Brevet FR2125341A1 — publié le 19720929

La présente invention est relative aux convertisseurs de tension alternative en tension continue et concerne plus particulièrement les appareils destinés à transformer des tensions alternatives relativement élevées de, par exemple, 110 V, utilisées dans les circuits classiques de commande de machines-outils, 5 en tensions continues relativement basses de, par exemple, 2k V prévues pour des dispositifs logiques à semiconducteurs utilisés pour la commande du déroulement des opérations d'une machine-outil. L'utilisation croissante des commandes automatiques du type logique à semiconducteurs pour machines-outils a entraîné la nécessité d'intégrer dans les circuits classiques à courant alternatif les cir-10 cuits à courant continu des composants semiconducteurs. Dans le passé, on a utilisé dans ce but des convertisseurs du type à relais électromécaniques et du type à semiconducteurs, mais ils ont souvent présenté des inconvénients. Dans le cas d'un'relais, la durée dè celui-ci étant limitée nécessite son remplacement au cours de l'existence de la machine-outil. De plus, 15 les temps d'enclenchement et de déclenchement des contacts des relais peuvent souvent être de durée inacceptable pour les circuits logiques à semiconducteurs. Lors du remplacement d'un relais, et plus spécialement d'un relais possédant un nombre relativement élevé de contacts, il y a des risques de plus en plus grands de confusion entre les tensions alternative et continue .qui sont toutes deux ap-20 pliquées au relais. L'application de la tension alternative relativement élevée à 1'équipaient logique électronique, qui est coûteux, peut entraîner des dégâts importants et l'immobilisation de la machine. Les anciens convertisseurs du type à semiconducteurs sont relativement compliqués et coûteux et leur encombrement est assez important. De plus, des modifications relativement compliquées doivent 25 être apportées aux circuits de ces convertisseurs pour adapter leurs caractéristiques de réponse à une application donnée. C'est pourquoi l'un des buts de cette invention est de procurer un convertisseur perfectionne de tension alternative en tension continue pour des circuits de machines-outils dans lequel les possibilités de confusion entre les 30 tensions alternative et continue sont fortement réduites. Un autre but de l'invention est de réaliser un convertisseur de tension alternative en tension continue perfectionné pour des circuits de machines-outils, qui possède un temps de réponse relativement rapide. Un autre but encore de la présente invention est de "fournir un convertis-35 seur de tension alternative en tension continue, destiné à une machine-outil, dont les caractéristiques de réponse peuvent être choisies par une application donnée en changeant les valeurs de quelques composants seulement des circuits. Enfin, un autre but de l'invention est de réaliser un convertisseur de tension alternative en tension continue, destiné aux circuits d'une machine-outil, ko qui soit de fabrication peu coûteuse, très sûre et de faible encombrement. 72 04305 2 2125341 A cet effet, la présente invention consiste en un convertisseur de courant alternatif en courant continu comprenant un circuit d'entrée adapté pour être raccordé à une source de tension alternative, un circuit de sortie adapté pour fournir un signal de sortie continu en réponse à la présence d'un signal alter-5 natif au circuit d'entrée, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen sensible au dit signal alternatif, destiné à engendrer une série d'impulsions de même polarité, et en ce que le dit circuit de sortie comprend un moyen pour emmagasiner \me énergie électrique de manière telle que le signal continu fourni par le dit circuit de sortie soit maintenu par cette énergie électrique dans le dit moyen 10 d'emmagasinage d'énergie à un premier niveau en l'absence de la dite série d'impulsions, un moyen de commutation à semiconducteurs répondant aux dites impulsions pour libérer l'énergie se trouvant dans le dit moyen d'emmagasinage de manière que le signal appliqué par le dit circuit de sortie soit commuté à un second niveau, et un moyen pour rétablir la quantité d'énergie dans le dit moyen d'em-15 magasinage en l'absence des impulsions de manière que le signal fourni par le dit circuit de sortie soit ramené à son premier niveau. D'autres buts et particularités de l'invention.apparaîtront dans la description qui va suivre et au dessin annexé qui représente le' schéma électrique du convertisseur de tension alternative en tension continue de la présente in-20 vention, dans lequel une portion des circuitê à tensidxt alternative d'une machine-outil est connectée à une portion des circuits logiques à semiconducteurs à tension continue de cette même maéhine-outil. ' Comme indiqué au dessin, une machine-outil 10 comprend ion bâti 12 le long duquel une pièce à usiner lU.est déplacée horizontalement vers un outil de coupe 25 16 au moyen d'un chariot 18. Le chariot 18 est entraîné par un cylindre 20 qui est hydrauliquement raccordé à un tiroir 22 actionné par un solénoïde 2k. Le solénoïde 2k est raccordé électriquement en série avec une source de tension alternative 26 et un interrupteur de fin de course 28 normalement ouvert, monté sur le bâti 12. Le levier d'actionnement 30 de l'interrupteur 28 est disposé de 30 manière à être actionné par une came 32 solidaire du chariot 18 afin que l'interrupteur 28 soit fermé quand le chariot est à fin de course. La fermeture de l'interrupteur 28 entraîne l'alimentation du solénoïde 2k par la source de tension 26 et le tiroir 22 est déplacé pour arrêter le déplacement du chariot 18. Le convertisseur 3^+ de tension alternative en tension continue de la pré-35 sente invention est raccordé par des conducteurs d'entrée 36 et 38 aux bornes du solenoïde 2k. Le circuit d'entrée du convertisseur 3^ comprend deux diodes Zener Uo et k2 raccordées dos à dos en série avec une résistance et l'enroulement primaire k6 d'un transformateur U8. dont la prise médiane est connectée à une source de tension continue 51 * est raccordé à deux diodes 52 et 5^+ dont J+O les cathodes sont reliées ensemble à l'une dès bornes d'une résistance 56. 72 04305 3 2125341 L'autre borne de la résistance 56 est raccordée à la base d'un transistor 58. L'émetteur du transistor 58 est raccordé à la tension continue commune 51 et son collecteur est alimenté par une source de tension continue 60 à travers une résistance 62. En outre, la base du transistor 58 est connectée à son collecteur 5 et à son émetteur respectivement par un condensateur 6k et une résistance 66. La sortie du convertisseur 3^ est prise entre le collecteur et l'émetteur du transistor 58 et est fournie, par des conducteurs 65 et 6?', à plusieurs modules logiques à semiconducteurs successifs tel qu'un détecteur 68 de niveau élevé, un détecteur 70 de niveau bas, un inverseur 72 et une porte ET 7^. Ces modules lo-10 giques fonctionnent exclusivement à un niveau de tension continue relativement bas, de préférence le même que celui de la source 60. Le fonctionnement du convertisseur 3U est décrit ci-après pour chacune des deux conditions de fonctionnement, c'est-à-dire: (1} lorsque l'interrupteur 28 est ouvert et qu'il n'y a pas de tension appliquée aux bornes du solénoïde 2b, 15 et (2) lorsque 1'interrupteur 28 est fermé de manière à appliquer toute la tension aux bornes du solénoïde 2b. Dans la première condition, puisqu'il n'y a pas de tension d'entrée au convertisseur 3^, la tension de sortie de celui-ci est déterminée par les circuits raccordés au transistor 58, qui comprennent les résistances 62 et 66, le convertisseur 6b et la source de tension 60. Les valeurs 20 de ces composants sont telles que le condensateur 6b se charge à la même tension que celle de la source 60 et» dans cet état, agit pour maintenir le transistor 58 non conducteur. Le transistor 58 étant non conducteur, la tension de sortie du convertisseur 3^ est essentiellement égale à la tension de la source 60. Cette condition reste stable jusqu'à ce que la deuxième condition intervienne, 25 c'est-à-dire, la fermeture de l'interrupteur 28. La tension alternative de la source 26 étant appliquée aux circuits d'entrée du convertisseur 3^, une série d'impulsions espacées de polarité unique apparaissent à la cathode commune des diodes 52 et 5^- L'espacement et l'amplitude des impulsions sont commandés par les circuits d'entrée du convertisseur 3^ qui 30 comprennent les diodes Zener b0 et b2. La polarité unique de ces impulsions est obtenue par redressement, par les diodes 52 et 5b, de la tension au secondaire 50 du transformateur. Par exemple, si une tension alternative de 110 V et de 60 périodes par seconde est appliquée au convertisseur 3^ et si les diodes Zener U0 et b2 ont des caractéristiques inverses d'amorçage d'environ 80 volts, des 35 impulsions espacées de polarité alternée sont alors appliquées au primaire b6 à un rythme de 120 impulsions par seconde. En augmentant la tension inverse d'amorçage des diodes Zener itO et b2, on diminue l'amplitude des impulsions alternatives et on les écarte de plus en plus, sans que leur rythme de répétition change. bo L'apparition de la première impulsion à la base du transistor 58 polarise 72 04305 h 2125341 ce dernier pour le mettre en état de conduction. Il en résulte que le courant de collecteur est simultanément amené directement du condensateur 64 et de la source 60 à travers la résistance 62. A cause du fait qu'un chemin à impédance commandée est maintenant établi à travers le circuit collecteur-émetteur du 5 transistor 58» le condensateur 64, qui commande partiellement la vitesse de chute de la tension du collecteur, se décharge à une vitesse commandée par le courant fourni par les diodes 52 et 54. En augmentant la valeur de la résistance 56, on fait diminuer cette vitesse et vice et versa. Par conséquent, la tension de sortie du convertisseur 34 commence à baisser pour atteindre un bas niveau 10 de tension. Bien que le courant fourni par la première impulsion puisse être suffisant pour décharger complètement le condensateur 6h, il se pourrait que plusieurs impulsions puissent être nécessaires, suivant les valeurs de résistances 56 et 66 par rapport à l'amplitude de l'impulsion de tension redressée aux cathodes des diodes 52 et 54. Lorsque les impulsions disparaissent, le transis-15 tor 58 reste temporairement polarisé dans l'état conducteur mais pour une autre raison. Immédiatement après la disparition des impulsions, le trajet des circuits en série qui comprend la résistance 62, le condensateur 6k et la résistance 66 commence à être parcouru par un courant venant de la source 60 pour commencer la charge du condensateur 6b. Ce courant produit une chute de tension aux 20 bornes de la résistance 66 suffisante pour maintenir temporairement le transistor 58 en état de conduction. Cependant, lorsque le condensateur 6k devient une fois encore complètement chargé, le transistor 58 est rendu non conducteur et la tension de sortie du convertisseur 34 est ramenée au niveau de tension élevé. Il est à noter que les valeurs des résistances 62 et 66, et du condensateur 6b par 25 rapport à la source de tension 60, sont telles que la tension de sortie du convertisseur 34 ne puisse pas atteindre le haut niveau de tension pendant le temps compris entre les impulsions d'entrée appliquées au transistor 58. Aussi longtemps que les impulsions venant des circuits d'entrée du convertisseur 34 apparaissent à la base du transistor 58, la tension de sortie du convertisseur 34 30 est maintenue à son bas niveau. A titre d'exemple, les composants ci-après ont été utilisés avec succès dans le convertisseur 34 pour accomplir la fonction qui vient d'être décrite: diodes Zener kO et k2 résistance 35 diodes 52 et 54 81 V - 10 % (amorçage) résistance 56 transistor 58 6,8 K sl 1N914B 47 -tf-2N3643 Source d'alimentation 60 résistance 62 bQ condensateur 64 + 24 V continu 2,7 K-a. 1 jU F 72 04305 '5 2125341 résistance 66 : 680 Transformateur U8 : Better Coil and. Transformer Corp. Modèle No. 8 317 023. L'utilisation de ces composants particuliers est citée simplement à titre 5 d'exemple d'une réalisation qui a fonctionné d'une façon satisfaisante. Comme mentionné précédemment, les diodes Zener U0 et k2 ont une tension d' amorçage d'environ 80 volts pour empêcher le convertisseur 3^ de réagir à des signaux d'entrée de moins de 80 volts. Ce niveau de tension est suffisamment é-levé pour empêcher le convertisseur de réagir à des tensions transitoires para-10 sites. Le choix de diodes Zener ko et h2 différentes modifie la largeur des impulsions et, en même temps, la réponse du convertisseur 31* aux tensions transitoires parasites. L'utilisation de la résistance en série avec l'entrée alternative permet au transformateur 1+8 d'avoir des dimensions assez faibles et de réduire ainsi 1'encombrement du convertisseur 3^. 15 D'autre part, les caractéristiques de réponse du convertisseur 3^ peuvent être modifiées en choisissant des composants de valeurs différentes. Plus particulièrement, la valeur des résistances 56 et 66 et celle du condensateur 6^ déterminent la vitesse de décharge du dit condensateur 6k quand les impulsions d' entrée sont reçues des diodes 52 et 5k. Les conditions de charge du condensateur 20 6k sont, d'autre part, déterminées par la valeur de celui-ci ainsi que par la valeur des résistances 62 et 66. Il est évident que de nombreux changements peuvent être apportés à ces composants pour modifier les caractéristiques de réponse du convertisseur 3^. Le convertisseur 3^ convient particulièrement bien aux machines-outils par-25 ce qu'il ne possède que quatre bornes prévues pour le raccordement extérieur, ce qui réduit, par conséquent, les possibilités d'erreurs de raccordement aux bornes des circuits à courant alternatif de la machine-outil et des circuits logiques à courant continu. Les composants des convertisseurs 3^- peuvent être avantageusement encapsulés ou montés sur plaquettes pour obtenir des ensembles de 30 petites dimensions qui peuvent être assemblés sur un panneau de commande. Dans un circuit complexe de machine-outil, il est nécessaire de prévoir un convertisseur 3^ pour chaque tension alternative qui doit être contrôlée. La sortie de chaque convertisseur 3^ peut être utilisée pour commander une série de dispositifs logiques successifs, comme par exemple les dispositifs de 68 à 7^-35 On a donc réalisé un convertisseur de tension alternative en tension conti nue perfectionné qui est de faible encombrement et de grande sécurité et qui possède des caractéristiques de réponse qui peuvent être modifiées de manière à s' adapter à une grande variété d'applications et à combiner les circuits à tension alternative des machines-outils avec plusieurs dispositifs logiques à semicon-kO ducteurs à faible tension continue. Il faut également noter que le convertisseur peut être utilisé pour contrôler n'importe lequel des nombreux types de dispositifs électriques qui sont utilisés dans les circuits des machines-outils. 72 04305 6 2125341 REVENDICATIONS• 1. Convertisseur de tension alternative en tension continue comprenant un circuit d'entrée agencé pour être raccordé à une source à tension alternative, un circuit de sortie agencé pour fournir un signal de sortie continu en réponse 5 à la présence d'un signal alternatif au circuit d'entrée, caractérisé en ce qu' . il comprend un moyen réagissant au dit signal alternatif pour engendrer une série d'impulsions de même polarité, et en ce que le dit circuit de sortie comprend un moyen pour emmagasiner de l'énergie électrique de manière que le signal continu fourni par le dit circuit de sortie soit maintenu par la dite énergie 10 dans le dit moyen d'emmagasinage à un premier niveau en l'absence de la dite série d'impulsions, un moyen de commutation à semiconducteurs réagissant aux dites impulsions pour libérer la dite énergie électrique se trouvant dans le dit moyen d'emmagasinage de manière que le signal fourni par le dit circuit de sortie soit commuté vers un second niveau, et un moyen pour rétablir la quantité d'énergie 15 dans le dit moyen d'emmagasinage en l'absence des impulsions de manière que le signal fourni par le dit circuit de sortie soit ramené au premier niveau. 2. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dit moyen de génération d'impulsions comprend un moyen pour engendrer les dites impulsions à une fréquence de répétition 20 en synchronisme avec un multiple de la fréquence de la tension alternative de la source d'entrée. 3. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dit moyen pour engendrer les impulsions comprend un moyen pour engendrer les impulsions à intervalles séparés, la fré- 25 quence de répétition étant en synchronisme avec un multiple de la fréquence de la tension alternative de la source d'entrée. h. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le dit moyen pour engendrer les impulsions comprend un moyen sensible à la tension réagissant à un niveau prédé-30 terminé de la tension d'entrée alternative. 5. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication if-, caractérisé en ce que le dit moyen sensible à la tension comprend une paire de diodes Zener placées dos à dos en série avec le circuit d'entrée. 6. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant l'une des 35 revendications 1 à 5» caractérisé en ce que le dit moyen pour engendrer des impulsions comprend un transformateur raccordé électriquement au dit circuit d'entrée et un moyen redresseur raccordé électriquement à la sortie du dit transformateur pour fournir les dites impulsions. J. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant l'une des to revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dit moyen de commutation à 72 04305 7 2125341 semiconducteurs comprend un transistor ayant une borne raccordée électriquement au dit moyen pour engendrer des impulsions, le dit moyen de commutation étant rendu conducteur par l'apparition des dites impulsions à la dite borne pour ainsi constituer un trajet électrique pour libérer l'énergie se trouvant dans le 5 dit moyen d'emmagasinage, grâce à quoi le signal de sortie continu est ramené du dit premier niveau au second niveau. 8. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le dit moyen d'emmagasinage d'énergie comprend un condensateur raccordé électriquement au dit transistor de manière que l'appa-10 rition des impulsions à la dite borne du dit transistor amène le transistor à présenter un trajet à impédance commandée à travers lequel le dit condensateur se décharge, grâce à quoi, le signal de sortie continu est ramené du dit premier niveau au dit second niveau. 9• Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la reven-15 dication 8, caractérisé en ce que la dite borne est la borne de la base du dit transistor et en ce que le dit condensateur est raccordé électriquement à une autre borne du dit transistor. 10. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le dit condensateur est raccordé 20 électriquement entre la base et le collecteur du dit transistor. 11. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que, en plus, il comprend une résistance raccordée entre la base et l'émetteur du dit transistor. 12. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la reven-25 dication 1, caractérisé en ce que le dit moyen pour rétablir l'énergie dans le dit moyen d'emmagasinage d'énergie est constitué par une source de tension continue. 13. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le circuit de sortie est réalisé 30 de manière que l'apparition d'un nombre prédéterminé d'impulsions au dit moyen de commutation amène le signal de sortie de tension continue à passer du dit premier niveau au dit second niveau. 1U. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dit circuit de sortie comprend des trajets 35 différents pour libérer et rétablir la dite énergie du dit moyen d'emmagasinage. 15. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication 1^, caractérisé en ce qu'en l'absence des dites impulsions, le dit condensateur est chargé à travers l'un des trajets différents, grâce à quoi le dit signal de sortie continu est ramené et maintenu au dit premier niveau et en ce 1+0 qu'en présence des impulsions, le dit condensateur est déchargé à travers le 72 04305 8 2125341 second des dits trajets différents, grâce à quoi le dit signal de sortie continu est ramené au dit second niveau. 16. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication 15, caractérisé en ce que la borne de la base du dit transistor est rac-5 cordée électriquement, à travers la dite résistance, au dit moyen pour engendrer les impulsions. 17> Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication 16, caractérisé en ce que la dite résistance et le dit condensateur déterminent en grande partie le temps de commutation nécessaire pour faire passer 10 le signal de sortie de tension continue du premier niveau au second niveau. 18. Convertisseur de tension alternative en tension continue suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus, une résistance en série avec le dit circuit d'entrée.