ES2204462T3 - Sistema de regulacion de tension para cargar a bordo de un vehiculo automovil. - Google Patents
Sistema de regulacion de tension para cargar a bordo de un vehiculo automovil.Info
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Abstract
Dispositivo (10) de regulación de tensión de alimentación de una carga eléctrica (20) con una tensión de alimentación nominal, dispositivo que está alimentado por una fuente de tensión continua de valor variable (Valim), dispositivo que comprende un oscilador (110) que genera una señal de control (C) rectangular cuya relación cíclica (T0/T1) varía con el valor de la tensión continua cuando esta última es superior a una tensión de umbral dada (Vref) y comprende además un interruptor controlado (Q1) por dicha señal de control y montado en serie con la carga en los bornes de la fuente de tensión, dispositivo caracterizado por el hecho de que comprende además una inductancia (25) montada en serie con la carga y un componente de conducción unidireccional (Q2) en paralelo con el montaje en serie de la lámpara y de la inductancia.
Description
Sistema de regulación de tensión para cargar a
bordo de un vehículo automóvil.
La presente invención se refiere a los
dispositivos de alimentación eléctrica, especialmente para la
alimentación de los conjuntos eléctricos implantados en los
vehículos automóviles. La invención se aplica particularmente a los
dispositivos de alimentación de los conjuntos de iluminación que
comprenden fuentes luminosas de incandescencia o del tipo diodo
electroluminiscente, o sistemas eléctricos sensibles a las
variaciones de la tensión de alimentación.
Los dispositivos de iluminación de este tipo son
alimentados por una fuente de energía embarcada, y las baterías
actuales de vehículos entregan en general una tensión nominal de
alrededor de 12 V.
Sin embargo, con cierta frecuencia se observan
sobretensiones en los bornes de los aparatos alimentados por la
batería.
Estas sobretensiones pueden ser de corta
duración, y no perturbar el funcionamiento del aparato más que en un
intervalo de tiempo muy corto, lo que puede ser considerado como
aceptable.
Pero las sobretensiones de la red de alimentación
pueden ser igualmente prolongadas, especialmente a causa de la
descarga de elementos capacitivos, o a causa de un alternador cuyo
regulador es defectuoso. En la ausencia de regulación de tensión
suplementaria directamente en los bornes del aparato, el
funcionamiento de éste es perturbado de forma duradera.
En el caso de proyectores, una sobretensión
prolongada de este tipo, que puede alcanzar típicamente 18 V,
provoca el aumento de la intensidad luminosa emitida, lo que puede
comportar una violación de los reglamentos fotométricos a causa de
un deslumbramiento molesto y peligroso de los conductores que
circulan en el sentido opuesto al del vehículo.
Asimismo, las sobretensiones pueden ser
voluntarias, dado que los conductores aumentan en ocasiones la
potencia distribuida en el vehículo para compensar globalmente las
diversas caídas de tensión asociadas al número creciente de aparatos
eléctricos embarcados en el vehículo (dirección asistida eléctrica,
suspensión pilotada eléctrica, etc.).
En este contexto, los proyectores son
susceptibles de emitir un rayo de intensidad demasiado fuerte, lo
que implica los efectos ya citados de deslumbramiento, y además
puede reducir considerablemente la vida de las lámparas de
filamento.
Por otra parte, para hacer frente al aumento
citado de la potencia consumida por los aparatos eléctricos
embarcados, se ha previsto aumentar sensiblemente la tensión de
alimentación nominal entregada por la batería del vehículo. De este
modo, algunos vehículos comprenden baterías de 24 ó 42 V por
ejemplo.
La utilización de los aparatos existentes sin
medios intermedios de ajuste de la tensión es en este caso excluida,
porque las tensiones entregadas en los bornes de estos aparatos
están demasiado alejadas de sus tensiones nominales respectivas del
orden de 12 V.
En el caso de las lámparas de filamento que son
mayoritariamente utilizadas en los proyectores, se puede optar por
la fabricación de lámparas cuya tensión de alimentación corresponde
a la tensión de la batería del vehículo de 24 ó 42 V por
ejemplo.
Pero las exigencias de concepción y fabricación
del filamento (que debe comprender una doble espiral muy fina para
alcanzar la incandescencia pero permanecer resistente para no ser
dañado por la tensión de alimentación), hacen este tipo de lámparas
costosas y frágiles. Además, el filamento de estas lámparas no se
adaptaría a las exigencias fotométricas impuestas por ciertos
espejos de reflectores llamados "de superficie libre".
Otra solución consistiría en utilizar una segunda
fuente de tensión dedicada a la iluminación, o incluso instalar una
red eléctrica específica para la iluminación, unida a la batería del
vehículo por medio de un reductor de tensión. Pero esto implicaría
una complejidad y una longitud importante de la red de cableado del
vehículo, aspecto que los constructores tratan de evitar, dados los
costes importantes asociados al cableado.
Una solución adaptada que permite resolver los
inconvenientes citados, asociados a sobretensiones persistentes o
permanentes, o al aumento de la tensión nominal entregada por la
batería del vehículo, consiste en asociar a cada lámpara de un
proyector o de un faro de señalización, un dispositivo de regulación
de tensión que permite:
- -
- por una parte, reducir la tensión al valor de consigna de dicho proyector o faro en el caso de una alimentación general del vehículo de tensión superior a esta tensión de consigna,
- -
- y por otra parte, regular la tensión para minimizar las fluctuaciones de las tensiones que puedan darse en los bornes de una lámpara de este tipo.
La Solicitante ha descrito en el documento FR 2
707 021 un dispositivo de regulación de tensión de este tipo.
En este dispositivo, un circuito electrónico
modula la tensión de la batería del vehículo en una tensión
periódica de impulsos rectangulares de alimentación de las lámparas
de iluminación. Las duraciones de los impulsos de esta tensión de
alimentación son definidas de modo que su valor medio se ajuste a un
valor de consigna dado, correspondiente a la tensión nominal de
alimentación de las lámparas.
Un objeto de la presente invención es permitir
realizar un perfeccionamiento de este dispositivo de regulación, en
el cual la corriente que atraviesa las cargas permanece
esencialmente constante, especialmente para aumentar la duración de
la vida de estas cargas, especialmente de las lámparas de
incandescencia.
Otro objeto de la invención es el de permitir
realizar una estación de conmutación y de regulación cuya estructura
sea simple y económica.
A fin de alcanzar estos objetos, la invención
propone según un primer aspecto un dispositivo de regulación de
tensión de alimentación de una carga eléctrica con una tensión de
alimentación nominal, dispositivo que está alimentado por una fuente
de tensión continua de valor variable, dispositivo que comprende un
oscilador que genera una señal de control rectangular cuya relación
cíclica varía con el valor de la tensión continua cuando esta última
es superior a una tensión de umbral dada y comprende además un
interruptor controlado por dicha señal de control y montado en serie
con la carga en los bornes de la fuente de tensión, dispositivo
caracterizado por el hecho de que comprende además una inductancia
montada en
serie con la carga y un componente de conducción unidireccional en paralelo con el montaje en serie de la lámpara y de la inductancia.
serie con la carga y un componente de conducción unidireccional en paralelo con el montaje en serie de la lámpara y de la inductancia.
Aspectos preferibles pero no limitativos, del
dispositivo según la invención son los siguientes:
- -
- el componente de conducción unidireccional es un segundo interruptor controlado.
- -
- los dos interruptores controlados están sometidos a la misma señal de control.
- -
- los dos interruptores controlados son transistores CMOS, respectivamente de canal N y de canal P.
- -
- los dos interruptores controlados están montados en serie en la fuente de tensión.
Según un segundo aspecto, la invención propone un
sistema de gestión de la alimentación de cargas embarcadas en un
vehículo automóvil, que comprende por lo menos un dispositivo según
una de las características enunciadas anteriormente para regular la
tensión de alimentación de una carga asociada.
Aspectos preferibles, pero no limitativos, del
sistema según la invención son los siguientes:
- -
- el sistema comprende igualmente un módulo para controlar selectivamente la alimentación de cada dispositivo de regulación,
- -
- el sistema comprende igualmente un módulo para controlar selectivamente la alimentación de cada carga aplicando a cada dispositivo de regulación una señal de puesta en servicio o de puesta fuera de servicio,
- -
- el módulo de control está constituido por un decodificador de señales de puesta en servicio o de puesta fuera de servicio que circulan por un bus común,
- -
- el módulo de control y los dispositivos de regulación forman parte de una misma unidad electrónica.
Otros aspectos, objetivos y ventajas de la
invención se pondrán de manifiesto con la lectura de la descripción
siguiente de un modo de realización de la invención, dada a título
de ejemplo y hecha en referencia a los dibujos anexos, en los
cuales:
- la figura 1 es un esquema de un circuito según
la invención que permite regular la tensión entregada en los bornes
de una carga eléctrica;
- las figuras 1a y 1b son esquemas de dos
circuitos alternativamente equivalentes al circuito de la figura 1
en un modo de funcionamiento periódico de dicho circuito según la
invención;
- la figura 2 es un grafo que muestra la
evolución de una relación característica de la tensión entregada en
los bornes de la carga de la figura 1 en función de la relación
entre la tensión de alimentación del circuito de la figura 1 y la
tensión de consigna de la carga;
- las figuras 3a y 3b son grafos que muestran la
traza de una señal de control generada por este circuito, y de la
tensión periódica correspondiente entregada en los bornes de la
carga de la figura 1;
- la figura 4 es un grafo de la función de
\hbox{transferencia} de tensión del circuito según la
invención;
- la figura 5 es un esquema de un dispositivo de
gestión eléctrica que utiliza circuitos según la
invención en un proyector de vehículo automóvil que comprende varias fuentes luminosas.
invención en un proyector de vehículo automóvil que comprende varias fuentes luminosas.
En referencia a la figura 1, un circuito
electrónico de regulación 10 es alimentado por una fuente de tensión
V_{alim} definida por los potenciales constantes V0 y V1 superior
a V0, a los cuales el circuito 10 se une a través de los conductores
eléctricos 101 y 102 respectivamente. Este circuito está conectado
por medio de los conductores 103 y 104 a los bornes de una carga 20
que puede ser por ejemplo una lámpara de incandescencia de un
proyector o de un faro de señalización de un vehículo automóvil.
Los potenciales V0 y V1 son tomados de una fuente
embarcada en el vehículo, pudiendo ser por ejemplo los bornes de la
batería del vehículo, y en este caso el potencial V0 es la masa del
vehículo, la tensión V_{alim} entregada por esta batería puede ser
de 12 V como es habitual, o bien de un valor de 24 o 42 V por
ejemplo, para disminuir las corrientes de alimentación y por tanto
la sección de los conductores con la presencia de numerosos aparatos
embarcados.
El circuito 10 comprende un módulo de control 110
unido a los potenciales V0 y V1 por medio de los conductores
respectivos 105 y 106. El módulo 110 está unido igualmente a una
fuente de potencial V2 que define una tensión V2-V0
= V_{ref} con el potencial V0. Este módulo es apto para emitir en
un borne de salida 111 una señal de control C.
El módulo de control 110 comprende un circuito
comparador y un circuito oscilador que funciona según el principio
siguiente:
Si V_{alim} es inferior o igual a V_{ref}, el
módulo 110 entrega una señal de control C igual a una tensión fija
muy próxima a V_{alim} (nivel "alto").
Si ahora V_{alim} es superior a V_{ref}, el
módulo 110 envía al conductor 111 una señal C de control rectangular
de período invariable T = (T_{0} + T_{1}) como se representa en
la figura 3a: un período T de esta señal está compuesto de un
intervalo de tiempo T_{1} durante el cual la señal C es V_{alim}
(nivel "alto"), y a continuación un intervalo T_{0} durante
el cual la señal C tiene un valor constante cercano a 0 V (nivel
"bajo").
La relación T_{0}/T_{1} de la señal de
control C es igual a 0 si V_{alim} es inferior o igual a V_{ref}
(en este caso, la señal C está uniformemente en el nivel
"alto"). Por otra parte, T_{0}/T_{1} es sensiblemente igual
a (V_{alim}/V_{ref})-1, como se representa en la
figura 2, si V_{alim} es superior a V_{ref}. Para mayor
precisión en relación con el funcionamiento del módulo de control
110 se consultará el documento FR 2 707 021 a nombre de la
Solicitante.
Nuevamente en referencia a la figura 1, la señal
de control C es transmitida a las rejillas de dos transistores CMOS
Q1 y Q2 de tipos "canal N" y "canal P" respectivamente,
conectados en serie entre V0 y V1.
Los drenadores de los dos transistores Q1 y Q2
están unidos a un primer borne de una inductancia 25. La lámpara 20
está conectada por medio de los conductores 103 y 104 entre el
potencial V1 y el segundo borne de la inductancia.
De este modo, cuando V_{alim} es inferior o
igual a V_{ref}, entonces la tensión de la señal C está en el
nivel alto y el transistor Q1 es pasante mientras que el transistor
Q2 está bloqueado. En este caso, el circuito 10 es equivalente al
circuito representado en la figura 1a, que aplica en los bornes del
montaje inductancia/lámpara, la tensión V_{alim} disminuida en la
tensión de umbral de Q1. Al ser esta tensión de alimentación
continua, la impedancia de la inductancia 25 es débil y la tensión
en los bornes de la lámpara 20 es sensiblemente igual a
V_{alim}.
Cuando V_{alim} es superior a V_{ref}, los
impulsos de la señal C transmitidos a las rejillas de los dos
transistores por el módulo de control provocan periódicamente la
apertura de un transistor mientras que el otro está cerrado y
viceversa. Entonces, un ciclo de funcionamiento del circuito, como
el representado en la figura 3a, comprende las dos etapas
siguientes:
Durante el período T_{1} (señal C "alta"),
el transistor Q1 es pasante y el transistor Q2 está bloqueado.
Durante este intervalo de tiempo T_{1} el circuito todavía es
equivalente al de la figura 1a, y la tensión V_{L} en los bornes
de la lámpara 20 aumenta de forma no lineal mientras que la
impedancia de la inductancia disminuye.
Cuando la señal de control C pasa al nivel bajo
(período T_{0}) es el transistor Q2 el que se hace pasante
mientras que el transistor Q1 está bloqueado. Entonces el circuito
10 es equivalente al representado en la figura 1b, en el cual la
lámpara 20, la inductancia 25 y el transistor Q2 (que al ser pasante
pero direccional juega un papel equivalente al de un diodo) están
unidos en serie en un bucle cerrado del tipo "rueda libre" en
el cual la corriente circula para disminuir progresivamente.
Entonces, la tensión V_{L} en los bornes de la lámpara 20 decrece
de forma no lineal hasta su valor del comienzo de este ciclo, como
se indica en la figura 3.
La duración de los impulsos entregados por el
módulo de control 110 es, como se ha dicho, regulada de modo que la
relación cíclica T_{0}/T_{1} de la señal sea sensiblemente igual
a (V_{alim}/V_{ref} - 1) cuando V_{alim} es superior a
V_{ref}. Cuando el valor de V_{alim} aumenta, la duración de los
impulsos de tensión de nivel alto entregados por el módulo 110
disminuye (es decir, que la duración T_{0} aumenta mientras que la
duración T_{1} disminuye), de modo que el valor medio en el tiempo
de la tensión en los bornes de la lámpara permanece sensiblemente
igual a V_{ref}.
La figura 3b (en la cual la escala de V_{L} es
diferente de la de la figura 3a) ilustra el funcionamiento del
circuito cuando el valor de la tensión de alimentación V_{alim}
disminuye, permaneciendo superior a V_{ref}. En esta figura, las
duraciones de los períodos T_{0} y T_{1} son sensiblemente
iguales.
En consecuencia, la tensión en los bornes de la
lámpara 200 aumenta en este ejemplo durante un semiperíodo, y a
continuación disminuye durante el semiperíodo siguiente. El valor
medio de la tensión V_{L} en los bornes de la lámpara permanece
sensiblemente igual al valor V_{L} en el caso de la figura 3a,
porque el aumento de la duración T_{1} compensa la disminución del
valor de V_{alim} de modo que el producto T_{1}*V_{alim}
permanece sensiblemente igual a T*V_{ref}.
De este modo, cuando V_{alim} es superior a
V_{ref}, la tensión en los bornes de la lámpara 20 es mantenida en
un valor medio cercano a V_{ref}.
El valor de esta tensión V_{ref} es ajustado a
la tensión nominal de alimentación de la lámpara 20. La evolución de
la tensión media en los bornes de la lámpara 20 en función del valor
de V_{alim} es esquematizada en la figura 4.
Para evitar que un observador que mire el
proyector o el faro que contiene la lámpara 20 perciba sensiblemente
las variaciones de la intensidad luminosa entregada por esta
lámpara, el período T = T_{0} + T_{1} de las señales de control
del módulo 110 es ajustado a un valor inferior a la duración de la
persistencia retiniana y por ejemplo igual a 0,03 segundos.
Además, el circuito según la invención permite,
gracias a la inductancia 25 alisar la evolución de la tensión en los
bornes de la lámpara, y por tanto estabilizar todavía más la
intensidad luminosa entregada por ella.
A este efecto, el valor de esta inductancia es
escogido para asegurar un alisamiento de este tipo sin ralentizar
excesivamente, durante el encendido de la lámpara, la subida de la
tensión hasta su valor nominal.
En una variante del circuito no representada en
las figuras, el transistor Q2 es sustituido por un diodo conectado
en paralelo con el montaje en serie de la lámpara y de la
inductancia, y el diodo asegura el paso de la corriente del drenador
de Q1 hacia el potencial V_{1}.
En esta variante, el funcionamiento general del
circuito es el mismo que el del circuito de la figura 1, y sin
embargo su rendimiento global se encuentra ligeramente disminuido
por la potencia disipada en el diodo, cuya tensión de umbral es del
orden de 0,3 a 0,7 V, mientras que el valor del umbral del
transistor CMOS puede ser del orden de 0,1 V.
En referencia a la figura 5, se ha representado
un sistema de gestión eléctrica S, que comprende en una caja 50
óptica de un vehículo automóvil cuatro cargas 26, 27, 28 y 29
constituidas respectivamente por una lámpara de descarga de un
proyector de tipo código, y por tres lámparas de filamento de un
proyector de carretera, de un proyector antiniebla y de un
intermitente. Las tres lámparas de filamento 27, 28 y 29 son de tipo
clásico, previsto para funcionar bajo una tensión del orden de 12
V.
La caja comprende igualmente un decodificador D,
unido a un bus B de transmisión de señales digitales de control
multiplexadas, de forma conocida. La utilización de un bus de este
tipo desplegado en el vehículo en la proximidad de los aparatos
eléctricos del vehículo para transmitirles señales de gestión se
desarrolla actualmente con el número y la sofisticación creciente de
estos aparatos.
La caja B está unida igualmente a los bornes de
una fuente de alimentación del vehículo, realizada aquí bajo la
forma de una batería de 42 V.
Un circuito de regulación de tensión como el
descrito en referencia a la figura 1 y alimentado por la tensión de
42 V está asociado a cada una de las lámparas 27, 28, 29 y la
lámpara de descarga 26 está asociada a una reactancia 260,
alimentada directamente por la tensión de 42 V.
De este modo, las lámparas 26, 27 y 28 se
conectan a la salida de su circuito de regulación respectivo 17, 18
y 19 que les entrega una tensión media y sensiblemente igual a su
tensión nominal (típicamente de 13,2 ó 13,5 V).
Los circuitos de regulación 17, 18, 19, así como
el circuito de reactancia 260, están unidos en serie a un conductor
40, a su vez unido a la fuente de potencial de 42 V por medio de un
circuito de protección 30, constituido aquí por un diodo 300.
La reactancia 260, así como los módulos de
regulación de tensión 17, 18 y 19, están unidos igualmente al
decodificador D que controla su alimentación permitiendo al
conductor del vehículo gestionar el funcionamiento de las cuatro
cargas del proyector gracias al control de las señales digitales
transmitidas por el bus B.
Se observa que, gracias a una disposición de este
tipo, los transistores Q1 y Q2 de los circuitos de regulación pueden
ser utilizados para la puesta en servicio y fuera de servicio de las
lámparas, no necesitando interruptor controlado suplementario.
Concretamente, las señales de control individuales entregadas por el
decodificador D intervienen en los circuitos 17, 18, 19 por una
simple lógica combinatoria para autorizar o impedir selectivamente a
su módulo de control a entregar las señales de control.
Los circuitos 17, 18 y 19 comprenden igualmente
en este modo de realización los dispositivos no representados de
filtrado y/o de protección integrados habitualmente en los sistemas
electrónicos de automóviles. En una variante de realización
ventajosa, el sistema comprende igualmente medios de diagnóstico del
estado de las lámparas.
Por otra parte, se observa que el hecho de ubicar
el circuito de protección 30 por encima de los circuitos 17, 18 y 19
que reducen el valor de la tensión permite atravesar el diodo 300
con una corriente
\hbox{sensiblemente} inferior a la que
circularía en la parte del sistema situada por debajo de los
reguladores, y por lo tanto mejorar el rendimiento global del
sistema disminuyendo la potencia disipada en el diodo por efecto
Joule.
De forma ventajosa, el circuito decodificador D y
los circuitos reguladores 17, 18, 19, así como los circuitos
auxiliares asociados (protección, filtrado, diagnóstico, etc.),
pueden ser reagrupados en el seno de una misma unidad electrónica
que recibe la tensión de la batería y las señales del bus B, y que
comprende tantas salidas como cargas eléctricas a controlar y a
alimentar.
Un sistema de gestión eléctrica de este tipo
permite alimentar lámparas, o cualquier otro tipo de cargas
eléctricas que necesitan una tensión de alimentación poco fluctuante
con una alimentación principal bajo una tensión netamente superior a
la tensión de consigna de estas cargas, sin añadir elementos
importantes de cableado en el vehículo.
Claims (9)
1. Dispositivo (10) de regulación de tensión de
alimentación de una carga eléctrica (20) con una tensión de
alimentación nominal, dispositivo que está alimentado por una fuente
de tensión continua de valor variable (V_{alim}), dispositivo que
comprende un oscilador (110) que genera una señal de control (C)
rectangular cuya relación cíclica (T_{0}/T_{1}) varía con el
valor de la tensión continua cuando esta última es superior a una
tensión de umbral dada (V_{ref}) y comprende además un interruptor
controlado (Q1) por dicha señal de control y montado en serie con la
carga en los bornes de la fuente de tensión, dispositivo
caracterizado por el hecho de que comprende además una
inductancia (25) montada en serie con la carga y un componente de
conducción unidireccional (Q2) en paralelo con el montaje en serie
de la lámpara y de la inductancia.
2. Dispositivo de regulación según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el
componente de conducción unidireccional (Q2) es un segundo
interruptor controlado.
3. Dispositivo de regulación según la
reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que los dos
interruptores controlados (Q1, Q2) están sometidos a la misma señal
de control (C).
4. Dispositivo de regulación según la
reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que los dos
interruptores controlados son transistores CMOS, respectivamente de
canal N y de canal P.
5. Dispositivo de regulación según la
reivindicación 3 ó 4, caracterizado por el hecho de que los
dos interruptores controlados están montados en serie en la fuente
de tensión (V_{alim}).
6. Sistema (S) de gestión de la alimentación de
cargas (26, 27, 28, 29) embarcadas en un vehículo automóvil, que
comprende por lo menos un dispositivo (17, 18, 19) según una de las
reivindicaciones anteriores para regular la tensión de alimentación
de una carga asociada (27, 28, 29).
7. Sistema según la reivindicación 6,
caracterizado por el hecho de que comprende igualmente un
módulo (D) para controlar selectivamente la alimentación de cada
carga aplicando a cada dispositivo de regulación una señal de puesta
en servicio o de puesta fuera de servicio.
8. Sistema según la reivindicación 7,
caracterizado por el hecho de que el módulo de control (D)
está constituido por un decodificador de señales de puesta en
servicio o de puesta fuera de servicio que circulan por un bus común
(B).
9. Sistema según una de las reivindicaciones 7 u
8, caracterizado por el hecho de que el módulo de control (D)
y los dispositivos de regulación (17, 18, 19) forman parte de una
misma unidad electrónica.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9903576 | 1999-03-23 | ||
| FR9903576A FR2791443B1 (fr) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | Systeme de regulation de tension pour des charges embarquees dans un vehicule automobile |
Publications (1)
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