Brevet FR2315066A1 — publié le 19770114

La présente invention concerne un système électronique intégré de contrOle de teti;érature de chaudieres de chauffage par eau chaude. On connatt bien les systèmes de chauffage central actuellement sur le marché qui comportent une chaudière et une série de radiateurs dans lesquels circule l'eau chaude en circuit fermé. La rdgula- tion de la tespérature ambiante dans le local chauffé par les radiateurs se fait en maintenant constante la température de l'eau a la sortie des chaudières et, à cet effet, ces systèmes comportent une vanne de réglage à membrane qui est contrtlée par un système électromecanique composé par un thermostat et une résistance de freinage et, par conséquent, ces systèmes fonctionnent de la façon suivante En supposant-que la chaudière est froide, on choisit la température de Liteau dé la sortie de la chaudière en plaçant la manette du thermostat sur une position déterminée; si liteau courante arrive à I'éPectropompe, le fonctionnement normal de celle-ci produit une différence de pression dans la vanne et la membrane de cette vanne se déplace dans un sens déterminé et le gaz pénètre directement dans le braleur et prend feu et commence a chauffer l'eau du circuit du chauffage.Quand l'eau atteint la température choisie, le contact mobile du thermostat ferme le circuit et la résistance de freinage est intercalée dans le circuit correspondant de ltelectropovpe, ce qui donne lieu à une réduction de la vitesse du moteur et par conséquent la pression n'est plus suffisante pour maintenir la vanne de réglage ouverte, ce qui interrompt l'arrivée du gaz aux brQleurs. A partir de ce moment, le débit dseau chaude qui circule dans le circuit a travers les radiateurs est le plus réduit, jusqu'à ce que la température de l'eau descende au-dessous de la température choisie, ce qui donne lieu au retour du contact du thermostat A la position primitive et au commencement d'un nouveau cycle. L'objet de l'invention consiste en un circuit électro- nique qui remplace le système électromécanique de contrôle composé par le thermostat de la résistance. Ce circuit électronique utilise une série d'éléments semi-conducteurs de silicium pour réaliser la fonction décrite plus haut et, par conséquent, ce circuit comporte deux parties différentes : une qui agit comme régulateur statique de tension à deux positions et est composée d'un thyristor et d'un pont de diodes traversé par le courant d'alimentation du circuit général, tandis que l'autre partie est constituée par le circuit de contrôle alimenté en tension continue grace à une diode de Zener et des résistances de polarisation, et qui comporte une bascule double formée par trois transistors auxquels est appliquée une tension de référence fixée par un diviseur de tension qui comporte deux résistances.Le thyristor de la partie qui agit comme régulateur est commandé par deux des transistors mentionnés plus h"ut Le thyristor et le pont de diodes constituent ensemble un contacteur statique et,lorsque le thyristor est activé par une impulsion, la tension entre les points de connexion du réseau au pont de diodes diminue à une valeur déterminée, et la tension entre les bornes est appliquée au moteur branché en série avec le circuit, Ce thyristor est activé de deux façons différentes grace à deux combinaisons des trois transistors du circuit. Dans un cas, le thyristor est excité au moyen des deux transistors au commencement de chaque demi-cycle de la tension du réseau et, par conséquent, le moteur reçoit la totalité de la tension.Dans l'autre position, le thyristor est excité par le moyen de l'autre transistor et du transistor commun précédent, cette excitation se faisant avec un certain retard par rapport au point d'origine des temps de la tension du réseau. Ce retard, et par conséquent la vitesse la plus réduite du moteur, peut etre régle de façon continue au moyen d'un potentiomètre branché dans le circuit. Le circuit de contrôle est alimenté en tension continue par une diode de Zener et une résistance en série, et il détecte les changements de température au moyen d'une thermistance à coefficient de température négatif, située dans le pont de résistances formé par un potentiomètre et le diviseur de tension qui fixe la tension au point de connexion avec deux des transistors, cette tension servant de référence à la bascule double formée par les deux transistors en question et un troisième transistor branché entre ceux-ci, le diviseur de tension et le thyristor qui appartient à la partie de rqulationducfixxit. Dans le but d'éviter les oscillations du circuit produites par des amorçages aldatoires du thyristor et pour éliminer les interférences que pourrait produire le circuit lui-meme, on a prévu un filtre constitue d'un condensateur et une résistance en série avec celui-ci, relié au réseau dtentrEe du circuit. Egalement, on a prévu une résistance en série avec le pont de résistances du circuit ds contrOle, ce qui permet de compenser les variations de tension du réseau. D'autre part, parmi les innombrables formes de réalisation de ce circuit électronique, on en a choisi une qui constitue en synthèse le circuit décrit plus haut dans lequel ont été introduits certains éléments nouveaux qui ne changent pas sa fonction mais qui l'améliorent de façon considérable. Ce circuit nouveau sera décrit plus loin à l'aide des schémas correspondants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente le schéma du système de chauffage auquel est appliqué le circuit électronique selon l'invention; - la figure2 représente le schéma du circuit électronique qui constitue l'objet de l'invention et qui remplace le système électromécanique de contrôle de température, composé par un- thermostat et une résistance de freinage, qui sont représentés dans la zone hachurée de la figure I; - la figure 3 représente les formes d'ondes obtenues au cours du fonctionnement de l'appareil en fonction de la température détectée par la thermistance;; - la figure 4 represente la caractéristique de transfert "résistance de la thermistance-angle d'amorçage du thyristor", dans laquelle on peut observer un certain gain linéaire; - la figure 5 représente le schéma de la figure 2, dans lequel on a introduit un filtre RC et une résistance pour compenser les variations de tension du réseau; - la figure 6 représente une variante du schéma principal qui remplit les memes fonctions que celui-ci; - les figures 7, 8, 9, 10 et ll représentent les différentes formes d'ondes de la tension en fonction du temps qui sert à expliquer le fonctionnement du schéma représenté dans la figure 6; - les figures 12 et 13 représentent les variations de tensions qui sont obtenues lorsque l'on applique au schéma de la figure 6 une résistance de compensation. La figure l représente l'ensemble du systeme de chauffage dont le fonctionnement est le suivant En partant d'une chaudiere froide et le circuit de chauffage étant plein d'eau et totalement exempt d'air, on choisit la température de l1eau à la sortie de la chaudière au moyen de la manette du thermostat l, pour obtenir la température désirée dans le local à chauffer; ensuite, en fermant l'interrupteur I et le thermostat étant dans la position 2, le courant arrive à ltélectropompe 3 avec la tension normale de fonctionnement. Cette motopompe 3 produit, durant son fonctionnement normal, une différentielle de pression suffisante dans la vanne hydraulique 4 pour que le disque 5 soit obligé à s'élever et, par conséquent, le gaz arrive directement au brflleur 6.Le gaz prend feu et commence à chauffer l'eau du circuit général 7. Lorsque l'eau atteint la température choisie, le contact mobile du thermostat 1 prend la position 8 et, par conséquent, le courant arrive au moteur de l'électropompe 3 à travers la résistance de freinage 9 et, par conséquent, la vitesse de rotation de l'électropompe 3 diminue de telle façon que la différentielle de pression dans la vanne hydraulique 4 cesse d'etre suffisante pour élever le disque 5 et, par conséquent, celui-ci descend et ferme le passage du gaz vers le brûleur 6. De cette façon, la, température du circuit 7 diminue au-dessous de la température choisie dans le, thermostat 1, et le contact mobile revient à la position 2, et le cycle recommence. Le dispositif qui porte la référence 10 est le bulbe de dilatation d'huile du thermostat l. Le dispositif de régulation et de contrôle décrit plus haut, constitué par un système électromécanique, a été remplacé par un circuit électronique, qui constitue l'objet de l'invention, représenté dans la figure 2 et qui comporte deux parties distinctes : une partie 12 située z droite de la ligne en pointillé Il et une autre partie 13 située à gauche de cette ligne. La partie 12 située à droite est composée par un pont de quatre diodes 14 et un thyristor 15. Le réseau d'alimentation 16 et le moteur 17 sont reliés à ce pont 14 entre les bornes 18 et 19 et, par conséquent, le circuit 12 est alimenté à la tension nominale qui existe entre les bornes 19 et 20. Cette partie 12, constituée par le pont de diodes 14 et le thyristor 15, constitue un contacteur statique qui réalise les opérations d'un tria c, qui forme le circuit régulateur, tandis que la partie 13 forme le circuit de-contrble. Le fonctionnement du circuit est le suivant : lorsqu'une petite impulsion de courant arrive à l'électrode de commande du thyristor 15, ce qui donne lieu à l'amorçage de ce dernier, la tension entre les points 18 et 21 diminue à une valeur inférieure à 3 volts, et la tension dralimen- tation est appliquée au moteur 17 durant une demi-periode de la tension du réseau; à ce moment, le contacteur 12 applique des demi-périodes de tension au moteur 17 tant que dure le signal de commande du thyristor 15. Ce thyristor 15 peut hêtre amorcé de deux façons différentes; dans un cas, il est amorcé par les transistors 22 et 23 lorsque la température de l'eau est réduite et,par conséquent, la résistance de la thermistance 24 est importante. On applique alors au moteur 17 la tension totale. Dans l'autre position d'amorçage, la température de l'eau est plus élevée que la température de référence et le transistor 22 est bloqué, tandis que le thyristor 15 est amorcé par les transistors 26 et 23 et le filtre réglable composé par la résistance 25 et le condensateur 27, cet amorçage se faisant avec un certain retard par rapport au point d'origine des temps du réseau d'alimentation.Ce retard, et par conséquent la vitesse la plus basse du moteur 17, peut etre réglé au moyen du potentiomètre 25, ce réglage se faisant au moment du montage du circuit et étant fixé une fois pour toutes. Dans la figure 3, on a représenté les formes d'ondes qui permettent d'expliquer le fonctionnement de l'appareil en fonction de la température détectée par la thermistance 24. Dans la figure 35 la température de sortie de liteau 28 est inscrite sur l'axe des ordonnées, la courbe en ligne continue 30 est celle qui correspond à la température de l'eau et celle tracée en tirets 31 est celle qui correspond à l'erreur détectez, les temps étant représentés sur l'axe des abscisses, tandis que le niveau réglé au moyen de la résistance 32 est représenté par la ligne horizontale en tirets 33.Au-dessous de ces courbes de température'ont été représentées les formes d'ondes de la tension appliquée au moteur 17, la partie 29 repre- sentant la tension contrlée en phase, tandis que la partie 34 représente la tension total. D'autre part, le circuit de contrôle est alimenté par une tension continue trapézotdale gracie à la diode de Zener 35 et à la résistance 36; de cette façon, les changements de température sont détectés par la thermistance 24 à coefficient de température ndgatif, qui est montée dans un pont de résistances formé par les résistances 32, 37, 38 et 39. Les résistances 38 et 39 forment un diviseur de tension qui fixe une tension de référence au point 40, laquelle sert de référence à la double bascule formée par les transistors 22, 23 et 26.Cette tension est comparée constamment avec celle des points 41 et 42, de façon que le circuit bascule et applique un courant à l'électrode de commande du thyristor 15 dès que l'une des tensions des points 41 et 42 atteint une valeur supérieure à la tension de référence du point 40, ce qui se produit a) Instantanément, au commencement de chaque demipériode,si la résistance de la thermistance 24 est assez élevée pour que le diviseur formé par les résistances 32, 34 et 37 produise au point 41 une tension supérieure à celle du point 40; dans ce cas, le transistor 22 est saturé et produit la saturation du transistor 23, ce qui donne lieu à I'application d'un courant à l'électrode de commande du thyristor 15 à travers la résistance 38. b) Avec un certain retard par rapport au point d'origine des temps de la tension alternative, si la résistance de la thermistance 24-est basse (le milieu contrôlé est soumis à une température élevée) et le transistor 22 reste bloqué. Le condensateur 27 se charge alors à travers la résistance 25 jusqu'a atteindre au point 42 la tension de rférence 40, les transistors 26 et 23 basculant alors à la position de blocage, ce qui donne lieu à l'amorçage du thyristor 15. Une autre particularité du circuit consiste en ce que sa caractéristique de transfert "résistance de la thermistanceangle d'amorçage du thyristor" n'est pas parfaitement vissable, mais présente une zone dans laquelle il existe un certain gain linéaire comme on peut le voir dans la figure 4. La ligne 43 est l'angle amorçage réglé par le potentiomètre 25, tandis que les axes 44 et 45 sont respectivement l'angle d'amorçage et la résistance de la thermistance 24. La partie 46 correspond à. l'augmentation de la résistance de la thermistance 24 et dépend des résistances de réglage du circuit. Le circuit décrit et représenté dans la figure 2 peut etre amélioré de façon notable en lui ajoutant un filtre RC et une rsis- tance, ce qui conduit au schéma de la figure 5 qui est identique a celui de la figure 2 avec les deux petites variantes en question. Grace à l'introduction.du filtre 47 formé par la résistance 48 et le condensateur 49, on évite le' oscillations du circuit produites par les amorçages aléatoires du thyristor 15; on protège également le circuit contre les phénomènes transitoires du réseau et on élimine les interférences radioélectriques que pourrait produire le circuit. L'introduction de la résistance 50 permet également de compenser les variations de tension du réseau et, par conséquent, celles-ci n'affectent pas excessivement le débit d'eau entrainé par le moteur 17 lorsqu'il fonctionne à vitesse réduite. Etant donné que la tension au point 51 du circuit est fixe, lorsque l'on introduit la résistance 50, la tension au point 52, et par conséquent la tension de référence du point 40, augmente ou diminue avec la tension d'alimentation, ce qui donne lieu à un retard ou à une avance de l'angle d'amorçage du thyristor 15, ce qui tend à compenser les variations de tension du réseau. Dans la figure 6, on a représenté l'une des multiples variantes que peut présenter le circuit électronique décrit plus haut, cette variante étant très semblable au circuit en question et de fonctionnement identique. On sait déj . que le circuit électronique fonctionne comme un régulateur statique de tension à deux positions, branché en série avec le moteur. Dans une des positions, il applique toute la tension d'alimentation au moteur et agit comme un court-circuit, tandis que, dans 1 'autre position, il applique au moteur une tension alternative dont la phase est contrôlée de la façon indiquée dans la figure 7, dans laquelle on voit le déphasage 53 de la tension du réseau, la tension 54 appliquée au moteur et le courant 55 que traverse ce dernier. Bien que la tension ne soit pas sinusoîdale, le courant qui traverse le moteur est pratiquement sinusoïdal en raison de la réactance du moteur qui maintient le courant à travers le circuit et en raison de la configuration proprement dite de ce circuit qui permet le passage du courant à travers le moteur jusqu' ce qu'il s'annule de façon naturelle. Comme il a été dit plus haut au sujet du circuit de la figure 2, l'ensemble constitué par le thyristor 56 et le pont de diodes 57 forme un contacteur statique qui peut etre contrôlé en phase. C'est-h-dire que le contacteur peut appliquer des "fragments" de tension sinusoidale d'alimentation à la charge, à partir du point 58 jusqu'au point 59, en appliquant simplement une impulsion d'amorçage au thyristor 56 au point 58. Ces impulsions doivent etre déphasées dun certain nombre de degrés électriques (figure 7) à partir du point d'origine de la tension du réseau 53 et, par conséquent, le circuit de contrOle doit etre synchronisé avec le réseau. Lorsque le courant du moteur s'annule et tend à s'inverser, le thyristor 56 se désamorce, le courant cesse de circuler et la tension cesse d'etre appliquée au moteur jusqu'au point 58 suivant, qui correspond à un nouvel amorçage du thyristor 56. L'ensemble constitué par le thyristor 56 et le pont 57 fonctionne comme un triac mais, par rapport à celui-ci, présente les avantages suivants a) Après la commutation, la pente dvJdt est plus importante b) L'alimentation du circuit de contrôle est plus simple. Dans la première position, on fait fonctionner le circuit dans le mode 1,Zero crossing. Dans ce mode de fonctionnement, on applique des impulsions d'amorçage au thyristor 56, synchronisées avec les points de passage à zéro de la tension du réseau. De cette façon, le circuit applique au moteur toute la tension du réseau et le contacteur se transforme en un court-circuit. Comme il a été dit plus haut, la résistance 60 et le condensateur 61 constituent un filtre de fréquences harmoniques et ces avantages ont été expliqués. Si lton désire une protection totale et une suppression complete des bruits, on peut brancher un autre condensateur 62 à l'entrée de cet ensemble. Le circuit de contrôle est alimenté en tension continue trapézosdale par la diode Zener 63 et les résistances de polarisation 64 et 65. Dans le circuit, on a marqué les points 58, 59, 66, 67, 68 et 69; le point 59 sert de point de référence et les tensions des cinq autres points ont été représentées de façon très simplifiée dans les figures 8, 9, 10 et ll, en fonction du temps, pour expliquer le fonctionnement de l'appareil. Dans la figure 8, on a représenté la -tension du réseau complètement sinusoSdele. Dans a figure 9, la diode Zener 63 écrete la tension sinusotdale du réseau à une tension déterminée (VZ), ce qui permet d'obtenir une tension d'alimentation synchronisée avec celle du réseau. Dans la figure iO, on voit les tensions qui apparaissent aux points 66, 67 et 69 lorsque l'eau est froide. Par exemple, la tension au point 67 indique la tension du condensateur 70. Ce condensateur se charge exponentiellement à partir de la tension trapézotdale. Le potentiomètre 71 permet de faire varier la pente de croissance de cette tension. La tension au point 69 est variable en fonction de la valeur de réglage de la résistance 72 et de la valeur instantanée de la thermistance à coefficient négatif 73. Elle est également trapézoSdale comme la tension de la diode Zener 63, mais de valeur inférieure La tension au point 66, homologue de la tension au point 68, est égale à la somme d'une tension trapézoidale plus une tension sinusoidale. Dans le cas représenté dans la -figure 10, on peut voir, selon le schéma de la figure 6 que le transistor 74 est conducteur, tandis que le transistor 75 est bloqué. Le conducteur 74 applique un courant de base au transistor 76, ce qui donne lieu à l'amorçage du thyristor 56 à travers la résistance 77 au commencement de chaque demi-cycle. Tout ceci se produit si la tension au point 69 est élevée ou si la thermistance 73 est froide. Si la thermistance 73 est chaude, la tension au point 69 diminue et, par conséquent, la tension au -point 66 est supérieure à celle du point 69. Dans ce cas, qui correspond à la figure 11, les transistors 74 et 75.sont bloqués. Cette situation se prolonge jusqu'à ce que la tension au point 67 atteigne une valeur supérieure à la tension au point 66 > ce qui fait que le transistor 75 devient conducteur, excite le transistor 76 et donne lieu à l'amorçage du thyristor 56. L'amorçage se produit au point 58 avec un retard de a degrés électriques. Le potentiomètre 71 sert à régler le point d'amorçage du thyristor 56. Il permet de le retarder et de l'avancer à la position convenable pour que l'électropompe fournisse le débit désiré; par conséquent, il règle indirectement le débit de l'eau dans la seconde position du circuit, de telle façon que la valve de gaz ne puisse s'ouvrir. Le potentiomètre 72 et des valeurs adéquates des résistances 78, 79, 80 et 8l permettent de fixer la marge de régulation de température. La résistance 72 permet à l'utilisateur de régler à volonté la température de sortie de l'eau de l'appareil de chauffage entre des limites établies a priori. Comme on peut le voir dans la figure 12, lorsque la tension du réseau augmente, si l'angle d'amorçage est maintenu constant, la surface tension-temps qui correspond à l'alimentation du moteur augmente et, par conséquent} la vitesse de celui-ci augmente de façon notable. Gracie à la-résistance 65, on obtient que les augmentations ou les réductions de la tension du réseau aient une répercussion sur la tension du point 66 qui sert de référence aux transistors de contrOle. De cette façon, l'augmentation de la tension du réseau provoque un retard de l'angle d'amorçage qui produit une réduction de la surface tension-temps. Et on peut obtenir ainsi que cette surface se maintienne constante quelle que soit la tension du réseau entre des limites déterminées comme il est indiqué dans la figure 13, dans laquelle les surfaces 82 et 83 sont égalé. Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportées par l'homme de ltart aux dispositifs ou procédés qui viennent d'etre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système électronique intégré de contralé de température de chaudières de chauffage par eau chaude, caractérisé en ce qu'il est constitué par un circuit électronique qui comporte deux parties, ltune constituée par un pont de quatre diodes et un thyristor qui forment un contacteur statique qui peut betre contrôlé en phase, et l'autre composée par un pont de résistances entre lesquelles est branchée une thermistance à coefficient de température négatif, de telle façon que deux de ces résistances constituent un diviseur de tension qui fixe une tension et sert de référence s une bascule double formée par trois transistors de contrble, cette seconde partie du circuit étant alimentée en tension continue trapézotdale au moyen d'une diode Zener et d'une résistance en série avec celle-ci, cette seconde partie constituant le circuit de contrôle, tandis que la première partie ou contacteur statique est alimentée à la tension nominale du réseau et en série avec le moteur qui entrasse llelectropompe qui fait circuler le fluide dans l'ensemble du système du chauffage. 2. Systeme électronique intégre de contrtle de température de chaudières de chauffage par eau chaude, selon la revendication l, caractérisé en ce que le thyristor qui fait partie du contacteur statique peut autre amorcé de deux façons différentes, la première d'entre elles lorsque la température de l'eau est basse et, par conséquent, la résistance de la thermistance est élevée le thyristor s'amorçant å travers deux transistors au commencement de chaque demi-cycle de la tension du réseau, ce qui donne lieu à l'application au moteur de la totalité de la tension du réseau, tandis que de l'autre façon, quand la température de l'eau est élevée et, par conséquent, la résistance de la thermistance est basse, le thyristor est amorcé a travers le troisième transistor et le transistor commun précédent et un filtre réglable disposé dans le circuit, de t elle façon que cet amorçage se fasse avec un certain retard au point d'origine des temps de la tension du réseau, ce qui donne lieu å la réduction de la vitesse du moteur, laquelle est réglée par un potentiomètre qui fait partie du filtre en question. 3. Système électronique intégré de contrle de température de chaudières de chauffage par eau chaude, selon la revendication l, caractérisé en-ce que le circuit comporte un filtre forme par un condensateur et une résistance en série avec celui-ci, dans le but d'éviter les oscillations duos & des amorçages aléatoires du thyristor, de protéger le circuit contre les tensions transitoires du réseau, ainsi que d'éliminer les interférences radioélectriques que pourrait produire le circuit lui-mme, lequel comporte également une autre résistance en série avec la diode Zoner pour compenser les variations de tension du réseau.