Brevet FR2123227A1 — publié le 19720908

La présente invention a trait aux dispositifs à action ultrarapide utilisés pour couper un circuit électrique en cas de surintensité ou de court-circuit. On sait que lorsqu'un court-circuit intervient dans une installation électrique, l'intensité du courant n'est plus limitée que par la très faible impédance des lignes et des appareils quelles comportent. Il en résulte que cette intensité sgélève rapidement en tendant à atteindre une valeur largement supérieure à celle que l'installation peut supporter même pendant un temps très court.Pour protéger celle-ci il importe donc de prévoir des dispositifs de coupure agissant assez rapidement pour arrêter le passage du courant de façon presque instantanée. I1 en est particulièrement ainsi lorsque l'installation intéressée renferme des appareils à semiconducteurs qui, comme on le sain, présentent une contrainte limitée de surcharge (conventionnellement appelée I t de surcharge) très faible vis-à-vis du courant permanent maximal admissible. On connait des fusibles ultra-rapides, mais ces appareils à partir d'un certain courant maximal, présentent de très importantes pertes en watts dissipés et parfois ne peuvent assurer la protection qu'à l'aide d'un refroidissements énergique par circulation d'eau, qui n'est pas applicable dans toutes les installations. Conformément à ltinvention le dispositif comprend d'une part un conducteur de rupture propre à Stre détruit par l détonateur pyrotechnique à l'intérieur dtune chambre de détente appropriée, d'autre part un système de fusible monté en parallèle sur le conducteur précité et prévu pour fonctionner, sans formation d'arc persistant, sous une intensité bien inférieure à l'intensité maximale permissible pour l'installation. On comprend qu'en régime normal le fusible, shunté par le conducteur de rupture, n'est parcouru que parun courant dérivé d'intensité négligeable qu'il supporte aisément. Au contraire lorsque le détonateur a fonctionné, le conducteur de rupture dans lequel passait la presque totalité du courant se trouve immédiatement brisé. Cette disparition du conducteur ne s'accompagne pas de la formation dlun arc notable, puisque le conducteur lui-meme est shunté par le fusible en parallèle encore intact. Le courant tend donc à circuler en totalité dans ce fusible qui fond dans un temps extr*- mement court en raison de son faible calibre.Si le fusible est correctement monté pour que l'arc de rupture soit immédiatement étouffé (par exemple s'il est enrobé dans une matière extinctrice d'arc), on est assuré que le passage du courant se trouve coupé avec une rapidité suffisante pour que la surintensité momentanée n'ait pu entraîner aucun dommage pour l'installation. La mise en action du détonateur peut être obtenue de diverses manières. Elle peut résulter de l'échauffement du conducteur de rupture lui-mdme. Toutefois dans une solution préférée on la provoque électriquement par le moyen d'un circuit auxiliaire. Il est ainsi possible suivant l'invention, d'amplifier et de redresser la tension qui apparat aux bornes d'une résistance détectrice, de très faible valeur, montée en série sur un conducteur approprié de l'installation à protéger, la tension ainsi redressée agissant sur le dé tonateur par l'intermédiaire d'un ensemble auxiliaire d'éléments à seuil (tels que des diodes de Zener) et/ou d'éléments à déclenchements (tels par exemple qu'une bascule électronique commandant un thyristor).Un tel ensemble auxiliaire peut comporter une constante de temps assez faible et commander la mise à feu du détonateur à partir dtun seuil de I 2t un peu inférieur au I2t de surcharge admissible de l'appareil à protéger. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer. Fig. 1 est une vue de-face avec coupe partielle d'un dispositif suivant l'invention. Fig. 2 en est une coupe suivant II-II (fig. 1). Fig. 3 en est une coupe suivant III-III (fig.1). Fig. 4 représente le schéma d'un circuit propre à assurer le déclenchement du dispositif suivant fig.l à 3. Le dispositif représenté comporte un corps en céramique fait en deux moitiés 1 et 2 appliquées l'une sur l'autre par des rivets traversants 3 suivant un plan de joint qu'on supposera horizontal pour fixer les idées, bien que cela n'ait rien d'obligatoire. Entre ces deux moitiés, creusées de rainures appropriées à cet effet, sont serrées deux lames 4 disposées suivant un même axe et destinées à constituer bornes du dispositif. Ces deux lames sont reliées l'une à l'autre à l'intérieur du corps 1-2 par un conducteur plat 5 qu'on appellera ci-après conducteur de rupture pour des raisons qu'on comprendra mieux ci-après et qui leur est fixé de toute manière appropriée, par exemple par soudure. Le conducteur 5 s'étend dans une chambre de détente 6 ménagée pour sa plus grande partie dans la moitié inférieure 2, mais qui remonte quelque peu dans cel le supérieure 1.Cette chambre 6 communique avec 11 extérieur par des trous d'devent 7 percés dans la paroi de la moitié 2. Chaque lame 4 est rendue solidaire par un rivet 8 d'une lamelle de raccordement 9 qui s'détend dans une rainure de la moitié inférieure 2 du corps, perpendiculairement à l'axe commun des deux lames, jusqu'à se prolonger à l'intérieur d'une chambre latérale 10 à profil circulaire ménagée pour moitié dans l'une et l'autre partie du corps. Dans cette chambre chaque lamelle 9 s'incurve concentriquement à l'axe de la chambre elle-même, avec concavité tournée vers lehaut de manière à constituer ainsi une sorte de berceau, comme indiqué en 9a en fig.3.Dans les deux berceaux 9a ainsi réalisés viennent reposer ltune et l'autre tête lla (fig.l) dtune cartouche à fusibles 11, disposée longitudinalement dans la chambre 10 et retenue à l'encontre de la réaction d'élasticité des berceaux par un petit bossage la, solidaire de la moitié supérieure 1 du corps et qui dépasse à l'intérieur de la chambre 10 pour porter contre le renflement central 11b (fig.1) de ladite cartouche 11. Dans l'exemple représenté la cartouche 11 comporte un percuteur axial. Celui-ci est orienté vers la gauche en fig.l. Pour correspondre à ce percuteur on a prévu dans la paroi en vis-à-vis du corps 1-2 un petit plateau 12 solidaire d'une tige coulissante 13 et propre à former piston à ltintérieur d'une chambrure cylindrique 14 du corps. Un léger ressort 15 maintient le plateau 12 appliqué contre l'extrémité du percuteur, la tige 13 ne dépassant pas alors la face extérieure du corps 1-2. Au-dessus du centre du conducteur plat 5 la paroi de la moitié supérieure 1 du corps est percée d'un alésage borgne 17 qui débouche en direction du bas. Dans cet alésage est monté un détonateur cylindrique 16 dont la mise à feu est assurée électriquement par l'intermédiaire de deux conducteurs 18 qui traversent le corps 1 à travers des trous à section réduite. Le fonctionnement est le suivant Le conducteur 5 est dimensionné de façon quten régime normal il permette le passage du courant sans déterminer une chute de tension appréciable et par conséquent sans s'échauffer de façon sensible. Une fraction du courant qui circule entre les lames 4 s'écoule évidemment par la cartouche 11, mais celie-ci étant dimensionnée pour une intensité relativement faible et présentant par conséquent une résistance ohmique bien supérieure à celle du conducteur 5, l'intensité qui la traverse est pratiquement négligeable. Si à un moment quelconque on envoie du courant dans les conducteurs 18, le détonateur 6 explose en produisant une onde de choc qui, ne pouvant s'évacuer de façon notable par les trous de passage des conducteurs 18, crée sur le conducteur 5 une pression suffisante pour le briser et pour projeter ou rabattre les morceaux à 1tintérieur de la chambre 6, les gaz en excès s'évacuant par les évents 7. Cette rupture du conducteur 5 ne provoque pas par elle meme la coupure du circuit, puisque les lames 4 sont encore reliées l'une à l'autre par les lamelles 9 et la cartouche 11.Mais alors la totalité du courant traverse cette dernière qui, prévue pour une intensité nominale bien plus faible, saute instantanément en interrompant le passage du courant et sans provoquer d'arc de rupture sensible, si toutefois elle a été correctement établie et notamment si elle renferme une matière extinctrice d'arc appropriée. On comprend que dans ces conditions la coupure du circuit entre les lames 4 peut oestre ultra-rapide, sans aucun risque d1tre prolongée par la formation d'un arc électrique durable. On comprend que pour faciliter la rupture du conducteur 5 on puisse entailler celui-ci en certains points appropriés de sa longueur. On conçoit vautre part que pour assurer le maintien en position du détonateur dans l'alésage 17, on puisse prévoir dtintro- duire de la colle au fond de cet alésage, ce qui présente l'avantage d'obturer les trous de passage des conducteurs 18. Fig. 4-indique une forme d'exécution d'un schéma de connexions permettant de faire fonctionner le dispositif de fig. 1 à 4 à partir d'un seuil de I 2t dans une installation quelconque comportant des appareils à protéger, tels par exemple que des diodes de puissance à semi-conducteurs. Sur la ligne à protéger on a inséré une résistance 21 propre à créer normalement une chute de tension d'importance négligeable, mais néanmoins suffisante pour ventre décelée. En parallèle sur cette résistance 21 on a disposé un pont potentiométrique 22 de manière à déterminer trois points A, B et C dont on puisse considérer que le point intermédiaire C correspond à une tension de référence zéro et les deux autres points A et B à des tensions alternatives en opposition de phase. Par ailleurs on a établi en 23 une source de courant continu constituée, dans l'exemple représenté, par un transformateur avec secondaire à point central, associé à deux diodes redresseuses et à un condensateur de filtrage. La source 23 ainsi réalisée est re liée à un conducteur négatif 24 et à un conducteur positif 25, ces deux conducteurs étant reliés l'un à l'autre par un pont potentiomètrique 26 dont le point central D est relié au point C précité de façon à se trouver au zéro de tension fixé pour le schéma. Le point A est relié à la base d'un premier transistor T1 de type NPN dont l'émetteur et le collecteur sont reliés au conducteur 24 et au conducteur 25 par des résistances de charge, respectivement 27 et 28. De meme le point B est relié à la base d'un second transistor T2 auquel correspondent les mêmes résistances de charge 27 et 28 . Les collecteurs de chacun des transistors T1 et T2 sont reliés par un conducteur commun 33. Le conducteur 33 est relié au conducteur positif 25 par un système de résistances comprenant une résistance commune 34 qui aboutit au conducteur 25 précité et trois résistances 35-36-37 montées en parallèle, étant noté que les deux dernières 36 et 37 comportent chacune une diode de Zener 38, respectivement 39, montée en série avec elle. Du point E qui forme jonction entre la résistance 34 et lten- semble des résistances 35-36-37, par un conducteur 40 qu'une résistance 41 relie à travers une diode 42a à un autre conducteur 42, lui-meme relié au conducteur 25 par un condensateur intégrateur 43. Le schéma de fig. 4 comprend encore une bascule ECCLES-JORDAN constituée à la façon connue par deux transistors T3 et T4, ici de type PNP, comportant une résistance commune 44 formant charge d'émetteur, deux résistances 45 et 46 de charge de collecteur et le système classique de potentiomètre de liaison de la base de chacun des transistors d'une part au conducteur 25 à travers une résistance 47, 48, d'autre part au collecteur de l'autre transistor par une résistance 49, 50. L'actionnement de cette bascule s'effectue par l'intermédiaire du conducteur 42, lequel est relie à la base du transistor T4. L'un des fils 18 d'actionnement du détonateur 16 part directement du conducteur positif 25, tandis que l'autre est relise au conducteur négatif 24 à travers un thyristor Th dont la g chette 51 est reliée au collecteur du transistor T4. Le fonctionnement est le suivant Au repos la bascule T3-T4 se trouve à l'état dans lequel T3 est conducteur, tandis que T4 est bloqué. Dans ces conditions la gâchette 51 est au potentiel du conducteur négatif 24 et ne peut agir sur le thyristor Th qui reste bloqué. Les résistances 27 et 28 polarisent les collecteurs des transistors T1 et T2. Quand il circule du courant dans la résistance détectrice 21, les alternances positives qui apparaissent en A et B sont amplifiées par les transistors T1 et T2. Ces signaux amplifiés apparaissent sur le conducteur 33. Le circuit composite 35-36-37-38-39 constitue un générateur de fonction qui applique aux bornes de la résistance 34 un signal représentant l'image du carré du courant dans la résistance 21, ceci du fait de la caracteristique parabolique des diodes de amener et de la succession de leur mise en état de conduction. On obtient ainsi un signal qui correspond au I2f(t) apparaissant dans l'appareil à protéger. Ce signal est intégré dans le circuit 41-43 et par conséquent le conducteur 42 est le siège d'une tension négative image du I 2t dans cet appareil. Si a un moment quelconque la tension négative ainsi fournie au conducteur 42 dépasse un seuil déterminé, la bascule T3-T4 déclenche, T4 devient conducteur, le potentiel de la gachette 51 s'élève et le thyristor Th s'amorce en provoquant la mise à feu du détonateur 16. On conçoit que l'action du conducteur 42 sur la bascule T3-T4 dépend de la valeur du I 2t. On notera que le choix de la résistance 41 et du condensateur 43 se fait en fonction de la résistance et de la capacité thermiqu de l'appareil à protéger (par exemple jonction d'un semi-conducteur de puissance). On peut ainsi réaliser un dispositif de protection qui ouvre le circuit avec des durées variables (T) fonctions du courant de défaut (i) de telle sorte que l'intégrale correspondant à l'onde de courant que laisse passer ce dispositif, soit toujours inférieure au I2t de surcharge de ltappareil à protéger. En variante on pourrait prévoir que le détonateur 16 se trouve au contact du conducteur de rupture 5 de manière à fonctionner en cas d'élévation brusque de la température de ce dernier. Il doit d'ailleurs entre entendu que la description qui précède nta été donnée pu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. - REVENDICAIIONS - 1. Circuit pour le déclenchenent d'un dispositif de coupure comprenant un conducteur de rupture propre à entre détruit par 1'action d'un détonateur pyrotechnioue à l'intérieur d'une chambre de détente appropriée, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance insérée sur la ligne a protéger pour faire apparaDtre une tension alternative fonction de l'intensité circulant dans cette ligne, des moyens pour amplifier cette tension alternative, pour l'élever au carré et pour l'intégrer sous la forme d'un signal représentant une bascule bistable déclenchée par ce signal quand celui-ci dépasse un seuil prédeterminé, et un thyristor commandé par cette bascule et inséré sur le circuit électrique de commande du détonateur. 2. Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'armplification et de redressement de la tension alternative sont constitués par deux transistors qui reçoivent l'une et l'autre moitié de cette tension à partir d'un point central, de manière a les anplifier, les signaux ainsi amplifiés étant envoyés aux bornes d'un circuit intégrateur à travers un générateur de fonction paraboliQue. 3. Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit intégrateur est constitué par une résistance et un condensateur déterminés en fonction de la résistance thermique et de la capacité thermique de l'appareil à protéger.