Brevet FR2138377A1 — publié le 19730105

L'inventioa est relative aux circuits électroniques de commutation ; parmi ces circuits, l'invention vise ceux qui utilisent un transistor à effet de champ, c'est-à-dire un élément semiconducteur dont la conductance est commandée par un champ électrique transversal, perpendiculaire aux lignes de courant, dans la zone de la jonction unique N-P ou P-N. L'invention s'applique tout particulièrement à la commande d'un relais électrique. L'invention a notamment pour but de fournir un circuit de coma tation qui soit de structure simple, donc d'un prix de re vient faible, et qui présente une consommation de repos très faible, tout en permettant de commuter des puissances importantes. Un autre but de l'invention est de fournir un circuit de commutation qui, grâce à sa faible consommation de repos, ait une longue durée de vie autonome. Le circuit selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte un transistor à effet de champ-dont l'électrode de commande, ou grille, est propre à recevoir un signal d'entrée de commutation, dont une extrémité du canal est reliée à-une électrode de la jonction de commande, polarisée en conduction, d'un élément semi-conducteur à jonction de commande, et dont l'autre extrémité du canal est reliée à l'autre électrode de la jonction de commande de l'élément semi-conducteur, les liaisons étant réalisées directement ou à travers au moins une source continue de polarisation en blocage, le signal de sortie de commutation étant constitué ou défini par le courant de conduction à travers l'élément semL conducteur et l'ensemble étant tel qu'en l'absence de signal d'entrée, le canal du transistor à effet de champ, de faible résistance, et l'élément de polarisation en conduction de l'élément semi-conducteur bloquent la jonction de commande de l'élément semi-conducteur par une attaque en tension et que, lorsqu'un signal d'entrée est appliqué, l'élément semi-conducteur devient conducteur en étant attaqué en courant par l'élément de polarisation en conduction et par la grande résistance du canal. On comprendra bien l'invention à l'aide de la description qui suit, relative à divers modes d'application de l'invention, et en référence au dessin annexé dans lequel Fig. 1 est le schéma de base du circuit selon l'invention, établi avec des composants électroniques séparés Fig. 2 montre la réalisation de base du circuit selon l'in vention, établi sous forme intégrée par les techniques de la microélectronique ;; Fig. 3 montre le circuit selon l'invention utilisant un transistor bipolaire Fig. 4 montre le circuit selon l'invention utilisant un thyristor Fig. 5 montre le circuit selon l'invention, fonctionnant en monostable, dont la charge est dans la boucle de contre-réaction Fig. 6 montre le circuit selon l'invention, fonctionnant en monostable, dont la charge est hors de la boucle de contre réaction Fig. 7 montre le circuit selon l'invention, fonctionnant en bistable ou en amplificateur, dont la charge est dans la boucle de contre-réaction ; et Fig. 8 montre le circuit selon l'invention, fonctionnant en bistable ou en amplificateur dont la charge est hors de la boucle de contre-réaction. En se référant tout d'abord à la fig. 1, on va décrire l'agencement et le fonctionnement de base du circuit selon l'invention. Le circuit comporte un transistor à effet de champ 1 dont une électrode de liaison 2, c'est-à-dire l'une des extrémités du canal, attaque directement l'électrode de commande 3 d'un élément semi-conducteur 4 à jonction de commande 5. L'autre électrode de liaison 6 du transistor à effet de champ, c'est-à-dire l'autre extrémité du canal, attaque l'autre électrode 7 de la jonction de commande 5 de l'élément 4, soit directement comme montré en trait plein, soit à travers une source continue 8 de polarisation en blocage de l'élément 4 comme montré en traits interrompus. Par la suite, on admettra que l'électrode 7 est attaquée directement, mais il est entendu que, dans chaque réalisation, la source 8 de polarisation en blocage pourrait être interposée.D'ailleurs, la source 8 pourrait tout aussi bien être interposée entre les électrodes 2, 3. L'élément semi-conducteur 4 est polarisé en conduction par une source de courant ou par des résistances ; c'est ainsi qu'on a représenté à titre d'exemple une résistance 9 qui est montée entre une borne 10 de l'alimentation continue et l'électrode de commande 3. Le signal d'entrée commandant le circùit est une tension appliquée en E sur l'électrode de commande 11 du transistor à effet de champ, tandis que le signal de sortie est constitué ou défini par le courant qui traverse la branche de conduction 12 de l'élé- ment semi-conducteur 4. En fonctionnement, quand aucun signal n'est appliqué à la grille 11, le transistor à effet de champ 1 est saturé et son canal constitue une résistance faible de sorte que, dans le circuit diviseur de tension 9-1, le canal du transistor 1 courtcircuite la jonction 5 et que la tension sur l'électrode de commande 3 bloque la jonction 5 ; par suite, l'élément semi-conducteur 4 est bloqué. Seul passe le courant de saignée qui est très faible. Par contre, si le transistor 1 reçoit un signal de blocage approprié appliqué en E, sa résistance interne devient très grande et le circuit diviseur 9-1 équivaut à un générateur de courant qui rend l'élément 4 conducteur ; un courant passe donc dans la branche de conduction de ltélément 4 et constitue le signal de sortie, utilisé par exemple pour commander un relais.Quand le signal entrée cesse, le transistor 1 redevient saturé et bloque en tension l'élément 4 qu'il met ainsi au repos, ce qui fait disparaître le signal de sortie. D'après ce qui précède, on voit que le transistor à effet de champ t est utilisé en résistance variable dans un diviseur de tension et que l'élément 4 est commandé en tension pour le blocage et en courant pour la conduction. Sn l'absence de signal d'entrée sur le transistor 1 à effet de champ, celui-ci est parcouru par un courant de saturation qui est extrêmement faible et l'élément semi-conducteur 4 est parcouru par un courant de repos également très faible. La consommation du circuit au repos est donc très petite ; cet avantage résulte dans une longue durée de vie autonome pour le circuit. Celui-ci peut être alimenté par une simple pile et être commandé à distance. Le signal de commande, mis à part les courants de fuite de grille du transistor t, ne nécessite pas de puissance ; par conséquent, des faibles signaux radio ou optiques, transformés en tensions, suffissent pour commander le circuit. Dans les fig. 2 à 8, on a conservé, pour faciliter la compréhension, les mêmes références pour les organes similaires ou identiques à ceux de la fig. 1. Sur la fig. 2, on a montré la réalisation sous folie intégrée du circuit de base selon l'invention comportant, comme élément semi-conducteur 4, un transistor bipolaire. Le canal 15 du tran sistor 1 est collé contre le transistor 4 et ses extrémités 2, 6 sont connectées à la base 14 et à l'émetteur 15 du transistor 4, en shuntant la jonction 5. Ainsi, par les techniques de la microélectronique, on peut réaliser un circuit selon l'invention qui est de dimensions très faibles. Dans la fig. 3, l'élément semi-conducteur est constitué par un transistor bipolaire 4a monté en émetteur à la masse. La base est polarisée par la résistance 9. Sur le circuit de conduction du transistor 4a est montée la charge 16, constituée par exemple par un relais. Le fonctionnement est identique à celui qui a été décrit à propos de la fig. 1. Au repos, le transistor unipolaire 1 bloque le transistor bipolaire 4a, ce qui produit un courant nul dans le circuit de conduction du transistor 4a. Par contre, quand le transistor 1 n'est plus saturé, le transistor 4a devient conducteur et le courant de conduction du transistor 4a excite la charge 16. La variante montrée à la fig. 4 diffère de la réalisation de la fig. 3 uniquement en ce que l'élément semi-conducteur est constitué par un thyristor 4b. Pour le reste, le fonctionnement est identique. On peut utiliser le circuit de base selon l'invention pour réaliser un circuit monostable de commutation, c'est-à-dire un circuit qui, au repos, est en état stable et qui, sous l'action d'une impulsion d'entrée sur la grille du transistor à effet de champ, bascule à l'état conducteur instable pour s'y maintenir pendant une durée prédéterminée. Un tel circuit monostable est montré à la fig. 5. Entre le collecteur du transistor bipolaire 4a de la fig. 3 et la grille du transistor unipolaire 1, on monte un condensateur 17 et, entre la grille du transistor 1 et la masse, on monte une résistance 18. La charge 16 est montée dans le circuit de conduction du transistor 4a, entre le collecteur et la source 10. Le signal d'entrée est appliqué à travers un condensateur 19. Quand aucune tension n'est appliquée à la grille du transistor unipolaire 1, celui-ci est saturé et sa faible résistance maintient le transistor 4a bloqué. Quand une tension, négative dans le cas de la fig. 5, est appliquée sur cette grille, la résistance du transistor 1 augmente et débloque le transistor 4a en même temps, le condensateur 17 se charge puis se décharge à travers le circuit 16-17-18. Si l'impulsion de commande est plus courte que la durée de temporisation, définie par les éléments 16, 17, 18, le transistor 4a reste conducteur pendant une durée égale à la durée de temporisation ; si l'impulsion de commande a une durée égale ou supérieure à celle de la temporisation, le transistor 4a se bloque à la fin de l'impulsion de commande. Avec le circuit monostable de la fig. 5, on obtient donc un signal de sortie sur une durée égale soit à celle de la temporisation, soit à celle de l'impulsion. La variante de circuit monostable de la fig. 6 diffère de la réalisation de la fig. 5 en ce que la charge 16 n'est plus dans le circuit de conduction du transistor 4a mais dans celui d'un autre transistor bipolaire 4c, les transistors 4a, 4c constituant un transistor composé. Pour le reste, le fonctionnement est identique à celui du circuit de la fig. 5 et ne sera pas rappelé. On peut aussi utiliser le circuit de base de l'invention pour réaliser un circuit bistable de commutation, c'est-à-dire un circuit qui change d'état seulement sous l'action d'un signal de commande appliqué à la grille du transistor unipolaire. Sous certaines conditions, ce circuit peut fonctionner en amplificateur. Un tel circuit est montré à la fig. 7. Ce circuit se déduit de celui de la fig. 3 par l'adjonction d'une boucle de contre-réaction, sur la grille du transistor unipolaire 1, constituée par la charge 16, qui est placée dans le circuit de l'émetteur du transistor 4a, et par une résistance 20 attaquant la grille du transistor 1. En supposant le circuit initialement au repos, c'est-à-dire avec le transistor 1 saturé et le transistor 4a bloqué, l'application d'un signal de polarité convenable, négative dans le cas de la fig. 7, fait augmenter la résistance du transistor 1, ce qui rend le transistor 4a conducteur.Pour un gain en boucle suffisant, la grille du transistor t est maintenue négative après la fin de l'impulsion négative d'entrée ; le circuit se maintien donc dans scn état stable de travail ; quand une impulsion positive est appliquée sur la grille du transistor 1, celui-ci se sature et met le circuit au repos. Avec le circuit de la fig. 7, on peut donc obtenir un état de travail et un état de repos stables, commandés depuis la grille du transistor unipolaire. Par un choix convenable des résistances des éléments 16, 9 et 20, on peut faire fonctionner ce circuit également en amplificateur. La fig. 8 montre une variante de réalisation d'un circuit bistable. Selon cette variante, la charge 16 n'est plus placée dans la boucle de contre-réaction mais dans le circuit collecteur du transistor 4a. La boucle est constituée par la résistance 2C et par une résistance additionnelle 21. Le fonctionnement est analogue à celui du circuit de la fig. 7. Selon une autre variante, non montrée, déduite de la réalisation de la fig. 8, la charge 16 pourrait être placée dans la branche de conduction d'un autre transistor formant avec le transistor 4a un transistor composé. Dans toutes les réalisations décrites ci-dessus, le circuit selon l'invention présente, au repos, une consommation pratiquement nulle grâce au fait que le transistor à effet de champ est saturé et que l'élément semi-conducteur qu'il commande est bloqué. En outre, comme déjà mentionné, l'énergie d'excitation est également très faible. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits ; on pourrait au contraire concevoir diverses variantes sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit électronique de commutation pour la commande d'un organe de commutation tel qu'un relais, caractérisé par le fait qu'il comporte un transistor à effet de champ dont l'élec- trode de commande, ou grille, est propre à recevoir un signal d'entrée de commutation, dont une extrémité-du canal est reliée à une électrode de la jonction de commande, polarisée en conduction, d'un élément semi-conducteur à jonction de commande, et dont l'autre extrémité du canal est reliée à l'autre électrode de la jonction de commande de l'élément semi-conducteur, les liaisons étant réalisées directement ou à travers au moins une source continue de polarisation en blocage, le signal de sortie de commutation étant constitué ou défini par le courant de conduction à travers l'élément semi-conducteur et l'ensemble étant tel qu'en l'absence de signal d'entrée, le canal du transistor à effet de champ, de faible résistance, et l'élément de polarisation en con diction de l'élément semi-conducteur bloquent la jonction de commande de l'élément semi-conducteur par une attaque en tension et que, lorsqu'un signal d'entrée est appliqué, l'élément semiconducteur devient conducteur en étant attaqué en courant par l'élément de polarisation èn conduction et par la grande résistance du canal. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'électrode de commande de l'élément semi-conducteur est polarisée en conduction par une résistance, cette résistance et le canal du transistor à effet de champ formant un diviseur de tension dont la résistance formée par ledit canal a une valeur variable suivant que le transistor à effet de champ est saturé ou non. 3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'élément semi-conducteur est un transistor bipolaire dont l'émetteur est relié à une électrode de liaison du transistor à effet de champ. 4. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'élément semi-conducteur est un thyristor. 5. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, cractérisé par le fait que l'élément semi-conducteur est un transistor composé par plusieurs transistors simples. 6. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le transistor à effet de champ et l'élément semi-conducteur constituent une structure microélectronique, le transistor à effet de champ étant plaqué sur l'élément semiconducteur. 7. Circuit selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'une branche de décharge est montée entre une électrode de liaison de l'élément semi-conducteur et l'électrode de commande du transistor à effet de champ pour faire fonctionner le circuit en monostable, la charge constituée par l'organe de commutation étant placée sur ladite branche ou en dehors d'elle. 8. Circuit selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'électrode de commande du transistor à effet de champ est reliée à une boucle de contre-réaction pour faire fonctionner le circuit en bistable, la charge constituée par l'organe de commutation étant placée sur ladité boucle ou en dehors d'elle. 9. Circuit selon l'une des.revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la charge constituée par l'organe de commutation est placée dans le circuit de conduction de l'élément semiconducteur. 10. Circuit selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la charge constituée par l'organe de commutation est placée hors du circuit de conduction de l'élément semiconducteur.