Brevet FR2300409A1 — publié le 19760903

L'invention concerne un relais thermique ayant pour élément thermique un bilame associé à un semi-conducteur pilotable, relais destiné en particulier au montage en appareils de contrôle d'installations de chauffage. Les appareils de contrôle et de régulation utilisés en particulier sur les installations de chauffage nécessitent des dispositifs d'entratnement commandés par programmateurs. Pour des raisons d'économie, on utilise de préférence des relais équipés d'éléments bilames. La tendance à la miniaturisation a donné naissance dans ce domaine à d'importants progrès techniques. On contact un relais thermique comportant un bilame équi pué de contacts de commutation, bilame que l'on associe par soudure ou collage à un semi-conducteur, de préférence une diode Zener, pour constituer un élément combiné jouant le rôle de rupteur. Pour obtenir la plus grosse indépendance possible par rapport à la température ambiante, le composant semi-conducteur est piloté sur un secteur de sa courbe caractéristique où une tension déterminée engendre une forte variation de la quantité de chaleur délivrée. A la place des diodes Zener, on peut également utiliser des transistors, mais le problème demeure de savoir comment peut s'obtenir un équilibrage de température.Sur un autre dispositif de commutation connu deux bilames placés en opposition sont utilisés ; chacun de ces bilames est en liaison thermique avec un transistor, et on les monte de préférence sur le circuit de sortie d'un amplificateur dittérentiel transistorisé. Le montage en opposition des bilames et la présence entre eux d'un pont thermoconducteur permet d'obtenir un certain équilibrage de tempéra ture L'invention a pour objet la création d'un relais thermique comportant un bilame associé à un semi-conducteur pilotable, relais thermique présentant, en plus des avantages des dispositifs connus, celui d'un équilibrage de température amélioré pour les temporisations longues ou courtes, et celui de permettre une programmation de ces temporisations, même sur des installations de dimensions réduites. L'invention résoud ce problème en prévoyant le montage intégré et monobloc, sur le même support semi-conducteur, d'un composant d'équilibrage de température pilotable et d'un composant de commutation non pilotable. Le réglage des temporisations courtes ou longues est obtenu en retardant la fourniture de la chaleur nécessaire à l'échauffement du bilame grâce à un circuit éliminant les perturbations dues à la sous-tension durant les temps d'échauffement prolongés. La programmation des temps d'échauffement peut être réalisée en assujetissant les températures à la variation du flux thermique de l'élément chauffant et du bilame. Descriptions des figures Les figure représentent Figure 1 : le circuit de base d'un relais thermique. Figure 2 : un relais thermique à régulation de tension, à puissance calorique constante. Figure 3 : un relais thermique à compensation de température ambiante. Figure 4 : un diagramme présentant une courbe normale et une courbe améliorée de température. Figure 5 : un relais thermique avec deux sondes de température. Figure 6 : le circuit électronique du relais de Ïa figure 5, à flux thermique constant. Figure 7 : un composant semi-conducteur intégré pour le relais thermique des figures 5 et 6, avec vue en plan de la résistance thermique intégrée RUr Figure 8-: une coupe du composant de la figure 7. Figure 9 : la courbe de température correspondant à un refroidissement et à un réchauffement à flux thermique constant. Figure 10 : le circuit électronique correspondant à la fifre 5, avec programmation sans contact des temporisations. Le circuit de base de relais thermique représenté à la figure 1 montre les composants électroniques associés à un bilame. Ces coposants ont d'une part un semi-conducteur en plaquette, dont le contour est représenté en trait mixte fin et des éléments combinés diode D1, résistance R1 et résistance R2. Le semi-conducteur contient un transistor Ti, dont le couplage thermique complet avec un bilame pour soudure ou collage est symbolisé par deux traits parallèles. Le transistor T1 forme avec une dioce Zener Z1, une résistance R3 et une diode D2, selon une technique connue, une source de courant constant dont la puissance calorifique N dépend linéairement de la tension d'alimentation. La puissance calorifique N = U. 1const. est fournie en majeure partie par le transistor TI. L'élément thermique reçoit les tensions dralimentation des bornes de courant alternatif P et N par un commutateur non représenté la diode D1, la résistance additionnelle R1 de la diode Zener Z1 et par la résistance Ge protection R2 du transistor Tt. Le transistor TI et la diode D2 sont parties intégrantes de la meme plaquette de semi-conducteur 1 et fournissent du fait du couplage thermique une compensation optimale de température du transistor T1, symbolisée par une flèche cambrée.La résistance fixe R3 assure le réglage du courant constant ; elle peut par un collage externe être, le cas échéant, soumise de l'extérieur à l'influence d'une autre résistance entre les points de connexion a et b. La diode ZenerZ2, dont le collage est marqué en trait interrompu, protège le transistor T1 et la résistance R2 des pointes de tension fortuites du réseau. Le circuit de base de la figure t permet donc en fin de compte l'obtention d'une puissance calorifique constante en tension d'alimentation fixe pour le transistor T1, ou une puissance calorifique très linéaire, dépendant du niveau de la tension d'alimentation pour le bilame associé au semi-conducteur 1. La figure 2 représente la source de courant 1 A, stabilisée en température, avec la diode Zener Z1 ; les symboles sont les mimes que ceux de la figure 1. Le point de jonction b de la base B1 du transistor TI avec la résistance R3 et la diode D2 est raccordé au collecteur C2 d'un transistor T2 formant avec le transistor T3 un amplificateur différentiel. Les émetteurs E2, E3 de l'amplificateur différentiel T2, T3 sont raccordés par une résistance d'émetteur R7 à la tension continue largement stabilisée par la diode Zener ZI. La base B2 du transistor T2 est raccordée au point de jonction entre les résistances R4 et R5.La base B3 du transistor T3 est raccordée au point de jonction entre la résistance R5 et le point milieu du diviseur de tension constitué par les résistances R6 et R8, la résistance R8 étant soumise à la tension continue stabilisée par la diode Zener Z1 et la résistance R6 raccordée au conducteur Mp. Tous les composants à l'exception de la diode D1 et des résistances RI, R2 et R4, font partie intégrante d'une plaquette de semi-conducteur 2. Cette plaquette est associee au bilame comme l'indique la figure 1 (double trait des transistors Ti, T2 et T3). La stabilisation de puissance calorifique du circuit de la figure 2 fonctionne comme suit : On désire obtenir par le transistor TI une puissance calorifique constante. Cela implique que le courant de son collecteur soit inversement proportionnel aux variations de la tension du réseau et que le produit du courant de collecteur par la tension/sdottrueeaUconstante. L'amplificateur différentiel T2, T3 amplifie les variations de la tension du réseau entre les bornes B2, B3 de la base de façon que le courant du collecteur de TI devienne proportionnel aux variations de la tension du réseau. Si la tension du réseau croit entre les bornes P et Mp, le courant à travers le transistor T2 diminue et par conséquent le courant du transistor TI également.La somme des courants de collecteur des transistors T2, T3 demeure inchangée. Le gain de l'amplificateur différentiel est réglé de telle sorte par les résistances R4, R5, R6, R8 que la puissan ceXalorifique du transistor T1 soit indépendante de la tension de service. Un autre circuit de régulation (figure 3) est utilisé à la compensation de la température ambiante. On retrouve à la base de ce circuit la source de courant 1A de la figure 2 et la diode Zener ZI. La tension prise à cette diode Z1 est amenée au point de Jonction a par une résistance R9. Un montage en série comportant une résistance fixe R 10 et une thermistance NTC, montage raccordé à la borne Mp-8 au-point de jonction a, permet de compenser, selon une technique connue, l'influence de la température ambiante sur la tension de la base B1 du transistor T1.La thermistance peut être montée en un point approprié hors du circuit intégré constitué par la source de courant 1A, la diode Zener Z1 et les résistances R9, R10, de façon à pouvoir réagir plus vite à un changement de la température ambiante. Sur le diagramme de la figure 4, l'augmentation de température a été portée en fonction du temps pour un relais thermique constitué par l'association d'un bilame et d'un semi-conducteur pilotable comme source thermique. La courbe en trait interrompu correspond à un relai de puissance calorifique constante, la courbe pratiquement rectiligne à un réchauffage à flux thermique constant. La courbe en trait interrompu représente une fonction exponentielle et l'on voit nue la température, lorsque le réchauffage stéffectue avec une puissance calorifique constante, croft asymptotiquement à une certaine valeur (ordonnée de l'asymptote représentée en trait mixte fin sur la figure 4).Lorsque le réchauffage doit s'effectuer sur un temps long, ce qui dans certains cas ne peut être évité, il peut se faire qu'avec un réseau en sous-tension, la température de réchauffage ne puisse pas être atteinte, c'est-à-dire atteinte seulement théoriquement, par un réchauffage de durée infinie. Pour remédier à cet inconvénient, le semi-conducteur fournisseur de chaleur TI et le bilame 4 sont séparés, comme le montre la figure 5, par une résistance thermique Rd'un calibre prédéterminé. On obtient de cette façon, avec un circuit approprié, la courbe de réchauffage pratiquement rectiligne de la figure 4, un flux thermique constant traversant la résistance thermique Ru En cas de sous-tension fortuite dans le réseau, la pente de cette droite de réchauffage ne se modifie pas aussi longtemps que le flux thermique demeure constant. La température tff ne dépend donc plus que de la température ambiante. Dans cette forme d'exécution, le transistor Ti fait partie intégrante d'un circuit d'amplification conforme à la figure 5. Dans circuit deux sondes 5 et 6 sont en contact avec l'amplificateur et avec le bilame 4 de manière telle qu'entre les deux sondes, règne une différence de tempéra ture constante, indépendante de la grandeur absolue de la régulation de température. Le flux thermique est alors W = V1 - V2 ( Ven.K) R V Un composant semi-conducteur intégré 7 (figure 6) pour le réchauffage du relais thermique (figure 5) renferme comme semi-conducteur pilotable un comparateur 8 équipé d'une source de courant, comparateur alimenté en tension continue, de fa çon continue, de façon connue, par les câbles 9 et 10.Les entrées du comparateur 8 sont équipées chacune d'une sonde de température 5 et 6 (figure 5). Celles-ci peuvent, dans la forme d'exécution de la figure 6, consister en diodes D3 et D4 équipées de résistances additionnelles R 11 et R 12, la liaison résistante R ll diode D3 étant raccordée à l'entrée sans inversion du comparateur 8 et la liaison entre résistance R 12 et diode D4 avec l'entrée d'inversion de ce même comparateur. Les deux résistances R i1 et R 12 peuvent le cas échéant être équilibrées par l'extérieur par un câblage hybride. Les deux sondes de température reçoivent leur tension continue d'alimentation, par l'intermédiaire d'une diode Zener Z3 équipée de deux résistances identiques, des deux bornes de courant continu 9 et 10. Le comparateur 8 assure la fraction la plus importante du réchauffage du relais thermique.L'une des sondes (diode D4) est en contact direct avec le comparateur 8, ce qui est symbolisé par une première flèche cambrée. La seconde sonde (diode D3) peut être séparée de l'amplificateur par la résistance thermique R a représentée à la figure 5. Comme résistance thermique, Rpeut toutefois également, comme l'indiquent la flèche cambrée 11 ainsi que les figures 7 et 8, être intégrée à proximité dans la même plaquette de semi-conducteur du composant semi-conducteur intégré 7. Le composant semi-conducteur intégré 7 représenté en plan à la figure 7 et en coupe à la figure 8, et dont le circuit est donné par la figure 6 a reçu par gravage une coupe en forme de U et est soudé au bilame 4 par ses zones 11. Sur la face de la plaquette de semi-conducteur opposée au bilame et au centre de cette plaquette, le comparateur 8 et/ou un éta,e final séparé de ce dernier a été monté. Au contact immédiat du composant pilotable 8, est intégrée la sonde de température 5 de la figure 5. A une certaine distance de celle ci, par exemple dans un angle de la plaquette de semi-conducteur 7, est intégrée la seconde sonde de température 6 de la figure 5. L'espace entre les deux sondes 5 et 6 constitue la résistance thermique Rde de la figure 5. Ces dispositions simplifient considérablement la construction du relais thermique. La régulation introduite par les sondes de température D3 D4 et le comparateur 8 fonctionne de telle sorte que la différence de température entre ces sondes demeure constante. La différence de température entre les sondes peut être réduite par l'utilisation de la résistance hybride R 14. Si le flux thermique constant subit, après atteinte de la temporisation tl, une diminution (diagramme de la figure 9) le corposant bilame semi-conducteur refroidit et atteint après le temps de refroidissement t2 le point inférieur de commutation. Une nouvelle variation du flux thermique rend possibles d'autres cycles de commutation définis dans leur temporisation. Etant donné que le montage de plus de deux bornes sur le semi-conducteur pilotable intégré peut, du fait de la taille de ce dernier, présenter parfois des difficultés, il est montré à la figure 10 comment une variation sans contact du flux thermique peut être réalisée en utilisant une photo-résistance R 15 et une source lumineuse LI. REVENDICATIONS 1. - Relais thermique ayant pour élément thermique un bilame associé à un semi-conducteur pilotable, relais destiné en particulier à être monté dans des appareils de contrôle d'installations de chauffage ou d'installations assimilées, caractérisé par le fait qu'un élément non pilotable de compensation de température est monté avec un composant de commutation pilotable sur la même plaquette de semi-conducteur en un ensemble monobloc. 2. - Relais thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la puissance calorifique nécessaire au réchauffement du bilame est fournie avec temporisation par un circuit éliminant les perturbations dues à la sous-tension lors des temps d'échauffement prolongée. 3. - Relais thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une source de courant constant est intégrée au semi-conducteur. 4. - Relais thermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les temporisations sont déterminées par variations du flux bernique de l'élément thermique et du bilame. 5. - Relais thermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'un circuit de régulation est intégré au semi-conducteur pour maintenir la puissance calorifique à une valeur constante. 6. - Relais thermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'un circuit de régulation comportant une résistance hybride sensible à la température (NTC) est intégré au semi-conducteur pour compenser les variations de la température ambiante. 7. - Relais thermique selon l'une des revendications 1, 2 et 4, caractérisé par le fait qu'est prévu -comme semi-conducteur pilotable un comparateur et qu'entre celui-ci et le bilame est monté une résistance thermique par laquelle transite un flux thermique constant, résistance en contact thermo-conducteur par deux cités opposés avec deux sondes assurant le réglage du comparateur de façon telle qu'une différence de température constante soit maintenue entre celui-ci et le bilame. 8. - Relais thermique selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'un espace intermédiaire est ménagé sur le semi-conducteur (7) entre la première sonde en contact avec le composant de commutation réglable et la seconde sonde, espace ayant un rôle de résistance thermique. 9. - Relais thermique selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le couplage thermique du bilame et du comparateur est déterminé par une résistance hybride entre les points de jonction de la première sonde de température avec sa résistance additionnelle d'une part, de la seconde sonde de température avec sa résistance additionnelle d'autre part. 10. - Relais thermique selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le couplage therrrique du bilame et du comparateur est déterminé par une résistance pouvant réagir sans contact et montée entre les points de jonction de la première sonde de ten;pérature avec sa résistance additionnelle d'une part, de la seconde sonde de température avec sa résistance additionnelle d'autre part.