Brevet FR2077243A1 — publié le 19711022

La présente invention concerne le domaine des dispositifs de sécurité électriques dénommés généralement des interrupteurs pour mise accidentelle à la terre. Ges dispositifs, dont l'importance et l'utilisation croissent de plus en plus, sont conçus de 5 manière à détecter un déséquilibre des courants circulant dans les conducteurs alimentant une charge électrique. De tels déséquilibres peuvent provenir, par exemple, d'une mise accidentelle à la terre apparaissant dans le circuit de charge et permettant à une partie du courant d'effectuer son retour par 1'intermédiaire) re d'un trajet de terre externe. De tels dispositifs diffèrent de la plupart des dispositifs antérieurs fonctionnant en réponse à une mise à la terre accidentelle du fait qu'ils sont conçus de manière à protéger les êtres humains plutôt que des dispositifs électriques. Du fait que la circulation dans le corps humain d'un 15 courant sensiblement inférieur à un ampère peut être mortelle dans certaines circonstances, ces dispositifs sont conçus de manière à interrompre l'alimentation en énergie appliquée à une charge lorsque le déséquilibre est de l'ordre de quelques milli-ampères, cette valeur étant très inférieure aux valeurs de régla-20 ge en courant des relais à surcharge maximale ou des coupe-circuits à fusibles habituels. Les dispositifs qui ont été proposés jusqu'ici en tant qu'interrupteurs pour mise accidentelle à la terre utilisent comme dispositifs détecteurs un transformateur différentiel (ou ho-25 mopolaire). Pour les applications monophasées habituelles, comportant un conducteur de ligne et un conducteur de neutre, un tel transformateur doit comprendre deux enroulements primaires, dont l'un est connecté en série au conducteur de ligne et dont l'autre est connecté en série au conducteur de neutre. Ces enroulements 30 sont bobinés de telle façon qu'ils induisent des flux magnétiques égaux et opposés dans le noyau lorsque les courants circulant dans les deux conducteurs sont égaux. Cependant, lors d'un déséquilibre, il apparaît un flux résultant. Un enroulement secondaire monté sur le même noyau est excité par ce flux résultant et 35 son signal de sortie est utilisé pour déclencher le disjoncteur alimentant la charge. Bien quo les dispositifs antérieurs He soient avérés relativement utiles et aient constitué un perfectionnement important par rapport à tous les autres appareils connus jusqu'alors, ils 40 présentent également certains inconvénients auxquels il est BAD ORK5*NÂL 70 46950 2 2077243 souhaitable de remédier0 En premier lieu, du fait que la tension induite dans l'enroulement secondaire dépend de la vitesse de variation du flux, ils sont sensibles à la fréquence et leur fonctionnement est limité à une bande de fréquence particulière, par exem-5 pie de l'ordre de 60 Hz0 En second lieu, du fait qu'ils sont constitués par les transformateurs, des courants de fuite du type courant continu ne peuvent être détectés. En troisième lieu, ils sont sujets à des déienchements intempestifs provoqués par les courants transitoires. En quatrième lieu, un transformateur est 10 d'une manière inhérente massif ou pesant et encombrant. Par conséquent, l'invention a essentiellement pour but de permettre la réalisation d'un circuit perfectionné de détection des mises accidentelles à la terre. L'invention vise en outre à permettre la réalisation d'un circuit de ce type qui soit insen-15 sible à la fréquence, qui fonctionne pour des circuits en courant Continu, qui soit relativement insensible aux courants transitoires et qui soit petit et compact„ L'invention est matérialisée dans un circuit détecteur de mise à la terre accidentelle, caractérisé en ce qu'il comprend une 20 armature ou noyau présentant une certaine perméabilité magnétique et délimitant un entrefer, des premier et second enroulements bobinés sur ûe noyau et connectés en série aux différents conducteurs alimentant une charge à partir d'une source d'énergie électrique de manière à produire des flux magnétiques égaux et oppo-25 sés dans le noyau lorsque les courants circulant dans les conducteurs sont égaux, un dispositif à semi-conducteur fonctionnant en réponse au champ magnétique et placé à proximité immédiate de l'entrefer de manière à produire un signal de sortie en réponse au champ magnétique régnant dans cet entrefer, et un dispositif des-30 tiné à recevoir ce signal de sortie et à indiquer l'existence d'une mise à la terre accidentelle produisant le champ magnétique. La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention. 35 La figo 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation de l'invention,, La fig. 2 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation de l'invention. Les fig. 3 à 8 sont des représentations schématiques de 40 diverses configurations de noyaux pouvant être utilisées dans bad original 70 46950 3 2077243 11 invention^ La fig. 9 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation de l'invention. Les "buts de l'invention sont réalisés en remplaçant le 5 transformateur différentiel usuel par une armature ou un noyau magnétique comportant un entrefer dans lequel est logé un dispositif semi-conducteur sensible à la présence d'un champ magnétique, Un dispositif de ce type, que l'on peut trouver dans le commerce, utilise l'effet Hall. L'effet Hall consiste en la produc-10 tion d'une tension entre les "bords opposés d'un conducteur électrique parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique. Un dispositif à effet Hall peut comprendre une petite pastille ou une mince pellicule d'antimoniure d'indium, d^rséniure d'indium ou de silicium. Dans un tel dispositif, la tension de sortie ré-15 sultant de l'effet Hall est proportionnelle au produit du courant d'effet Hall et de la densité ou intensité du champ magnétique. Si l'on se réfère à la fig. 1, celle-ci représente un circuit pratique utilisant un dispositif à effet Hall. Le circuit visible sur la fig. 1 comprend des bornes d'entrée 10 et 12 con-20 nectées à des bornes de sortie 14- et 16 par l'intermédiaire d'un conducteur de ligne 18 et d'un conducteur de neutre 20. Les contacts 22 d'un disjoncteur 24 sont montés dans le conducteur de ligne 18 comme l'est un premier enroulement primaire 26. Un second enroulement primaire 28 est monté dans le conduc-25 teur de neutre 20. Les premier et second enroulements primaires sont bobinés dur une armature ou un noyau magnétique commun 30o Le noyau 30 constitue une boucle magnétique fermée à l'exception d'un petit entrefer dans lequel est monté un dispositif à effet Hall 32. Une source d'alimentation en énergie 34 est 30 excitée à partir des bornes d'entrée par l'intermédiaire de conducteurs 36 et 38, Elle fournit des signaux de sortie en courant continu sous plus et moins 12 volts et une sortie isolée sous 6 volts, La sortie isolée sous 6 volts applique le courant destiné à l'effet Hall au dispositif 32 par l'intermédiaire de conduc-35 teurs 40 et 42 et d'un potentiomètre de commande du courant 44, La sortie à plus et moins 12 volts alimente un amplificateur 46 par l'intermédiaire de conducteurs 48 et >0. La tension de sortie d'effet Hall provenant du dispositif à effet Hall 32 est appliquée à l'entrée de l'amplificateur 46 p§r l'intermédiaire 40 de conducteurs 52 et 54 ainsi que par l'intermédiaire d'un 70 46950 4 2077243 potentiomètre 56 de commande d'entrée de l'amplificateur. Le signal de sortie de l'amplificateur 46 est appliqué à la "bobine d'excitation ou d'actionnement 58 d'un interrupteur à lame 60 qui est monté en série avec une résistance de limitation du cou-5 rant 62 et une bobine de déclenchement 64 du disjoncteur 24. Un bouton d'essai 66 et une résistance de contrôle 68 sont connectés en série entre l'extrémité de sortie du conducteur 18 et l'extrémité d'entrée du conducteur 20 <> Les bornes d'entrée 10 et 12 peuvent être connectées soit 10 à une source de courant alternatif soit à une source de courant continu. Comme expliqué précédemment, les enroulements 26 et 28 sont montés de telle façon que lorsque le courant circulant dans le conducteur 18 est égal au courant circulant dans le conducteur 20, il n'apparaît aucun flux résultant dans le noyau 300 Cepen-15 dant, dans le cas d'une mise accidentelle à la terre apparaissant à proximité d'une charge 70 connectée au circuit, une partie du courant circulant à l'extérieur du conducteur 18 effectue son retour à la source d'énergie par l'intermédiaire de la terre. Le déséquilibre de courant résultant qui apparaît dans les enrou-20 lements 26 et 28 produit un flux résultant dans le noyau 30 et aux bornes du dispositif à effet Hall 32. Par conséquent, il apparaît, aux bornes du potentiomètre 56 de commande de l'entrée de l'amplificateur, une tension qui est fonction du produit de l'intensité du champ et du courant d'entrée du disposi-25 tif à effet Hall passant peur les conducteurs 40 et 42. Par conséquent, il s'avère que le potentiomètre 44 de commande du courant fonctionne comme un dispositif de réglage de la sensibilité. La tension appliquée aux bornes du potentiomètre 56 de commande d'entrée de l'amplificateur est amplifiée par cet amplificateur 30 46 à gain élevé et, lorsqu'elle atteint la valeur convenable, elle ferme l'interrupteur à lame 60, excitant ainsi la bobine de déclenchement 64 et déclenchant le disjoncteur 24 pour isoler ou déconnecter la charge 70. Pour contrôler le bon fonctionnement du circuit en l'absen— 35 ce d'une mise à la terre accidentelle, le bouton d'essai 66 peut être enfoncé de manière à court-circuiter ainsi une partie du courant circulant normalement dans l'enroulement primaire 28 de façon à créer un déséquilibre de courant et un flux résultant dans le noyau. 40 II apparaîtra à l'évidence pour les spécialistes qu'un à 70 469SÔ 5 2077243 certain nombre de variantes ou modifications peuvent être apportées à l'invention. Cependant, dans un circuit réel ôfcéalisé selon la fig. 1 et dans lequel le dispositif à effet Hall 32 était du type BH700 fabriqué par la Société E.W. Bell, Inc. de 5 Columbus (Ohio), les valeurs des divers éléments constitutifs étaient les suivantes : - potentiomètre 44 de commande du courant 1000 ohms - potentiomètre 56 de commande d'entrée de l'amplificateur 50000 ohms - résistance d'essai 68 18000 ohms (pour une tension d'entrée de 115 volts en courant alternatif) . - amplificateur 46 à gain élevé, du type BCA.:CA 3033 (deux exemplaires de cet amplificateur particulier étant nécessaires pour obtenir un gain convenable). 15 Si l'on se réfère maintenant à la fig. 2, celleci représen te une variante du circuit qui est fondamentalement similaire au circuit visible sur la fig. 1. Par conséquent, les éléments similaires à ceux visibles sur la fig. 1 ont reçu des références numériques correspondantes mais affectées d'un exposant primeo La 20 différence fondamentale entre le circuit visible sur la fig» 2 et celui visible sur la fig» 1 consiste en ce que le circuit visible sur la fig. 2 ne comporte pas d'interrupteur à lame destiné à actionner le disjoncteur 24. A sa place, il est prévu un redresseur commandé au silicium 94 qui est monté en série avec 25 la bobine de déclenchement 64* et une résistance de limitation du courant 96 aux bornes de la sortie sous 12 volts du circuit d'alimentation en énergie 34' 30 En plus de ces modifications du montage du circuit, l'arma ture ou noyau peut également être modifié de diverses façons. Quelques exemples ont été représentés sur les fig. 3 à 8. Sur la fig. 3, le noyau 72 comporte deux entrefers dont chacun est associé à un dispositif à effet Hall 74 et 75 de manière à élimi-35 ner l'effet des.champs magnétiques parasites ou de dispersion. La fig. 4 représente un noyau 76 qui est une modification d'un dispositif feuilleté présentant la forme d'un E, et un dispositif à effet Hall 77» La fig. 5 représente un noyau tojjoîdal coupé 78 associé à un seul dispositif à effet Hall 800 La figo 6 représen-40 te un noyau tofroïdal coupé 82 comportant deux entrefers et asso- bad original 70 46950 y* o î077243 cié à deux dispositifs à effet Hall 84 et 86. La fig. 7 représente un noyau et un dispositif-à effet Hall logés dans un boîtier convenable 85. La figb 8 représente un noyau 87 comportant des pièces polaires 88 et 90 conformés de manière à- augmenter 5 la sensibilité, un dispositif à effet Hall 92 étant monté entre eux. Si l'on se réfère à la fig.- 9» celle-ci représente un circuit qui constitue une autre" modification du circuit -visible sur la fig. 10 Lorsque cela était approprié, on a utilisé des référen-10 ces numériques similaires auxquelles on a associé un exposant seconde. La modification essentielle consiste en ce qu'au lieu d'utiliser un dispositif à effet Hall on emploie un transistor 98 à sensibilité magnétique dénommé communément "madistor". Un tel dispositif est similaire à un transistor à ceci près qu'il 15 comporte deux collecteurs. Lorsqu'il n'existe aucun champ magnétique, le courant provenant d'un circuit de polarisation circule de façon égale dans les deux collecteurs. Lorsqu'un champ magnétique est applicgué, ce dernier modifie le courant quittant l'émetteur en provoquant la circulation d'un courant ïtas élevé vers 20 l'un des collecteurs quemrs l'autre. Le madistor 98 est monté dans l'entrefer du noyau 30" ou à proximité immédiate de ce dernier. Lorsqu'on utilise un tel dispositif, la sortie de la source d'alimentation en énergie 100 n'a pas besoin d'être isolée0 La base du madistor 98 est mise à la terre par l'intermédiaire d'une 2 5 résistance 102* Le niveau du courant circulant dans le madistor est commandé par un trahsistor 104 dont la base est connectée à un diviseur de tension formé' par des résistances 106 et 108» Les circuits collecteurs-émetteurs du madistor 98 sont connectés aux bornes à -12 volts et à +12 volts de la source d'alimentation en 30 énergie 100 par l'intermédiaire de résistances de limitation du courant 110 et 112. Une résistance d'entrée 113 associée à l'amplificateur est connectée entre les deux collecteurs et a son point milieu mis à la terre et ses extrémités connectées aux entrées de l'amplificateur 46". En l'absence de tout champ magné-35 tique dans le noyau 30", les courants circulant dans les deux collecteurs sont é^aux et, par conséquent, aucune chute de tension n'apparaît aux bornes de la résistance 113 d'entrée de l'amplificateur. Cependant, en présence d'un champ magnétique, l'un des collecteurs supporte plus de courant que l'autre. Dans ces 40 conditions, une tension apparaît aux bornes de la résistance 113 bad ORIGNAL 70 46950 7 2077243 produisant un signal de sortie à partir de l'amplificateur 46" qui fonctionne de manière à actionner le commutateur ou interrupteur à lame 60" et le disjoncteur 24" comme précédemment décrit. 5 II sera évident pour les spécialistes qu'un certain nombre de variantes ou modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention. bad orfginal * 70 46950 ° 2077243 magnétique comprend un "madistor" c'est-à-dire un transistor sensible du point de vue magnétique. 9„ Circuit suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif destiné à recevoir le signal de sortie comprend 5 un disjoncteur associé à au moins l'un des conducteurs et comportant une bobine de déclenchement, et un dispositif d'interruption du courant monté en série avec la bobine du disjoncteur et pouvant être fermé en réponse à ce signal de sortie. 10. Circuit suivant la revendication 9» caractérisé en ce 10 que le dispositif d'interruption du courant est un interrupteur à lamé. 11. Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau délimite deux entrefers, un dispositif sensible au champ magnétique différent étant plaaé au voisinage de chacun de 15 ces entrefers. 12. Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau comprend des pièces polaires conformées de façon particulière au voisinage de cet entrefer de manière à y concentrer le champ magnétique. « bad original