Brevet FR2176037A1 — publié le 19731026

La présente invention concerne une installation ou circuit destiné à réduire l'érosion et les dégats que subissent les contacts des commutateurs. Le régime des contacts des commutateurs est souvent limité par l'exigence qu'ils doivent supporter un certain nombre d'opérations de commutation avant que leur entretien ou leur remplacement ne soit nécessaire. Les matières qui résistent à 1 t érosion ne sont pas en général celles dont la résistance-de contact électrique est la plus faible. I1 es-t connu que l'érosion des contacts se produit principalement pendait la coupure du courant par suite d'un claquage de l'air dans l'intervalle qui sépare les contacts au moment de leur ouverture. Les gaz ionisés de l'intervalle permettent le passage du courant, de sorte que le processus bien connu d'amorçage d'un arc entrain l'érosion et la fusion de la matière des contacts. L'installation selon l'invention, destine à la réduction de l'érosion des contacts d'un commutateur, comprend un dispositif de commutation semiconducteur monté dans un circuit connecté aux bornes de deux contacts du commutateur, et un circuit de commande réactif, connecté à la grille c à l'une des bornes d'alimentation au moins aes dispositifs fje commutation semiconducteurs, agencé de façon à émettre automatiquement une impulsion de déclenchement et à rendre momentanément conducteur le dispositif de commutation lorsqu'en fonctionnement, l'appareil est connecté aux bornes des contacts d'un commutateur par lesquels passe un courant électrique et que les contacts sont ouverts. Dans une forme de réalisation de l'invention, la chute de potentiel brusque de l'un des contacts, au moment de leur ouverture, provoque l'émission par le circuit réactif du signal de déclenchement. Le circuit réactif peut comprendre une résistance et un condensateur montés en série avec le dispositif de commutation dont la gille est connectée à la jonction entre le condensateur et la résistance. De préférence, le dispositif de commutation est un commutateur à triode bilatéral dénommé ciaprès "triac". Dans le cas d'un circuit destiné à des contacts coupant un courant alternatif, le dispositif de commutation est un dispositif semiconducteur bidirectionnel. Lorsque les contacts sont ouverts, le dispositif de commutation est conducteur jusqu'à ce que la tension appliquée à ses bornes tombe en-dessous de sa tension de maintien, à la fin de la demi-période du courant alternatif. Dans le cas d'un circuit destiné à des contacts coupant un courant continu, le circuit de commande comprend un condensateur monté en série atec le dispositif de commutation qui peut etre unidirectionnel ou bidirectionnel. Le condensateur empêche le dispositif de commutation de transmettre un courant stable à la charge lorsqu'il est déclenché et rendu conducteur. Une résistance shunt est connectée aux bornes du condensateur afin d'empêcher qu'il ne soit chargé lorsque le dispositif de commutation est non-conducteur ou bloqué. A titre d'exemple, on a décrit ci-après et représenté au dessins annexés plusieurs formes de réalisation du circuit de protection selon l'invention. Sur ces dessins, La figure 1 représente un circuit de protection destiné à des contacts coupant un courant alternatif. La figure 2 représente les formes d'ondes du potentiel en divers points du circuit de la figure 1 comportant une charge résistante. La figure 3 représente un circuit de protection semblable à celui de la figure 1, mais modifié afin d'entre utilisé avec des charges extremement inductives. La figure 4 représente une autre variante du circuit de la figure 1. La figure 5 représente un autre circuit de protection destiné à des contacts coupant un courant alternatif. La figure 6 représente un circuit de protection pour des contacts coupant un courant continu. Deux contacts 11 et 12 d'un commutateur sont connectés en série avec une charge résistante 13, entre des bornes 14 d'alimentation en courant alternatif. Les bornes d'alimentation 16 et 17 d'un triac 15 sont en parallèle sur les contacts 11, 12 et grille 18 est connectée à un circuit résistance-capacité 19 comprenant une résistance 20 et un condensateur 21 en série avec les contacts 11, 12 et avec le triac 15. La grille du triac est connectée à la jonction d'une première borne de la résistance et du condensateur. L'autre borne de la résistance est connectée au contant 12 situé du côté de la charge 13. Les valeurs de la résistance et du condensateur sont choisies de manière que la constante de temps OR du circuit soit faible, par exemple de quelques microsecondes et de façon que la tension produite, à la fréquence d'alimentation, aux bornes de la résistance soit insuffisante pour déclencher le triac. Par exemple, dans un circuit destiné à supprimer l'amor çage des arcs et à réduire l'érosion des contacts d'un thermostat d'une installation de chauffage central, la valeur du condensateur 21 est de 0,1 microfarad et celle de la résistance de 47 ohms. Le circuit fonctionne de la manière suivante: en régime permanent, lorsque les contacts 11 et 12 sont fermés, la tension d'alimentation alternative des bornes 14 est appliquée directement à la charge 15 et au circuit réactif 19. Comme on l'a indiqué plus haut, la valeur de la résistance 20 est choisie de manière que la tension produite à ses bornes pendant la charge et la décharge du condensateur, à la fréquence d'alimentation soit insuffisante pour le déclenchement du triac 15. Les bornes 16 et 17 de ce dernier sont court-circuitées par les contacts 11 et 12, de sorte que le triac ne joue aucun rôle dans l'alimentation en courant de la charge 13. En régime permanent et lorsque les contacts sont ouverts, aucun courant ne passe dans le circuit résistancecapacité, de sorte que le triac 15 reste bloqué et en conséquence aucun courant ne passe par la charge.- Lorsque, pendant une période de la tension d'alimentation, les contacts 11 et 12 sont ouverts, le circuit fonctionne de la façon décrite ci-après. Du fait de la faible constante de temps du condensateur 21 et de la résistance 20, la tension du condensateur suit étroitement la tension d'alimentation. De ce fait, le condensateur est chargé immédiatement avant que les contacts ne soient ouverts. Au moment de l'ouverture des contacts 11 et 12, il se produit entre eux une chute de potentiel instantanée dont la valeur est limitée par l'amorçage d'un arc. La variation instantanée de potentiel du contact 12 provoque un accroissement brusque de la différence de potentiel aux bornes de la résistance 20 (voir figure 2) car la différence de potentiel aux bornes du condensateur 21 ne peut varier instantanément. Cette différence de potentiel est suffisante pour déclencher le triac 15 et le rendre conduc teur, le condensateur commençant à se décharger par la résistance 20 et par la grille 18 du triac. Une résistance 22 peut être montée en série avec le condensateur et la grille du triac afin de limiter la pointe de courant lorsque le triac commence à etre conducteur etde > protéger. Dans l'exemple mentionné plus haut, la valeur de la résistance est de 47 ohms. De ce fait, le triac est rendu conducteur quelques microsecondes après l'ou- verture des contacts.La différence d. potentiel entre les contacts 11 et 12 est réduite à quelques volts, de sorte que l'arc ne peut être maintenu. Pendant la partie restante de la demi-période, la totalité du courant de la charge passe par le triac qui se bloque automatiquement lorsque son courant anodique atteint une valeur nulle. Le circuit est efficace avec des charges réactives aussi bien qu'avec des charges résistantes. S'il existe une tension aux bornes de la charge lorsque le triac se bloque, le condensateur 21 sedécharge par la résistance 20 suffisamment lentement pour que le potentiel produit aux bornes de la résistance 20 n'atteigne jamais le niveau de déclenchement du triac 15. Du fait que seul le triac transmet le courant de la charge pendant, au plus, une demi-période du courant alternatif d'alimentation, il est possible d'utiliser des trials de faible dimension pour la protection de commutateurs dans lesquels passent des courants intenses. Par exemple, des triacs d'un régime de 2,5 ampères efficaces permettent le passage d'un courant de régime de 100 Ampères pendant une demi-période. I1 va de soi que des éléments supplémentaires peuvent etre incorporés au circuit de la figure 1, en vue de la suppression de phénomènes transitoires. Bien que le circuit de la figure 1 soit efficace avec des charges réactives, il peut etre amélioré afin de permettre son utilisation avec des charges extr8mement inductives par le remplacement de la résistance 20 par une self d'arret 20' pour haute fréquence, comme on le voit à la figure 3. La réactancede la self d'arrêt 20' dépendant de la fréquence, son impédance est faible pour la variation relativement lente de la tension de la charge qui se produit après le blocage du triac mais son impédance est élevée pour les variations rapides de potentiel qui se produisent au moment de l'ouverture des contacts. L'inductance de la self d'arrêt peut, par exemple, être de 10 microhenrys. Pour le reste, le fonctionnement du circuit de la figure 3 est le meme que celui de la figure 1. La figure 4 représente un autre circuit de protection. I1 diffère de celui de la figure 1 par le fait que la borne du condensateur 21, qui était connectée à la borne neutre 14 située au bas du dessin, est maintenant connectée à la borne d'alimentation active 14 et à la borne d'alimentation 16 du triac. Lorsque les contacts 11 et 12 sont fermés, ils transmettent la tension alternative des bornes d'alimentation 14 à la charge 13. la valeur de la résistance 20 est choisie de manière que la tension produite à ses bornes pendant la charge et la décharge du condensateur 21, à la fréquence d'alimentation, soit insuffisante pour le déclenchement du triac 15. lies bornes 16 et 17 de ce dernier sont court-circuitées par les contacts 11 et 12 et en conséquence le triac ne joue aucun r61e dans l'alimentation en courant de la charge 13. Lorsque, pendant une période de la tension alternative d'alimentation, les contacts 11 et 12 sont ouverts, il se produit entre eux une chute de potentiel instantanée qui provoque un accroissement brusque de la différence de potentiel aux bornes de la résistance 20, car la différence de potentiel aux bornes du condensateur ne peut pas varier instantanément. Cette différence de potentiel suffit pour déclencher le triac 15 et le rendre conducteur quelques microsecondes après l'ouver- ture des contacts. La différence de potentiel entre les contacts 11 et 12 est, de ce fait, réduite à quelques volts, de sorte qu'un arc ne peut 8tre maintenu entre eux. Pendant la partie restante de la demi-période, le triac transmet le courant à la charge et il se bloque automatiquement lorsque le courant qui le traverse devient nul. Ce montage offre l'avantage de constituer un circuit de protection à deux bornes, susceptible autre connecté aux contacts, dans l'un et l'autre sens. I1 comporte toutefois l'inconvénient que, lorsque les contacts sont ouverts, les phénomènes transitoires de la tension d'alimentation peuvent provoquer des déclenchements fréquents du triac. La figure 5 représente un autre circuit de protection. Dans ce dernier, le circuit de déclenchement réactif 18 comprend une inductance 23 montée en serie avec les contacts 11 et 12 et avec la charge 13. Les bornes d'alimentation du triac 15 sont en parallèle sur les contacts 11, 12 et l'induc- tance 23. En régime permanent, lorsque les contacts sont fermés, le courant varie assez lentement dans le circuit, de sorte que la différence de potentiel aux bornes de l'induc- tance 23 est inférieure à la tension de déclenchement du triac 1. Lorsque les contacts s'ouvrent, la chute brusque de courant de la charge induit dans l'inductance une force contre électromotrice élevée qui est suffisante pour le déclenchement du triac à la conduction. Le triac reste conducteur pendant le restant de la demi-période de la tension d'alimentation alternative puis il se bloque automatiquement. L'inconvénient du montage représenté a la figure 5 est que la valeur optimale de l'inductance dépend du courant de la charge. La figure 6 représente un circuit de protec- tion destiné a titre utilisé avec des contacts coupant un courant continu. lie circuit est le meme que celui de la figure 1, sauf qu'un condensateur 24, shunté par une résistance 25, est en série avec le triac entre sa borne d'alimentation et la borne d'alimentation active 14. Le circuit fonctionne de la manière suivante. En régime permanent, lorsque les contacts 11 et 12 sont fermés, il n'y a aucune tension aux bornes du triac de sorte que ce dernier est bloqué. Le condensateur 24 est déchargé du fait de la résistance de shuntage 25. Le courant n'est, en conséquence, transmis à la charge que par les contacts 11 et 12. Lorsque les contacts 11 et 12 sont ouverts, le triac 15 est déclenché, de la façon décrite précédemment, par la tension instantanée qui apparat aux bornes de la résistance 20. Le courant passe par le triac et charge le condensateur 24. Celui-ci est choisi de manière que le taux de décroissance de la tension aux bornes de la charge 13 soit suffisamment faible pour empêcher le potentiel du contact 12 de tomber à une valeur pour laquelle un arc peut s'amorcer. A mesure que la charge du condensateur augmente, le courant passant par le triac diminue jusqu'à ce que sa valeur soit inférieure au niveau de maintien, de sorte que le triac se bloque. Le conden sateur se décharge alors par la résistance de shuntage 25. La valeur de la résistance 25 est choisie de manière qu'elle ne puisse transmettre le courant de maintien du triac. De ce fait, le condensateur 24 et sa résistance de shuntage 25 ont pour but de permettre au courant de passer par le triac mais pendant une période de courte durée après-que les contacts 11 et 12 ont été ouverts. Lorsque les contacts 11 et 12 sont fermés, ils transmettent le courant à la charge, de sorte que le triac et les éléments qui lui sont associés ne jouent aucun roule dans l'alimentation en courant de la charge. I1 n'y a, de ce fait, aucun courant supplémentaire dA aux éléments destinés à la suppression de l'arc. Le circuit de la figure 6 est particulièrement utile avec une charge inductive, car le condensateur 24 ralentit l'élévation de tension aux bornes des contacts 11 et 12 lorsqu'ils sont ouverts, mais ne produit pas de courant de décharge intense par les contacts lorsque ceux-ci sont fermés. - REVENDICATIONS 1. Installation de réduction de l'érosion des contacts d'un commutateur, caractérisée en ce qu'il comprend un dispositif de commutation semiconducteur (15) monté dans un circuit destiné à etre connecté aux bornes des contacts (11 et 12) du commutateur, et. un circuit de commande réactif (19), connecté à la grille (18) et au moins à l'une des bornes d'alimentation (17) du dispositif de commutation semiconducteur (15), le circuit de commande étant agencé de manière à émettre automatiquement une impulsion de déclenchement et à rendre momentanément conducteur le dispositif de commutation (15)lorsquten fonctionnement, l'appareil est connecté aux bornes des contacts (11 et 12) d'un commutateur par lequel passe un courant électrique et que les contacts de ce dernier sont ouverts. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de commutation est un dispositif de commutation bidirectionnel (15). 3. Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de commutation est un triac Q5). 4. Installation suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le circuit de commande rdactif comprend une impédance (20, 20') et un condensateur (21) montés en série, la grille (18) étant connectée à la jonction entre le condensateur et l'impédance. 5. Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'impédance (20, 20') est montée entre l'une des bornes d'alimentation (17) du dispositif de commutation (15) et sa grille (18), le condensateur (21) étant monté entre la grille (18) et une borne (14) destinée à etre connectée à une borne d'alimentation. 6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le condensateur (21) est connecté à l'autre borne d'alimentation (16) du dispositif de commutation (15). 7. Installation suivant l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que l'impédance est une résistance (20). 8. Installation suivant l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que l'impédance est une self d'arrêt 20'. 9. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le circuit réactif comprend une self d'arret (23) montée entre la gille (18) et une borne d'alimentation (17) du dispositif de commutation, l'une des bornes de la self d'arrêt étant connectée à une borne destinée à etre connectée à une charge (13) et son autre borne étant connectée à une borne destinée à être connectée à un contact (12). 10. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le circuit de commande réactif comprend un condensateur (24) shunté par une résistance (25), monté dans ledit circuit, en série avec le dispositif de commutation (15).