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"Régulateur électronique pour génératrice"
La présente invention concerne un régulateur électroni- que pour génératrice, comprenant au moins un transistor et un élément électrique à caractéristique tensionintensité non linéaire, dénommé ci-après diode de Zener, associés au circuit de l'enrou- lement inducteur de la génératrice de façon que lorsque la ten- sion à réguler tend à dépasser une valeur imposée, le courant du circuit de l'enroulement inducteur tend à devenir nul.
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Par le terme "génératrice", le présent brevec vise aussi bien les machines électriques génératrices de courant élec- trique continu ou dynamos que de courant électrique alternatif ou alternateurs.
La présente invention vise en particulier un régulateur pour génératrice de véhicule, mais cette utilisation n'est absolu- ment pas limitative.
L'on connaît les régulateurs électroniques du type visé par la présente invention, dans lesquels le transistor dit de contrôie,dans le circuit dollecteur duquel est branché l'enrou- lement inducteur, et dont le courant de collecteur tend à devenir nul lorsque la tension à réguler tend à dépasser une valeur impo- sée, doit, pour produire cet effet, être associé à un autre tran- sistor, dit de régulation, lequel conditionne l'état de conductibi- lité du transistor de contrôle de telle sorte que pour des valeurs de tension à réguler proches et supérieures à la tension imposée, le transistor de régulation conduit et le transistor de contrôle est bloqué.
L'inconvénient de ces régulateurs consiste en ce qu'en cas de mauvais fonctionnement ou de rupture de circuit du transistor de régulation, le transistor de contrôle continue à être conducteur pour des tensions égales ou supérieures à la ten- sion imposée, annulant ainsi tout effet de régulation.
La présente invention a pour objet un montage électrique permettant d'éviter cet inconvénient et permettant d'obtenir un régulateur qui soit d'une part d'un fonctionnement plus sûr et d'autre part d'un raccordement plus rationnel aux organes élec- triques du véhicule avec lesquels il est destiné à coopérer. A cet effet, le régulateur selon l'invention comprend au moins une diode de Zener associée de manière telle aux circuits du transis- tor qu'il apparaisse entre la base et l'émetteur de celui-ci des tensions présentant un sens tendant à augmenter ou diminuer la
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valeur absolue du courant de collecteur dudit transistor selon que la tension à réguler est respectivement inférieure ou supé- rieure à la valeur imposée.
Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, en cascade avec ledit transistor, dit de régulation, est monté au moins un transistor dit de contrôle, de signes de conductibilité opposés, associé à l'enroulement inducteur de la génératrice, le montage entre les transistors étant tel que la variation de la valeur absolue du courant de collecteur dans le transistor de régulation entraîne une variation de même sens de @ la valeur absolue du courant de collecteur du transistor de contrôle.
La présente invention a également pour objet de complé- ter le régulateur formant le premier objet de l'invention de façon à lui conférer la capacité de limiter automatiquement l'intensité du courant débité par la génératrice. Un complément de ce genre au régulateur est intéressant lors,que le régulateur est destiné à être associé à une génératrice ce courant continu.
A cet effet, le régulateur selon l'invention ccmprend dans le circuit de com- mande de l'un quelconque des transistors de contrôle, au moins un élément aux bornes duquel apparaît une tension, ci-après dénom- mée tension d'opposition, dont l'amplitude est une fonction de l'intensité du courant que débitela génératrice, et dont le sens est tel que la valeur absolue du courant de collecteur du transis- tor auquel est associé cet élément tende à diminuer lorsque la valeur absolue du courant débité par la génératrice tend à aug- menter.
D'autres détails et particularités de l'invention res- sortiront de la description donnée ci-après à titre non limitatif, de plusieurs formes de réalisation de l'invention, avec référence aux dessins dans lesquels :
La figure 1 représente un schéma électrique de principe
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d'une première forme de réalisation d'un régulateur selo l'in- vent ion.
La figure 2 représente un diagramme des courbes de ten- sion aux bornes de deux éléments du régulateur selon la figure 1.
Les figures 3 et 5 représentent des variantes de réali- sation d'une partie du régulateur selon la figure 1.
Les figures 4 et 6 représentent des diagrammes du même type que le diagramme selon la figure 2, mais se rapportant à des éléments des schémas selon les figures 3 et 5.
La figure 7 représente une variante du schéma de régu- lateur selon la figure 1.
Les figures 8 et 9 représentent respectivement le schéma électrique et le diagramme des courbes de certains éléments d'une variante de réalisation du régulateur selon la figure 1.
Dans les différentes figures, les mêmes chiffres de référence désignent des éléments similaires.
Dans le schéma de la figure 1, la référence 1 désigne une dynamo qui débite du courant dans les lignes, dites de réfé- rence, 2,3 allant vers la batterie et les circuits d'utilisation d'une automobile, tels que phares, clignoteurs, etc.
Le bloc 4 représente un alternateur 5 et son groupe de redresseurs 6, bloc qui pourrait être substitué à la dynamo 1.
L'enroulement d'excitation E de la dynamo 1 ou de l'al- ternateur 5 est branché dans le circuit du collecteur d'un transis- tor TR2 pnp, dit de contrôle, monté lui-même entre les lignes de référence 2,3 et dont la base est branchée, par une ligne 7,entre deux résistances R5, R3 montées entre la ligne 3 et le collec- teur d'un premier transistor TR1 pnp, dit de régulation, dont l'émetteur est relié à la ligne 2 par l'intermédiaire d'une résis- /tance R1. La base du transistor TR1 est reliée par une ligne 8,en- tre deux résistances ROR2 montées en série entre les lignes 2,3.
Une diode de Zener Z est branchée entre l'émetteur du transistor TR1 et un point de la ligne de référence 3 situé
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entre la résistance R3 et l'émetteur du transistor TR2, en amont d'une résistance R4 branchée dans cette ligne 3.
Le fonctionnement du circuit décrit s'explique comme suit, avec référence au diagramme ce la figure 2 qui représente les courbes 9, 10 de variation de la tension aux bornes respec- tivemerit des résistances Ro et R1 en fonction de la variation de la tension U à réguler, c'est-à-dire de la tension entre les lignes 2,3. Si l'on fait abstraction du courant de base du transis- tor TR1, que l'on peut supposer négligeable par rapport au cou- rant traversant les résistances RO et R2, la courbe 9 est une droite étant donné que les résistc.nces R1 et R2 sont linéaires, alors que la courbe 10 présente un coude aux environs du point Z correspondant à la tension "de Zer.er" ou de claquage de la diode Z.
La tension de contrôle eu transistor TR1, c'est-à-dire la tension V de la base par rapport à l'émetteur, est à tout mo- ment égale à la différence algébrique entre la tension Vo auxbor- nes de la résistance Ro et la tension V1 aux bornes de la résis- tance R1 Cette tension V présente un sens positif pour toute valeur de U inférieure à l'abscisse du point d'intersection des courbes 9 et 10, et un sens négatif pour toute valeur de U supé- rieure à cette abscisse de O.
Il existe donc,à proximité de l'ab- scisse du point 0, une valeur Un à laquelle correspond une certai- ne valeur de la tension base -'émetteur du transistor TR1, qui détermine des conditions de fonctionnement de ce transistor telles que si l'on suppose la tension désirée de la génératrice égale à Un, le courant du transistor TR1 tendra à croître ou à décroître rapidement selon que la tension U tendra respectivement à de-venir légèrement inférieure ou légèrement supérieure à la valeur Un.
Le courant de collecteur du transistor TR1 est utilisé comme grandeur de base pour le contrôle de l'alimentation de l'en- roulement d'excitation E de la génératrice. En principe, cela
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. peut se faire en envoyant, soit la totalité, soit une partie seu- lement, du courant de collecteur du transistor TR1 directement dans cet enroulement E. Cependant il sera souvent préférable d'uti- liser, entre le courant de collecteur du transistor TR1 et l'en- roulement E, la voie intermédiaire d'un système d'amplification pouvant comporter en principe un nombre d'étages quelconque, le schéma de la figure 1 comprenant, avec le transistor TR2 deux étages d'amplification.
Le montage du transistor TR2 et le fait qu'il soit du type inverse à celui du transistor TR1 ont comme résultat que le transistor TR2 alimente l'enroulement d'excita- tion E tant que le transistor TR1 est lui-même conducteur.
L'introduction de la résistance 4 assure à l'étage com- portant le transistor TR2, en plus de sa fonction d'amplification, une fonction de limitation automatique du courant débité par la génératrice. Cette limitation automatique de courant a lieu comme suit :
Il apparaît aux bornes de la résistance R3, lorsque le transistor TR1 est conducteur, une tension V3, dite tension de de liaison. Le courant/collecteur du transistor TR1 n'est pas une grandeur constante, mais une variable dont la grandeur est à tout moment contrôlée par le processus de régulation de tension. Donc la tension V3 n'est pas non plus une constante, mais une variable.
Cependant, cette variable présente une valeur limite supérieure qui correspond à la saturation du collecteur du transistor TR1.
Par contre, il apparaît aux bornes de la résistance R4, lorsque la génératrice débite, une tension V4 dite tension d'opposition, qui est une fonction du courant produit par .jette génératrice. Les tensions V3 et V4, en série avec la boucle base-émetteur du tran- sistor TR2 étant en opposition, ce transistor TR2 est donc finale- ment contrôlé par une tension résultant de la différence algébri- que de deux autres tensions, à savoir . la tension V3 qui, de par son sens, tend à entretenir normalement l'état de conductibilité du transistor TR2 ,et la tension V4 dirigée dans un sens visant,
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au contraire à bloquer ce même transistor..
Etant donné que la tension V3 présente une valeur limite- supérieure, il existe pour la tension V4,une valeur-limite supérieu- re à partir de laquelle le transistor TR2 tend à se bloquer,entrai- nant alors par voie de régulation classique un contrôle du courant d'excitation de la génératrice tendant à imposer à ce dernier la valeur moyenne qui lui est'nécessaire pour maintenir le courant dé- bité par la génératrice dans les linites de la valeur maximale im- posée.La régulation d'intensité du courant jouera notamment en cas de court-circuit aux bornes d'utilisation de la génératrice.
Les portions des schémas des figures 3 et 5 diffèrent des portions correspondantes du schéma de la figure 1 par une inversion dans le branchement des éléments 2 et R ,la résistance R étant dans le cas du schéma de la figure 5 remplacée par une seconde diode de Zener.
Le fonctionnement de régulation ayant un schéma correspondant à ces figures et illustré par les diagrammes des figures 4 et 6,res- te le même que celui du régulateur selon la figure 1.Dans ces figu- res 3 à 6, les chiffres de référence désignant des éléments similai- res aux éléments du schéma de la figure 1,portent les indices ' et " Le schéma de la figure 7 est équivalent à celui. de la figure 1, la permutation des éléments de circuits résultant de l'emploi de tran- sistors TR1 et TR2 de signes de conductibilité différents.
L'on pourrait évidemment concevoir-d'autres variantes en- core,où l'ensemble des éléments constituant l'étage de base de la stabilisation de tension serait alimenté,par exemple,non plus par la totalité, mais par une partie seulement de la tension à stabiliser.
Il est évident que.l'on obtiendrai.t dans ce cas encore un même mode de fonctionnement que celui décrit. à propos des variantes examinées antérieurement.D'autre part,les extrémités de la résistance R2 et de la diode z raccordées sur la ligne 3 dans le schéma selon la figure 1 peuvent,être,l'une ou l'autre,ou les deux à la fois, branchées non plus en amont mais en aval de la résistance R4 selon que l'on désire réaliser des variantes présentant une légère modification de la ten- sion de sortie de la génératrice, dans un sens ou dans l'autre,en
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fonction de l'état de charge de cette 0 ;pu encore, pour @ stabiliser la tension aux bornes de la batterie plutôt qu'aux bornes de la génératrice.
La figure 8 représente un schéma plus complet d'un régulateur de tension du type selon la figure 1, les divers élé- ments B, C, X, Y, Q, etc,représentant respectivement la batterie, le contact (ou la diode) empêchant la décharge de la batterie sur la génératrice, et les différents circuits électriques du véhicule.
Dans le schéma de la figure 8, il est prévu trois étages successifs caractérisés par les transistors TR1 npn, TR2 pnp et TR3 npn. L'étage comportant le transistor TR1 est semblable à celui de la figure 1, excepté que la figure 8 montre, en plus, une résistance Rt en parallèle avec la résistance Ro, ainsi qu'une diode D1 en série avec la résistance R3. Le rôle de ces deux éléments supplémentaires sera précisé ultérieurement. Notons cependant que l'introduction de ces éléments Rt et D1 ne modifie en aucune façon le mode de fonctionnement de l'étage comportant le transistor TR1, lequel fonctionnement reste rigoureusement conforme au principe de régulation de tension décrit ci-avant.
Donc selon que la tension U tend à devenir légèrement inférieure ou supérieure à la valeur constante qui lui est assignée, le courant de colkcteur du transistor TR1 tend, respectivement, à augmenter ou à diminuer. Dans le cas présent, les variations du courant de collectéur de TR1 sont transmises à l'enroulement d'excitation E de la génératrice par l'intermédiaire des deux transistors TR2 et TR3. En raison de leur mode de raccordement, ces deux transistors n'introduisent aucune inversion de phase entre le courant d collecteur du transistor TR1 et celui de l'en- roulement d'excitation E; c'est-à-dire que la valeur absolue du courant de collecteur de chacun des deux transistors TR2 et TR3 varie dans le même sens que la valeur absolue du courant de col- lecteur du transistor TR1.
Le système fonctionne donc de façon très sure dans la mesure où une rupture de circuit propre à l'un quelconque des trois transistors TRI, TR2 ou TR3 ne pourrait
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jamais avoir pour autre conséquence que d'interrompre le débit de la génératrice. D'autre part, le raccordement de la charge dans le circuit d'émetteur du transistor TR3 libère le collecteur de ce transistor qui pourra ainsi être mis à la. masse dans la plupart des cas. Enfin, le gain important qui résulte de la cas- cade des trois transistors TR1, TR2 et TR3 se traduit par une très grande sensibilité du régulateur, c'est-à-dire une stabilisa- tion de tension très rigoureuse.
Dans le schéma de la figure 8, la limitation automatique du courant a lieu en agissant sur le deuxième étage, plutôt que sur le troisième, ce qui eut pourant été possible moyennant quel- ques modifications mineures du schéma. Cette disposition de la résistance R4 dans la boucle émetteur-base du deuxième transistor
TR2 permet au processus de limitation de courant de disposer du gain combiné des deux transistors TR2 et TR3, c'est-à-dire du plus grand gain possible. Il en résulte un maximum de sensibilité dans le processus de limitation automatique de courant, et, par voie de conséquence, la possibilité de limiter la résistance R4 à une très faible valeur ohmique.
Le rôle de la diode D1 dans le circuit de limitation automatique de régulation de l'intensité du courant débité par la génératrice, circuit comprenant les éléments R3, Dl et R4 , qui contrôle la tension base-émetteur du transistor TR2, est de réa- liser une compensation de la modification de la caractéristique du transistor TR2 en fonction de la température.
# Il ya lieu de remarquer que la caractéristique tension- intensité de la résistance R1 du schéma selon la figure 8,n'est pas linéaire, mais présente un léger coefficient de température positif dont il résulte qu'à une même valeur de V4 correspond un courant plus grand ou plus petit tranversant la résistance R4 selon que la température de cette résistance R4 est, respective- ment, plus petite ou plus grande qu'une temmpérature de référence..
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D'autre part, cette résistance R4 est calculée de façon à lui faire subir un échauffement contrôlé sous l'effet du courant qui la traverse. R4 constitue donc finalement une résistance dont la résistivité varie non seulement en fonction de la température ambiante mais également en fonction du courant qui la traverse.
Cette variation voulue de la résistivité de R4 se traduit de façon pratique par une certaine auto-régulation de l'échauffement de la génératrice; c'est-à-dire que le dispositif de limitation automatique du ourant de la génératrice autorisera cette der- nière à débiter un courant dont la valeur limite supérieure pour- ra être légèrement plus grande à froid qu'à chaud. Cette caracté- ristique particulière de la résistance R4 assurera aussi, notam- ment, la disponibilité d'un courant plus grand pour une recharge aussi prompte que possible de la batterie après un démarrage du véhicule, et surtout, après un démarrage à froid.
Il y a lieu de remarquer que dans le schéma de la figure
8, la résistance Ro est montée en parallèle avec une résistance
Rt laquelle consiste en une résistance à coefficient de tempé- rature négatif qui, en modifiant la valeur résultante des deux éléments Ro et Rt en parallèle, selon les états de température, modifie l'inclinaison de la courbe 9. Lorsque la température varie, la courbe 9 se déplace de la position Vol vers la position Vo2, ou la position Vo3 selon que la température est, respectivement, inférieure ou supérieure à celle relative à la courbe Vo1. Il en imposée .110,résulte un déplacement de la valeur de la tension/Un de sortie de la génératrice, soit vers la valeur Up, soit vers la valeur
Uq, selon que la température est, respectivement, inférieure ou supérieure à celle relative à Un.
Entre autres avantages, une telle modification de la tension de sortie de la génératrice permet notamment d'entretenir un meilleur état de charge de la batterie par temps froid,tout
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en évitant des surcharges inutiles de cette batterie par temps plus chaud.
Le régulateur qui vient d'être d écrit peut être utilisé en principe aussi bien pour le contrôle d'un alternateur que pour celui d'une dynamo. Cependant, on sait que les alternateurs em- ployés.sur les véhicules présentent la particularité d'être auto- limiteurs du courant qu'ils débitent et ne requièrent donc l'usage d'aucun système extérieur de limitation de courant. On obtiendra donc un régulateur spécialement destiné aux alternateurs en sup- primant purement et simplement du schéma de la figure 12 la résistance R4 et la diode D1.
Par mesure de clarté, les schémas ne représentent que les seuls circuits et éléments nécessaires à la description et à la compréhension de l'invention, à l'exclusion des auxiliaires tels que condensateurs, diodes de décharges des circuits inductifs, circuits de réaction, etc.
Il doit être entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des variantes peu- vent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet.