Brevet FR2286556A1 — publié le 19760423

La présente invention concerne les détecteurs de proximité utilisant des assemblages de transistors ou thyristors, associés à des résistances,selfs et /ou condensateurs, pour actionner des éléments sensibles lorsque l'ambiance autour de l'assemblage est modifiée. Cette ambiance peut être modifiée par l'approche d'un corps (conducteur ou isolant mais want un potentiel électrique vis à vis du montage) par un champ electrique induit et variable (effet d'antenne) od encore par la simple modification des qualités conductrices où diélectriques de l'air ou du gaz ambiant. Les éléments"sensibles" actionnés par les détecteurs de proximité sont, en plus des relais, des lampes d'éclairage au de signalisation, des sonneries et d'une manière générale, taut ce qui peut impressioeiner les cinq sens. L'invention ne concerne pas les détecteurs de proximité utilisant pour fonctionner l'occultation d'un faisceau lumineux ou la variation relative d'un éclairement (à moins que la variation d'éclairement ne soit utilisée à modifier le potentiel électrique d'une antenne). La grande majorité des détecteurs de proximité connus sont des dispositifs basés sur un oecillateur auto entretenu (qu' il soit à lampes où à transistors). Une antenne (fil ou plaque) est fixée à certain endroit du circuit oscillant (la base dfi ranqistor HF généralement) L'approche d'un objet ou d'une personne statiquement chargée et plus particulièrement la présence d'une masse métallique modifie le rapport self-capacité du montage et l'oscillation décroche: la fréquence varie. C'est cette variation convenablement amplifiée qui actionnera le dispositif sensible ( relais, lampe, etc..). Le circuit oscillant et le transistor HF constituent les parties les plus conteuses de ces genres de détecteurs. D'autre part, le principal inconvénient des dispositifs à oscillations entretenues, est justement l'entretien des oscillations. I1 existe d'autres modèles de détecteurs basés sur l'emploi de thyristors La plaque sensible est reliée à la gachette par l'intermédiaire d'une lampe au néon. Un condensateur de faible capacité est branché entre la cathode et la gachette et constitue un diviseur de tension capacitif (l'alimentation étant assurée par le courant alternatif du secteur). L'autre ou les autres condensateurs sont constitués par la personne qui s' approche de la plaque sensible et par le sol relié au neutre du secteur. L'inconvénient du dispositif à thyristor qui vient d'être décrit réside dans son manque de sensibilité (s'il était trop sensible il s'amorcerait intempestivement). En effet, il nécessite un courant de l'ordre du micro-ampère pour être rendu conducteur et une tension de 60 aux bornes de la lampe au néon pour amorcer cette dernière. Au point de vue de la sécurité électrique, il y a toujours risque de de court circuitage du condensateur reliant gachette ct anode du thyristor. Un tel accident pourrait créer un circuit direct vers la terre et à travers le corps d'une personne qui viendrait à toucher en même temps la plaque sensible du détecteur et de la masse. Le détecteur de proximité, objet de l'invention, permet d'éviter les inconvénients signalés çi-dessus. Il assure un isolement rigoveux entre la plaque sensible et le dispositif soues tension. n est sensible à des courants de l'ordre du nanoampèr. Il ne s'amorce pas intempestivement car, s'il est utilisé de préférence avec des transistors, il peut fonctionner également avec des thyristors lais en montage hybride (transistor + thyristor moyennement sensible). Enfin, il permet de s'affranchir de l'oscillation W, et donc de réduire le prix de revient du dispositif. Le détecteur de proximité à amplification directe comporte une où plusieurs paires de transistors. (Le nombre de paires variant suivant la distance à laquelle on désire détecter). Ces paires de transistors sont assemblées en montage Darlington où en montage complémentaire (PNP-NPN), et il est nécessaire de prendre pour le transistor attaqué le premier sur la première paire un modèle très sensible (ss = 500, 1000 où davantage). On peut également prendre un circuit intégré (de nombreux montages analogues à ceux décrits per,"ettent la réalisation de l'invention) La base du premier transistor est simplement reli6e à la plaque sensible sans autre mode de polarisation que l'effet d'antenne, base de l'invention, et qui peut autre expliqué de la facon suivante:: L'énergie électro-magnétique, rayonn@edans l'espace par les circuits oscillants et les antennes émettrices de toutes catégories d'ondes, produit, par induction, sur tous les corps et particulièrement sur les corps conducteurs isolés une oscillation synchrone des élect libres de ces corps.(La résonnance ne faisant que renforcer l'oscillation) Par exemple, le courant électrique à usage industriel et domestique est un courant alternatif à 50 ou 60 périodes qui, de par la multiplicité des appareils d'utilisation, sature le voisinage de si ces appareils de courants induits basse fréquence. Le fil de connexion de la base d'un transistor est donc lui aussi une antennes le courant induit dans cette antenne par le rayonnement BF - NF ou HF, oh encore, par influence électro-statique suffit à polariser la base et me à saturer le transistor si le fil est suffisamment long. Le même raisonnement appliqué à une personne oh à un corps approché de la base courte du transistor explique que la charge électrique oscillante oh le potentiel électrique statique, puisse (par effet capacitif oh par influence électro-statique) créer une circulation de courant entre la base du transistor et l'émetteur ou le collecteur de ce messe transistor (émetteur ou collecteur suivant le sens de ce courant et suivant la polarité de l'alimentation qui est mise à la terre.) Les figures 1, 2, 3; 4, sont des schémas représentant chacun une réalisation de l'invention pour détecter à faible proximité et réaliser le collage d'un relais moyennement sensible. La plaque d'antenne B (directement reliée à la base du 1er tran sistor) est séparée de la plaque A par un isolant H d'une épaisseur de l'ordre du millimètre mais de qualité telle qu'il donne toute sécurité en matière d'isolement électrique et suivant réglements en vigueur. La surface des plaques sensibles peut aller d'une fraction de centimètre carré à quelques centimètres carrés suivant le type de transistor utilisé. Dans une des réalisations de l'invention la surface de la plaque était de deux centimètres carrés pour un transistor 2 N 4967 et courant d'antenne à 50 périodes seconde. Dans la figure 1, le transistor C (NON) est relié par son collecteur à la base du transistor D (PNP) et fonctionne avec lui en montage campléentaire. On peut également faire un montage canplé:entaire inverses (Figu2). La résistance charge est contituée par la bobine du relais G. Le condensateur J, en parallèle sur le relais, sert à comperser la réactance de self de la bobine puisque le courant de collecteur du transistor D reproduit, assez fidèlement, les variations du courant induit dans le corps qui s 'approche de la plaque sensible. Il doit être calculé en conséquence. Le dispositif, objet de l'invention, détecte aussi le passage de corps qui sont de très bons isolants électriques (le collage du relais pour ces corps là, se produit de la manière inverse des corps conducteurs, c'est-b~dire lorsque le corps isolant s'éloigne). Généralement le courant induit est à la fréquence industrielle (50 ou 60 périodes) mais il peut Etre à n'importe quelle fréquence (fréquence radio, fréquence résultants de battements, etc..) et il faut mentionner également que le corps humain est un générateur de courant à basse tension; que dans l'atmosphère, et d'autant plus que l'air est sec, tout corps éloigné du sol est automatiquement porté à un certain potentiel par rapport au sol, qui est le neutre de toutes les lignes de transport de courant alternatif. En somme et en résumé, il y a brassage continuel et en tous lieux de charges électriques qui se créent et s'annulent en produisant autant de courants induits à fréquences eminements variables. La mise à la terre d'une polarité de l'alimentation n'est pas obligatoire et la diode P montée en inverse sert à protéger les transistors en fermant sur elle-mtme le circuit de l'extra courant de self induction de la bobine lorsque l'alimentation de cette dernière est coupée (blocage du transistor en série). La figure 3, représente une autre réalisation de l'invention avec montage Darlington de 2 transistors NPN. Pour que le relais G de puissance 1 w 25 et de résistance 2000 , puisse coller, il faut qu'il soit traversé par un courant de 25 milliampères. Le gain du ler transistor, relié à la plaque sensible, était dans l'une des réalisations de l'invention de 1000. Ce ler transistor est toujours désigné par la lettre C. Le gain du deuxième transistor de chaque paire (désigné par la lettre D (s'il est PNP) ou E (s'il est NPN) dans les figures 1, 2 et 3 était de 250. Le gain total en courant ss X P était de 250.000. Le montage étant alimenté sous 50v (courant continu).L'intensité moyenne, continue ou alternative, arrivant sur la base du premier transistor devait être (0A,025 : 250.000 = 0A,000.000.001) de 0,1 microampère En conséquence, il est donc absolument nécessaire que la plaque A soit en contact aarec ec le corps charge (objet ou personne) pour réduire la capacité antenne X - antenne A. Les courants de l'ordre de la centaine de nanoampères sont presque continuellement présents sur les corps conducteurs isolés qui constituent autant d'antennes ou d@circuits oscillants. Ces condensateurs chargés, amenés au voisinage de l'antenne A des montages présentés, produisent (par influence électro-statique, où de par la loi du montage en série des capacités) une tension (base plaque A) inversement proportionnelle au rapport de la capacité antenne X-sol sur la capacité antenne Bsol (et que l'émetteur du transistor C soit lis à la nasse ou ne le soit pas). Une personne quelconque, par exemple, qui s'approche de l'antenne A, possède par rapport au sol une capacité de multiples fois plus grande que la capacité antenne A-sol. Il s'ensuit une augmentation de tension aux bornes A,B de cette micro capacité (quelques picofarads) et circulation de courant par transfert de charges dans lecircuit ouvert émetteur base (ce circuit ouvert constituant l'extension de l'armature B du micro condensateur (A-B.) Sur la figure 3, une plaque supplémentaire, désignée par la lettre L, est reliée d'une manière souple ou rigide et par un fil bon conducteur de l'électricité à la plaque A.Cette plaque L peut être de dimension quelcooque, elle est surtout la partie mobile esthétique oupratique du détecteur de prapauté. C'est sur elle que viendront s'appuyer les objets chargés et que le dispositif devra détecter. Cette plaque L modifie la micro capacité dont les armatures sont A et B. Cette micro capacité de quelques pico farads sert surtout à polariser convenablement la base du transistor C qui débute le premier montage amplificateur. Parce que touchées par les objets, on appelle généralement "plaques sensibles11 les plaques A où L. La plaque L, peut être plus grande que la plaque A dans la détection à distance à condition de ne pas saturer le transistor d'entrée La figure 4, représente une autre réalisation de l'invention avec cette fois un thyristor, au licu et place du transistor de puissance D ou E. Ce thyristor est désigné par la lettre T et il est amorcé par l'intermédiaire d'un transistor C, ccmme dans les montages précédents, mais avec interposition entre émetteur de C et gachette de T d'une résistance de protection. Pour éviter le réamorcage intempestif du thyristor lorsque ce dernier, coupé par le contacteur r, est remis sous tension (contact r refermé), le collecteur du transistor C est raccordé au + de l'installation, au lieu autre directement raccordé à l'anode du thyristor. La résistance X, est une résistance de protection destinée à limiter le courant dans la gachette du thyristor à la valeur stricte ment nécessaire à l'amorcage, et du mEme coups à limiter aussi le que courant débité par le transistor C (qui ne peut débiter/les quelques millialpères où la fraction de milliampère nécessaire à l'amorcage du thyristor). Une autre réalisation de l'invention consiste à utiliser un dispositif à seuil de tension où sélection d'amplitude pour relier entre elles 2 paires de transistors et augmenter encore l'amplifi- cation, Cette réalisation est illustrée par les figures 5 et 6. Dans ce dispositif à seuil de tension, une pile électrique est utilisée. et elle joue le même rôle que la diode Zener représentée en parallèle à la pile, en pointillé . L'avantage de la pile, par rapport à la Zener, est de disposer d'un seuil de tension beaucoup plus bas qu' avec une Zener (1v et messe moins). E t il faut aussi que la Zener ait un courantresiduel très faible ( de 0,1 à 0,001 /@A). Dans une des réalisation de l'invention on a utilisé une pile au mercure de 1v35 bien connue pour sa stabilité en tension et la présence de la diode P, empêche tout débit de la pile. Cette pile peut d'ailleurs être remplacée par un élément d'accuwulateur cadmium nickel, petit modèle, (le passage du courant en sens inverse ne pouvant que recharger l'élément qui, cependant, ne débite jamais sur un circuit extérieur). L'essentiel dans le montage des figures 5 et 6 est de pouvoir utiliser la faible tension recueillie sur la résistance de charge R du circuit du collecteur de D. En effet, à une distance de 10 cm environ (7 à 10) de la plaque B, l'antenne X (même s'il s'agit d'une personne) n'a pas, par rapport au sol, une capité très différente de la capacité de B/où L, par rapport au sol. Et si on augmente trop la la surface, ou la longueur, de la plaque B/où L les transistors C et D se saturent et la sensibilité du montage est reduite au lieu d'être amplifiée. En pratique, et suivant les types de transistors utilisés, la surface de l'antenne varie de 10 à plusieurs centaines de centimètres carrés. La variation de e courant obtem@e sur la base bu transistor C lorsque l'antenne x est à environ 10 cm de la plaque B, est de l'ordre du nano ampère et souvent moins (de 1 à 0,1 picofarad). Amplifié 100.000 fois, par exemple, il donnera sur la résistance R du transistor D qui est de 10 K#,environ une variation de tension de 1v. Hais il faut tenir compte qu'en adoptant une antenne aussi grande que possible, il y a déjà (hore de la présence de l'antenne x) une tension de 1v sur la résistence R. En choisissant convena Sentent la pile N ou la diode Zener Z, @ aucun courant appréciable n'arrivera à la base du transistor N tant qu'une antenne X quelconque ne sera pas à une distance de quelques centimètres de l'antenne B. Le passage de corps très isolants modifie la constante diélectique au devant: de B et produit des circulations de courant par transfert rapide de charges lorsque le corps isolant s'éloigne. Les gains éncrmes exigés pour la réalisation des détecteurs de proximité à amplification directe, permettent de se passer de polarisation de la base. Cette polarisation est automatique puisque (les réalisations de l'invention le prouvent) par effet d'antenne un courant pulsé à fréquence variable s'établit toujours dans le montage et qu'il y ait où non modification du voisinage. (La pulsation la plus fréquente étant cell à 50 péricdes). Dan@le cas de signal d'antenne crès faible, une auire réalisation de l'invention consiste à grouper deux transistors à mentage Darlingt-on PNP ou NPN et un transistor complémentaire NPN ou PNP. Le deuxième transistor du Darlington est figuré en pointillé sur la figure 5. La résistance V dans le circuit d'émetteur de C est variable elle permet d'ajuster an mieux le gain de nontage puisque le courant collecteur du transistor D passe par un maximum @ pour une certaine valeur de V. Cette résistance V faisant du transistor C un pontage à collecteur commun et à résistance d'entrée élevée. En effet, il faut pour recueillir l'énergie maximum, ajuster la valeur de la résistance d'entrée à la valeur de la résistance de la source extérieure (antenne X-sol). Dans une des réalisations de l'invention C étant un 2 N 4967, la résistance V était de quelques centaines de K#. La valeur de V dans la figure 6 peut varier de quelques Ohms à quelques K#. Lorsque le courant traverse la pile N ou la diode Zener Z (fig.5), il s'ajoute au courant de polarisation (par effet d'antenne) de la base du transistor N et sa valeur étant déjà d'une fraction de Micro ampère, il n'aura besoin d'être amplifié (à ce deuxième niveau) que de quelques dizaines de milliers de fois pou actionner le relais G (fig.6). Un courant pulsé de quelques milliampères est présent dans le circuit de collecteur de D. La résistance variable V dans le circuit d'émetteur de M sert, comme toujours, à ajuster l'impédance d'entrée du transistor N à l'impédance de sortie du oontage précédent. Elle est beaucoup plus faible sur N que sur C. (Le transistor D, sur la figure 5 étant monté en émetteur commun). Il est toujours possible pour la réalisation de l'invention de grouper en cascade autant de paires de transistors que l'on désire (en les séparant par des montages à seuil de tension). Tout dépend de la petitesse plus ou moins grande de l'énergie d'antenne X que l'on désire amplifier. Dans la description des réalisations de l'invention, il n' a pas été question des dispositifs de compensation de température, parce qu'ils sont classiques, (contre-réaction série d'intensité ou contre-réaction parallèle de tension) mais ils ne peuvent s'appliquer qu'aux transistors de puissance D ou E.Tous les montages peuvent titre établis pour avoir le relais G collé,lorsque l'antenne X est près de l'antenne A ou A et G décollé lorsque l'antenne X s'éloigne de A ou de 1 (phénomènes inversés lorsque l'antenne X est un corps très isolant) Hais, tel qu'il vient d'entre décrit et expliqué en mExe temps; le dispositif, objet de l'invention peut entre utilisé pour remplacer tous les boutons poussoirs mécaniques et dans toutes leurs applications. Il résoud simplement, à bon compte, tous les problèmes de télécommande. Les boutons poussoirs sont généralement inesthétiques, ils se coxcent, les paillettes mobiles et ressorts de rappel intérieur se cassent. Il peut remplacez en particulier, les boutons paliers ou cabine servant à appeler un ascenseur o à le diriger vers un étage choisi. Ces boutons fréquemment sollicités se détériorent très vite et doivent entre remplacés à intervalles rapprochés. Le fait d'appuyer fortement = le poussoir détériore les lampes de signalisation qui se trouvent à l'intérieur du bouton. Alors qu'en remplaçant le poussoir par les plaques A où L décrites dans les figures 1, 2, 3 et 4, on résoud élégamment le problème de l'appel. n suffit d'effleurer la plaque L et le contact s'établit Le thyristor de la figure 4 peut m?e remplacer le relais d'étage. Il suffit de supprimer le relais G (o de le remplacer par une lampe de signalisationS par exemple) et de considérer le contact K carme faisant partie d'un sélecteur d'étage destiné à couper le circuit du thyristor T lorsque ltétage demandé est atteint. Le circuit du thyristor étant en série avec des relais de direction où des contacteurs de sens de marche. Le dispositif, objet de l'invention constitue par lui-même et à bon compte un bouton anti-déflagrant (plus de risque détincelle) Le prix de revient de ce bouton électronique plaque déco rative sur laquelle sont raccordées les antennes (disques ou carrés A et B) avec la paire de transistors ou le couple transistor thyristor) ne dépasse pas quelles dizaines de francs actuels. Dans l'utilisation de l'invention commue détecteur à distance de personnes ou d'objet, le prix de revient est largement doublé (double paire de transistors + composants passifs), mais il peut remplacer les patins de sécurité mécaniques qui permettent la réouverture des portes d'ascenseurs lorsqu'un usager est sur le point d'tre heurté par cette dernière lors de son mouvement de fermeture Pour couvrir toute la hauteur libre d'une porte d'ascenseur, il est possible de répartir plusieurs antennes B ou ou 3) derrière un isolant continu fixé sur le champ de la porte? où môme sans isolant (antenne L). Les contacts des relais des détecteurs peuvent être groupés en série où en parallèle. Le dispositif, objet de l'innention, constitue par excellence un dispositif de sécurité pour les Usagers d'ascenseurs, nais égalenent pour tous les gens qui passent devant des portes automatiques (d'hôpital, de garage ou de magasin) et pour les machines dangereises. L'approche de la zone de danger déclachant l'arrêt de la machine ou un avertisseur sonore. Le résultat inverse est obtenu tout aussi élégamment et assure l'économie des machines à fonctionnement coûteux. n pallie la distraction et l'inertie des réactions humaines. En effet la machine se met en marche à l'approche de l'opérateur ou de l1usager et s'arrête lorsque l'opérateur ou l'usager s'éloigne. A signaler encore pour les applications possibles de l'invention, les dispositifs anti-vol absolument indécelables, la détection d'animaux, sans veiller l'attention de ces derniers et enfin, toutes les techniques de comptage. REVENDICATIONS 1. - Dispositif à semi-conducteur permettant de détecter par contact oh à distance, l'approche oh l'éloignement, oh sim- plement le passage d'un objet vivant ou inerte mais électri quement chargés et par amplification directe des courants induits dans lesmontages à transistors par le déplacement des charges ou le nouveau rapport des charges alternatives en présence. Caractérisé par le fait qu'il comporte des amplif~cateurs à couplage Darlington où complémentaires(PNP-NPN) assemblés par paires et à seuil de tension pour passer d'une paire à la suivante. Une paire hybride peut entre formée par un transistor et un thyristor. Exceptionnellement, le premier montage relié continu aux antennes, peut avoir 3 transistors en couplage/ pour renforcer le signal et passer le premier seuil de tension. 2. - Dispositif suivant la revendication 1, Caractérisé par le fait que le moyen destiné à détecter la présence d'un corps est t une simple plaque isolée électriquement de l'extérieur, mais reliée par un fil conducteur à la base d'un transistor à très grand coefficient d'amplification. 3. - Dispositif suivant la revendication 1, Caractérié par le fait que la plaque isolée électriquelent de l'extérieur est recouverte d'une autre plaque, au moins de mEme dimension. Cette plaque très isolée des connexions du transistor, ayant les trois buts suivants; protéger l'isolant de faible épaisseur, stabiliser la valeur de la licro-capacité d'entre du montage en assurant la polarisation de base du premier transistor. 4) - Dispositif suivant la revendication 1. Caractérisé par le fait qu'une troisième plaque mobile, mais reliée élec triquenent, par fil souple, à la plaque extérieure du montage à micro-capacité a des dimensions peu différentes des autres. Elle joue surtout un r81e pratique (mise en place, vérification des organes) et esthétique, puisque c'est souvent un couvercle,un bouton, etc... 5) - Dispositif duivant revendication 4. Caractérisé par le fait que la od les plaques d'entrées du montage sont considérées comme des antennes réceptrices où des collecteurs de charges Elec- triques. Et que la troisième plaque, lorsqu'il s'agit de détection à distance a des dinensions plus grandes que les dimensions des deux autres, pour pouvoir titre influencée sur une plus grande longueur et à condition de ne pas saturer ainsi le tr sistor d'entrée. 6) - Dispositif suivant la revendication 4. Caractérisé par le fait que les micro-courants recueillis sur les antennes sont simplifiés par des montages classiques à transistor (Darlington où continus complémentaires) tant qu'il n'est besoin que de 2 où 3 transistors. 7) - Dispositif suivant la revendication 4. Caractérisé par le fait qu'entre deux groupes successifs de thyristors où transistors assemblés en couplage continu, il y a un dispositif à seuil de tension (pile, accumulateur oU diode Zener) variable suivant la valeur des tensions recueillies sur la résistance de charge. 8) - Dispositif suivant la revendication 7 Caractérisé par le fait que le montage Darlington (aussitôt après l'antenne détectrice) peut être suivi d'un transistor de puissance complémentaire NPN où PNP, et qu'après un dispositif à seuil de tension,il peut y avoir un seul