Brevet FR2181428A1 — publié le 19731207

La présente invention concerne un thermostat électronique notamment pour le chauffage et/ou pour le conditionnement d'air. La difficulté généralement rencontrée pour ces applications se situe au niveau de la logique de fonctionnement entre les différentes unités de production, et les unités de production de calories ou de frigories, que l'on appellera unités de puissance dans la suite de la présente demande de brevet. La plupart du temps, il est interessant d'associer le fonctionnement de plusieurs unités de puissance de façon qu'elles soient commandées à partir de la même information de température. Toutefois, ces unités de puissance sont souvent implantées à des distances assez grandes et équipées de leurs propres capteurs de température. Ceci pose des problèmes d'une part pour la transmission d'informations électriques de commande pour les unités de puissance, et d'autre part sur la fiabilité des calages respectifs des points de fonctionnement de chaque unité. Ces problèmes sont souvent compliqués du fait que la réponse de chaque unité de puissance aux informations de température doit souvent être différente de celle des autres, en raison de la nature de cette unité de puissance et/ou de l'endroit où elle est implantée. La présente invention a pour objet un thermostat électronique universel, ctest-à-dire apte à fonctionner dans la plupart des applications, en fournissant une solution simple aux problèmes ci-dessus exposés. On sait qu'un thermostat électronique conçu pour être associé à un appareil électrique apte à des échanges thermiques avec une enceinte en utilisant le secteur alternatif monophasé, comprend en général un circuit de réglage comportant d'un détecteur de température et de moyens d'affichage d'une température désirée, pour fournir une information électrique de différence de la température désirée et de la température détectée, un interrupteur commandé, pour appliquer le secteur alternatif audit appareil électrique, et des moyens d'amplification et de commande alimentés en tension continue à partir du secteur alternatif et reliés au circuit de réglage pour actionner ledit interrupteur commandé en fonction de l'information électrique de différence. Selon la présente invention, l'alimentation continue des moyens d'amplification et de commande est réalisée par rapport à un conducteur déterminé du secteur alternatif, le circuit de réglage comprend un diviseur de la tension continue ainsi obtenue, ayant dans l'une de ses branches une résistance sensible à la température et une résistance ajustable pour afficher une température désirée. les moyens d'amplification et de commande comportent un second diviseur de ladite tension continue avec dans l'une de ses branches une résistance ajustable. L'étage d'entrée d'amplification est à haute impédance d'entrée, et reçoit par des résistances respectives des tensions-présentes aux pointsmilieu des premier et second diviseurs de tension. La liaison au premier diviseur de tension est amovible, de façon que les moyens d'amplification et de commande puissent recevoir la tension présente au point-milieu du premier diviseur de tension correspondant d'un autre thermostat selon l'invention. Le réglage au niveau du second diviseur de tension permet alors de décaler le réglage général suivant les besoins au niveau de chaque thermostat électronique selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaItront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence au dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, et sur lequel - la figure 1 illustre le schéma électrique d'un thermostat selon l'invention, et - la figure 2 illustre le schéma de principe d'une installation comportant plusieurs thermostats électroniques selon l'invention. le schéma électrique de la figure 1 représente un ensemble de thermostat conçu pour être associé à un appareil électrique 80 susceptible de recevoir une tension alternative du secteur monophasé, par exemple 220 volts, par l'intermédiaire d'un interrupteur de puissance commandé, tel qu'un triac 61. Les deux conducteurs du secteur alternatif sont identifiés par les lettres Ph pour le conducteur dit phase, soumis à une tension alternative et N pour le conducteur neutre. Le circuit de la figure 1 comporte un ensemble d'alimentation situé dans la partie gauche de la figure et portant la référence générale A. L'alimentation continue est obtenue à partir du secteur alternatif, le conducteur phase étant relié à un condensateur C10, puis une résistance Ril en série sur le condensateur C10. L'extrémité libre de la résistance R11 est reliée au conducteur neutre, d'une part via deux diodes Zener DZ12 et DZ13 en série, d'autre part, via une diode redresseuse D14 et un condensateur de filtrage C15 également en série. Le signal aux bornes du condensateur C15 est dans ces conditions unetension continue, de valeur nettement inférieure à celle du secteur alternatif, cette valeur-dépendant des tensions inverses nominales des diodes Zener DZ12 et DZ13 (par exemple 15 volts chacune). Une tension continue plus faible et encore mieux filtrée est obtenue au moyen d'une résistance R16 et d'une diode Zener DZ17 branchées en série, et disposées toutes deux en parallèles sur le condensateur C15. La tension continue aux bornes de la diode Zener DZ17 est très voisine de sa tension inverse nominale, par exemple 15 volts. Cette tension est utilisée pour l'alimentation de la partie électronique de faible puissance du thermostat, qui a pour fonction d'élaborer des grandeurs de commande de l'interrupteur commandé 11. Comme on le verra ci-après, ces grandeurs électriques de commande sont appliquées au triac 81 par l'intermédiaire d'un circuit de commande utilisant d'une part directement le secteur alternatif, et d'autre part la tension continue- disponible aux bornes du condensateur C15. Le thermostat électronique universel selon l'invention est conçu de sorte qu'un seul capteur de température puisse être utilisé-pour commander plusieurs unités de puissance disposées à des endroits différents. Sur la figure 1, le thermostat électronique universel comporte un circuit de réglage de température désigné par la référence générale B. Ce circuit est relié aux bornes de la diode Zener d'alimentation DZ17 ainsi qu'à l'étage suivant du circuit, par des lignes représentées en trait tireté court pour illustrer clairement que le circuit de réglage B utilisé dans l'étage suivant peut être celui incorporé à un autre thermostat électronique selon l'invention. le circuit de réglage de température B est un circuit destiné à recevoir une information sur la température qui doit être modifiée au moyen des appareils électriques, et à élaborer les informations générales ae commande en vue de cette modification. Le circuit B de la figure i comporte une thermistance Tu21, destinée à fournir une information électrique représentative de la température à modifier. Très avantageusement, une deuxième thermistance Th22 est disposée en série sur la première, cette seconde thermistance ayant une valeur plus faible, et étant destinée à compenser la dérive thermique:du circuit, à partir de la température de ce dernier. Les thermistances sont reliées d'une part à la ligne conductrice neutre N et d'autre part à une résistance ajustable RA23 qui est avantageusement un potentiomètre monté en résistance variable. L'extrémité libre de la résistance RA23 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R24 à l'anode de la diode Zener DZ17, de sorte que l'ensemble des deux résistan ces R24 et RA23, et des deux thermistances Th21 et Th22 reçoit la tension continue d'alimentation disponible aux bornes de la diode Zener DZ17. Cet ensemble constitue un premier diviseur de tension. la tension au point milieu de ce diviseur, c'est-à-dire au point commun de la résistance ajustable RA23 et de la résistance R24 est utilisée comme signal de commande des étages suivants. la résistance ajustable RA23 permet donc de fixer une valeur de consigne de la température à obtenir, par rapport à la température à modifier, fournie par la thermistance Th21, et la température de compensation de dérive fournie par la thermistance Th22. On sait que la sonde de mesure de la température à modifier (thermistance Th21), et l'instrument d'affichage de la température à obtenir (résistance ajustable RA23) son-t en général regroupés à une certaine distance du thermostat luimême (ceci n'est pas illustré). On remarquera qu'il suffit de deux fils de raccordement pour relier ces deux dispositifs au thermostat électronique de la présente invention, qui comporte le circuit de réglage B associé. Le thermostat électronique de la figure 1 comporte également un circuit de décalage C constitué d'un second diviseur de tension branché aux bornes de la diode Zener DZ17. Ce diviseur de tension comporte un potentiomètre RP31 avec en série de part et d'autre des résistances R32 et d33. La tension prélevée par le curseur du potentiomètre RP31 est superposée par l'intermédiaire d'une résistance R34 au signal fourni par le circuit B. De façon connue en soi, les résistances R32 et R33 définissent les valeurs limites de la tension de superposition ainsi obtenues. Comme on l'a indiqué précédemment, le circuit de réglage B peut être utilisé pour plusieurs thermostats électroniques universels suivant l'invention. -Chacun de ces thermostats comporte un circuit de décalage C qui permet d'y régler un point de fonctionnement propre à partir de la température à modifier et de la valeur de consigne. Pour chaque thermostat électronique suivant l'invention, les signaux fournis par un capteur de température B, qui peut être soit celui de ce thermostat, soit celui d'un autre thermostat, et les signaux fournis par le circuit de décalage C de ce thermostat sont appliqués à l'entrée d'un circuit amplificateur qui, sur la figure 1, porte la référence générale D. Le point commun à la résistance ajustable RA23, et à la résistance R24 du capteur de température concerné est relié au circuit amplificateur par l'intermédiaire d'une résistance de grande valeur R41, de même que pour le curseur du potentiomètre RP31. Ceci permet d'éviter une interaction entre le circuit de réglage de température et les circuits de décalage. L'autre extrémité de la résistance R41 est reliée via la résistance R34 au curseur du potentiomètre Ro31 pour recevoir la tension de décalage à superposer ; elle est aussi reliée au conducteur neutre par l'intermédiaire d'un condensateur C42, ainsi qu'à la base d'un transistor Q43, monté en collecteur commun Le collecteur de ce transistor reçoit la tension continue de la diode Zener DZ17, tandis que son émetteur est relié à l'anode d'une diode Zener DZ44. La cathode de la diode Zener DZ44 est reliée d'une part au conducteur neutre par l'intermédiaire d'une résistance R45, et d'autre part à un amplificateur différentiel à deux transistors Q46 et Q47 montés en bascule. La diode Zener DZ44 permet une adaptation de la tension d'attaque de ladite bascule, sa cathode étant reliée à la base du transistor Q46. Les émetteurs des transistors Q46 et Q47 sont reliés en commun, et au conducteur neutre par l'intermédiaire d'une résistance R48. Leurs collecteurs sont reliés respectivement à l'anode de la diode Zener DZi7 pour en recevoir une alimentation continue par les résistances R49 et R51. Enfin, la base du transistor Q47 est reliée au collecteur du transistor Q46 par une résistance R52, ainsi qu'au conducteur neutre par une résistance R53 et un condensateur R54 agencés en parallèle. Ceci constitue la liaison de basculement. Le collecteur de transistor Q47 est relié par une résistance R55 par la base d'un transistor Q56, utilisé pour fournir un signal de sortie en créneau de l'un ou l'autre sens. Le transistor Q56 est muni d'une résistance d'émetteur R57 vers le conducteur neutre, et une résistance de collecteur R58 vers la tension continue disponible sur l'anode de la diode Zener DZ17. le collecteur du transistor Q56 est relié à un ensemble résistif E destiné à fournir une réaction pour la bascule précitée. Cet ensemble résistif B comporte en série une résistance ajustable RA59, et une résistance R61, fournissant une valeur minimum de résistance pour l'ensemble résistif E. L'extrémité libre de l'ensemble résistif E est reliée à la base du transistor Q43. I1 n'est pas absolument nécessaire que le thermostat comporte un ensemble résistif E, et le condensateur C42. Lorsque ces composants sont supprimés, ou ont des impédances très grandes, le circuit amplificateur B fonctionne en tout ou rien, en répondant directement aux informations fournies par le capteur de température B et le circuit de décalage C. Lorsque ces composants sont utilisés, le circuit amplificateur B fonctionne en régime modulé, sensiblement proportionnel, en raison du montage de bascule et de la liaison de contre réaction à constante de temps comprenant l'ensemble résistif E et le condensateur C42. Le taux d'action de la modulation, qui correspond à la sensibilité de la commande proportionnelle, est réglé par la valeur de la résistance ajustable RA59 de l'ensemble résistif E. La gamme des périodes de modulation dépend de la valeur du condensateur C42 monté sur la base du premier transistor. Dans un mode de réalisation, défini par les valeurs de composants données ci-après, la période peut varier de 0,5 seconde à 1 minute environ. En parallèle sur la résistance R57 est disposé un interrupteur S62, qui a deux positions : une position de fermeture 1 pour laquelle la résistance R57 est court-circuitée et une position d'ouverture 2 pour laquelle il est sans effet. La sortie du circuit amplificateur D comporte un autre dispositif de commutation S63 à un point commun et deux positions 1 et 2 correspondant aux positions 1 et 2 de l'interrupteur S62 soit par une liaison matérielle, soit de par l'intervention d'un opérateur. Le point commun du commutateur S63 est la sortie. Dans la position 2, cette sortie est reliée à l'émetteur du transistor Q56, dans la position 1, elle est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R64 au collecteur du transistor Q56. La sortie du commutateur S63 est un signal de commande utilisé par un circuit de commande F (décrit ci-après) pour provoquer le déclenchement du triac en synchronisme avec les passages par zéro du secteur alternatif. le circuit de commande P comporte un transistor Q65 recevant sur sa base la sortie du commutateur S63, et dont l'émetteur est relié au conducteur neutre N. Be collecteur du transistor Q65 est relié à la base d'un transistor Q66, ainsi qu'au conducteur de phase par unerésistance R67. Le collecteur du transistor Q66 est relié à une résistance R68 dont l'extrémité libre est connectée d'une part en retour à la base du transistor Q66 par une résistance R69 et d'autre part au collecteur d'un transistor Q71 dont la base est reliée d'une part au conducteur neutre N par une résistance Q72 et d'autre part au conducteur phase Ph par une résistance R73. L'émetteur du transistor Q71 est relié directement au p81e positif du condensateur C15 pour en recevoir une tension continue. Le transistor Q71 est polarisé sur sa base au moyen du diviseur de tension comprenant les résistances R72 et R73, qui lui applique une tension de même signe que celle qui est présente entre les conducteurs phase et neutre du secteur. Ce transistor est conducteur lorsque la tension ainsi appliquée dépasse la tension continue appliquée à son émetteur, La base du transistor Q66 est polarisé par le diviseur de tension constitué par les résistances R69 et R67. Lorsque le transistor Q65 est bloqué, chaque passage du secteur alternatif d'une tension positive à une tension négative s'accompagne d'un blocage du transistor Q71 et d'un déblocage du transistor Q66 ce qui provoque l'apparition d'un signal de commande sur l'émetteur de ce dernier. La résistance R68 limite la valeur du courant de ce signal de commande (on remarquera que les transistors Q66 et Q71 sont de polarités opposées). Quand le transistor Q65 est conducteur, la base du transistor Q66 est pratiquement maintenue au potentiel du conducteur neutre, et aucun signal de commande n'est produit. Dans le cas contraire, le signal de commande disponible sur l'émetteur du transistor Q66 est appliqué à l'élec- trode de comnande du triac 81 pour commander à chaque alternance le passage du courant alternatif du secteur dans la charge 80. De façon connue en soi, le triac comporte entre ses bornes de puissance un circuit de protection contre les surtensions du réseau comprenant en série un condensateur C82 et une résistance R83. Le mode de fonctionnement en tout ou rien du dispositif qui vient d'être décrit peut être expliqué comme suit la tension présente au point commun des résistances RA23 et R24 est en relation avec la différence entre température à modifier, détectée par la thermistance h21 sous fone d'une variation de résistance, et la valeur affichée au moyen de la résistance ajustable RA23. Lorsque la tension à ce point commun par rapport au conducteur neutre atteint une valeur suffisante (compte-tenu de la tension de décalage fournie par le potentiomètre RP3l) pour débloquer le transistor Q43, il apparat une tension aux bornes de la résistance R45, ce qui a pour effet de faire conduire le transistor Q46 et de ramener à une valeur très faible le courant traversant le transistor Q47 (fonctionnement en bascule). Il s'ensuit que le transistor Q56 est fortement conducteur, et que par conséquent des tensions existent aux bornes de la résistance R58, et (lorsque l'interrupteur S62 est ouvert) aux bornes de la résistance R57. Dans la position 2 des interrupteurs S62 et S63, la tension aux bornes de la résistance R57 est prélevée pour commander la conduction du transistor Q65. Comme la tension sur la résistance R57 varie dans le même sens que la tension de base du transistor Q43 par rapport au conducteur neutre, et que la conduction du transistor Q65 empêche la commande du triac 81, la position 2 correspond à une sortie de commande inverse du triac, qui peut être utilisé lorsque la charge 80 est apte à faire baisser la température (production de frigories). lorsque les interrupteurs 862 et S63 sont dans la position 1, la tension de collecteur du transistor Q56 par rapport au conducteur neutre N est transmise à la base du transistor Q65 par l'intermédiaire de la résistance R64. Lorsque la base du transistor Q43 est à une tension élevée par rapport au conducteur neutre, la tension de collecteur du transistor Q56 est proche de celle du conducteur neutre, et bloque pratiquement le transistor Q65 ; la position I correspond à la sortie de commande directe du triac qui peut être utilisée lorsque la charge 80 est apte à faire augmenter la température (production de calories) Le fonctionnement modulé est obtenu au moyen de l'ensemble résistif E qui ramène sur la base du transistor Q43, avec une constante de temps dépendant du condensateur 042 une tension en opposition de phase avec celle qui lui est appliquée par le circuit de réglage B et le diviseur de tension de décalage C. L'intensité de la contre-réaction ainsi produite est réglée au moyen de la résistance ajustable RA59. il est clair que le facteur de forme des signaux délivrés sur le collecteur ou l'émetteur Q56 dépend de la valeur choisie pour la résistance RA59. La sensibilité du thermostat selon l'invention dépend directement de ce rapport de forme. On va maintenant donner les caractéristiques des composants utilisés dans un mode de réalisation de l'invention - C10 1 microfarad - 400 V - Ril 100 ohms - 1 W - DZ12,DZ13 et DZ17 1N30246 (15 V) - D14 1N678 - CIS 100 microfarads (50 V) - R16 330 Ohms - Uh21 5 kilohms à 250, pente 5% par degré - h22 500 Ohms à 250, pente 5 % par degré - RQ23 2,2 kilohms - R24 10 kilohms - RP31 1 mégohm - R32 330 kilohms - R33 680 kilohms - R34 680 kilohms - R41 100 kilohms - C42 25 microfarads (12 V) - Q43 2N2905 - DZ44 1N708Â (5,6 V) - R45 15 kilohms - Q46 et Q47 2N2905 - R48 100 Ohms - R49 10 kilohms - R51 4,7 kilohms - R52 10 kilohms - R53 20 kilohms - C54 0,22 microfarad - R55 100 kilohms - Q56 2N2905 - R57 470 ohms - R58 4,7 kilohms - RA59 2,2 megohms - R61 500 kilohms - R64 100 kilohms - Q65 et Q66 2N2905 - R67 et R73 100 kilohms - R68 220 ohms - R69 27 kilohms - Q71 2N2219 - R72 47 kilohms - Triac 81 - C82 0,1 Microfarad - R83 100 ohms Comme on l'a déjà exposé ci-dessus, le même circuit de réglage de température B peut être utilisé pour unie pluralité de thermostats selon l'invention. Ce circuit B fait partie de l'un de ces thermostats, et les autres reçoivent en amont de la résistance R41 le signal fourni par ledit circuit B. les autres thermostats ne comportent pas de capteur de température. Bien entendu, les alimentations continues sont prises par rapport au même conducteur du secteur alternatif (neutre dans l'exemple décrit). Ceci permet un fonctionnement très avantageux : en effet, une seule thermistance Th21 détecte la température à modifier, et un seul organe de commande RA23 permet de commander de façon globale la température à obtenir. Chaque thermostat individuel fonctionne, suivant le type de l'appareil électrique associé (production de calories ou de frigories), soit en mode direct soit en mode inverse. Suivant les capacités de l'appareil électrique et les besoins à l'endroit où il est implanté, la sensibilité est réglée par l'ensemble résistif E associé, et le décalage est ajusté par le circuit de décalage C correspondant. Une installation ainsi équipée est illustrée schématiquement sur la figure 2. Un autre avantage important de l'invention consiste en ce que chaque unité de puissance à elle et le thermostat associés sont alimentes de façon indépendante au moyen du secteur alternatif sans que cela nuise à la qualité de régulation de température. le conducteur neutre du secteur étant utilisé comme référence pour tous les thermostats, le nombre de conne xions à prévoir entre les thermostats commandés à partir du mdme circuit B se réduit à une ligne électrique omnibus, reliée au point milieu dudit circuit B. Ceci fait que le dispositif selon l'invention est particulièrement intéressant pour les applications de chauffage et de conditionnement d'air. REVENDICATICNS 1. Thermostat électronique conçu pour être associé à un appareil électrique apte à des échanges thermiques avec une enceinte en utilisant le secteur alternatif monophasé, du type comprenant un circuit de-réglage comportant un détecteur de température et des moyens d'affichage d'une température désirée, pour fournir une information électri que de différence de la température désirée et de la tempé rature détectée, un interrupteur commandé, pour appliquer le secteur alternatif audit appareil électrique, et des moyens d'amplification et de commande alimentés en tension continue à partir du secteur alternatif et reliés au circuit de réglage pour actionner ledit interrupteur commandé en fonction de l'information électrique de différence, carac térisé en ce que l'alimentation des moyens d'amplification et de commande est agencée pour fournir une tension continue par rapport à un conducteur déterminé du secteur alternatif, en ce que le circuit de réglage est constitué d'un premier diviseur de cette tension continue ayant dans l'une de ses branches une résistance sensible à la température et une résistance ajustable pour afficher une température désirée, en ce que les moyens d'amplification et de commande compor tent un second diviseur de cette tension continue ayant dans l'une de ses branches une résistance ajustable, et un premier étage à haute impédance d'entrée, relié par des résistances respectives au point milieu du second diviseur de tension, et, de façon amovible, au point milieu du premier diviseur de tension. 2. Thermostat électronique selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'amplification et de commande comprennent des moyens d'amplification proprement dite pour fournir un signal en créneau en relation avec les tensions appliquées à leur étage d'entrée à haute impédance, et des moyens de commande proprement dits répondant à ce signal en créneau en commandant, ou non, en synchronisme avec le secteur, la conduction de l'interrupteur commandé, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande comportent une inversion du sens du signal en créneau par rapport au potentiel dudit conducteur neutre, et en ce que la sortie desdits moyens d'amplification comporte un étage pour fournir le signal en créneau de façon commutable sous deux formes de sens opposé, ce qui permet de réaliser une contre-réaction globale sur les moyens d'amplification indépendamment de cette commutation. 3. Une installation de régulation de température, au moyen d'une pluralité d'appareils électriques aptes à des échan ges thermiques, en utilisant le secteur monophasé, dans une enceinte où l'alimentation électrique du secteur comporte un conducteur commun, caractérisé en ce qu'elle comporte un thermostat électronique selon l'une des revendications 1 et 2 pour chaque appareil électrique, tous ces thermos tats électroniques ayant leur alimentation continue par rapport audit conducteur commun, et en ce que les étages d'entrée à haute impédance de ces thermostats sont tous reliés au point-milieu du premier diviseur du circuit de réglage de l'un d'entre eux.