Brevet FR2227688A1 — publié le 19741122

L'invention est relative à un commutateur électrique sans contacts, comportant un organe d'actionnement dont le déplacement mécanique peut déclencher une opération de connexion. les commutateurs équipés de contacts ont l'inconvénient que, pendant l'opération de connexion7 il se produit un rebondissement des contacts donnant naissance à des signaux électriques indéfinis qui doivent être ajustés aux conditions imposées à la qualité des signaux par des éléments électroniques supplémentaires rendant ces commutateurs plus compliqués et plus chers. Sur les contacts mécaniques apparat, de plus, une usure due à l'érosion par étincelles à l'ouverture des contacts, ainsi qu'à la nécessité de débarrasser par brAlage~les surfaces des contacts pour maintenir la résistance de transition entre des limites permettant d'atteindre un nombre raisonnable de cycles de connexion exempts d'erreurs.Pour dénuder par brûlage les couches de corrosion, il faut appliquer aux contacts mécaniques un courant de connexion minimum, de sorte que, dans une installation importante comportant une série de touches, l'énergie de perte installée a pour résultat un dégagement de chaleur influençant défavorablement l'exploitation de l'installation. Outre les nombreux commutateurs à contacts des types les plus divers, on connaît déjà des commutateurs électriques sans contacts, qu'on peut subdiviser en trois groupes principaux. le premier groupe de ces commutateurs sans contacts fonctionne suivant le principe d'un initiateur à induction, par le fait qu'au moment où la face inférieure métallique d'un poussoir d'actionnement est rapprochée d'une bobine, les vibrations d'un oscillateur sont interrompues,-ce qui permet d'en dériver un signal électrique de sortie. Ces commutateurs sont de construction extrêmement compliquée et coûteuse,de sorte que leurs possibilités d'application sont limitées. le deuxième groupe comprend des touches de pression sans contacts, qui se distinguent des commutateurs équipés de contacts en ce que les contacts électriques sont remplacés par un système magnétique avec plaques de champ et semi-conducteurs. Par actionnement d'un poussoir, un aimant permanent est rapproché d'une plaque de champ, qui représente à son tour un semi-conducteur dont la résistance varie sous l'influence de champs magnétiques. La variation de résistance se produisant dans la plaque de champ est utilisée pour commander un étage transistorisé ou un déclencheur de Schmitt, donc pour engendrer un signal de sortie électrique. Ces commutateurs sans contacts connus ont l'inconvénient d'être perturbés dans leur fonctionnement par des champs magnétiques extérieurs plus intenses. De tels champs magnétiques peuvent avoir pour effet de faire circuler dans des lignes électriques voisines des courants de forte intensité, susceptibles d'entraîner des erreurs Sde connexion des commutateurs sans contacts à actionnement magnétique. Un autre inconvénient réside en ce-que les principes de couplage appliqués ne tiennent pas compte des conditions imposées par une ambiance particulièrement difficile.Il faut signaler enfin que la masse de l'aimant nécessaire momentanément mis en oeuvre accroît la masse utile du poussoir d'actionnement, de sorte que, pour des forces d'actionnement comparables, la sécurité du commutateur aux chocs est faible. En ce qui concerne le troisième groupe de commutateurs sans contacts, il s'agit de nouveau de touches à pression, dans lesquelles un aimant permanent est déplacé le détecteur utilisé n'est cependant pas une plaque de champ comme dans le deuxième groupe, mais une lamelle de silicium cristallin avec un circuit de connexion intégré, formé d'un générateur Hall, d'un déclencheur de Schmitt et d'un amplificateur, une tension électrique prenant naissance au rapprochement de l'aimant. les inconvénients principaux sont alors les mêmes que pour le deuxième groupe. La présente invention a pour but de réaliser un commutateur électrique sans contacts dans lequel les inconvénients précités sont éliminés, qui est par conséquent simple et peu coûteux, possède en même temps qu'une longévité élevée une très grande robustesse et une bonne sûreté de fonctionnement, et est totalement insensible vis-à-vis d'influences perturbatrices extérieures, par exemple de champs magnétiques, même dans des conditions d'ambiance difficiles. Conformément à l'invention, ce but est atteint par le fait que, de part et d'autre du plan du mouvement de l'organe d'actionnement, il est prévu au moins un émetteur de lumière et un récepteur de lumière se faisant vis-à-vis à la façon d'une barrière lumineuse de telle sorte qu'en fonction de la position déplacée de l'organe d'actionnement l'incidence de la lumière sur le récepteur est interrompue ou libérée. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'inveRtion, l'organe d'actionnement est agencé et disposé par rapport à l'émetteur et au récepteur de lumière de telle façon que l'incidence de la lumière sur le récepteur soit libérée lorsqu'vil est actionné. t'avantage essentiel obtenu de cette manière réside en ce qu'il ne peut pas se produire-de signaux erronés en cas de déficience de l'émetteur de lumière ou de sa tension d'alimentation. Suivant une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, l'émetteur de lumière prévu est une diode luminescente. Comparativement à une lampe à incandescence, une diode luminescente a notamment l'avantage de posséder une longévité sensiblement plus grande, de sorte que le commutateur ne nécessite aucun entretien. Â ce propos, un accroissement supplémentaire de la longévité peut être obtenu par le fait que la diode luminescente est alimentée en sous-tension ou établie pour une surtension. En ce qui concerne la longévité du commutateur, celle de la diode luminescente n'a donc plus besoin d'être prise en considération. Dans le cadre de l'invention, il est proposé de plus que le récepteur de lumière soit constitué par une photo-résistance, dont la résistance électrique devient notablement plus faible lors d'une incidence de la lumière, et qu'au commutateur soit raccordé un couplage électrique, de préférence électronique, qui assure le processus de connexion en fonction de la variation de la résistance. Il est avantageux également d'agencer l'organe d'actionnement en un poussoir de connexion et de le munir d'une languette opaque, ainsi que d'une fenêtre translucide. L'organe d'actionnement peut être ainsi d'-exécution très légère, c'est-à-dire de faible masse, de préférence formé d'une matière plastique, ce qui confère au commutateur une sureté aux chocs plus grande, par rapport à celle des commutateurs comportant les organes d'actionnement connus réunis à un aimant permanent. Une forme de réalisation avantageuse sur le plan de la construction est obtenue en outre par le fait que l'émetteur et le récepteur de lumière sont disposés à distance l'un de l'autre sur une plaque isolante et que la plaque isolante est munie, dans la zone comprise entre l'émetteur et le récepteur de lumière, d'une fente pour le passage de la languette. Il est avantageux à cet égard que les composants d'un couplage électronique soient disposés sur la plaque isolante. De cette manière, le commutateur peut être de très petites dimensions, peu encombrant, demander peu de matières pour sa fabrication et posséder cependant une structure très claire, un avantage supplémentaire pouvant être obtenu par le fait que la circuiterie est exécutée sous la forme d'un circuit imprimé. En pratique, il est favorable de plus que la plaque isolante soit disposée de fanon interchangeable à distance d'une plaque de fond munie de bornes de branchement. Le commutateur selon l'invention est utilisé principalement comme commutateur à bouton-poussoir, bien que l'invention ne soit pas limitée à cette forme d'utilisation. Pour l'agencement en commutateur à bouton-poussoir il est avantageux de prévoir un boltier ouvert vers la plaque de fond, qui forme avec ladite plaque une enceinte fermée de tous c8tés, contenant la plaqué isolante avec l'émetteur de lumière, le récepteur de lumière et les éléments de construction du couplage électronique, l'organe d'actionnement étant guidé dans le boîtier. Un accroissement supplémentaire de la sûreté de fonctionnement est obtenu par le fait que deux ou plusieurs émetteurs et récepteurs de lumière sont disposés c3te à côte avec leurs composants correspondants du couplage électronique et peuvent être manoeuvrés par un organe d'actionnement commun, de conformation appropriée. Dans le cadre de l'invention, il est proposé, enfin, que le couplage électronique soit agencé de telle sorte que, même si l'organe d'actionnement se déplace lentement, il se produit un comportement discontinu avec un point de connexion déterminé et reproductible en ce qui concerne la tension électrique de la ou des sorties. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente en perspective un commutateur sans contacts, dont le boîtier est partiellement découpé. La figure 2 est un schéma de couplage du commutateur selon la figure 1. La figure 3 montre un autre schéma de couplage. La figure 4 représente encore un autre schéma de couplage simplifié. La figure 5 représente encore un autre schéma de couplage. La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un commutateur électrique sans contacts selon l'invention, exécuté sous la forme d'un commutateur à bouton-poussoir. Comme le montre le dessin, le commutateur possède un boîtier 1 de forme générale parallélépipédique, qui délimite, avec une plaque de fond 2, une enceinte fermée de toutes parts dans laquelle sont logés les composants décrits ci-après ainsi que la circuiterie. Le boîtier peut être fixé au moyen de vis 4, par exemple à un tableau de commande. Sur la face inférieure externe de la plaque de fond 2 se trouvent des bornes de branchement électriques 8, ou des vis de contact facilement accessibles.A une certaine distance au-dessus de la plaque de fond ou de branchement 2 se trouve une plaque isolante à conducteurs 5, qui sert de support à un récepteur de lumière constitué par une photo résistance 6, à un émetteur de lumière constitué par une diode luminescente 7, ainsi qu'aux divers composants 10 d'un couplage électronique v de préférence agencé en amplificateur inverseur. Dans ce but, la plaque isolante 5 portant les conducteurs est munie sur sa face inférieure des jonctions électriques appropriées des divers éléments, sous la forme d'un circuit imprimé.La diode luminescente 7 est portée par des points d'appui soudés 9, sur lesquels sont soudés les contacts de la diode lurlinescente, de telle façon que celle-ci fait vis-à-vis à la photorésistance G. Les autres composants 10 sont montés en dehors de la zone de la diode luminescente 7 et de la photo-résistance 6 de manière à ne pas gener le parcours des rayons entre ces deux éléments. La diode luminescente 7 et la photo-résistance 6 sont disposées de part et d'autre d'une fente 5a dans la plaque isolante 5. Dans cette fente s'engage une languette 3d qui, dans cet exemple de réalisation, est réunie par des nervures 3b à un poussoir fa, de façon qu'une fenêtre 3c se forme entre les nervures 3b. Le poussoir 3a est guidé et peut coulisser axialement dans le boltier 1 ; il est maintenu par un ressort de pression non représenté dans la position reproduite dans la figure 1 et son actionnement a lieu à l'encontre de la force de ce ressort de pression.A son extrémité supérieure, le poussoir 3a est muni d'une plaque de pression 3 de forme générale rectangulaire aplatie, sur laquelle, lors de l'actionnement du commutateur, une force peut autre exercée en direction de la flèche indiquée pour déplacer vers le bas la plaque de pression, le poussoir, la fenêtre et la languette, si bien que la lumière incidente, qui part de l'émetteur 7 constitué par la diode luminescente, parvient librement sur le récepteur de lumière 6 constitué par la photo-résistance. Dès qu'aucune force n'est plus exercée sur la plaque de pression, le poussoir avec les éléments sus-décrits qui ooo-parent avec lui est ramené par l'action du ressort de pression à sa position d'oriOine, de sorte que l'incidence de la lumière est de nouveau interrompue. le commutateur électrique sans contacts selon l'invention est conçu principalement comme entrée d'ordres dans des appareillages électroniques de commande de tous systèmes. ta diode luninescente 7 utilisée est chargée de préférence à moins de 25 % de son courant nominal pour accroltre la longévité et rayonne de l'énergie lumineuse sous une longueur d'onde Xde 650 microns, tombant sur la photo-résistance 6 dont la valeur de résistance varie suivant l'incidence de la lumière. Par l'amplificateur inverseur branché à la suite et formé des compo sants 10, cette variation est convertie en des signaux univoques "0"H1,1". Selon le mode d'exécution du commutateur électrique sans contacts, l'amplificateur inverseur manoeuvre un, deux ou plusieurs transistors de commande.Lors de l'actionnement de l'organe d'actionnement, il se forme de ce fait, aux vis de contact 8, soit un signal ,1', soit le signal inverse "0". tes transistors de commande sont du type pnp de préférence et connectent toujours la charge en opposition à la tensiond'alimenta- tion + UB. A l'état de repos, la languette 3d interrompt le rayon de la barrière lumineuse. Dans le cas où la barrière lumineuse est déficiente pour une raison quelconque, ce qui est comparable à la rupture d'un fil dans un commutateur équipé de contacts, la sortie sur les vis de contact 8 reste au potentiel de repos, pour des motifs de sécurité. Selon une forme de réalisation non représentée, la sûreté d'un circuit donneurs d'ordres peut tre accrue par juxtaposition de deux boîtiers 1, dans chacun desquels sont prévus un émetteur et un récepteur de lumière, qui font fonction de barrières lumineuses et sont commandées simultanément par un organe d'actionnement unique.Pour des applications critiques, une électronique externe surveille dans ce cas les deux systèmes. S'il n'est pas possible de juxtaposer deux boîtiers parumanque de place, on peut, selon une autre forme de réalisation, non représentée, prévoir dans un seul boîtier un doublage des émetteurs et des récepteurs de lumière, à la façon de barrières lumineuses, avec les couplages électroniques correspondants-, de préférence du genre des amplificateurs inverseurs, qui sont manoeuvrés simultanément par une languette d'un organe d'actionnement et peuvent être surveillés pareillement par une électronique externe. En référence aux figures 2 à 5 vont être décrits maintenant quatre schémas de couplage différents, susceptibles de trouver application dans le commutateur selon l'invention. il y a lieu de noter que les mimes signes de référence sont utilisés pour désigner les éléments identiques dans les divers schémas de couplage. Le mode de fonctionnement du couplage selon la figure 2 est essentiellement le suivant. te couplage est alimenté en une tension continue appliquée de l'extérieur, de préférence de 24 V, pouvant varier de + 6V. Une diode D3 sert de protection pour éviter tout dommage en cas d'erreur de polarité de la tension branchée. Par une résistance RI est alimentée la diode luminescente lED, qui, en vue de l'obtention dtune longévité maximum, est exploitée avec une forte sous-tension, ainsi qu'il a été exposé plus haut. L'énergie lumineuse émise par la diode luminescente est cependant suffisante pour abaisser la résistance de la photo-résistance LDR dans une mesure telle que, par l'intermédiaire du diviseur de tension, constitué par la photo-résistance IDR et par une résistance R2, la tension base-émetteur d'un transistor TI devienne si basse que ce transistor bloque. Par le couplage au moyen d'une Pésis- tance R4 avec un autre transistor T2, ce dernier devient conducteur, c'est-à-dire que la borne A située sur le collecteur du transistor T2 se trouve sous -une tension voisine de 24V.Par l'intermédiaire d'une résistance Ri est enclenché en même temps un autre transistor T3, puis un quatrième transistor 24. il en résulte un effet d'inversion vis-à-vis du transistor T2, de sorte qu'à la sortie h est appliquée une tension voisine de O Y. L'état sus-décrit correspondant à l'actionnement de l'élément palpeur électronique, par exemple suivant l'exemple de réalisation de la figure 1, à la position enfoncée de l'organe d'actionnement ou du poussoir. A l'état normal, la languette du poussoir interrompt, comme décrit plus haut, le trajet de la lumière entre l'émetteur constitué par la diode luminescente L5D et le récepteur constitué par la photo-résistance LDR, de sorte que le transistor TI est bloqué et le transistor T4 ouvert, si bien qu' à la borne A est appliquée une tension voisine de O V et à la borne une tension voisine de 24 V.Par une résistance supplémentaire RG, le collecteur du transistor T3 est couplé en réaction sur la base du transistor TI, ce qui détermine un comportement discontinu du transistor TI et, par suite, de l'ensemble de l'appareillage. En raison de ce comportement discontinu, la tension des sorties A et A change brusquement, mme si le poussoir est actionné lentement et si ltexposition de la photo-résistance tDR augmente de ce fait progressivement. On obtient ainsi avec certitude un point de connexion reproductible. il est prévu de plus des diodes D1 et D2 qui empechent les transistors de sortie d'entre endommagés par des tensions induites des relais branchés.Conformément au schéma de couplage de la figure 2, il existe enfin des résistances supplémentaires R3, R?, 28, 9 et R10. La figure 3 montre un schéma de couplage simplifié par rapport à la figure 2, savoir dans lequel le transistor T4 et la sortie inversée A avec les résistances correspondantes R9, R10 et la diode D2 sont supprimés. Les possibilités d'application de ce couplage sont ainsi légèrement restreintes ou limitées à des domaines plus spéciaux, mais la dépense de fabrication peut être avantageusement abaissée. Dans le schéma de couplage selon la figure 4, le transistor T2 ainsi que les résistances correspondantes R4, R7 et la diode Dl selon la figure 2 sont supprimés, de sorte qu'apparaît seulement le signal A, mais pas de signal A. Ce couplage est prévu aussi pour des domaines d'application spéciaux et offre l'avantage autre de fabrication moins coûteuse. La figure 5 montre enfin un schéma de couplage qui, contrairement à ceux décrits précedemment, est alimenté en une tension de 5 Vt 0,5 V. Ce couplage est prévu plus particulièrement pour autre utilisé dans des circuits de commande dits TL sous une mEme tension de service. La sortie A peut être reliée directement à des circuits de commande TTL, par exemple à une porte NAND. Etant donné que l'emploi de circuits de commande TTL venant à la suite offre des possibilités simples d'inversion du signal, on peut renoncer au signal Adans l'élément de connexion lui-même. Ci-après, on exposera le comportement, en cas de dérangements éventuels, des montages qu'on peut considérer en quelque sorte comme des éléments de connexion groupés en des unités de construction. Four celà, on va revenir sur le schéma de couplage selon la figure 2. Si la diode luminescente est déficiente, le commutateur ne peut plus être actionné. L'apparition dtun signal de sortie intempestif en cas de déficience de la diode luminescente lED est d'autre part impossible, en raison du principe de fonctionnement par ouverture du rayon lumineux. La sécurité est par conséquent assurée puisqu'aucun signal de sortie ne peut se former en cas de panne.Lorsque la photo-résistance L;DR est interrompue, le transistor T1 reste conducteur et il ne peut pas se produire pareillement de signal de sortie. Parmi les transistors utilisés, les transistors T2 et T4 sont particulièrement menacés, car ils peuvent être chargés par des éléments raccordés aux bornes de sortie A et A . Une interruption ou un court-circuit de l'un de ces transistors a toutefois pour conséquence que les signaux A et A ne sont plus inversés entre eux, ce qui peut être mis à profit facilement pour des couplages de contrôle. C'est seulement une interruption du transistor TI ou un court-circuit du transistor T3 qui simulerait un signal de sortie ne provenant pas d'un actionnement de l'élément de connexion. Des déficiences de ce genre ne peuvent pas etre attendues du fait de la charge et ne peuvent etre que de nature statistique. On peut néanmoins s'en protéger en montant surSun élément d'actionnement, c 'est-à-dire sur un bouton-poussoir tel quail a été décrit plus haut dans le cadre d'un exemple de réalisation de l'invention, deux appareils en parallèle, couplés comme dans le schéma de la figure 2 et dont les sorties sont surveillées encore une fois par une électronique non représentée venant à la suite. Des dispositions de cons truction appropriées peuvent être prévues a cet effet. Il feut souligner enfin que les commutateurs selon l'invention peuvent être agencés pour agir comme commutateurs d'ouverture, de fermeture ou de changement. En résumé, l'invention procure les avantages principaux suivants. te commutateur conforme à l'invention est de structure simple, claire et peu coûteuse ; il possède une sûreté de fonctionnement élevée ainsi qu'une grande longévité et son mode d'action ne peut pas être influencé par des perturbations extérieures, par exemple par des champs magnétiques. Grâce à l'utilisation d1au moins un émetteur et d1au moins un récepteur de lumière faisant fonction de barrière lumineuse commandée par le déplacement d'une languette opaque ou d'un autre organe approprié, ainsi que par la combinaison avec un amplificateur inverseur constitué par de sinples résistances et des transistors, une connexion impeccable à flancs abrupts est garantie, sans qu'il soit nécessaire de prévoir, pour supprimer les signaux de rebondissement, des composants électroniques supplémentaires, ce qui est le cas avec des contacts mécaniques. te commutateur conforme à l'invention n'est soumis à aucune usure mécanique. Sa structure compacte le rend de plus très peu encombrant. i?EvtNDICATIONS 1. Commutateur électrique sans contacts, comportant un organe d'actionnement dont le déplacement mécanique peut déclencher une opération de connexion, ledit commutateur étant caractérisé en ce que, de part et d'autre du plan du mouvement de l'organe d'actionnement (3, 3a, 3b, 3c, 3d), il est prévu au moins un émetteur de lumière (7 ; LED) et un récepteur de lumière (6 ; L;DR) se faisant vis-à-vis à la façon dlune barrière lumineuse de telle sorte qu'en fonction de la position déplacée de l'organe d'actionnement l'incidence de la lumière sur le récepteur est interrompue ou libérée. 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe d'actionnement (3, 3a, 3b, 3c, 3d) est agencé et disposé par rapport à l'émetteur (7 ; SIED) et au récepteur de lumière (6 ; LDR) de telle façon que l'incidence de la lumière sur le récepteur soit libérée lorsqu'il est actionne. 3. Commutateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'émetteur de lumière prévu (7 ; IED) est une diode luminescente. 4. Commutateur selon la revendication 3,-caractérisé en ce que la diode luminescente est alimentée Nen sous-tension ou établie pour une surtension. 5. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récepteur de lumière (6 ; tDR) est'constitué par une photo-résistance dont la résistance électrique devent notablement plus faible lors d'une incidence de la lumière, et en ce qu'au commutateur est raccordé un couplage électrique, de préférence électronique, qui assure l'opération de connexion en fonction de la variation de la résistance. 6. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'organe d'actionnement est constitué par un poussoir de connexion (3a) et est muni d'une languette opaque (3d) ainsi que d'une fenetre translucide (3c). 7. Commutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'émetteur (7 ; IED) et le récepteur de lumière(6;lDR) sont disposés à distance l'un de l'autre sur une plaque isolante (5) et en ce que la plaque isolante est munie, dans la zone comprise entre l'émetteur et le récepteur de lumière, d'une fente (5a) pour le passage de la languette(3d). 8. Commutateur selon la revendication 7 caractérisé en ce que les composants (10) d'un couplage électronique sont disposés sur la plaque isolante (5). 9. Commutateur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la plaque isolante (5) est disposée de façon interchangeable à distance d'une plaque de fond (2) munie de bornes de branchement (8). 10. Commutateur selon les revendications 6 et 9, caractérisé en ce qu'il est prévu un boîtier (1) ouvert vers la plaque de fond (2), qui forme avec ladite plaque une enceinte fermée de tous côtés contenant la plaque isolante (5) avec l'émetteur de lumière (7), le récepteur de lumière (6) et les composants (10) du couplage électronique, et en ce que l'organe d'actionnement (3, 3a, 3b, 3c, 3d) est guidé dans le boîtier (1). 11. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux ou plusieurs émetteurs et récepteurs de lumière sont disposés côte à côte avec leurs composants correspondants du couplage électrique et peuvent être manoeuvrés par un organe d'actionnement commun d'agencement approprié 12. Comeutateur avec couplage électronique, caractérisé en ce que ledit couplage est agencé de telle sorte que, même si l'organe d'actionnement (, 3a, 3b, 3c, 3d) se déplace lentement, il se produit un comportement discontinu avec un point de connexion déterminé et reproductible en ce qui concerne la tension électrique de la ou des sorties.