Brevet FR2026035A1 — publié le 19700911

La présente invention est applicable. en particulier au domaine de la commande de température dans lequel on utilise une énergie électrique pour le chauffa2.e, par exemple dans des appa refile ménagers et dans des bâtiments. L'invention concerne un appareil e commande, notamment un appareil de commande de température. L'appareil de commande selon l'invention utilise lui-même une très faible quantité d'énergie électrique et ne donne lieu, par consséquent, qu'a un faible échauffement interne. L'appareil est en outre capable de commander un dispositif ae commutation du type transistorisé au passage à zéro, ou à proximité de ce passage, de la tension alternative appliquée et ne produit pas, par conséquent, d'interférences haue-fréquence appréciables. L'appareil comporte également un dispositif pour obtenir un signal différentiel fixe et prédéterminé.L'appareil selon l'invention comporte un élément de aétec- tion de température branché dans un pont et un circuit amplificateur différentiel dans lequel les courant.s de sortie de l'amplificateur sont comparés dans un circuit ae commutation sensible de façon à pouvoir effectuer une détermination de valeur lorsque le dispositif électrique ae commande de charge qui lui est associé est excité. La commande opérée par le circuit à pont et par le comparateur e courant doitl'être très tôt dans le cycle de la tension alternative appliquée, du fait que le circuit à pont est branché en parallèle avec une diode à quatre couches du type à tension de claquage.Si la commande d'excitation de la charge est opérée avant que la diode à quatre couches soit conductrice, la charge est excitée. Si le pont n'est pas suffisamment déséqullibré avant que la tension de claquage de la diode à quatre couches soit atteinte, cette diode court-circuite le pont en vue de la compensation de la demi-onde alternative appliquée et attend le début du cycle suivant pendant lequel une commande est opérée pour exciter ou non la charge. Le dispositif à diode à quatre couches limite également la tension appliquée à un con^.ensateur qui coopère avec l'une des branches du circuit à pont pour introduire un signal différentiel dans l'appareil à chaque fois que ce dernier est actif. La diode à quatre couches fait en sorte que la charge du condensateur soit efficace et par conséquent que le signal différentiel marche-ar- rêt appliqué à la commande de l'appareil soit efficace. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, ounee à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - fig. 1 est u schéma du circuit ae l'ensemble de l'ap pareil e commande de température selon l'invention; - fig. - et 3 re résentent deux fcrmes d'ondes montrant l'influence de la diode à quatre couches sur le circuit à pont, et - fig. 4 est une variante du circuit d'excitation du circuit à pont. Sur la fig. 1, on a représenté un schéma de circuit complet d'un appareil de commande selon l'invention se présentant sous forme d'un appareil de commande de température. Une tension alternative classique de 120 volts à 6G périodes est fournie à des conducteurs 10 et 11 de manière à exciter une charge l2, par exemple un appareil électrique de chauffage, et pour alimenter l'appareil de commande désigné dans son ensemble par la référence 14. L'appareil de commande 14 est relié au conducteur 10 par l'intermédiaire d'une diode 15, d'une résistance 10 et du conducteur 11. Un pont de wheatstone de type classique est branché entre les bornes d'entrée 20 et 21 par l'@ntermédiaire des résistances 22 et 23, en même temps que la résistance 24 et une résistance de détection variable 2@. La résistance de détection variable 25 est représentée sous forme d'un élément à coefficient po sitif de température (résistance CTP).Le détecteur c5 est soumis à la température ambia te régnant dans un espace dont la température doit etre rélée à l'aide de la charge 12. Les résistances variables 22 et 23 sont utilisées pour régler le point d'équilibrage du pont et pour assurer son équilibrage dans des conditions normales.Les résistances 22 et 23 comportent une jonction commune 2@ qui forme une sortie du pont tandis que la résistance 24 et le détecteur 2@ comportent un point -e jonction commun Li ui constitue l'autre sortie du pont Un amplificateur différentiel, dési@ne par 30, est branché entre les bornes @'ertrées 20 et 21, L'amplificateur différentiel 30 est forme de quatre transistors accouplés par paires. Chaque paire est l'équivalent d'un transistor unique de type PNP. On a représenté un dispositif de forme intégrée mais, dans le cas d'une structure à éléments discrets, un seul transistor serait utilisé pour chaque moitié de l'amplificateur différentiel.Les deux transistors équivalents de type PNP ont été désignés par x 1 et 5 2 et comportent une connexion commune d'émet- teur 31 reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 32, à une jonction 29 en même temps que la onction 20. Le transistor Q 1 comporte une base 33 qui est reliée à la Jonction 26 tandis que le transistor Q 2 compor-e une base 34 reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 35, à la jonction 27. Le transistor Q 1 comporte un émetteur 36 et le transistor Q 2 un émetteur 37. On a décrit plus haut un circuit classique à amplificateur différentiel et à pont et on voit que, lorsque le pont est équilibré, les courants passant dans les émetteurs 36 et 37 sont essentiellement égaux. Lorsque le pont est déséquilibré, la différence entre les courants d'émetteur 36 et 37 est utilisée pour exciter l'appareil e commande, comme cela sera précisé dans la suite. L'émetteur 36 est relié par un conducteur 38 à un transistor Q 3 dont la base et le collecteur sont court-circuités de façon à former un circuit équivalent à une diode polarisée dans le sens direct. L'émetteur 40 est relié à une jonction 41 qui est commune à la jonction 21. L'émetteur 37 du transistor Q 2 est relié par un conducteur 42 à une jonction 43. La Jonction 43 est reliée à un transistor Q 4. Le transistor 4 4 est relié par sa base à une jonction 44 qui est commune au conducteur 38 et au collecteur du transistor Q 3. L'émetteur du transistor Q 4 est relié par un conducteur 45 à la jonction 41.Le courant passant dans le conducteur 42 a été désigné par I2 et le- courant s'écoulant entre la Jonction 43 et le transistor Q 4 par 13. Ces courants interviendront dans l'explication du fonctionnement du circuit qui sera faite dans la suite. La base d'un transistor Q 5 est reliée à la Jonction 43 par le conducteur 50. Le transistor Q 5 ,est relié par son collecteur à une Jonction 51 qui est elle-même connectée, par un conducteur 52 et une résistance 53, à la Jonction 44 du transistor Q 3 (diode). Le conducteur 52 et la résistance 53 établissent une boucle de réaction positive pour le transistor Q 5 de manière à le transformer en un circuit de régénération qui assure une fonction de commutation au lieu d'une modulation. La Jonction 51 est également reliée à un conducteur 54 et une résistance 55 qui sont connectés à la Jonction 29 à l'aide d'un conducteur 5b.L'émet teur du transistor Q 5 est relié, par un conducteur 57 et par l'intermédiaire d'une résistance 58, au conducteur 11. La résistance 58 constitue une résistance de polarisation pour un redresseur commandé au silicium 60 dont la cathode 61 est reliée au conducteur ll tandis que son anode 62 est connectée à un conducteur 63 lui-même relié È la charge 12 par un conducteur 64. Lorsque le redresseur 60 est conducteur, la charge 12 reçoit une demi-onde du courant d'excitation du fait qu'elle est effectivement branchée directement entre les conducteurs 10 et 11. Pour compléter les éléments nécessaires au fonctionnement du circuit, il est prévu une diode à quatre couches 65 branchée par l'intermédiaire des conducteurs 66 et 67 entre les Jonc- tions 41 et 29. La diode à quatre couches 65 est une diode à tension de claquage qui peut agir en circuit ouvert jusqu'à ce que la tension atteigne une certaine valeur de claquage, pour laquelle la diode devient conductrice avec une très faible chute de tension. On peut.par exemple utiliser une diode à quatre couches présentant une tension de claquage de 7,5 volts, cette diode donnant lieu, lorsqu'elle devient conductrice, à une chute de tension d'environ 0,8 volt.. I1 est également prévu dansl'apparçiI de commande 14 un condensateur 70 et une résistance 71 qui sont reliés en séries cette combinaisQn-série étant branchée aux bornes de la résistance 24. La jonction 72 entre le condensateur 70 et la résistance 71. est reliée à un conducteur 73 connecté par l'intermédiaire d'une résistance 74 et d'une diode 75 à la jonction 51. Le condensateur 70 constitue, en coopération avec la résistance 74 et la diode 75, un circuit de transmission d'énergie qui est utilisé pour produire en signal différentiel pour l'appareil de commande. Son fonctionnement sera décrit dans la suite. Dans l'appareil le commande 14, un grand nombre d'éléments ont été entourés par une ligne en tirets 80 qui délimite ainsi un circuit intégré monolithique à six bornes. Dans un mode de réalisation de l'invention, le circuit intégré à six bornes comprend tous les éléments décrits qui sont réunis sur une seule pastille 80. L'ensemble du circuit peut être formé de composants discrets et classiques. agilement, le courant base-émetteur du transistor 4 5 a été désigné par I1 et il interviendra dans la description suivante du fonctionnement de l'appareil. Les fig..2 et 3 représentent deux séries de formes d'ondes correspondant à deux conditions différentes de fonctionnement. La fore d'onde de la fig. 2 correspond au cas où le pont est équilibre alors que la forme d'onde de la fi. 3 correspond au cas où le pont est déséquilibré dans un sens tel que les charges sont excites. La forme d'onde désignée par 81 sur les deux fi. 2 et 3 représente les tensions alternatives appliquées tandis que la forme d'onde de la fig. z représente la tension appa- raissant entre les jonctions 29 et 41 lorsque le pont est équilibré.La forme d'onde 83 de la fig. 5 représente la tension ar)- paraissant entre les Jonctions a, et 41 bisque le pont est déséquilibré à'un degré nécessaire pour exc-iter la charge li. On va maintenant décrire le fonctionnement de l'appareil de commande. Si on suppose que l'appareil de la fig. 1 est alimenté en courant alternatif par l'intermédiaire des conducteurs lu et ll et oue le détecteur 25 ne réagit pas de sorte que le pont est équilibré, l'amplificateur différentiel 30 est parcouru par des courants sensiblement égaux et s'écoulant par les émetteurs 36 et 37. Le comparateur de courant formé par les transistors Q 3 et Q 4 permet pratiquement à la totalité de courant I2 de passer dans le transistor Q 4, du fait que I3 est égal à Comme indiqué plus haut, lorsque cette condition existe, le courant Il passant dans le circuit base-émetteur dù transistor Q 5 est négligeable de sorte que. ce transistor n'est pas conducteur. Tant qu'il ne passe pratiquement aucun courant dans le transistor 5, aucun courant ne passe également dans la résistance 58 et le redresseur commandé au-silicium 60 reste bloqué en maintenant la désexcitation de la chare lt. Si la température au détecteur CP 25 diminue, le circuit à pont est déséquilibré et les courants en provenance des émetteurs 36 et 37 sont également déséquilibrés, le courant en provenance de l'émetteur 57 augmentant tandis que le courant en provenance de l'émetteur 5 diminue. Dans ces conditions, le courant 13 est inférieur au courant I, et il passe un courant entre la base et l'émetteur du transistor Q 5.Ce courant passe plutôt au cours du cycle de tension correspondant à la forme d'onde 81 du fait que la diode à quatre couches 65 permet à la tension entre les jonctions 2 et 41 de n'augmenter que jusqu'à une valeur d'environ 7,5 volts avant que la diode 65 devienne conductrice entre les Jonctions 29 et 41. bi le courant Il n'atteint pas une valeur suffisante pour rendre conducteur le transistor Q 5 avant que la diode à quatre couches 65 n'atteigne sa tension de claquage, le pont est court-circuite et le système attend le cycle suivant.Si le courant 11 augmente suffisamment pour rendre conducteur le transistor 4 5 avant que la tension de claquage de la diode 65 soit atteinte le transistor Q 5 devient conducteur. IL cause du circuit de contre-réaction qui; est formé par le conducteur 51 et par la résistance 53, il se produit un effet de régénération et le transistor Q 5 est commuté dans son état de conduction. La conduction brutale du transistor 4 5 provoque un appel de courant à partir de la borne 29, le courant passant dans la résistance 5, dans le conducteur 54 et également dans le condensateur 70, dans la résistance 74, dans la diode 75 de façon à charger le condensateur 70.L'augmentation brutale du courant passant dans la résistance 16 fait chuter momentanément la tension aux jonctions 29 et 41, comme indiaué en 84 sur la courbe de la figo 3. IL ce moment, le condensateur 70 commence à se charger et suit une courbe de charge classique 85 jusqu'à ce que la tension entre les jonctions 29 et 41 atteigne à nouveau la valeur de 7,5 volts au point 86 où la diode à quatre couches 65 redevient conduc-trice en court-circuitant le point. Puisque le transistor Q 5 est conducteur, une tension est produite aux bornes de la résistance 58 de façon à amorcer le redresseur comjandé au silicium 60 envue d'exciter la charge 12. il est à noter que la charge 12 est touJours excitée assez tôt au cours du cycle de tension ap piquée Lorsque le cycle de tension appliquée atteint le point 87 sur la courbe de la fig. 3 et change de direction, comme indiqué en 88 sur courbe, le condensateur 70 se décharge lentement dans un circuit à constante de temps relativement longue, comprenant la résistance 24 et la résistance 71. La décharge du condensateur 70 dans la résistance 24 crée dans le circuit en pont formé par les résistances 22, 23, 4 et du détecteur 25 une condition qui donne à la résistance 24 une valeur ohmique apparente supérieure à celle qu'elle a en réalité. Cette variation apparente de valeur ohmique de la résistance 24 crée dans le pont un déséquilibre dans une direction produisant un signal différentiel servant à exciter l'appareil de commande.Ceci signifie que, lorsque le cycle de tension appliquée atteint à nouveau le début d'une demi-onde positive 81, le pont-apparait encore plus désé- quilibré qu'il ne l'est en-realité. La tension de charge du con densateur 70 est constant indépendamment des variations de la tension de ligne ou d'autres paramètres puisque sa valeur de crête est limitée à la tension de claquage de la diode 65. De cette manière, le système conserve un signal différentiel constant, in dépendamment des variations de la tension de ligne ou d'autres conditions de marche. Àvec l'agencement précité, le comparateur de courant formé des transistors Q 3 et Q 4 fait en sorte que le transistor 4 5 fonctionne d'une manière efficace. La charge du condensateur 70 fait en sorte que l'appareil fonctionne avec un signal différentiel constant une fois que le transistor Q 5 est devenu conducteur et que le redresseur commandé au silicium 60 a été amorcé. Egalement, la diode 65 fait en sorte que 11 appareil réponde seulement au début de la forme d'onde appliquée et fonctionne d'une manière efficace à une tension établie par la sélection du point de claquage de la diode 65.Ces trois caractéristiques permettent d'obtenir finalement un appareil de commande sensible à une variable ou état d'un fonctionnement efficace et réagissant seulement à des variations de la variable ou de l'état à étudier. Sur la fig. 4, on a représenté une variante dans laquelle la diode 15 a été supprimée, un petit condensateur 90 étant branché en dérivation sur la résistance 16. Puisque 1'appa- reil est alimenté en courant alternatif, l',addition du conaensateur 90 provoque un déphasage de sorte que la tension appliquée à l'appareil de commande de température 14 est légèrement en avance de pose par comparaison à la tension appliquée à la charge 12 et au redresseur commandé au silicium 60. L'amorçage du redresseur 60 peut par conséquent être synchronisé avec le point de passageipar zéro de la tension alternative appliquée. L'équilibra ge de fonctionnement de l'appareil steffctue de la même manière que précédemment décrit. L'appareil selon l'invention peut être, utilisé pour tout type de commande en réponse à une variable ou un état mais il est applicable en particulier aux dispositifs de commande de température dans lesquels on fait intervenir un circuit à pont en vue d'établir un signal différentiel efficace indépendamment, des variations de la tension de ligne appliquée et dans lequel on utilise un dispositif de com-utation à l'état solide tel qu'un redresseur commandé au silicium à, ou à proximité du point d'annulation de phase pour éliminer les interférences haute fréquence. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes. RE\rLDICTIONS. l. Appareil de commande sensible à un état ou une variable, caractérisé en ce qu'il comprend un élément sensible audit état ou à ladite variable et produisant un courant de sortie différentiel lors d'une variation de ltétat ou de la variable, une source de tension périodiquement variable et un organe à tension de claquage reliés à l'élément sensible à l'état ou à la variable de manière à exciter le dit élément avant la mise en conduction de l'organe'à tension de claquage, un comparateur de cou rant. comportant des entrées recevant les dits courants de sortie différentiels ainsi que des sorties délivrant un courant de sortie de commande lorsque le dit élément sensible à ltétat ou à la variable détecte une variation, et un dispositif de commutation à réaction branché de façon à recevoir le dit courant de sortie de commande et agencé pour exciter une charge au début de la periode de variation de la dite source de tension en vue de rétablir ledit état. 2. Appareil de commande selon la revendication I, carao- térisé en ce que le dit élément sensible à un état ou une variable est un pont thermo-sensible et en ce que la variable est la température. 3. Appareil de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe à tension de claquage est une diode à quatre couches qui a pour fonction d'assurer le court-circuitage dudit élément sensible. 4. Appareil de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commutation à réaction est branché de façon å exciter un redresseur commandé au silicium. 5. Appareil de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément sensible à un état ou une variable comprend un organe d'emmagasinage d'énergie électrique branché entre la source de tension et le dispositif de commutation à réaction et en ce que le dit organe d'emmagasinage d'énergie est chargé lors d'une excitation du dispositif de commutation à réaction et déchargé dans ledit élément sensible de manière à établir une condition de marche différentielle pour l'appareil. 6 Appareil de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément sensible à un état ou une variable est un pont thermo-sensible comprenant plusieurs branches à impédance, en ce que la variable est la température et en ce qne l'organe d'emmagasinage d'énergie électrique est un condensateur se déchargeant dans une des branches du pont de façon a é- tablir une condition e marche différentielle pour le pont. 7. Appareil de commande selon la revendication @, caractérisé en ce que l'organe à tension de claquage est une diode à quatre couches. 8. appareil ae commande selon la revendication 1 ou 7, caractérisé en ce que le dispositif de commutation à réaction est un dispositif à transistor comprenant des moyens à réaction positive. 9. appareil de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de commutation à réaction est à transistor et est branché de façon à exciter un redresseur commande au silicium.