Circuit de protection pour transistor
Le circuit selon l'invention a rapport avec la protection des transistors contre une surintensité accidentelle du courant de sortie, et plus particulièrement des transistors utilisés en commutation.
De tels transistors fonctionnent à l'état de saturation, celui-ci étant défini par le fait qu'un accroissement du courant de base n'amène aucune augmentation du courant collecteur. I1 peut arriver qu'à la suite d'un incident d'exploitation, par exemple un courtcircuit plus au moins franc de la résistance de charge du transistor, le courant collecteur croisse brusquement alors que le transistor était à l'état de saturation. Le courant de saturation étant ainsi dépassé, la tension collecteur-émetteur augmente ainsi que la puissance dissipée à l'intérieur du transistor et entraîne très rapidement sa destruction.
Le circuit selon l'invention permet de protéger le transistor contre ces intensités anormales y compris celles provoquées par un court-circuit franc.
On connaît déjà des dispositifs de protection des transistors contre les surintensités, mais ils comportent généralement une impédance supplémentaire en série avec la charge, ce qui occasionne une perte de puissance en fonctionnement normal, ou bien ils utilisent plusieurs transistors' de protection, ou bien le transistor de protection est un transistor de puissance pouvant supporter l'excédent de puissance dissipée.
La présente invention a pour objet un circuit comprenant deux transistors dont l'un a pour rôle de protéger l'autre contre des surintensités accidentelles de son courant de sortie, le transistor protégé pouvant être un transistor de commutation fonctiomznant à l'état de saturation, circuit das lequel le transistor protecteur est mis en oeuvre par ces surintensités elles-mêmes, le circuit de sortie du transistor protecteur est connecté à une première borne d'une première résistance, cette première borne étant connectée à la base du transistor protégé de manière que le signal de sortie du transistor protecteur dans son état accidentel bloque le transistor protégé, la deuxième borne de ladite première résistance recevant le signal de commande normale du transistor protégé,
et la base du transistor protecteur est connectée au circuit de sortie du transistor protégé de manière que le potentiel de sortie normal du transistor protégé maintienne le transistor protecteur dans son état normal quels que soient les signaux appliquées par ailleurs à cette base du transistor protecteur, la base du transistor protecteur étant connectée en parallèle d'une part à travers une deuxième résistance (3) à ladite deuxième borne de ladite première résistance de manière que le signal de commande normal de conduction du transistor protégé fasse parvenir au circuit de base du transistor protecteur à travers cette deuxième résistance un courant auxiliaire apte à mettre ce transistor protecteur dans son état accidentel,
et d'autre part à un condensateur de capacité suffisante pour que la variation de sa charge compense ledit courant auxiliaire lors de l'application dudit signal de commande normale de conduction pendant un temps suffisant à l'établissement de l'état de conduction du transistor protégé.
Selon une première forme de l'invention, les émetteurs des deux transistors étant reliés tous deux directement à la polarité positive de la source, les circuits sont tels que la base du transistor protecteur est à un potentiel trop élevé, aussi longtemps que se prolonge l'état de saturation du transistor protégé, pour que le transistor devienne conducteur.
Selon une deuxième forme de l'invention, I'émet- teur du transistor protecteur est relié à la polarité positive de la source à travers une diode d'accès et son potentiel reste inférieur au potentiel de base du même transistor aussi longtemps que se prolonge l'état de saturation du transistor à protéger, la chute de tension étant moins importante à travers la diode de dérivation du transistor à protéger qu'à travers la diode d'accès de l'émetteur du transistor protecteur.
D'ailleurs, l'invention sera bien comprise par la description illustrative et non limitative qui suit à
I'aide des dessins schématiques ci-joints, parmi lesquels:
la fig. 1 représente un circuit selon l'invention.
la fig. 2 représente une variante du circuit selon l'invention appliquée à la protection d'un relais télégraphique.
A la fig. 1, TA est le transistor normalement utilisé et qui doit être protégé, et Tp est le transistor de protection. Le collecteur TA est relié d'une part à sa résistance de charge RL et d'autre part à la base du transistor Tp à travers deux diodes DG (qui est de préférence une diode au germanium) et D5 (qui est de préférence une diode au silicium), les deux diodes étant montées en opposition et l'anode DG étant reliée au collecteur de TA. Le point C, commun aux cathodes des deux diodes, est relié à un point A à travers une résistance R3 et la base Tp est reliée à deux circuits, d'une part à une polarité positive à travers une résistance R4 et, d'autre part à l'armature d'un condensateur C1 dont l'autre armature est reliée à la polarité positive.
La base du transistor TA est reliée à travers une diode de Zener DZ à un point B commun au collecteur du transistor Tp à une extrémité d'une résistance R2, L'autre extrémité de R2 étant reliée au point
A. Le point A est encore relié, à travers une résistance
R1, à un interrupteur K dont la borne extérieure est reliée à la polarité négative. Les émetteurs des transistors Tp et TA sont reliés à la polarité positive et la base de TA est aussi reliée à travers la résistance R5 à la polarité positive.
Le fonctionnement est celui-ci, en supposant d'abord que tout se passe normalement:
La mise en service est faite par fermeture de l'interrupteur K simultanément sur deux circuits; le premier est celui-ci: polarité négative, interrupteur K fermé, résistance R1, résistance R2, diode DZ en caractéristique inverse, résistance R5 et polarité positive. La base de TA qui était au potentiel positif de la source passe à un potentiel plus petit par suite de la chute de tension dans la résistance R5; le transistor
TA devient donc conducteur. Le second circuit est celui-ci: R1, R3, DS et, en parallèle, Ci et R4.
Le condensateur C1 se charge entre le pôle positif et le pôle négatif auquel il est connecté à travers R1,
R3 et DS. Ce courant de charge de C1 retarde la mise en conduction du transistor Tp, mise en conduction qui sans cela résulterait de la chute de tension dans la résistance R4.
Le transistor TA étant conducteur, le potentiel du point E est voisin de la polarité positive, et la diode DG est passante. Un courant passe par le circuit R1,
R3, DG et le transistor TA qui dérive le courant de base du transistor Tp, le circuit (DG, TA] étant beaucoup moins résistant que le circuit (Ds, Tp) et shuntant très fortement ce dernier. Le transistor Tp est ainsi maintenu dans son état non-conducteur, et sa présence ne modifie pas les courants traversant R2,
DZ et R5 donc, le transistor TA se maintient à l'état conducteur.
On suppose à présent, que le débit de TA devient excessif, par exemple par suite d'un court-circuit de la charge RL, c'est-à-dire que l'inégalité qui exprime la condition de saturation d'un transistor: BIB)IC
fi est le gain du transistor,
IB le courant de base et
Ic le courant de collecteur, tend à s'inverser.
Dans ces conditions, le potentiel du point E devient inférieur à celui du point C. La diode DG se trouve polarisée à l'inverse et bloque le circuit entre C et E. Un autre circuit se ferme: polarité négative, interrupteur K fermé, résistance R1, résistance R3, diode D5, résistance R4 et polarité positive. Le point D passe à un potentiel inférieur à celui de l'émetteur et le transistor Tp devient passant. Le point B sur le collecteur Tp prend un potentiel positif qui bloque immédiatement le transistor TA.
I1 est bien évident que les résistances R1 et R3 sont choisies en fonction de la résistance RL de manière que l'ensemble des deux dérivations sur le collecteur de TA (RL d'une part, DG, R3 et R1 d'autre part) corresponde à une charge normale en régime permanent de saturation.
I1 faut également que les résistances R2 et R1 en série correspondent à la charge normale du transistor
Tp lorsque celui-ci est devenu passant
On voit qu'il s'agit d'une bascule bistable d'un type spécial:
a - le condensateur obliege le transistor TA à s'enclencher le premier.
b - le débit anormal de TA provoque le changement d'état qui a pour effet de bloquer ce transistor par la mise en conduction du transistor Rp.
L'exemple de fonctionnement que nous venons de voir s'applique à un transistor de type PNP à protéger, le même principe pourrait être conservé pour la protection d'un transistor de type NPN, il suffirait pour cela d'inverser les trois diodes D5, DG et Dz en adaptant les polarités.
Si l'on veut signaler le défaut par un moyen optique ou sonore, l'on prend une dérivation S sur le collecteur du transistor Tp vers les organes de signalisation dont l'autre borne est reliée au négatif. Des diodes Dt et D2 empêchent alors d'éventuels retours de positif soit en provenance de S pour Dt soit à destination de S pour D2.
La diode au germanium, ayant une résistance interne moindre que la diode au silicium, provoque une chute de tension plus petite. La diode de Zener donne un meilleur blocage qu'une diode ordinaire au moment où le transistor protecteur devient passant.
La fig. 2 représente une application de l'invention à la protection d'une sortie de relais télégraphique électronique.
I1 convient tout d'abord de rappeler le rôle clash sique d'un tel relais:
I1 reçoit à son entrée un signal qui peut prendre deux valeurs distinctes: l'une est appelée positif télégraphique et l'autre négatif télégraphique . Le positif télégraphique correspond par exemple à un potentiel de +48V par rapport à la terre télégraphique représentée conventionnellement par deux cercles concentriques, et le négatif télégraphique correspond à un potentiel de -48 V par rapport à cette même terre télégraphique. Quand le relais reçoit à son entrée le positif télégraphique fournit également en sortie le positif télégraphique par mise d'une sortie en connexion avec la borne positive d'une batterie télégraphique .
De même, quand il reçoit le négatif télégraphique il met une sortie en connexion avec la borne négative de cette même batterie, dont une borne médiane est reliée à la terre télégraphique.
Le relais est classiquement composé de deux parties: L'une assure la connexion de la sortie au positif de la batterie, et l'autre au négatif, l'une ou l'autre de ces deux parties étant mise en action selon que le signal d'entrée est positif ou négatif. Cette mise en action serait par l'établissement d'une connexion, d'une part une borne de commande de la partie actionnée, et d'autre part la terre télégraphique. La fig. 2 ne représente, dans un souci de simplification que l'une des deux parties du relais, à savoir celle qui permet la fourniture du positif télégraphique en sortie.
Mais il est bien évident que la présente invention s'applique exactement de la même manière à l'autre partie du relais. Ces deux parties peuvent en effet être constituées symétriquement, les polarités étant inversées, les transistors PNP étant remplacés par des transistors
NPN et le sens des diodes étant inversé.
En se référant à la fig. 2, la mise en action de la partie de relais représentée se fait par fermeture de l'interrupteur K. Cette fermeture est commandée par l'arrivée à l'entrée du relais d'un positif télégraphique.
Elle a pour effet de mettre le circuit de commande de la partie de relais représentée en connexion avec la terre télégraphique Tg. Bien entendu, dans un relais électronique l'interrupteur K est constitué lui-même par un circuit à semi-conducteur et ce n'est que par souci de simplification qu'il est représenté sous la forme classique d'un interrupteur mécanique.
Une sortie du relais télégraphique est représentée en S1 et les pertes d'energie sur la ligne télégraphique sont représentées par la résistance de charge RL connectée entre la sortie Si et la terre télégraphique
Tg.
Supposons qu'un positif télégraphique soit reçu à l'entrée du relais télégraphique: ceci revient à supposer que l'interrupteur K se ferme. Le fonctionnement est alors celui-ci: un courant parcourt le circuit terre télégraphique, interrupteur K, résistance R2a, diode de
Zener DZj en caractéristique inverse, résistance Ri, borne positive de la batterie télégraphique (représentée par une signe + dans un cercle). La base du transistor T1 étant à un potentiel inférieur à celui de l'émetteur du fait de la chute de tension dans la résistance Ri, le transistor T1 devient passant et place la polarité positive télégraphique sur la sortie Si du relais.
A l'instant où K a été fermé, un autre circuit à travers Cia et R2 a permis la charge du condensateur, ce qui a retardé la mise en conduction du transistor T,,, mise en conduction qui, s'il n'y avait pas eu de condensateur, aurait été entraînée immédiatement par la chute de tension dans la résistance R4a.
La diode au germanium DGa présentant une résistance interne moindre que la diode au silicium DSa, et d'autre part la résistance R2 étant plus grande que la résistance R3a, le potentiel de la base Tpa sera plus élevé que le potentiel de l'émetteur, la chute de tension à travers DSa étant plus élevée qu'à travers DGa. Le transistor Tpa se trouve donc à l'état bloqué et cet état se prolonge aussi longtemps que se prolongent les mêmes conditions. Au lieu d'utiliser des diodes DSa et
DGa de caractéristiques différentes, il est possible d'utiliser les mêmes diodes en plaçant deux en série au lieu de DSa et une seule au lieu de DGa.
Si, à la suite d'un incident, le transistor de sortie
T1 du relais télégraphique est traversé par un courant excessif, le potentiel en S1 diminue, la diode DGa se bloque et le circuit qui maintenait Tpa bloqué se trouve interrompu. La base du transistor Tpa prend alors à travers R4a un potentiel moins élevé que celui de l'émetteur à travers DSa, la chute de tension dans
R4a étant beaucoup plus importante qu'à travers DSa.
Le transistor Tpa devient donc passant et bloque le transistor T, à travers la diode de Zener DZ1. Toutes les résistances sont évidemment choisies pour permettre un fonctionnement normal de chacun des transistors dans les deux cas de fonctionnement normal du relais et d'incident.
I1 est bien entendu que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit qui vient d'être décrit sans sortir du cadre de l'invention. Il est notamment possible de la concevoir de sorte que le transistor protecteur, soit passant en même temps que le transistor protégé, qui serait alors bloqué par le blocage du transistor protecteur.