Brevet FR2259489A1 — publié le 19750822

La présente invention concerne les circuits relais, -et plus particulierement un circuit relais destiné à commander une tension alternative, et qui ntest fermé que lorsque la valeur instantanée de cette tension alternative est pratiquement nulle. I1 existe un type de composant de commutation semi-conducteur, appeléthyristorbidirectionnel commandé, ou triac, et qui est amené à 1' étant conducteur par un signal appliqué à son électrode de commande, de la meme manière qu'un redresseur au silicium commandé. Mais les thyristors bidirectionnels commandés diffèrent des redresseurs au silicium commandés en ce qu'ils peuvent conduire un courant dans les deux sens, à la commande d'un signal positif ou négatif sur leur électrode de commande.Le Brevet des Etats Unis dthmérique n 3 275 909 décrit un thyristor de ce genre. Grecs à leurs caractéristiques, lesthyristors bidirectionnels commandés se prttent parfaitement à la fonction dféléments actifs de commutation dans un circuit relais à courant alternatif. Cependant, l'utilisation des redresseurs bidirectionnels commandés comme éléments actifs de commutation dans un circuit relais à courant alternatif ne va pas sans poser des problèmes. Par exemple, il est connu que dans la plupart des applications, il convient qu'un relais à courant alternatif, qutil consiste en un circuit ou en un organe électro-mécanique, ne change d'état qu'au moment où la valeur de la tension alternative commandée est pratiquement nulle.Cela élimine les problèmes de transitoires qui se présentent si le relais change d'état à un instant où la tension alternative commandée a une valeur substantielle.' Un certain nombre de circuits ont déJà ét-é réalisés pour ch n- ger d'état à tension nulle des relais à courant alternatif co- portant des thyristors bidirectionnels commandé-s comme éléments actifs de commutation.Mais les thyristors actuellement disponibles ont besoin d'un signal de tension et d'intensité relative- ment importantes (de l'ordre de 3 Volts et 0,3 Ampère) pour passer à ltdtat conducteur, de sorte que les circuits de commutation à tension nulle déjà réalisés comportent tous un circuit destiné à maintenir un signal de ce niveau sans l'appliquer réellement à 12 électrode de commande du thyristor, Jusqu'au moment où la valeur de la tension alternative commandée passe par zéro. En général, ce résultat était obtenu au moyen d'un circuit de commande, commandé lui-mdme par le circuit d'entrée mais qui pré levait un courant permanent à sa propre source alimentation. Des redresseurs au silicium commandés supplémentaires, destinés à faire passer le thyristorbidirectionnel commandé à l'état conducteur, étaient commandés par des composants susceptibles d'emmagasiner beaucoup d'QnergFe, comme des bobines d'inductance ou des condensateurs, et qui ne déclenchaient le redresseur au silicium commandé qu'à lsinstant exact où la tension appliquée taist pratiquement nulle. L'invention concerne donc un circuit relais à courant alternatif qui comporte un thyristorbidireotionnel commandé comme élément actif de commutation, et dans lequel un circuit simple et peu motteux ne déclenche le thyristorque lorsque la valeur du courant alternatif commuté est pratiquement nulle. En résumé, un circuit relais à courant alternatif selon un mode de réalisation de l'invention comporte un thyristorbidirectionnel commandé comme élément actif de commutation. La tension alternative commandée est appliquée aux bornes principales du thyristor.Les bornes dtentrée d'un redresseur à deux alternances sont connectées entre l'une des bornes principales et l'électro- de de commande du thyristor.Un commutateur de commande, comme par exemple un redresseur au silicium commandé est connecté entre les bornes de sortie du redresseur à deux alternances. Chaque fois que ce commutateur est fermé, un courant suffisant est prélevé par le redresseur à deux alternances par ltélectrode de commande du thyristorpour le déclencher.Un premier circuit de commande réa git à un signal d'entrée enfermant le commutateur de commande afin de faire passer le thyristorà l'état conducteur, et un second circuit de commande rend le commutateur de commande indépendant du premier circuit de commande lorsque l'amplitude de la tension alternative commandée dépasse une valeur prédéterminée, de manière à éviter que le thyristorne passe à l'étant conducteur Si l'amplitude de la tension alternative commandé n'est pas inférieure à cette valeur prédéterminée. Ltinvention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel La figure unique est un schéma d'un circuit relais à courant alternatif selon ltinvention. La figure unique représente donc le schéma d'un circuit relais à courant alternatif selon l'invention. Ce circuit comporte deux bornes de sortie 10 et 12 qui sont généralement connectées en série avec la source de tension alternative commandée et la charge à laquelle cette tension doit entre appliquée. La source de tension alternative et la charge ne sont pas représentées sur la figure, car la manière de connecter un relais à ces éléments est bien connue.Dans son application la plus courante, la fonction du circuit relais consiste à- présenter un circuit ouvert entre les bornes 10 et 12 lorsque le relais n'est pas commandé afin d'éviter l'application de la tension à la charge, et à pré- senter un court-circuit entre ces bornes 10 et 12 lorsque le relais est commandé, de manière à permettre que la tension alternatibe de la source soit appliquée à la charge par I'intermédiaire du circuit relais. L' élément actif de commutation du circuit relais est un thyristor bidirectionnel commandé 14, du type décrit dans le Brevet des Etats Unis d'Amérique nO 3 275 909. Ce thyristor 14 comporte des bornes principales 16 et 18 et une électrode de commande 20. Ainsi outil est bien connu, lethyristorbidirectionnel 14 se comporte comme s'il était constitué par deux redresseurs au silicium commandés connectés en parallele-opposition et dont les électrodes de commande sont reliées entre elles. Par conséquent, lorsqu'il est débloqué, le thyristor 14 peut laisser passer un courant dans un sens comme dans 11 autre, et il peut entre déclenché par un signal d'une polarité ou l'autre appliqué à l'électrode de commande 20.De mtme que dans le cas des redresseurs au silicium commandés, lorsque le thyristor bidirectionnel commandé 14 est débloqué, son électrode de commande 20 ne permet plus de commander son état et il continue a conduire jusqu'à ce que la tension appliqude~à ses bornes principales 16 et 18 disparaisse. I1 faut remarquer que lorsqu'un thyristor bidirectionnel commandé est utilisé dans un circuit en courant alternatif, il fonctionne en auto-extinction après chaque alternance, à moins qu'un signal de déclenche- ment soit maintenu à l'électrode de commande, car la tension principale nécessaire disparait effectivement aux bornes du thyristor chaque fois que le courant alternatif passe par zéro à l'inversion de sa polarité. Un redresseur a deux alternances 22 est connecté en série avec une résistance 23 de limitation de courant entre la borne principale 1(3 du:thyristorl4 et son électrode de commande 20. Les bornes d'entrée 24 et ZS du redresseur 22 sont connectées de la manière représentée afin de constituer ce circuit en série. Un commutateur de commande 32, qui peut consister en un redresseur au silicium commandé est connecté entre les bornes de sortie 28 et 30 du redresseur à deux alternances 22, de manière que son anode 34 soit connectée à la borne de sortie positive 28 et sa cathode 36 à la borne de sortie négative 30. Deux bornes 40 et 42 sont également représentées, connectées respectivement à l'électrode de commande 38 et à la cathode 36 du redresseur au silicium commandé 32. La partie du circuit relais qui vient dtttre décrite fonctionne de la manière suivante. Il sera supposé que lethyristor bidirectionnel commandé 14 est bloqué A ce moment, pratiquement toute la tension alternative commandée apparait entre les bornes 10 et 12. Un circuit comprenant la résistance 23, le redresseur à deux alternances 22, le circuit anode-cathode du redresseur commandé 32 et la partie interne du thyristor 14 entre son électrode de commande 20 et sa borne primaire 18, existe entre ces deux bornes 10 et 12. La résistance effective de ce circuit est égale à la somme de la valeur de la résistance 23, de la résistance anode-cathode du redresseur commandé 32 et de la résistance entre l'électrode de commande de la borne principale du thyristor 14.La valeur de la résistance 23, et les caractéristiques du thyristorl4 et du redresseur commandé 22. sont choisies de manière que la somme de ces résistances limite le courant qui circule dans l'électrode de commande 20 à une valeur inférieure à celle nécessaire pour déclencher le thyristor. Ainsi qu'il a été mentionné précédemment, les thyristors bidirectionnels commandés ont besoin d'un signal d'amplitude relativement élevéepour passer à 1' état conducteur. 'Le redresseur à deux alternances 22 maintient en permanence une tension positive entre l'anode 34 et la cathode 36 du redresseur commandé 32, qu elle que soit la polarité de la tension al ternative appliquée aux bornes 10 et 12. Si un signal de commande est appliqué, par les bornes 40 et 42, à l'électrode de commande 38 et à la cathode 36 du redresseur comrnandé 32, ce dernier devient conducteur eut 3a résistance interne décrott brusquement .jusqutau voisinage de zéro.A ce moment, 11 amplitude du signal appliqué à l'électrode de commande 20 du thyristor 14, ce signal provenant de 1' énergie fournie aux bornes 10 et 12 par la ten sion alternative commandée, et non du signal de commande de faible niveau provenant des bornes ko et 42, ntest limitée que par la résistance 23 de limitation de courant. La valeur de cette résistance est choisie de manière que le signal appliqué à l'électrode de commande 20 soit largement suffisant pour amener lethyristorl4 à l'état conducteur, mais qu'il soit toute foi s insuffisant pour l'endommager. Le thyristorbidirectionnel commandé 14 est donc maintenant conducteur, son électrode de commande 20 n'a plus aucune influence, et la conduction se poursuit jusqu'à la fin de l'alter- nance de la tension alternative, où laconduction du thyristor disparait d' e1le-mme. Mais si le signal de commande est encore appliqué à ltélectrode de commande 38 du redresseur commandé 32, à la fin de alternance suivante de la tension alternative, le thyristor 14 est à nouveau débloqué pendant l'alternance suivante et ce fonctionnement persiste tant que le signal de commande est appliqué à l'électrode 38. Ainsi quil a & mentionné précédemment, il est souhaitable de n'amener îethyristorbidirectionnel commandé 14 à l'état conducteur que lorsque la valeur de la tension alternative apparaissant entre les bornes 10 et 12 est pratiquement nulle. Selon linvention, ce ce résultat est obtenu de la manière suivante. Le collecteur d'un transistor à saturation 14 est connecté à l'électrode de commande 38 du redresseur commandé 32 et son émetteur est connecté à la cathode 36 de ce meme redresseur. Un circuit diviseur de tension constitué par trois résistances 46, 48 et50 connectées en série, est également con necté entre les bornes de sortie 28 et 30 du redresseur à deux alternances 22.Ces résistances sont connectées de la manière représentée, la résistance 50 étant connectée directement entre la base et l'émetteur du transistor 44. Les valeurs de ces résistances sont choisies de manière que si l'amplitude de la tension appliquée aux bornes 10 et 12 dépasse une valeur prddéter- minée, une chute de tension suffisante apparait aux bornes de la résistance 50 pour polariser le transistor 44 à l'état de saturation, de manière qu'un court-circuit soit établi entre son collecteur et son émetteur.Par exemple, les valeurs des résistances 4d, 48 et 50 peuvent entre cAlois es de manière que si l'amplitude de la tension entre les bornes 10 et 12 dépasse six Volts dans un sens ou dans I'autre, le transistor 44 est amené à la saturation trace à l'effet du redresseur 22. Lorsque le transistor 44 est saturé de cette manière, il établit un court-circuit entre l'électrode de commande 38 el cathode 36 du redresseur commandé 32 et si à ce moment un signal de commande est appliqué antre les bornes 40 et 42, ce signal est court-circuité par le transistor 44 et il ne débloque pas le redresseur 32.De cette manière, le thyristorbidirectionnel commandé 14 nest déclenché par un signal de commande apparaissant entre les bornes 40 et 42 que si la tension appliquée entre les bornes 10 et 12 a une valeur très faible, inférieure à la valeur prédéterminée mentionnée ci-dessus, La manière selon laquelle 11 application d'un signal d'entrée produit le signal de commande appliqué aux bornes 40 et 42 sera décrite ci-après. Un signal d'entrée ou de commande dont l'application doit provoquer la fermeture du circuit relais, est appliqué entre les bornes d'entrée 52 et 54 qui sont connectées directement à un redresseur 56 à deux alternances. Une résistance 58 et des diodes 60 et 62 sont connectées en série entre les bornes de sortie du redresseur 56. La base d'un transistor 64 est connectée entre la résistance 58 et la diode 60, et son émetteur est connecté, par ltintermédiaire d'une ré- sistance 66, au point commun entre la diode 62 et la sortie du redresseur 56. La fonction de cette partie du circuit d'entrée consiste à convertir le signal d' entrée ou de commande en un courant continu de valeur constante, que le signal d'entrée soit continu ou alternatif, et quel que soit son niveau. Ce résultat est obtenu de la manière suivante. Si le signal d' entrée est alternatif, le redresseur à deux alternances 56 le redresse, et s'il est continu A'une polarité ou l'autre, il passe directement par le redresseur 56. Le signal d'entrée, redressé s'il y a lieu, apparait aux bornes du circuit constitué par la résistance 58 et les diodes 60 et 62 en série.Du fait que les diodes 60et 62 sont polarisées dans le sens direct, une chute de tension constante apparait à leurs bornes, quelle que soit 11 amplitude de la tension entre les bornes 52 et 54, ltexcbs de tension apparaissant aux bornes de la résistance 58. Il en résulte qu'unie chute de tension constante est appliquée aux bornes du circuit constitué par la jonction émetteur-base du transistor 64 et la résistance 66, puisque ce circuit est en dérivation sur les diodes 60 et 62.Le transistor 64 est alors polarisé pour délivrer un courant de collecteur constant, quel que soit le niveau du signal appliqué entre les bornes 52 et 54, 1' intensité de ce courant de collecteur dépendant de la valeur de la résistance 66. Il en est ainsi car la diode 60 et le transistor 64 sont choisis de manière que la chute de tension aux bornes de la diode 60 soit égale à la chute de tension aux bornes de la jonction base-émetteur du transistor 64.La chute de tension aux bornes de la résistance 66 doit donc être égale à la chute de tension aux bornes de la diode 62, cette chute de tension étant égale au produit du courant d'émetteur du transistor 64 par la valeur de la résistance 66. Lsintensité de ce courant doit donc varier en sens inverse de la valeur de la résistance 66 et il est donc possible de choisir la valeur de cette résistance, et par conséquent le courant d'émetteur voulu, ainsi que le courant de collecteur constant du transistor 64. Le courant de collecteur du transistor 64 est ondulé par un multivibrateur astable comprenant les transistors 68 et 70, les résistances 72 et 74 et le transformateur76 à prise médiane, ces éléments étant connectés de la manière représentée et constituant un circuit de type bien connu Les paramètres de fonctionnement du multivibrateur astable sont choisis de manière que sa fréquence soit au moins dix fois supérieure à la-fréquence de la tension alternative commandée entre les bornes 1-0 et 12, ceci afin d'assurer que le circuit multivibrateur délivre une impulsion positive pendant la période où la tension alternative qui doit titre connectée v arie entre zéro et le niveau prédéterminé mentionné ci-dessus auquel le transistor 44 est saturé, et bloque le redresseur commandé 32. La figure montre que le circuit d'entrée est complété par un circuit de filtrage connecté entre le transistor 64 à courant constant et le circuit multivibrateur astable, ce circuit de filtrage étant constitué par les résistances 78 et 80 et le condensateur 82, ainsi que par la résistance 58 déjà mentionnée. Le fonctionnement du circuit relais sera maintenant résume dé la manière suivante. Un signal de commande d' entrée est appliqué dentre les bornes 52 et 54. Il est redressé dans le re drosser 56 et converti en un courant constant par le transistor 64. Le signal de sortie de ce transistor traverse un filtre pour titre ondulé par les transistors 68 et 70 du circuit multivibrateur astable. Le signal de sortie à fréquence élevée du circuit multivibrateur devient le signal de commande qui est délivré entre les bornes 40 et 42 pour amener le redresseur commandé 32 à l'état conducteur.Mais le transistor à saturation 44 et le diviseur de tension constitué par les résistances 46, 48 et 50 empochent le redresseur commandé 32 dextre amené à ltétat conducteur si ltamplitude instantanée de la tension entre les bornes 10 et 12 dépasse une valeur prédéterminée. Si une tension de valeur suffisamment faible apparait entre les bornes 10 et 12, les signaux de commande à fréquence élevée appliqués entre les bornes 40 et 42 débloquent le redresseur commandé 32 qui à son tour, débloque le thyristor bidirectionnel commandé 14 en fermant ainsi le circuit relais. A l'alternance suivante, lethyristor bidirectionnel commandé 14 se bloque de lui-méme, mais si le signal d'entrée est encore appliqué entre les bornes 52 et 54, le redresseur commandé 34 débloque à nouveau le thyristor 14.Le relais reste ainsi commandé jusqu'à ce que le signal d'entrée disparaisse des bornes 52 et 54. Le circuit représenté comporte également certains éléments de filtrage qui n'ont pas été mentionné au cours de la description qui précède. Par exemple, la résistance 84 et le condensateur 86 connectés en série entre les bornes de sortie 10 et 12 constituent un circuit d'amortissement destiné à éliminer les transitoires de haute fréquence et éviter l'amorçage à tort duthyristorl4. Un condensateur 88 est également prévu dans le circuit de la base du transistor 44 afin de dériver les crêtes de tension élevée qui peuvent apparattre entre les bornes de sortie 10 et 12 et éviter ainsi. la saturation du transistor 44 à un moment où il est souhaitable de débloquer le redresseur commandé 32.Un condensateur 90 est également connecté entre les bornes de sortie du transformateur 76 afin d'éliminer les ten sions transitoires a la borne de commande 38 38 du redresseur com- mandé 32, et également de stabiliser la fréquence d'oscillation du circuit multivibrateur astable. Le condensateur 82 déja mentionné remplit également une fonction de filtrage en empochant les signaux de haute fréquence produits par le circuit multivibrateur astable de se propager jusqu'aux bonites dtentrée 52 et 54. Bien que l'invention soit décrite ci-dessus dans un mode particulier de réalisation, il est bien évident que cela ne constitue pas une limitation. Par exemple, un circuit denturée particulier a été décrit, qui délivre un signal de commande approprié à 11 électrode 38 du redresseur commande 32. D'autres types de circuit d'entrez pourraient également convenir pour produire ce signal de commande. De mimez deux redresseurs au silicium commandé connectés en parallèle-opposition pourraient remplacer le thyristor bidirectionnel commandé, car il est bien connu qui ils sont pratiquement déquivalents en fonction et en structure. Si cette substitution est faite, il suffit de disposer dsun moyen approprié pour appliquer le signal de déclenchement à l'électrode de commande du redresseur voulu, et au moment voulu. Un seul redresseur commandé pourrait suffiredans le cas d'un courant d'une seule alternance commuté à tension nulle. En outre, il est évi dent que si l'invention applique à la commande de signaux en-courant alternatif d'amplitude relativement réduite, le thyrîstorbidirectionnel commandé peut titre supprimé, la source de courant alternatif et la charge étant alors connectées entre les bornes lO et 20 car le signal entre ces bornes qui, dans le mode de réalisation décrit constitue le signal de déclenchement du thyristor consiste lui-meme en un signal alternatif commuté à tension nulle. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent entre apportées au circuit décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. RMt ^^ A X S 1 - Circuit relais à couriuit alternatif qui n'est fermé que lorsque la valeur de la tension commandée est pratiquement nulle, caracterisé en ce qu'il comporte un redresseur à deux alternances comprenant des bornes d'entrée et des bornes de soit tie positive et négative , un circuit destiné à appliquer une tension alternative commandée aux bornes d'entrée du redresseur à deux alternances, un commutateur de commande connecté entre les bornes de sortie du redresseur à deux alternances, un premier circuit de commande réagissant à un signal de commande en fermant le commutateur de commande et un second circuit de commande qui rend le commutateur de commande indépendant dudit premier circuit de commande, lorsque ltamplitude de la tension alternative commandée dépasse une valeur- prédéterminée. 2 - Circuit relais selon la revendication 1, caractérisé en ce qu1il comporte un redresseur commandé à grande puissance comprenant une première et une seconde borne principale et une électrode de commande, un circuit destiné à appliquer la tension alternative commandée aux bornes principales, et un circuit destiné à connecter l'une des bornes principales et l'électrode ae commande entre les bornes d'entrée du redresseur à deux alternances. 3 - Circuit relais selon la revendication 2, caractérisé en ce que le redresseur commandé à grande puissance consiste en un thyristor bidirectionnel commandé. 4 - Circuit relais selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le commutateur de commande consiste en un redresseur commandé qui comprend une anode, une cathode et une électrode de commande, l'anode tant connectée à la borne de sortie positive du redresseur à deux alternances et la cathode étant connectée à la borne de sortie négative du redresseur à deux alternances, le premier circuit de commande appliquant un signal de commande au circuit relais et un circuit réagissant à l'application du signal de commande au circuit relais en appliquant un signal de commande à lI électrode de commande du redresseur commandé. 5 - Circuit relais selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second circuit de commande comprend un transistor saturable connecté entre 11 électrode de commande et la cathode du redresseur commandé et un troisième circuit de commande des tiné à amener le transistor à l'état saturé lorsque l'amplitude de la tension alternative commandée dépasse la valeur prédéterminée, 6 - Circuit relais selon la revendication 5, caractérisé en ce que le troisième circuit de commande consiste en un diviseur de tension connecté entre les bornes de sortie du redresseur à deux alternances.