Brevet FR2301974A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne un organe de commutation électronique qui simule un relais électromagnétique. Un organe électronique susceptible de réaliser une telle simulation est utilisé dans les centraux de commutation électroniques pour répondre aux signaux d'arrivée, bien qu'il existe d'autres possibilités d'applications pour un tel organe. Une caractéristique requise pour cet organe est d'avoir la possibilité d'établir une isolation électrique entre la ligne et les circuits locaux, et aussi d'être compatible avec les circuits à seuil logique de faible tension pour les applications de commutation, quand tous les circuits associés sont réalisés selon une technique de logique intégrée. Selon la présente invention, on prévoit une structure de relais électronique qui comprend un premier noyau en E en matériau magnétique associé à un second noyau en E ou en I en matériau magnétique pour constituer un circuit magnétique fermé à l'exception d'un entrefer situé entre la branche centrale du premier noyau et la branche centrale ou une partie du second noyau, une bobine d'aimantation autour de ladite branche centrale et un dispositif à effet HALL situé dans ledit entrefer, la tension de sortie de HALL étant pratiquement indépendante de la température. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant à la figure annexée qui représente une coupe verticale de la structure du relais électronique. Cette structure se compose d'un dispositif à effet HALL 1 situé dans un entrefer 2 entre les deux branches centrales 3 et 4 de deux noyaux de ferrite en E, 5 et 6, dont les branches extérieures sont accolées, le dispositif 1 étant fixé à ltextrémité de la branche centrale 3. Autour des branches centrales 3 et 4, on trouve une bobine d'aimantation 7, qui est située dans une carcasse en plastique 8, et comprend un ensemble de trois enroulements ze 600, 1200 et 600 spires en fil de cuivre isolé de 0,102 nmi (42 SWG) de diamètre. Les quatre conducteurs du dispositif à effet HALL sont connectés aux bornes respectives 9 du dispositif et on trouve aussi quatre bornes 10 permettant l'alimentation de la bobine. Le noyau en E supérieur 6 peut etre remplacé par un noyau en I. L'excitation de la bobine 7 provoque la naissance d'un champ magnétique normal au plan du dispositif à effet HALL 1. Grâce à un courant de commande appliqué au dispositif à effet HALL dans une direction perpendiculaire au champ magnétique, via deux de ses contacts appropriés, une différence de potentiel s'établit perpendiculairement à la fois au courant de commande et au champ magnétique. Cette tension de HALL est disponible, via les deux autres contacts appropriés, pour les circuits extérieurs. Par souci de compatibilité avec les circuits logiques et les transistors actuels, et pour l'utilisation dans les opérations de commutation et les relais, on a besoin d'un dispositif à effet HALL pratiquement indépendant de la température ayant une faible variation en fonction de la température sur les gammes de fonctionnement le plus couramment utilisées, c'est-à-dire 0 à 850C, éliminant ainsi la nécessité d'une résistance d'équilibrage dans le circuit extérieur et ayant une résistance relativement faible, généralement de l'ordre de 100 ohms. Les dispositifs à effet HALL construits à partir des matériaux à faible bande interdite et à forte mobilité d'électrons ne remplissent pas ces conditions puisqu'ils ont un coefficient de température très élevé, car l'excitation des porteurs à travers la bande interdite peut se produire à la température ambiante. Ainsi des faibles variations dans la densité des porteurs suffisent pour entraîner des différences d'un dispositif à un autre. Avec les matériaux à forte mobilité d'électrons, le besoin d'une résistance relativement faible signifie que ltépaisseur du dispositif doit etre très réduite, ordinairement de l'ordre de 5 um et il peut aussi se produire des erreurs importantes en les reproduisant. L'équation simplifiée de HALL est la suivante B.I m = n.e.d dans laquelle V est la tension de sortie de HALL, m B le flux magnétique à travers le dispositif, n la densité des porteurs, e la charge d'un électron et d l'épaisseur du dispositif. La résistivité p est donnée par la relation 1 dans laquelle p est la mobilité des porteurs. Le dispositif à effet HALL 1 se compose d'un matériau semi-conducteur ayant ayant une densité de porteurs n 1 a 4 x 10.15cm Comme exemple de matériaux appropriés, on peut citer le Si, Ge, GaAs, GaSb ; le choix du matériau définitif dépend de la valeur de la tension de sortie de HALL requise et de la résistance compatible avec les circuits extérieurs associés. Pour la structure de relais électronique conforme à la figure et avec les indications suivantes - Courant circulant dans la bobine 10 mA - Largeur de l'entrefer dans le noyau en E 0,3 a 1 mm - Courant circulant dans le dispositif à effet HALL (constant et commande à une fréquence d'impulsions de 1 kHz ayant une durée de 20 ps) 30 mA - Tension de sortie 50 mV - Résistance du dispositif à effet HALL 100 à 200 ohms - Variation de température inférieure à 5% dans une gamme de 0 à 700C. - Nombre de spires de la bobine 2400 - Inductance de la bobine 0,8 H il convient d'utiliser du Ge de type n, du Si et du GaAs, et on recommande surtout le Ge de type n avec n - 3 x 1015 cm-3. Les dimensions du dispositif à effet HALL sont généralement : 2 mm x 1 mm x 0,1 mm. Avec le Ge du type n, pour cette densité de porteurs, la tension de sortie de HALL peut etre indépendante de la température à moins de 0,02%/C. La région indépendante de la température est située entre la région des impuretés aux basses températures (énergie insuffisante pour que les atomes donneurs fournissent des porteurs) et la région intrinsèque aux températures élevées. Dans le Ge et le Si, avec n = 1 à 4 x 10 cm , on se trouve dans cette région intermédiaire à la température ambiante, 200C. L'épaisseur d'une couche de Si doit etre assez large pour présenter une résistance de 100 ohms. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qutà titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent etre envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Structure de relais électronique, caractérisée par le fait qu'elle comporte un premier noyau en E en matériau magnétique associé à un second noyau en E ou en I en matériau magnétique pour constituer un circuit magnétique fermé à l'exception d'un entrefer situé entre la branche centrale dudit premier noyau et la branche centrale ou une partie dudit second noyau, une bobine d'aimantation autour de ladite branche centrale, et un dispositif à effet HALL situé dans ledit entrefer, la tension de sortie de HALL étant pratiquement indépendante de la température. 2. Structure de relais électronique conforme à la revendication 1 et caractérisée par le fait que le dispositif à effet HALL est en Si, Ge, GaAs -3 ou GaSb ayant une densité de porteurs de 1 à 4 x 10 cm . 3. Structure de relais électronique conforme à la revendication 2, caractérisée par le fait que le dispositif à effet HALL est en Ge de type n ayant une densité de porteurs de l'ordre de 3 x 10 cl .