FR2529407A1 - Dispositif convertisseur d'energie continu-alternatif sans transformateur de sortie - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES DISPOSITIFS CONVERTISSEURS D'ENERGIE ELECTRIQUE SUSCEPTIBLES DE TRANSFORMER UN COURANT CONTINU DE POTENTIEL QUELCONQUE EN UN COURANT ALTERNATIF DE FREQUENCE DETERMINE ET D'AMPLITUDE DETERMINEE. CE DISPOSITIF COMPREND UN ETAGE DOUBLEUR DE TENSION A POINT MILIEU CONSTITUE PAR LES DIODES 13 ET 14 ET LES CONDENSATEURS 15 ET 16. CET ETAGE DOUBLEUR EST MONTE EN PONT AVEC DEUX TRANSISTORS 19 ET 20 MONTES EN SERIE ET COMMANDES PAR LES ENROULEMENTS 21 ET 22 DU TRANSFORMATEUR DE COMMANDE 23, LEQUEL EST PILOTE PAR UN CIRCUIT AUTO-OSCILLATEUR A FREQUENCE DONNEE CONSTITUE PAR LES TRANSISTORS 29 ET 32, LEURS ENROULEMENTS DE SORTIE 25 ET 26 ET LEURS ENROULEMENTS DE REACTION 24 ET 27. L'ALIMENTATION DUDIT AUTO-OSCILLATEUR ETANT ASSUREE PAR LA RESISTANCE BALLAST 28 ASSOCIEE A LA CELLULE DE REGULATION CONSTITUEE PAR LE CONDENSATEUR 31 ET LA DIODE ZENER 30. LA CHARGE DE SORTIE EST APPLIQUEE ENTRE LE SUSDIT POINT MILIEU ET L'ELECTRODE DE SORTIE COMMUNE DES TRANSISTORS 19 ET 20. PARMI LES APPLICATIONS LES PLUS INTERESSANTES DE L'INVENTION, ON PEUT CITER L'ALIMENTATION DES TUBES FLUORESCENTS DE TOUTES PUISSANCES, LA CONSTRUCTION D'ONDULEURS, ETC.

Description

La présente invention concerne les appareils électroniques du type convertisseur de curant, permettant de transformer un courant continu en courant alternatif de fréquence et d'amplitude choisies.

Dans des dispositifs connus de ce genre, illustrés par la figure 1, ci-annexée, pour.réaliscor une telle conversion, on utilise un auto-oscillateur classique comprenant le transformateur 10 associé aux transistors 3 et 4. Dans un tel dispositif, l'un des pôles de la source 1 est connecté aux électrodes communes desdits transistors par 1'intermédiaire de l'interrup- teur 2, alors que l'autre pôle est connecté aux électrodes de sortie desdits transistors à travers les enroulements primaires 6 et 7. La commande de la conduction desdits transistors est assurée par les enroulements de réaction 5 et 8.

Dans un tel dispositif, à la fermeture de l'interrupteur 2, le transistor possédant le gain statique le plus élevé va entrer en conduction; cette conduction va induire dans l'enroulement de réaction du transistor opposé un courant qui va provoquer la conduction de ce dernier; cette conduction, comme précédemment, va induire dans l'enroulement de réaction du transistor opposé un courant qui va re-provoquer la conduction du premier transistor,.et ainsi de suite.

Dans ces conditions, l'enroulement 6 et l'enroulement 7 sont donc alternativement traversés par un courant dont la durée dépend de leur inductance propret Si ces enroulements sont convenablement bobinés, il est alors possible d'induire dans le circuit magnétique du transformateur 9 un flux alternatif que récupere l'enroulement élévateur secondaire 10.

Ainsi, avec un tel dispositif, il est possible, par exemple, à partir d'une batterie d'accumulateurs 1, d'obtenir aux bornes du secondaire 10 un courant alternatif à signaux rectangulaires de fréquence 50 Hz et à tension de 220 v. Avec un tel dispositif alimenté par le secteur redressé, il serait également possible d'alimenter à fréquence élevée un tube fluorescent connecté entre les bornes de l'enroulement 10.

De tels dispositifs présentent plusieurs inconvénients.

L'un de ces inconvénients tient au fait qu'en fonction de la tension de la source 1 qui peut être variable, la fréquence et l'amplitude du courant délivré par l'enroulement 10 varient dans de larges proportions.

Un second inconvénient tient au fait que lesdites fréquences et amplitudes varient grandement-en fonction de la charge appli quéeaux bornes du secondaire 10.

Un troisième inconvénient tient au fait qu'avec de tels dispositifs, si l'on veut reconstituer des courants de fréquence basse, 50 ou 60 Hz, par exemple, l'on est contraint de recourir pour la construction du transformateur 9 à un circuit magnétique lourd, encombrant et onéreux à fabriquer. Ainsi, avec de tels dispositifs, pour transformer une puissance continue de l'ordre de 150 W en courant à 50-Hz, il faut prévoir un circuit magnétique pesant environ 4 kg.

Un quatrième inconvénient tient au fait que les susdits tran sistors doivent assurer la commutation d'un-òrt courant sur circuit inductif ce qui occasionne des surtensions préjudiciables à la bonne tenue desdits transistors: ces surtensions, générent, en outre, des parasites qui peuvent ée propager par rayonnement ou par conduction.

Le dispositif convertisseur selon l'invention permet d' éviter ces inconvénients. Il utilise, en effet, des semi-conducteurs qui assurent une commutation à fort courant sur circuit non-inductif. Ce dispositif n'exige pas de transformateur volumineux. En outre, la- fréquence et l'amplitude de son courant de sortie peuvent etre totalement indépendantes de la charge ainsi que de la tension d'entrée pour une variante décrite plus bas.

Ce dispositif comprend une source d'alimentation continue, qui peut être le secteur redressé, un générateur de signaux rectangulaires assurant la commande de la conduction alternée à fréquence fixe de deux semi-conducteurs dont 1'électrode de sortie, commune, charge un récepteur quelconque connecté à un point milieu de ladite source d'alimentation.

Selon une première variante du dispositif, objet de l'invention, illustrée par la figure 2, ci-annexée, se trouve ré solu le problème de 1a fourniture, à partir du réseau ou d' une sourçe continue, d'un courant-à fréquence élevée obtenu avec un rendement supérieur à 90S et capable d'exciter, par exemple un tube fluorescent dont la courbe d'émission spec trale présente un maximum d'intensité à ladite fréquence pelez vée.

Selon cette variante l'alimentation est assurée par le secteur qui est appliqué entre les bornes 11 et 12. Un circuit doubleur de tension à point milieu est constitué par les diodes de redressement 13 et 14 qui chargent respectivement les condensateurs 15 et 16 à une tension idntique,--maisop-posée en-signe par rapport à la borne 12. Ainsi, à partir d'un secteur 220 V eff., par exemple, peut-on disposer aux bornes du condensateur 15 et du condensateur 16 d'une tension continue égale à 220 X 1,414 soit 311 V.Ces deux condensateurs étant montés en série, leurs électrodes non communes-setrouventtdonc Chargées à un potentiel de 622 V, alors que leur électrode commune présent te une différence de potentiel moitié moindre au regard de 1' une desdites électrodes non communes. Si l'on utilise un secteur 110 V eff. il est possible de mettre en-oeuyre, alors, non plus un doubleur de tension, mais un quadrupleur de tension à point milieu pour retrouver les susdites valeurs continues.

Parallèlement audit étage doubleur de tension sont connectés deux transistors 19 et 20 montés en série de telle sorte qu'ils constituent avec les condensateur 15 et 16 montés, eux aussi en série, un montage.en pont dont la branche transverse est constituée par la charge qui comprend dans l'exemple décrit un tube fluorescent 17 monté en série avec une impédance capacitive 18s cette charge tenant lieu de branche transverse d'un pont classique est donc connectée d'une part à la borne commune des condensateurs 15 et 16 et d'autre part à la borne commune des transistors 19 et 20.La commande de la conduction des transistors 19 et 20 est assurée par les enroulements 21 et 22 couplés au transformateur 23, Ces enroulements à très basse tension fournissent les quelques centaines de milliwatts nécessaires à la commande desdits transistors; le signal qu'ils fournissent sont déphasés l'un par rapport à 1' autre, de telle sorte qu'd la mise en conduction de l'un des transistors, l'autre soit bloqué, éventuellement avec une tension de base inverse pour augmenter le Vce du transistor consi dérê, et vice-versa, lorsque le mtme transistor se trouve blo qué, l'autre entre en conduction. Le signal alternatif néces situe par une telle commande est fourni par les enroulements primaires 25 et 26 du transformateur 23. Ces enroulements sont respectivement commandés par la conduction alternée des transistors de petits signaux 29 et 32 montés en oscillateur sy- métrique. La conduction alternée de ces transistors est entretenue par le moyen des enroulements de réaction 24 et 27. Le transformateur 23 n'ayant qu'une puissance moyenne de quelques centaines de milliwatts à emmagasiner, si l'on envisage une fréquence de commande de 30 kHz, par exemple, sa construction ne nécessite alors comme circuit magnétique qu'un simple bar.

reau en ferrite de 5 mm de diamètre pour 30 mm de longueur.

Les enroulements primaires 25 et 26 ne laissant passer qu'un très faible courant peuvent être bobinés en fil fin avec un tombre important de spires. Les enroulements de réaction 24 et 27 ainsi que les enroulements de commande 21 et 22 ne comprennent qu'un nombre restreint de.fil de plus grand diamètre.

L'alimentation du circuit oscillateur de commande, qui ne ré.

clame pour des applications courantes que quelques centaines de milliwats est assurée par la résistance ballast 28 associée au condensateur réservoir 31: en effet, l'une des bornes de ce condensateur étant reliée, par exemple au point milieu dudit doubleur de tension, il suffit de connecter la borne libre de la résistance.28 à l'une ou l'antre extrémité dudit doubleur de tension pour charger ledit condensateur 31 à une tension de polarité et de valeur convenable. La tension aux bornes du condensateur 31 est stabilisée par le moyen la diode Zener 30 ou un moyen analogue de telle sorte que la fréquence de sortie de l'étage pilote commandé par les transistors 29 et 32 ne soit pas altérée par les variations d'amplitude susceptible d'affecter ledit secteur d'alimentation.

Dans ces conditions, à la mise sous tension du dispositif, ledit circuit pilote fournit, par l'intermédiaire des enroulements 21 et 22, un courant de commande stable en fréquence.

Les translstors 19 et 20 entrent alors en conduction alternée et se développe alors entre leur électrode commune de sortie et le point milieu commun de la série des condensateurs 15 et 16, un courant alternatif à signaux rectangulaires symétriques correspondant à la mise en relation cyclique dudit point milieu commun avec la borne opposée de l'un ou de l'autre des condensateurs 15 et 16.

Dans l'application de ce dispositif à l'alimentation d'un tube fluorescent 17, il peut être intéressant de monter en série avec ce dernier un condensateur de valeur convenable qui cons tue une impédance lors de l'amorçage dudit tube. En effet, à ce moment là, le tube se comporte comme un quasi court-circuit ce qui causerait la destruction par sur-courant des transistors 19 et 20. Une autre solution pourrait consister à mettre une inductance en lieu et place dudit condensateur 18r cette dernière solution présenterait toutefois un inconvénient, à savoir, celui de laisser traverser le tube par une éventuelle composant, te continue parasite.

La meilleure des solution consisterait à monter une inductance et une capacité en série dont les valeurs soient établies pour obtenir la résonnance avec la fréquence fournie par l'étage pilote. De cette manière il serait alors possible de rendre le signal disponible aux bornes du tube 17 sinusoidal.

Comme il ressort de ce qui est décrit ci-dessus, le dispositif objet de l'invention ne nécessite qu'un transformateur de commande de quelques dizaines de grammes; il n'inclue pas de commutation à fort courant sur une inductance, donc ne produit pas de parasites gênantst n'incluant pas de commutation à fort courant sur une inductance, il autorise l'emploi de transistors très courants et bon marchés piloté par un étage stabilisé en fréquence il fournit un signal de sortie dont la dérive en fréquence peut être très faible si la diode Zener 30 est stabilisée en température; enfin, les pertes en commutation des transistors 19 et 20 étant quasiment nulle et la puissance dissipée par ledit étage pilote étant insignifiante au regard des puissances commutées, le rendement énergétique d'un tel dispositif est très élevé.En outre, la fabrication d'un tel dispositif n'est pas onéreuse: la seule précaution sérieuse de fabrication étant d'assurer un isolement parfait entre les enroulements 21 et 22 portés à un potentiel élevé et toutes les autres parties du circuit.

Comme il va de soi, il serait facile de rernplacer dans un tel montage les transistors 19 et 20 par leurs homologues complé dentaires; il suffirait alors de modifier le sens relatif des enroulements 21 et 22. Il serait aussi possible de remplaçer l'étage pilote décrit par un étage auto-oscillateur à résis
tances-capacités, avec ou sans transformateur. Il serait aussi
également possible de monter en série plusieurs transistors
en'lieu et place du transistor 19 ou du transistor 2cor.

Selon une seconde variante du dispositif, objet de lin- vention, illustrée par la figure 3, ci-annexée, l'étage pilote à transformateur décrit dans la première variante est remplacé par un multivibrateur classique à résistances-capacités oompre- nant les transistors à haute tension et faible puissance 41 et 44 associés aux résistances de charge 37 et 40, aux résistances ae polarisation 38 et 39 et aux condensateurs de réaction 42 et 43. Dans cette variante, l'alimentation de ce multivibrateur est assurée directement par l'étage doubleur comprenant les diodes de redressement 13 et 14 et les condensateurs 15 et 16.

Dans ces conditions, un signal rectangulaire alterné prend naissance sur la sortie des transistors.4l et 44. Il suffit donc d'appliquer par le moyen de la résistance de liaison 36 le si gnal de sortie de l'un de ces transistors sur les électrodes de commande des transistors de commutation à haute tension complémentaires l9a et 20a pour que ces derniers se mettent alternativement en état de conduction et de blocage.En effet, le transistor 41 associé aux résistances de polarisation 34 et 35 se comporte aussi en circuit de déphasage, annullant soit la polarisation du transistor 19a, soit la polarisation du transistor 20a. De cette manière, si, par exemple, un tube fluorescent ou toute autre charge est connectée entre l'électrode commune desdits transistors l9a et 20a et le point milieu dudit doubleur de tension, nous retrouvons dans le même cas de fonctionnement déjà décrit. Selon cette dernière variante, le tube fluorescent 17 est monté en série avec le condensateur 18 et l'inductance 33 dont la résonnance s'établit à la fréquence délivrée par le susdit multivibrateur. Le signal parcourant ledit tube 17 est alors sinusodal.

Selon une troisième variante du dispositif, objet de 1' invention, illustrée par la figure 4 ci-annexée, a été réalisée une application particulièrement intéressante du circuit illustré par la figure 2, ci-annexée. Cette application concerne les convertisseur continu basse tension en alternatif à basse fréquence. Le dispositif décrit selon cette dernière variante reprend strictement les éléments décrits correspondants à la pre mière variante décrite. La fréquence délivrée par le transformateur 23 de l'étage pilote est ajustée à 50 ou 60 Hz. La charge à alimenter, qui peut être absolument quelconque, est connectée entre la borne commune des condensateurs 15 et 16 et l'élecde sortie commune des transistors 19 et 20.Un condensateur 18 et une inductance 33 peuvent être connectEs en série avec la susdite charge. car pour des valeurs choisies, leur résonnance sur la fréquence de 50 ou 60 Hz assurera la sinusoldalité du courant traversant la charge.

Selon cette dernière version, le circuit n'est plus alimenté par le secteur, mais par un convertisseur de tension à fréquenélevée dont l'enroulement secondaire-de sortie 45 est connecté entre les bornes 11 et 12.

Ce convertisseur à circuit en ferrite à faibles pertes est d' un type classique, il comporte le transformateur 46 dont les enroulements primaires 48 et 49 sont commandés par les transi se tors de puissance basse tension 53 et 52 lesquels fonctionnent en oscillateur symétrique par le moyen des enroulements de réaction 47 et 50 connectés entre leurs électrodes de commande et leurs électrodes communes.

Le point milieu des enroulements 48 et 49 est connecté à 1' un des pâles de la source 60, l'autre pôle de cette source étant connecté aux électrodes communes des transistors 52 et 53 par l'intermédiaire de l'interrupteur 61.

Dans les susdits enroulements de réaction 47 et 50, sont disposés les transistors de commande 51 et 54, lesquels sont polarisés par les résistances 62 et 63, elles-memes commandées par le transistor 57 polarisé par la résistance 58. Ainsi, à la mise sous tension du circuit grâce à la sourçe 60, comme le transistor 57, convenablement polarisé, est passant, les transistors 51 et 54 sont eux-aussi convenablement polarisés, donc passants.

En conséquence les enroulements de réaction 47 et 50 peuvent exciter les électrodes de commande des transistors 52 et 53 qui oscillent donc. L'énergie récupérée aux bornes de l'enroulement 45 charge les condensateurs 15 et 16 à travers les diodes de redressement 13 et 14. La suite du montage peut alors fonctionner comme cela a été décrit plus haut.

Maintenant, si la tension entre les bornes des condensateurs 15 et 16 excède la tension Zener de la diode 64, un courant traverse cette dernière ainsi que les résistances montées en série 55, 58 et 59 occasionnant sur l'électrode de commande du transits~ tor 57 une contre-polarisation instantanée qui a pour effet d'inhiber momentanément le fonctionnement du convertisseur; il se produit alors une régulation très.précise de la tension présente aux bornés des condensateurs 15 et 16. Cette régula tion corrige aussi bien les variations pro"oqées par les fluctuations de tension de la source 60 que les variations provoquées par les changements de charge de sortie.Un tel dispositif peut aisément ainsi convertir des puissances allant jusqu'à plusieurs kilowatts, ceci avec un rendement global dépassant 80%. La tension alternative de sortie ainsi que la fréquence de sortie d'un tel dispositif sont ainsi parfaitement stabili- sées quelque soit la charge appliquée en sortie, et quelque soit l'étant de -charge de la source d'alimentation 60.

En outre, un dispositif construit en conformité avec le dispositif objet de l'invention permet de réduire considérablement les poids et volumes comparativement au dispositif conventionnel de même puissance; ainsi, pour fournir 250 VA à 50 Hz, dans un cas, on arrive à un équipement pesant environ 25 kg, dans l'autre, à un appareil pesant environ 1 kgpoffrant un rendement énergéti- que global ainsi qu'une stabilité en tension et en fréquence très supérieurs.

Le dispositif, objet de l'invention, peut être utilisé dans tous les cas où l'on a besoin de convertir de l'énergie à potentiel quelconque continu en énergie à potentiel quelconalternatif à signal rectangulaire ou sinusoidal. Des applications particulièrement intéressantes peuvent être, par exemple, à partir du secteur redressé, l'alimentation des tubes fluorescents de toutes puissances, ces applications peuvent aussi concerner, par exemple, des dispositifs de secours alimentés par des batteries d'accumulateurs qui permettent de reconstituer le secteur défaillant pendant un temps déterminé; d'autres applications du dispositif peuvent être envisagées comme étage tampon entre une éolienne munie d'un générateur et d'un circuit de disjonction qui, à partir d'une certaine puissance disponible en sortie dudit générateur éolien, substitue ce dernier au secteur, le dispositif convertisseur selon l'inventiÔntant alors directement pilot par les enroulements 25 et 26 connectés Sur le secteur, ce qui assure la parfaite synchronisation du signal de sortie du dispositif à l'abandon du secteur
Comme il va de soi, l'invention ne se limite nullement aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple elle embrasse, au contraire, toutes les variantes qui comportent des moyens constituantdes équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons.

Claims (8)

1. R E VE No IC AT- o N 8

   1. Dispositif convertisseur d'énergie électrique propre à transformer un courant continu à potentiel quelconque en un courant alternatif a potentiel fixe et à fréquence fixe, caractérisé par le fait qu'il ne comporte pas de transformateur magnétique de sortie, mais qu'il comprend une alimentation con tinue à point milieu 12, laquelle constitue avec deux semi-conducteurs 19 et 20 montés en série un pont, ces semi-conducteurs étant commandés soit par un transformateur déphaseur 23, soit par un semi-conducteur déphaseur 41, la charge à alimenter à partir de susdit courant alternatif de sortie étant connectée entre le susdit point milieu de l'alimentation continue et 1' électrode de sortie commune des semiyconductelirs 19 et 20.
2. 2. Dispositif selon la-revendication 1, caractérisé par le fait que l'alimentation continue à point milieu est réalisée à partir d'un étage doubleur ou multiplicateur à point milieu alimenté à partir du secteur redressé par le moyen des diodes 13 et 14, associés aux condensateurs de lissage 15 et 16.
3. 3. Dispositif selon l'ensemble des revendications, caractérisé par le fait qu'une impédance capacitive 18 ou inductive 33, ou une combinaison des deux est connectée en série avec ladite charge de sortie.

   4. Dispositif selon l'ensemble des revendications, caractérisé par le fait que le susdit transfo.rmateur déphaseur 23 comporte des enroulements 21 et 22 assurant la commande alternée de la conduction des transistors 19 et 20 par le moyen du flux induit dans ledit transformateur par les enroulements primaires 25 et 26 associés aux semi-conducteurs 29 et 32 montés en auto-oscillateur à fréquence fixe, l'entretien des oscillaétant assuré par les enroulements de réaction 24 et 27.
4. 4. Dispositif selon l'ensemble des revendications, caractérisé par le fait que le susdit auto-oscillateur est ali mentéà tension stabilisée par le moyen de la résistance ballast 28, le condensateur réservoir 31 et la diode Zener de stabilisation 30.
5. 5. Dispositif selon l'ensemble des revendications, caractérisé par le fait que le courant d'un secteur à fréquence stable est appliqué entre les bornes des enroulements 25 et 26 tenant lieu et place du signal fourni par le susdit auto-oscillateur.
6. 6. Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que les semi-conducteurs 19 et 20 sont remplaçés par une paire complémentaire 19a et 20a dont la conduction alternée est commandée par un semi-conducteur déphaseur 41 associé aux résistances de polarisation 34,35 et 36 et que ce semi-conducteur peut faire partie d'un multivibrateur de commande à fréquence fixe ou être commandé par un tel multivibrateur à résistances-capacités 37,38,39,40,42 et 43 associées aux semi-conducteurs 44 et 41.
7. 7. Dispositif selon l'ensemble des revendications, caractérisé par le fait que la susdite alimentation continue à point milieu est fournie par un convertisseur continu-continu à tension de sortie stabilisée, ledit convertisseur étant cons- titué par le transformateur 46 associé aux semi-conducteurs 53 et 52 montés en auto-oscillateur grâce aux enroulements de charge 48 et 49 et les enroulements d'entretien des oscillations 47 et 50, lenroulement secondaire 45 connecté entre les bornes ll et 12 tehant lieu de secteur dans la charge des condensateurs 15 et 16, la tension de charge desdits condensateurs étant stabilisé par le moyen de la diode Zener 64, laquelle à seuil donné de tension, laisse passer un courant qui contre-polarise 1' électrode de commande du semi-conducteur 57 polarisé par la résistance 58, l'interruption de conduction de ce dernier semiconducteur bloque alors la polarisation des semi-conducteurs 54 et 51 assurée par les résistances 62 et 63, de telle sorte que le courant circulant dans les enroulements de commande 47 et 50 soit interrompu, partant, que soit interrompu momentanément le fonctionnement dudit convertisseur continu-continu, cette interruption assurant la stabilisation de la tension de sortie du dispositif.
8. 8. Dispositif selon l'ensemble des revendications, caractérisé par le fait qu'un condensateur 18monté en série avec lacharge soumise au courant alternatif de sortie permet, en connectant l'une des bornes de cette dernière à 1électrode de sortie commune des semi-conducteurs 19 et 20, de connecter son autre borne à un point quelconque du circuit sans craindre le court-circuit éventuel de la composante continue d'alimenta~ tion.