FR2832261A1 - Dispositif de protection de charges alimentees par un alternateur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de protection d'au moins un circuit (5) alimenté par une tension (Va) obtenue à partir d'au moins un élément inductif (1), comportant un interrupteur (K) pour court-circuiter l'alimentation fournie par l'élément inductif, et des moyens (11, 12) pour fermer l'interrupteur quand ladite tension d'alimentation dépasse un seuil (Vref) prédéterminé et pour l'ouvrir quand elle est inférieure audit seuil.

Description

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DISPOSITIF DE PROTECTION DE CHARGES ALIMENTÉES PAR UN
ALTERNATEUR
La présente invention concerne, de façon générale, la protection de charges alimentées à partir de circuits inductifs et, plus particulièrement, par un alternateur. L'invention concerne plus précisément le domaine automobile et la protection des équipements électriques d'un véhicule. Ces équipements sont le plus souvent alimentés par une batterie et un alternateur. La batterie sert à alimenter les différents dispositifs électriques lorsque le véhicule est à l'arrêt, c'est-à-dire lorsque l'alternateur n'est pas en fonctionnement. Par contre, lorsque le moteur du véhicule tourne, les circuits sont alimentés directement par l'alternateur, en même temps que la batterie se recharge.

La figure 1 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, le circuit électrique d'un véhicule automobile ou de tout autre système analogue alimenté par alternateur. Un alternateur 1 (ALT) a ses bornes de sortie 2 et 3 connectées aux bornes d'une batterie 4, une des bornes (par exemple 3) constituant la borne la plus négative ou la masse. La tension Va aux bornes 2,3 de la batterie et de l'alternateur alimente différents équipements électriques 5 (APPL1, APPL2, APPL3,..., APPLN) du véhicule concerné.

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Un risque inhérent au fonctionnement d'un alternateur et à l'alimentation, par celui-ci, de circuits électriques avals est lié à l'ouverture accidentelle du circuit inductif lorsque l'alternateur fonctionne. Par exemple, dans l'application aux véhicules automobiles, des soubresauts lorsque le véhicule roule sont susceptibles de provoquer une déconnexion, même temporaire, d'une borne d'un des éléments inductifs. Une telle déconnexion provoque l'ouverture du circuit magnétique, d'où une surtension en Ldi/dt pendant une durée relativement longue (généralement plusieurs centaines de ms pour le cas d'un véhicule automobile). Une telle surtension appelée "load-dump" atteint des valeurs de l'ordre de 100 volts crête qui sont suffisantes pour endommager les circuits électriques avals de l'alternateur.

La figure 2 représente, de façon plus détaillée, un exemple classique d'alternateur 1 auto-protégé et de dispositifs de protection des circuits 5 contre des surtensions.

L'alternateur peut être symbolisé par un circuit inductif constitué de trois inductances Ll, L2 et L3 disposées en étoile. Les bornes correspondant aux extrémités libres des inductances Ll, L2, L3 ainsi que la borne correspondant au point milieu de l'arrangement en étoile sont individuellement connectées à l'anode d'une diode Zener DZ1, DZ2, DZ3 et DZ4 respectivement.

Les cathodes des diodes Zener DZ1 à DZ4 sont connectées et définissent la borne positive 2 du circuit électrique du véhicule (reliée à la borne positive de la batterie 4) . Les anodes des diodes DZ1 à DZ4 sont également respectivement reliées aux cathodes de diodes Zener DZ5, DZ6, DZ7 et DZ8 dont les anodes sont connectées à la masse 3. Le rôle des diodes DZ1 à DZ8 est d'écrêter la tension de sortie de l'alternateur. Les diodes DZ1 à DZ8 sont le plus souvent des diodes Zener de plusieurs dizaines de volts (plus précisément, de l'ordre de 40 volts). Le choix de cette valeur de plusieurs dizaines de volts est lié aux normes de construction automobile qui requièrent que la tension batterie puisse atteindre 24 volts. Par conséquent, l'alter-

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nateur auto-protégé doit permettre l'alimentation de la batterie au moyen d'une tension au moins égale à 24 volts.

Un alternateur auto-protégé 1 tel qu'illustré par la figure 2 présente l'inconvénient de laisser quand même passer une surtension de 40 volts pendant une durée relativement longue (plusieurs centaines de ms).

Les circuits d'alimentation des éléments 5 comportent quasi systématiquement une diode de redressement Dl, D2, ..., DN dont l'anode est reliée à la borne 2 et dont la cathode est connectée à une première électrode d'un condensateur Cl, C2,
CN de stockage local de la tension au niveau du circuit concerné. L'autre électrode du condensateur Ci est reliée à la masse. Les différents circuits 5 tirent leur alimentation de l'énergie présente au niveau du condensateur Ci et sont, le cas échéant, pourvus de régulateur de tension (linéaire ou à découpage) pour alimenter leurs circuits internes.

Par le passé, les équipements 5 étaient pourvus de régulateurs d'entrée constitués de circuits passifs (résistifs) qu'il était possible de surdimensionner pour qu'ils supportent de telles surtensions. Avec l'accroissement des circuits électroniques équipant les véhicules automobiles, les circuits applicatifs 5 sont beaucoup plus sensibles. Il est donc nécessaire de protéger les différents circuits 5 pour empêcher que ceux-ci voient des surtensions durables (plusieurs centaines de ms) supérieures à 12 volts.

Pour ce faire, on prévoit classiquement une diode Zener DZA1, DZA2, ..., DZAN en entrée de chaque circuit 5. Plus précisément et comme l'illustre la figure 2, chaque diode Zener DZAi (i étant compris en 1 et N) a sa cathode reliée à la borne positive 2 de chaque condensateur Ci et son anode connectée à la masse 3.

De tels circuits de protection sont efficaces. Ils présentent toutefois plusieurs inconvénients.

Un premier inconvénient et qu'en raison de la forte puissance qu'il est nécessaire de dissiper en cas de surtension

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due à une surcharge de type "load-dump", on est généralement contraint de placer plusieurs diodes Zener en parallèle pour former chaque élément DZAi. Une telle solution prend de la place.

Un autre inconvénient est que de tels dispositifs de protection associés aux différents circuits applicatifs ne sont pas intégrables.

L'invention vise à proposer un nouveau dispositif de protection de circuits électriques alimentés par un alternateur ou similaire qui pallie les inconvénients des dispositifs de protection classiques.

L'invention vise, plus particulièrement, à proposer un dispositif intégrable de protection contre des surcharges liées à une ouverture d'un circuit d'alimentation inductif.

L'invention vise également à proposer une solution qui soit compatible avec une alimentation d'une batterie automobile par une tension de plusieurs dizaines de volts, et qui soit compatible avec les circuits d'auto-protection des alternateurs classiques.

Pour atteindre ces objets et d'autres, la présente invention prévoit de court-circuiter les bornes de l'alimentation en cas d'apparition d'une surtension.

Un problème qui se pose est que certains équipements (circuits applicatifs) ne sont alors plus alimentés. En effet, les condensateurs d'entrée Ci des différents circuits applicatifs sont généralement de faible valeur et ne constituent pas des réservoirs suffisants pour une disparition de l'alimentation pendant plusieurs centaines de millisecondes. Or, des surcharges de type "load-dump" peuvent se produire lorsque le véhicule est en circulation. Il est donc particulièrement dangereux de risquer une coupure de l'alimentation de certains de ces équipements (par exemple, l'assistance à la direction ou l'assistance au freinage, etc.).

La présente invention vise donc plus particulièrement à proposer une solution qui permet de maintenir l'alimentation

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des dispositifs connectés en aval, même en présence d'une surcharge liée à une ouverture de circuits inductifs de type "load-dump", tout en protégeant ces dispositifs avals.

Plus précisément, la présente invention prévoit un dispositif de protection d'au moins un circuit alimenté par une tension obtenue à partir d'au moins un élément inductif, comportant un interrupteur pour court-circuiter l'alimentation fournie par l'élément inductif ; et des moyens pour fermer l'interrupteur quand ladite tension d'alimentation dépasse un seuil prédéterminé et pour l'ouvrir quand elle est inférieure audit seuil.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de commande sont constitués d'un comparateur dont une première entrée reçoit une tension de référence fonction dudit seuil prédéterminé, et dont une deuxième entrée reçoit une tension représentative de la tension d'alimentation fournie par l'élément inductif.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte un élément d'amortissement des variations de la tension d'alimentation en entrée du comparateur.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le comparateur est alimenté, à partir de la tension d'alimentation, au moyen d'un condensateur constitutif dudit élément d'amortissement.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la tension de référence est fournie par une diode Zener dont l'anode est reliée à la masse et dont la cathode est reliée à la première entrée non-inverseuse du comparateur.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la deuxième entrée du comparateur est reliée au point milieu d'un pont diviseur de tension recevant une tension représentative de la tension d'alimentation.

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

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faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures 1 et 2, décrites précédemment, sont destinées à exposer l'état de la technique et le problème posé ; la figure 3 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un dispositif de protection selon l'invention, appliqué à la protection de dispositifs alimentés par un alternateur ; les figures 4A et 4B illustrent, sous forme de chronogrammes de courant et de tension, le fonctionnement du dispositif de protection selon l'invention ; et la figure 5 représente un mode de réalisation plus détaillé du circuit de la figure 3 dans la même application.

Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments constitutifs du dispositif de protection de l'invention et du système d'alimentation d'équipements électriques au moyen d'un alternateur qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, les différents circuits et équipements alimentés par l'alternateur n'ont pas été détaillés et ne font pas l'objet de la présente invention.

La figure 3 représente un mode de réalisation d'un dispositif 10 de protection 10 selon l'invention. Dans l'exemple de la figure 3, ce dispositif 10 est appliqué à un alternateur auto-protégé 1 (ALT) dont deux bornes 2 et 3 de sortie sont connectées aux bornes positive et négative d'une batterie 4, chargée d'alimenter des circuits 5 lorsque l'alternateur ne fonctionne pas. La représentation de la figure 3 est à rapprocher de celle de la figure 1, en ce sens que la tension Va aux bornes 2 et 3 de l'alternateur 1 sert à alimenter des équipements électriques 5 constituant des circuits applicatifs APPL1, APPL2, ..., APPLN avals utilisant l'énergie électrique fournie par l'alternateur 1.

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Selon la présente invention, le dispositif de protection 10 comporte un interrupteur K destiné à court-circuiter les bornes 2 et 3 de l'alimentation électrique. Cet interrupteur K est commandé par un comparateur 11 (COMP) de la tension Va par rapport à une tension de référence Vref. Par conséquent, une première entrée du comparateur 11 est reliée à la borne 2 tandis qu'une deuxième entrée de ce comparateur reçoit une tension de référence Vref (bloc 13).

Le rôle du comparateur 11 est de ne pas autoriser un court-circuit permanent des bornes 2 et 3 d'alimentation, mais de provoquer la réouverture du commutateur K dès que la tension Va redescend en dessous du seuil fixé par la tension Vref.

Ainsi, selon la présente invention, dès que le comparateur 11 détecte une surtension aux bornes 2 et 3 d'alimentation, il provoque la fermeture de l'interrupteur K pour faire disparaître cette surtension. Comme les circuits électriques 5 connectés en aval continuent à fonctionner, ils consomment de l'énergie, ce qui a pour conséquence de faire diminuer la tension Va. Dès que cette tension redescend en dessous de la tension seuil Vref, l'interrupteur K s'ouvre ce qui permet de réutiliser l'énergie fournie par l'alternateur. Dans le cas où la surcharge est toujours présente, ce qui est notamment le cas d'une surcharge de type "load-dump" qui dure plusieurs centaines de millisecondes, l'interrupteur K se referme périodiquement. On assiste en quelque sorte à un hachage de la surtension.

Ce fonctionnement est illustré par les figures 4A et 4B qui illustrent, en fonction du temps, le fonctionnement du dispositif pendant une surtension de type "load-dump". La figure 4A représente un exemple d'allure du courant Ip dans l'interrupteur K tandis que la figure 4B représente la tension Va aux bornes 2 et 3 du circuit d'alimentation. On suppose qu'à un instant tO apparaît une surcharge de type "load-dump" au niveau de l'alternateur, c'est-à-dire une déconnexion d'une de ses bornes alors qu'il est en fonctionnement. Sans le dispositif de protection 10, cette surcharge provoquerait une surtension de la

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tension d'alimentation Va jusqu'à un niveau Vs correspondant à la tension seuil des diodes Zener d'auto-protection de l'alternateur (DZ1 à DZ8, figure 2) qui sont, selon l'invention, toujours présentent. De plus, un courant de plusieurs dizaines d'ampère Is circulerait dans les diodes Zener actives en protection des circuits applicatifs (DZAi, figure 2). L'amortissement de cette surtension sur une durée de plusieurs centaines de ms est illustré par des pointillés 20 et 21 aux figures 4A et 4B.

Avec un dispositif selon l'invention, la surcharge présente à l'instant tO provoque la fermeture de l'interrupteur K. Il en résulte un courant Ip circulant dans l'interrupteur K important. La valeur du courant Ip a été arbitrairement symbolisée à une valeur Is' inférieure au niveau Is. Cela n'a toutefois pas d'incidence sur le fonctionnement de l'invention.

Côté tension Va, cette tension a tendance à monter audelà du niveau Vref à l'instant tO. Par la fermeture de l'interrupteur K, la tension Va diminue de nouveau jusqu'à redescendre en dessous du seuil Vref. A cet instant (tl). l'interrupteur K s'ouvre, le courant Ip s'annule et on assiste à une nouvelle montée de la tension Va, la surcharge liée au "load-dump". Il en découle une nouvelle fermeture de l'interrupteur K et ainsi de suite. En figure 4B, on a exagéré les variations de la tension Va autour du niveau Vref pour faire ressortir les faibles oscillations subies par cette tension autour de ce niveau de référence.

Au cours du temps, la surcharge est consommée essentiellement par les circuits électriques au lieu d'être, comme dans le cas classique, essentiellement dissipée par des diodes.

Il en découle qu'à un instant t2 nettement antérieur à l'instant de fin de la présence de la surcharge de type "load-dump" dans le cas classique, le courant Ip dans l'interrupteur K redevient nul de façon stable, l'ensemble de la surcharge ayant été consommé .

La figure 5 représente un mode de réalisation plus détaillé du dispositif 10 de protection selon l'invention. On

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retrouve en figure 5 l'alternateur 1 qui est un alternateur auto-protégé identique à l'alternateur classique représenté en figure 2 (c'est-à-dire équipé des diodes DZ1 et DZ8).

Chacun des circuits 5 est, de façon classique, associé à une diode de redressement Di (i étant compris entre 1 et N) et à un condensateur Ci (i étant compris entre 1 et N) comme cela est représenté également en figure 2. Toutefois, selon la présente invention, les diodes Zener classiques DZA1 à DZAN ne sont plus nécessaires. Le rôle joué par ces diodes est remplacé avantageusement par le dispositif 10 de l'invention.

Dans l'exemple de la figure 5, l'interrupteur K est constitué d'un transistor MOS, par exemple à canal N, M connecté entre les bornes 2 et 3. La grille du transistor M est reliée en sortie du comparateur 11. Un tel comparateur est par exemple réalisé sous la forme d'un amplificateur différentiel (ou amplificateur opérationnel) dont la borne d'entrée inverseuse est reliée à la cathode d'une diode Zener DZR dont l'anode est reliée à la masse 3. Le rôle de la diode DZR est de fixer la tension de référence Vref. Le comparateur est alimenté à partir de la tension entre les bornes 2 et 3, au moyen d'un condensateur C (le cas échéant en parallèle avec une résistance non représentée). En protection, on prévoit toutefois une diode DR de redressement reliant la borne 2 à la borne positive 14 d'alimentation du comparateur 11 reliée à une première électrode du condensateur C, l'anode de la diode DR étant connectée à la borne 2. La borne 15 d'alimentation négative ou de masse du comparateur 11 est reliée directement à la borne 3, comme l'autre électrode du condensateur C.

La diode DZR est polarisée au moyen d'une résistance R1 reliant sa cathode à la cathode de la diode DR. Dans l'exemple de la figure 5, le comparateur 11 requiert l'utilisation d'une résistance dite de "pull-up" R2 reliant sa sortie à la borne 2 pour fixer l'état haut de sortie du comparateur 11, rendant passant le transistor M. L'entrée non-inverseuse du comparateur 11 est reliée au point milieu 12 d'un pont diviseur

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résistif constitué de résistances R3 et R4 aux bornes desquelles est appliquée la tension Va (en négligeant la chute de tension dans la diode DR intercalée entre la borne 2 et la résistance R3 ) .

Le dimensionnement des différents composants constitutifs du dispositif de protection 10 est fonction de l'application. Dans l'exemple d'un alternateur pour véhicule automobile, on pourra prévoir une diode Zener DZR de 12 volts et un pont diviseur R3, R4 réalisant une division par deux de la tension Va. On néglige ici la chute de tension dans la diode DR.

Le transistor MOS M est choisi pour accepter le passage d'un courant de plusieurs dizaines d'ampères à l'état fermé et, de préférence, pour présenter une faible résistance série à l'état passant (RdsON) de façon à minimiser la dissipation.

Dans l'exemple d'application au circuit automobile où la tension Vs des surcharges n'excède pas la centaine de volts, la tenue en tension de l'interrupteur K sous la forme d'un transistor MOS n'est généralement pas un problème.

Dans l'exemple de la figure 5, on a illustré le cas d'un dispositif 10 utilisant un transistor MOS à canal N. Toutefois, on pourra également réaliser ce dispositif de protection avec un transistor MOS à canal P, voire un transistor bipolaire qui présentera alors le léger inconvénient d'engendrer une dissipation plus importante. La caractéristique fonctionnelle que doit respecter l'interrupteur K est d'être commandable en ouverture et en fermeture, et tout circuit de type interrupteur réalisant cette fonction pourra être utilisé en variante. Le recours à un transistor MOS à canal N constitue cependant un mode de réalisation préféré pour son faible coût et pour le fait qu'il est bloqué au repos (en l' absence d'une tension de grille supérieure à sa tension de source correspondant à la masse 3).

Cela permet de garantir que l'interrupteur K est ouvert quand le comparateur 11 n'est pas suffisamment alimenté.

On notera que le condensateur C constitue également, avec le pont résistif R3-R4, une cellule RC fixant une constante

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de temps pour stabiliser le dispositif de protection et éviter des oscillations trop rapides. Par exemple, et selon un mode de réalisation particulier, on pourra choisir une constante de temps comprise entre 0,1 et 1 ms qui convient pour l'application à l'automobile.

Dans un exemple particulier de réalisation, les composants constitutifs du dispositif 10 seront choisis avec les valeurs suivantes :
R1, R2 = 1 k# ;
R3, R4 = 2 k# ;
C = 100 nf ; Vref = 12 volts.

Un avantage de la présente invention est que le dispositif de protection 10 est intégrable et évite le recours à des diodes Zener de protection en entrée des dispositifs électriques alimentés.

Un autre avantage de la présente invention est que le dispositif de protection 10 est compatible avec un maintien du fonctionnement des équipements alimentés en cas de présence d'une surcharge de type "load-dump".

Un autre avantage de l'invention est que l'énergie de la surtension est utilisée pour alimenter les circuits avals.

Un autre avantage de l'invention est qu'un seul dispositif intégré remplace toutes les diodes Zener de protection aval.

Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'invention ait été décrite en faisant référence à une application aux alternateurs automobiles, elle s'applique plus généralement à la protection de tout circuit électrique alimenté par un système inductif.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de protection d'au moins un circuit (5) alimenté par une tension (Va) obtenue à partir d'au moins un élément inductif (1), caractérisé en ce qu'il comporte : un interrupteur (K) pour court-circuiter l'alimentation fournie par l'élément inductif ; et des moyens (11, 12) pour fermer l'interrupteur quand ladite tension d'alimentation dépasse un seuil (Vref) prédéterminé et pour l'ouvrir quand elle est inférieure audit seuil.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande sont constitués d'un comparateur (11) dont une première entrée reçoit une tension de référence (Vref) fonction dudit seuil prédéterminé, et dont une deuxième entrée reçoit une tension représentative de la tension d'alimentation (Va) fournie par l'élément inductif (1).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un élément d'amortissement des variations de la tension d'alimentation (C) en entrée du comparateur (11).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le comparateur (11) est alimenté, à partir de ladite tension d'alimentation, au moyen d'un condensateur (C) constitutif dudit élément d'amortissement.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la tension de référence (Vref) est fournie par une diode Zener (DZR) dont l'anode est reliée à la masse et dont la cathode est reliée à la première entrée noninverseuse du comparateur (11).

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la deuxième entrée du comparateur (11) est reliée au point milieu (12) d'un pont diviseur de tension (R3, R4) recevant une tension représentative de la tension d'alimentation (Va).

7. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est réalisé en circuit intégré.

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8. Circuit d'alimentation à alternateur (1) caractérisé en ce qu'il comporte, aux bornes (2,3) de sortie de l'alternateur un dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.