant ainsi que les surtensions atteignent des valeurs qui provoquent la rupture de la jonction base-émetteur de T1. la diode D2 entre elle aussi en conduction, ce qui fait que le courant de décharge passe à travers Dl plutôt qu'à travers la charge et le diviseur

à résistance R1, R2.

Une protection contre les surtensions négatives du type

décrit ci-dessus doit supporter des courants relativement éle-

vés, ce qui fait qu'elle occupe une surface très étendue et ne

convient donc pas d'un point de vue économique.

Les problèmes évoqués ci-dessus sont résolus, d'après l'invention, par l'introduction, dans le stabilisateur, d'une protection constituée par un circuit d'amorçage, capable de piloter en conduction inverse le transistor PNP T1 lorsque la

surtension négative atteint une valeur prédéterminée, inférieure-

à la valeur qui provoque la rupture de la jonction base-émetteur de T1. L'énergie associée au transitoire est ainsi déchargée à travers le transistor T1 lui-même et on ne-doit pas faire appel

à des composants de puissance supplémentaires.

Le circuit suivant l'invention, représenté sur la fig. 2, comprend un circuit d'amorçage constitué par une diode Zener Z2 et par un transistor T2 de type PNP. L'anode et la cathode de Z2 sont raccordées respectivement à la borne IN d'entrée du stabilisateur et à la base de T2 et le collecteur et l'émetteur de T2 sont raccordés respectivement à l'émetteur et à la base de T1. -Pendant le fonctionnement normal du stabilisateur, Z2 et

T2 sont désactivés.

Dans les transitoires dans lesquels il apr&ratt des ten-

sions négatives, le transistor T1 reste désactivé tant que la tension entre la cathode et l'anode de Z2 est inférieure à la valeur d'amorçage. Au-delà de cette valeur, la diode Zener Z2 est activée et pilote en conduction le transistor T2 et, par suite, le transistor Tl. La jonction base-émetteur de T1 est polarisée en sens inverse, tandis que sa jonction base-collecteur est polarisée en sens direct, ce qui fait que le transistor

fonctionne dans la région de conduction inverse.

la tension d'amorçage de Z2 est déterminée de telle manière

que l'activation de T1 se produise-avant que sa tension base-

émetteur n'atteigne la valeur de rupture VEBO.

Les transistors T2 et T1 sont raccordés entre eux de

manière à réaliser un montage de Darlington lorsque T1 fono-

tionne en conduction inverse. Comme on le sait, avec un tel montage on obtient un gain de-courant élevé, ce-qui fait qu'un courant relativement faible sert à piloter la base de T2. La diode Zener Z2 est ainsi traversée par un courant d'intensité négligeable par rapport à celle du courant qui traverse les composants Z1 et D1 de la fig. 1. De plus, le transistor T2

doit supporter un courant inférieur par rapport à ces composants.

Une protection du type représenté sur la fig. 2 est simple à réaliser et, devant dissiper moins de puissance, elle occupe une surface plus petite en comparaison d'une protection du type représenté sur la fig. 1, ce qui fait qu'elle est moins

conteuse et qu'elle peut être intégrée avec les autres compo-

sants du stabilisateur.

Dans la forme d'exécution de l'invention représentée sur

la fig. 2, la protection contre les surtensions négatives com-

prend une seule diode Zener, mais elle peut comprendre plu-

sieurs diodes Zener, en série entre elles, selon la tension d'amorçage que l'on veut obtenir. On peut en outre introduire d'autres variantes et modifications multiples dans le circuit d'amorçage décrit ci-dessus, sans que l'on s'écarte pour

autant du cadre de l'invention.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Stabilisateur électronique de tension, comportant une borne d'entrée (IN) pour son raccordement à un générateur qui fournit une tension d'un premier type de polarité par rapport à une borne de masse, une borne de sortie (OUT) pour son raccor- dement à une charge et une borne commune à l'entrée et à la sortie pour son raccordement à la borne de masse et comprenant un étage de réglage (R) comportant une première (-) et une seconde (+) bornes d'entrée et une borne de sortie, un circuit de rétroaction (R1, R2) relié à la borne de sortie (OUT) du stabilisateur et à la première borne d'entrée (-) de l'étage de réglage (R), un dispositif final de puissance (Tl) comportant une première et une seconde bornes raccordées respectivement à

la borne d'entrée (IN) et à la borne de sortie (OUT) du stabili-

sateur et comportant une borne de commande raccordée à la borne de sortie de l'étage de réglage (R), des moyens de protection

(Z2, T2) contre des surtensions transitoires de polarité oppo-

sée à la première, caractérisé en ce que les moyens de protec-

tion (Z2, T2) sont raccordés à la borne de commande du disposi-

tif final de puissance (T1) et sont capables d'amorcer dans celui-ci la conduction en sens opposé par rapport au sens de fonctionnement normal lorsque lesdites surtensions transitoires

atteignent une valeur préalablement fixée.

2. Stabilisateur selon la revendication 1, dans lequel le

dispositif final de puissance comprend un transistor de puis-

sance (T1) dont la base est raccordée à la borne de commande et qui fonctionne dans la région inverse lorsque la conduction

dans le dispositif se produit en sens opposé au.sens de fonc-

tionnement normal, caractérisé en ce que les moyens de protec-

3C tion comprennent un élément de circuit à semiconducteur inséré entre la borne d'entrée (IN-) du stabilisateur et la borne de commande du dispositif final de puissance et capable d'entrer en conduction lorsque lesdites surtensions transitoires prennent

ladite valeur préalablement fixée.

3. Stabilisateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de protection comprennent un transistor (T2)

dont la base est raccordée à l'élément de circuit à semiconduc-

teur et dont le collecteur et l'émetteur sont raccordés respec-

tivement à l'émetteur et à la base du transistor de puissance (T). 1G

4. Stabilisateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de circuit à semiconducteur comprend une ou plusieurs diodes Zener, en série entre elles, polarisées en sens

inverse lorsqu'apparaissent lesdites surtensions transitoires.

5. Stabilisateur selon la revendication 3, dans lequel le transistor de puissance (T1) est un transistor bipolaire de type PNP dont l'émetteur et le collecteur constituent respectivement

la première et la seconde bornes du dispositif final de puissan-

ce, caractérisé en ce que le transistor (T2) compris dans les

moyens de protection est un transistor bipolaire de type PNP.

6. Stabilisateur selon l'une quelconque des revendications 1

à 5, caractérisé en ce qu'il est intégrable monolithiquement.