FR3086811A1 - Circuit de protection contre la surtension - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un circuit (1) de protection contre une surtension pour une charge (L) connectée à une source de tension (V) continue, comprenant un dispositif à résistance variable (R), connecté entre la source de tension (V) et la charge (L) et un détecteur de surtension (D) apte à détecter une surtension et à activer le dispositif à résistance variable (R) pour qu'il présente une résistance croissante avec la surtension.

Description

La présente invention concerne de manière générale le domaine de l’électronique automobile. Elle vise en particulier un circuit de protection contre les surtensions pouvant apparaître dans un réseau de bord, du fait de l’alternateur, lorsque la batterie est déconnectée.

Dans la plupart des véhicules automobiles, lorsque le moteur tourne et entraîne l’alternateur, alors que la batterie est déconnectée, une surtension apparaît sur le réseau de bord. Cette surtension peut endommager les calculateurs connectés au réseau de bord.

Il est connu de disposer, de préférence en entrée du calculateur à protéger, un composant de puissance, telle une diode écrêteuse, pour absorber l’énergie de la surtension. Un tel composant est cependant coûteux, présente une taille importante et nécessite une surface d’échange thermique importante pour dissiper ladite énergie. De plus, les niveaux d’énergie de surtension (100 J avec J = Joule) sont suffisamment importants pour qu’une application répétée de la surtension détruise rapidement le composant de puissance.

L’objectif de l’invention est de proposer une protection contre la surtension robuste et ne présentant pas les inconvénients de l’art antérieur.

Cet objectif est atteint grâce à un circuit de protection contre une surtension pour une charge connectée à une source de tension continue, comprenant un dispositif à résistance variable, connecté entre la source de tension et la charge, et un détecteur de surtension apte à détecter une surtension et à activer le dispositif à résistance variable pour qu’il présente une résistance croissante avec la surtension.

Selon une autre caractéristique, le dispositif à résistance variable comprend un transistor à effet de champ et un moyen de commande apte à commander le transistor à effet de champ lorsque le moyen de commande est activé par le détecteur de surtension.

Selon une autre caractéristique, le transistor à effet de champ est à canal P, a sa source connectée à la source de tension, son drain connecté à la charge et sa grille connectée à la source de tension via une première résistance, à la masse via une deuxième résistance et à la sortie du moyen de commande.

Selon une autre caractéristique, le moyen de commande comprend un premier transistor, de type PNP, dont le collecteur est connecté à la grille du transistor à effet de champ, l’émetteur est connecté à la source de tension et la base est connectée à la source de tension via une troisième résistance en série avec une quatrième résistance et à la sortie du détecteur de surtension via la quatrième résistance.

Selon une autre caractéristique, le détecteur de surtension est apte à détecter une surtension lorsqu’un potentiel de pilotage indicatif d’un potentiel en sortie du dispositif à résistance variable est supérieur à un seuil.

Selon une autre caractéristique, le potentiel de pilotage est connecté à la sortie du dispositif à résistance variable via une sixième résistance et connecté à la masse via une septième résistance.

Selon une autre caractéristique, le détecteur de surtension comprend un deuxième transistor, de type NPN, dont le collecteur est connecté à la source de tension via la troisième résistance et à l’entrée du dispositif à résistance variable via la quatrième résistance, l’émetteur est connecté à une référence de tension, définissant le seuil, et la base est connectée au potentiel de pilotage via une cinquième résistance.

Selon une autre caractéristique, la référence de tension est réalisée au moyen d’une diode Zener, et le circuit comprend encore une connexion entre le drain du transistor à effet de champ et l’émetteur du deuxième transistor via une huitième résistance.

Selon une autre caractéristique, le circuit comprend encore une diode, interposée sur la connexion entre le drain et la charge, l’anode étant connectée au drain.

D’autres caractéristiques et avantages innovants de l’invention ressortiront à la lecture de la description ci-après, fournie à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 présente un schéma de principe du circuit selon un mode de réalisation de l’invention,

- la figure 2 présente un diagramme, tension en fonction du temps, illustrant l’effet de l’invention pour trois tensions indicatives.

Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.

La figure 1 présente un schéma de principe selon un mode de réalisation de l’invention. Le circuit 1 assure la protection contre une surtension. Il protège ainsi une charge L connectée à une source de tension V continue.

La source de tension continue peut-être de tout type. Selon un mode de réalisation, il s’agit d’un alternateur automobile équipé de son redresseur.

Pour réaliser la fonction de protection, le circuit 1 comprend un dispositif à résistance variable R. Ce dispositif R est connecté, en série, entre la source de tension V et la charge L. Le circuit 1 comprend encore un détecteur de surtension D apte à détecter une surtension, de manière à pouvoir activer le dispositif à résistance variable R pour qu’il présente une résistance croissante avec la surtension.

Ainsi, plus l’amplitude de la surtension est importante et plus la résistance opposée par le dispositif à résistance variable est importante. Cette résistance est proportionnelle à la valeur de la surtension, de telle manière à limiter la tension, telle que vue par la charge L, à une valeur maximale sensiblement constante et nettement plus faible que la valeur de la surtension.

Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif à résistance variable R comprend un transistor à effet de champ T1 et un moyen de commande apte à commander le transistor à effet de champ T1. Le moyen de commande est activé par le détecteur de surtension D, qui lui indique la présence d’une surtension et l’active selon une valeur proportionnelle à la surtension.

Selon un mode de réalisation, tel qu’illustré à la figure 1, le transistor à effet de champ T1 est à canal P, a sa source s connectée à la source de tension V, son drain d connecté à la charge L. Ainsi la tension Vds, entre le drain d et la source s du transistor à effet de champ T1, soit la tension vue par la charge L, est pilotée par un signal de commande appliqué à la grille g du transistor à effet de champ T1.

Cette grille g est connectée à la source de tension V via une première résistance R3, à la masse M via une deuxième résistance R6. Ces deux connexions permettent de polariser la grille g du transistor à effet de champ T1. Aussi, en l’absence de surtension, la tension de grille chute et le transistor à effet de champ T1 est saturé. Ceci ferme le transistor à effet de champ T1 afin de lui permettre de conduire, avec une résistance très faible ou négligeable, équivalente à une simple piste. En l’absence de surtension, la grille g n’est pas commandée par le moyen de commande.

La grille g est encore connectée à la sortie c2 du moyen de commande. Ceci permet au moyen de commande de modifier la résistance équivalente du transistor à effet de champ T1 en présence d’une surtension, en fonction de la valeur de la surtension.

Le moyen de commande comprend un premier transistor T2, de type PNP, dont le collecteur c2 est connecté à la grille g du transistor à effet de champ T1, l’émetteur e2 est connecté à la source de tension V et la base b2 est connectée à la source de tension V via une troisième résistance R1 en série avec une quatrième résistance R2 et à la sortie c3 du détecteur de surtension D via la quatrième résistance R2. De manière connue, la troisième résistance R1 et la quatrième résistance R2 assurent la polarisation du premier transistor T2.

En l’absence de surtension, le premier transistor T2 est dans un état bloqué. Il n’influe pas sur la grille g du transistor à effet de champ T1. En présence d’une surtension, le premier transistor T2 passe dans un état linéaire, et ce, proportionnellement à la valeur de la surtension. Aussi le premier transistor T2 module la tension de grille Vgs (tension entre grille g et source s) proportionnellement à la surtension. Il s’ensuit que le transistor à effet de champ T1 présente une résistance équivalente Rds (entre drain d et source s) proportionnelle à la surtension.

Le détecteur de surtension D comprend un pont de résistance R4, R5 permettant de déterminer un potentiel de pilotage Vnodal. Ce potentiel Vnodal est indicatif d’un potentiel en sortie d du dispositif à résistance variable R. Le potentiel de pilotage V nodal est obtenu en connectant à la sortie d du dispositif à résistance variable R via une sixième résistance R4 et en connectant à la masse M via une septième résistance R5.

Le détecteur de surtension D a pour fonction de détecter une surtension. Pour cela il comprend un comparateur, apte à comparer le potentiel de pilotage V nodal avec un seuil. Si V nodal est inférieur audit seuil, il est constaté une absence de surtension. Si V nodal est supérieur ou égal audit seuil, une surtension est présente et détectée.

Le comparateur est réalisé par un deuxième transistor T3, de type NPN, dont le collecteur c3 est connecté à la source de tension V via la troisième résistance R1 et à l’entrée b2 du dispositif à résistance variable R via la quatrième résistance R2, l’émetteur e3 est connecté à une référence de tension V REF, définissant le seuil, et la base b3 est connectée au potentiel de pilotage V nodal via une cinquième résistance R7. La résistance R7 assure de manière connue la polarisation du deuxième transistor T3.

Le deuxième transistor T3 compare le potentiel V nodal à une somme de la tension Vbe(T3) (tension base b3 émetteur e3 du deuxième transistor T3) et de la tension de référence V REF. Tant que V nodal est inférieur à Vbe + V REF, indicatif d’une absence de surtension, le deuxième transistor T3 reste bloqué. Lorsque V nodal est supérieur ou égal à Vbe + V REF, indicatif de la présence d’une surtension, le deuxième transistor T3 passe en régime linéaire. Ce faisant, il active le moyen de commande en polarisant le premier transistor T2.

La référence de tension V REF peut être réalisée par tout moyen, par exemple au moyen d’une source de tension, telle une alimentation. Selon un mode de réalisation avantageux, la référence de tension V REF est alternativement réalisée au moyen d’une diode Zener. Dans ce cas, le circuit 1 comprend encore une connexion (non représentée) entre le drain d du transistor à effet de champ T1 et l’émetteur e3 du deuxième transistor T3 via une huitième résistance.

Selon un mode de réalisation optionnel, une diode D1 est avantageusement interposée sur la connexion entre le drain d et la charge L, l’anode étant connectée au drain d. Cette diode D1 a pour fonction de protéger contre une inversion de polarité. Elle est fortement conseillée du fait de la forte sensibilité aux inversions de polarité du transistor à effet de champ T1.

Les condensateurs sont optionnels. Le condensateur C1 a pour fonction de découpler la deuxième résistance R6. Le condensateur C2 a pour fonction de filtrer la tension de sortie.

A titre indicatif, une nomenclature du circuit 1 peut être la suivante :

T1 :FQB34P10TM_F085

T2 :BCX42

T3 :BCX41

R1 : 4,7kQ

R2 : 4,7kQ

R3:100kQ

R4 : 100kQ

R5 :220kQ

R6 :20kQ

R7:1kQ

C1 :100nF

C2 :47,1pF

Il résulte du circuit 1 tel que précédemment décrit, que la tension maximale vue par la charge L est au plus égale à la somme de la chute de tension VR4 aux bornes de la sixième résistance R4, de la tension Vbe base b3 émetteur e3 du deuxième transistor T3 et de la tension de référence V REF, soit VR4 + Vbe(T3) + V REF.

La figure 2 présente sur un diagramme comparatif en fonction du temps en abscisse, trois courbes de tension. Une première courbe est la source de tension V. Il peut être vu que lors de la déconnexion de la batterie, l’alternateur peut causer une surtension pouvant atteindre une valeur très importante, telle qu’ici 113,5 V. Une deuxième courbe est la tension Vds aux bornes drain et source du transistor à effet de champ T1, si la chute de tension est apportée par le transistor à effet de champ T1. Il peut être vu que sa forme suit directement la forme de la courbe V précédente. Une troisième courbe est la tension V L au niveau de la charge L qui résulte sensiblement de la différence entre les deux courbes précédentes. La charge L voit une tension maximale sensiblement constante et limitée à une valeur sensiblement égale à 24V, alors que la surtension s’élevait à 113V.

L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que la personne de l’art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention, en associant par exemple les différentes caractéristiques ci-dessus prises seules ou en combinaison, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Circuit (1) de protection contre une surtension pour une charge (L) connectée à une source de tension (V) continue, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif à résistance variable (R), connecté entre la source de tension (V) et ia charge (L), et un détecteur de surtension (D) apte à détecter une surtension et à activer le dispositif à résistance variable (R) pour qu’il présente une résistance croissante avec la surtension.
2. 2. Circuit (1) selon la revendication 1, où le dispositif à résistance variable (R) comprend un transistor à effet de champ (T1) et un moyen de commande apte à commander le transistor à effet de champ (T1) lorsque le moyen de commande est activé par le détecteur de surtension (D).
3. 3. Circuit (1) selon la revendication 2, où le transistor à effet de champ (T1) est à canal P, a sa source (s) connectée à la source de tension (V), son drain (d) connecté à la charge (L) et sa grille (g) connectée à la source de tension (V) via une première résistance (R3), à la masse (M) via une deuxième résistance (R6) et à ia sortie (c2) du moyen de commande.
4. 4. Circuit (1) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, où le moyen de commande comprend un premier transistor (T2), de type PNP, dont ie collecteur (c2) est connecté à la grille (g) du transistor à effet de champ (T1), l’émetteur (e2) est connecté à la source de tension (V) et la base (b2) est connectée à la source de tension (V) via une troisième résistance (R1) en série avec une quatrième résistance (R2) et à la sortie (c3) du détecteur de surtension (D) via la quatrième résistance (R2).
5. 5. Circuit (1) selon la revendication 1, où le détecteur de surtension (D) est apte à détecter une surtension lorsqu’un potentiel de pilotage (V_nodal) indicatif d’un potentiel en sortie (d) du dispositif à résistance variable (R) est supérieur à un seuil.
6. 6. Circuit (1) selon la revendications, où le potentiel de pilotage (V_nodal) est connecté à la sortie (d) du dispositif à résistance variable (R) via une sixième résistance (R4) et connecté à la masse (M) via une septième résistance (R5).
7. 7. Circuit (1) selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, où le détecteur de surtension (D) comprend un deuxième transistor (T3), de type NPN, dont ie collecteur (c3) est connecté à la source de tension (V) via la troisième résistance (R1) et à l’entrée (b2) du dispositif à résistance variable (R) via la quatrième résistance (R2), l’émetteur (e3) est connecté à une référence de tension (V_REF), définissant le seuil, et la base (b3) est connectée au potentiel de pilotage (V_nodal) via une cinquième résistance (R7).
8. 8. Circuit (1) selon la revendication 7, où la référence de tension (V_REF) est réalisée au moyen d’une diode de type Zener, et le circuit (1) comprend encore une connexion entre !e drain (d) du transistor à effet de champ (T1) et l’émetteur (e3) du deuxième transistor (T3) via une huitième résistance.
9. 9. Circuit (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant encore une diode (D1), interposée sur la connexion entre le drain (d) et la charge (L), l’anode 5 étant connectée au drain (d).