Brevet FR2130210A1 — publié le 19721103

Cette invention se rapporte aux circuits électroniques et, plus particulièrement, aux commutateurs statiques et à leurs circuits associés. L'intérêt s'est récemment manifesté dans le remplacement des ^ disjoncteurs thermiques par des éléments de commutation statique pour les dispositifs de protection des ensembles électriques de puissance. Cet intérêt s'est le plus vivement manifesté dans le domaine des dispositifs électriques aéronautiques pour lesquels la fiabilité des éléments statiques, alliée à d'autres avantages, 10 sont particulièrement appréciés. On se référera par exemple à la demande de brevet américain n° 92.34-8 de la demanderesse. -Le type de circuit décrit dans cette demande ne possède pas de possibilité inhérente de limitation de courant, et par suite il est utilisable seulement entre l'état complètement bloqué et l'état complè-15 tement passant. Un des rôles souhaitables des circuits de disjonction, soit statiques soit électromécaniques, est de protéger le câblage du dispositif, dans le cas de défauts et de surcharges. Le comportement des cables, vis-à-vis de l'intensité dépend non seulement de 20 la valeur du courant, mais aussi de la période de temps pendant lequel ce courant est présent. Cette caractéristique est souvent p exprimée sous forme d'une valeur de I T, dans laquelle I représente le courant dans le circuit de charge, et T le temps de commu- p tation. Par exemple, pour une valeur de 4000 ampères x secondes 25 qui est une valeur typique pour un fil de jauge 22 (0,64 mm de diamètre) tout courant donné, (par exemple 20 ampères) supérieur à la capacité statique du fil (5,5 ampères) pour le fil de jauge 22 doit être stoppé avant un intervalle de temps fixé (10 secondes) o O 30 Le facteur I T est particulièrement important dans les dis positifs de puissance en aéronautique, pour lesquels il est très important d'utiliser le câble le plus léger possible. Il est également très souhaitable de ne pas couper un circuit de charge prématurément ou sans nécessité. Par suite, des moyens sensibles 35 à la valeur I2T, lorsque cette valeur atteint la limite imposée par le fijt, sont nécessaires. Dans le passé, des disjoncteurs thermiques ont pu être choisis pour approximer de façon précise 72 08831 2 2130210 les caractéristiques en du fil. Pour des interrupteurs statiques, il est nécessaire de disposer de moyens qui réalisent électroniquement cette fonction. Si un calculateur électronique direct utilisant une forme 5 quelconque de multiplieur éta i1-. réalisé pour calculer le temps p p I T et donner un signal de déc- mchement avant que la valeur I T correspondant au fil soit atteinte, il serait assez complexe et, par suite, relativement coûteux d'obtenir la fiabilité nécessaire, 2 La valeur I T mentionnée jusqu'ici est en fait l'intégrale de p 10 I dt. Par suite, il serait nécessaire d'utiliser un multiplieur ou un circuit d'élévation au carré pour calculer le produit de I par I et ensuite un intégrateur pour obtenir l'intégrale de ce produit par rapport au temps t. Des types variés de circuits de retard sont également connus 15 et utilisés dans la technique des circuits électroniques pour diverses fonctions de protection. Cependant, ces schémas de protection ne s'identifient pas au comportement réel de tenue en puissance du système et, par suite, ils doivent être construits avec une grande marge de sécurité dans certaines conditions de fonc-20 tionnement pour conserver une marge de sécurité minimale dans d'autres cas. L'objectif de la présente invention est un circuit électronique utilisant des composants à état solide qui, dans un arrangement relativement simple d'étages arithmétiques et d'un intégra-25 teur, et sans nécessiter de multiplieur, fournit une appro^ima- p tion utilisable en pratique de la quantité I T correspondant à un conducteur de transport de courant„ L'invention réside dans un appareillage électronique destiné à la production d'un signal indiquant qu'un courant traversant 50 un conducteur a duré pendant un temps mettant en danger la sécurité de la charge et comprenant : des moyens pour créer un premier signal ave-c un paramètre d'amplitude proportionnel à l'amplitude du courant dans la charge, des moyens pour ajouter ce premier signal à un second signal de référence de signe opposé au 35 premier et d'amplitude proportionnelle à la capacité en courant permanent de la charge, afin de créer un signal de différence, des moyens pour intégrer le signal de différence en fonction du 72 08831 Ï 2130210 temps pour créer un signal intégré, des moyens pour additionner algébriquement un troisième signal de référence de signe opposé audit premier signal et d'amplitude proportionnelle aux possibilités maximales en courant de la charge, au signal intégré et au 5 premier signal, e^ des moyens qui, en réponse à cette somme algébrique, produisent un signal de déclenchement lorsque cette somme est nulle o- du même signe que ladite première tension» L'invention sera mieux comprise en se référant à la description suivante d'une forme préférentielle donnée à titre d'exemple 10 et aux dessins d'accompagnements, dans lesquels : La f3 g o 1 est un schéma de principe sous forme de blocs fonctionnels d'une forme de la présente invention ; la figj 2 est un schéma de principe d'un exemple plus précis de la présente invention ; et, 1 5 la fig. 3 est un ensemble de courbes illustrant les perfor mances d'un circuit utilisant les enseignements de la présente invention, comparés avec les performances de dispositifs conformes à la technique antérieure. En se référant à la fig. 1, on voit la conception générale 20 de l'appareillage conforme à la présente invention,. Des moyens 10 sont prévus pour développer un signal électrique X qui est proportionnel au courant de charge. La description va se référer principalement à des signaux de fonctionnement qui sont des tensions, bien que la description puisse également, être faite en 25 utilisant un autre paramètre tel qu'un courant. Les moyens 10 incorporent une source de signal 12 qui développe un signal à partir du courant de charge. La source de signal 12 est fonction du type de puissance dans le circuit de charge. Far exemple, un shunt résistif peut être utilisé dans 30 un circuit à courant continu, et un transform•teur de courant (CT) peut être utilisé dans les circuits à courant alternatif. Le signal provenant de la source ^2 est traité par es moyens 14 constitués par exemple par un amplificateur dans le cas de courant continu, ou une forme quelconque de convertisseur alternatif-35 continu, pour produire une tension X. Une source de tension de référence 16 fournit une tension continue C de polarité opposée à X qui est soustraite de la tension X au point de sommation 18 72 08831 * 2130210 pour produire un nouveau signal (X - G). La tension C est proportionnelle au couraixt maximal dans la charge en régime permanent. Durant le temps T pendant lequel ce signal de différence est positif, avec X positif, il est intégré dans l'intégrateur 20 qui a 5 un gain arbitrairement désigné par 1/A, A étant exprimé en secondes. Le signal de sortie de l'intégrateur, 1/A (X - C)T est additionné au point de sommation 22, à la quantité initiale X, et à une tension B de polarité opposée à X, fourni par la tens.i on de référence 24. La tension B est proportionnelle au courant maxi-10 mal absolu dans la charge qui correspond à un délai T trop faible pour pouvoir bloquer le commutateur avant la destruction de la charge. Le signal résultant : 1/A (X - 0) T + X - B est appliqué à un amplificateur de signal de déclenchement 26 qui 15 est sensible à tout signal positif ou nul, et délivre un signal de déclenchement, c'est-à-dire lorsque 1/A (X- C) T + X - B > 0 D'après ceci, on peut voir qu'un, signal de déclenchement est produit lorsque ^0 T ^ » expression dans laquelle T eat le temps nécessaire pour produire le signal de déclenchement après l'apparition d'un certain courant de charge; X, B et C sont les tensions aux points indiqués sur le schéma 25 cLe la fig. 1 ; et A est l'inverse du gain de l'intégrateur 20. P D'une manière idéale, Œ devrait être égal à D/X , D étant une p constante proportionnelle à la limite souhaitée pour I T. On peut montrer que le signal obtenu par le circuit de la fig. 1 fournit 30 une approximation précise de cette condition quand X est plus grand que C et plus petit que Be En se référant à la fig. 2, on voit un schéma de principe plus détaillé d'un circuit qui est indiqué à titre d'exemple et qui est conforme au type général représenté sur la fig» 1. Des 55 portions de la fig. 2 sont identifiées par les mêmes références numériques que les éléments correspondants de la fig» 1, lorsque ceci est possible. Le circuit de la fig» 2 est un circuit de déclenchement à courant continu qui possède des moyens 10 pour injecter au point 18 un cmrant qui présente une première composante 72 08831 5 2130210 venant du conducteur 31 et proportionnelle au courant dans la charge, La tension appliquée par le conducteur 31 est celle désignée par X dans la description de la fig. 1. Par commodité, X est en 5 fait line tension négative par rapport à la ligne 700 Les moyens 10 comprennent un shunt à courant continu 12 placé sur la ligne d'alimentation 32 entre l'alimentation à courant continu 71, et le commutateur de puissance statique 72. Le shunt continu 12 fournit un signal dépendant du courant aux étages uti-10 lisant des amplificateurs opérationnels 14A et 14B qui, respectivement, décalent le niveau'et amplifient le signal du shunt, en produisant ainsi le signal désiré X. Au point de sommation 18, le signal X est ajouté algébriquement à un courant de référence positive, obtenu à travers une ré-sistance élevée 34-» à partir de l'alimentation 32 (correspondant aux moyens 16 de la fig. 1). Ce courant positif correspond à la tension de référence C introduite à propos de la fig. 1 et à partir de la source 16. Ainsi, le courant injecté au point 18, venant de 31 et 34, petit être désigné par X - G. En réalité, ce soit 20 deux courants traversant les résistances respectives 33 et 34 qui sont ajoutés au point 18 pour développer un signal (X - G) plutôt que des tensions. L'étage amplificateur opérationnel 20 est utilisé pour ajouter deux signaux de courant dans 18 et fonctionne également com-25 me tLn intégrateur synchronisé pour produire à sa sortie un signal correspondant à 1/A(X - C)T, expression dans laquelle 1/A est le gain de l'étage 20, et T est le temps pendant lequel X est supérieur à G. Les diodes 39 et 4-0 connectées comme l'indique la figure sont destinées à éviter que la sortie de l'étage d'intégra-30 tion 20 ne devienne trop fortement négative. Les résistances 35 et 54 et les diodes 36 et 37, èmpêchent le signal de devenir négatif. Si les résistances 54 et 35 sont choisies correctement, les courants à travers les diodes 36 et 37 seront égaux et la tension 35 au point 73 sera exactement zéro, à moins que le signal X n'excède la référence 0o Le signal X présent sur la ligne 74 est à nouveau combiné 72 08831 6 2i30210 avec un signal correspondant à la tension de référence désigné par B et provenant de la source 24c Sur la fig. 1, la tension au point 75 provenant des courants à travefs les résistances 4-3 et 56 peut être considérée comme la quantité B - X. 5 Un étage amplificateur opérationnel final 26 reçoit comme en trées, la sortie de l'intégrateur 1/A (X - 0)1, et la quantité B - X. Ces entrées multijies sont comparées par l'amplificateur opérationnel 26 de façon à produire un signal de déclenchement lorsque 1/A (X - C)T est plus grand que B - X. 10 Le signal de déclenchement produit par l'élément 26 est appli qué, en général à travers un circuit de commande 80 arrêt-marche intermédiaire, au commutateur de puissance 72 afin de le bloquer. Le cadre défini par la ligne pointillée et identifié par le numéro 85 sur la fig. 2, entoure les éléments du circuit qui cor-15 respondent fonctionnellement au point de sommation 22 et à l'amplificateur 26 de la fig. 1, lesquels sont également encadrés par la cadre 85. La fonction de sommation de la fig. 2 est obtenue partiellement en dehors de l'amplificateur 26 pour développer un signal B - X au point 75 et, partiellement, dans l'amplificateur 20 opérationnel 26 dont le point 75 est relié à sa borne d'entrée positive alors que le signal intégré venant du point 73 est appliqué à sa borne d'entrée négative» Le circuit de la fig. 2 est essentiellement un exemple qui est susceptible d'être modifié considérablement par l'utilisation 25 de composants et de techniques de conception de circuits connus. La forme de la fig Le tableau suivant est une énumération plus complète des composants à utiliser dans le circuit particulier de la fig. 2 avec 35 l'identification et la valeur de ces composants. 10 15 20 25 30 35 72 08831 Amplificateurs opérationnels 14A, 14B, 20 et 26 Diodes 36,37,38,3° et 4-0 D.? ode Zener 4-1 Diode Zener 4-2 Résistance 34 Résistances 35 et 4-3 Résistances 33 et 44 Résistance? 4-5 et 46 Résistance 47 Résistance 48 Résistances 49 et 50 Résistance 51 Résistance 52 Résistance 53 Résistance 54 Résistance 55 Résistance 56 Résistance 57 Condensateur 58 Transistor 59 Source de puissance 60 7 2130210 Type 741 (Fai rchild A741 ou amplificateur opérationnel à hautes performances équivalent) 1N914 Tension de Zener 12v Tension de Zener 6,4, coefficient de température nul 8,2 M. ohms 16 K. ohms 430 K. ohms 10 K. ohms 1,25 K. ohms 1 K. Ohms 11 K. ohms 2 K. ohms 1.6 K. ohms 12 k. ohms 2.7 K.ohms 5,1 K.ohms 7,5 K.ohms 2 K. ohms variable 1 microfarad 2N4928 +28 v. continu nominal La résistance 48, la diode 38, la diode Zener 41 et le transistor fMP 59 constituent une alimentation isolée de la masse pour les amplificateurs opérationnels et les éléments associés et permet le fonctionnement dans une gamme allant, pour cet exemple, de 11 volts à 80 volts pour la tension d'alimentation continue, sans dégradation des performances. Les circuits décrits dans l'exemple précédent ont été réalisés et ont fonctionné avec succès. La fig. 3 représente les résultats obtenus, le courant (exprimé sous forme de multiples du courant nominal permanent) étant représenté en fonction du retard au déclenchement exprimé, en secondes, sur une échelle bi.logarithmi- 72 08831 8 2130210 que. La courbe A correspond au circuit décrit sur la fig. 2„ La courbe B est une courbe représentant la relation I2T = 10 (unités O d'intensité x secondes), l'unité d'intensité (PU) correspondant à 100 % du courant nominale La valeur de 10 choisie pour I2T, est ^ une valeur arbitraire prise comme niveau de protection pour un fil donné. Les courbes A et B montrent une bonne similitude dans une gamme considérable allant d'environ 1FU à 10 PU, ce qui est une gamme souhaitable pour la protection du câblage dans un avion, En comparaison, les courbes C et D sont données pour indiquer les limites de performances de disjoncteurs thermiques typiques dans la gamme de température rencontrée sur un avion. La courbe E est une caractéristique typique pour un fil réel (fil de jauge 22). Cette caractéristique tirée de tables est déterminée par la dimension du fil et la nature de son isolement et représente le ni-15 veau pour lequel un dommage réel peut être constaté„ En opposition au disjoncteur thermique, les circuits conformes à l'invention sont essentiellement insensibles aux changements de températures et aux vibrations. Si des composants de haute qualité (de faible dérive en température) sont utilisés, le 20 circuit va conserver à plus ou moins 10 % près les caractéristiques figurant sur la courbe A, pour toutes les températures à l'intérieur de la gamme mentionnée plus haut. 72 08831 9 2130210 REVENDICATIONS 1. Appareil électronique destiné à la production d'un signal indiquant que le courant traversant un conducteur a duré pendant un temps dangereux pour la charge, caractérisé par des moyens de 5 génération d'un premier signal ayant un paramètre d'amplitude proportionnel à l'amplitude du courant dans la charge, de moyens d'addition de ce premier signal à un second signal de référence de signe opposé au premier et d'amplitude proportionnelle à la capacité en courant permanent de la charge, afin de créer un si-10 gnal de différence, de moyens d'intégration de ce signal de différence en fonction du temps qui engendrent un signal intégré, de moyens pour ajouter algébriquement un troisième signal de référence de signe opposé audit premier signal d'amplitude proportionnelle aux possibilités maximales en courant de la charge, au 15 signal intégré et au premier signal, et de moyens qui, en réponse à cette somme algébrique, produisent un signal de déclenchement lorsque cette somme est nulle ou du même signe que ladite première tension. 2. Appareil électronique selon la revendication 1, caractéri-20 sé par le fait que les moyens cités comprennent des éléments de circuit électroniques actifs qui sont tous à état solide.