Brevet FR2484134A1 — publié le 19811211

L'invention est dans l'ensemble relative aux relais de puissance électrique qui peuvent être maintenus en position fer- mée par un élément électrique et plus particulièrement l'inven- tion est relative à de tels relais de puissance qui présentent également une dissipation de puissance réduite. Les relais maintenus électriquement comportent des contacts électromagnétiques d'un circuit commandé, ces contacts pouvant être fermés par application à une bobine de relais d'un courant de fermeture d'une intensité connue. Du moment que les contacts du relais sont fermés, le courant transversant la bo- bine et qui est nécessaire pour maintenir les contacts fermése est typiquement seulement de l'ordre d'un quart du courant de fermeture nécessaire pour provoquer la fermeture. Donc, si le courant de fermeture est fourni à partir du circuit d'alimenta- tion à la bobine après que les contacteurs aient été fermés, il y a une dilapidation de puissance dans la bobine après ferme- ture. Notamment, dans les applications o les circuits sont dis- posés selon une configuration compacte, et doivent toutefois présenter une fiabilité élevée, telle que dans les applications aérospatiales, il est préférable d'éviter ce gaspillage de puissance. Par ailleurs,-la dissipation de puissance peut être particulièrement importante aux tensions normales ou au-dessus de ces tensions, car la puissance est le produit de la tension d'alimentation et du courant dans la bobine de relais. Dans l'art antérieur, il a été accordé beaucoup d'at- tention aux bobines de relais et aux circuits de régulation pour réduire la dissipation de puissance, mais, l'on n'est pas parve- nu à des solutions satisfaisantes. La présente invention dans sa forme la plus large con- cerne un circuit de relais de puissance maintenu électriquement en position fermée et ayant une dissipation de puissance réduite, relais comportant une bobine de relais et des circuits de régu- lation destinés à être branchés entre une paire de bornes d'en trée sous tension continue, cette bobine de relais étant sus- ceptible de fonctionner pour fermer électromagnétiquement des contacts d'un circuit commandé par application d'un courant de fermeture d'au moins une première magnitude à cette bobine, et cette bobine étant susceptible de fonctionner après fermeture pour maintenir les contacts fermés par application d'un courant de maintien d'au moins une seconde magnitude, laquelle est in- 2 2484134 férieure à la première magnitude, circuit de relais caractérisé en ce que les circuits de régulation comportent des moyens pour détecter le courant dans la bobine, des moyens pour comparer le courant de bobine ainsi détecté avec une référence d'une magni- tude prédéterminée, des moyens pour supprimer de la bobine le courant fourni pendant les périodes dans lesquelles les contacts sont fermés et dans lesquelles le courant de maintien est au moins de l'importance de la seconde magnitude, en étant plus proche de cette seconde magnitude que de la première magnitude, périodes pendant lesquelles l'inductance de la bobine conserve -le courant de maintien au moins à la première magnitude. Dans une réalisation préférée de l'invention, il est prévu un circuit dans lequel l'inductance d'une bobine de re- lais de puissance est utilisée pour le blocage de régulateurs de courant de commutation. Des moyens sont prévus dans les cir- cuits de régulation pour détecter le courant dans la bobine de relais et comparer ce courant avec une référence de sorte qu'après obtention du niveau de courant de fermeture requis, le courant d'alimentation n'est plus fourni à la bobine de relais mais le courant de maintien nécessaire à cette bobine est main- tenu par l'inductance de la bobine elle-m9me et lorsque le cou- rant dans le relais tombe au-dessous du niveau minium du courant de maintien, l'alimentation en courant est rétablie dans la bobine de relais pour une courte période. Le dispositif comporte, de préférence, un transistor ou un commutateur à l'état solide et un comparateur de tension pour maintenir une fiabilité élevée et comporte également un transistor additionnel pour accélérer la réduction du courant de bobine lorsque l'alimentation en courant continu est supprimée afin de provoquer une ouverture rapide du relais. Les dispositions ci-dessus décrites peuvent réduire pendant le maintien la dissipation de puissance par rapport aux dispositifs de l'art antérieur, de façon significative, en même temps qu'elles assurent une fiabilité plus grande par élimina- tion de la commutation mécanique. L'invention va être décrite plus en détail en se réfé- rant à des exemples de réalisation préférée représentés sur les dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un circuit d'un relais de puissance avec un circuit économiseur conforme à l'art anté- rieur, - la figure 2 est un schéma de circuits d'un circuit de relais de puissance conforme à une réalisation de la présente invention, - la figure 3 est un ensemble de caractéristiques de ten- sion et de courant illustrant dans l'ensemble le fonctionnement des circuits selon la présente demande. La figure 1 montre un exemple représentatif de l'art antérieur connu dans lequel une bobine de relais.10 est munie d'un circuit économiseur pour réduire le courant de fonctionne- ment destiné à maintenir les contacts du relais 14 après ferme- ture. Le dispositif comprend, dans l'ensemble, un circuit en série comportant la bobine principale de relais 10, un "commu- tateur de queue" 16 et un régulateur de tension. Un commutateur électronique 18 commande l'application du courant à la branche du circuit contenant la bobine 10. Le commutateur de queue 16 est simplement une paire de contacts actionnés électromagnétique- ment du mécanisme mis en oeuvre par la bobine principale 10, si bien que vers la fin de la course de ce mécanisme, qui peut être un solénoïde du type à plongeur, et après qu'un courant de fer- meture suffisant ait été fourni à la bobine principale, le com- mutateur de queue précédemment fermé est ouvert. La résistance R branchée en parallèle avec le commutateur de queue 16 est alors en circuit avec la bobine principale et réduit le courant traversant cette bobine principale 10. En variante ou en supplé- ment, on peut avoir une bobine de maintien L branchée aux bornes du commutateur de queue 16 et servant à réduire la dissipation de puissance pendant le maintien. Il est souhaitable d'éliminer le commutateur de queue 16 car il est un élément mécanique additionnel avec certaines dé- faillances de fiabilité qui lui sont inhérentes et parce qu'il exige un ajustement soigneux pendant sa production et son assem- blage. Sur la figure 2, est représenté un circuit en accord avec une réalisation préférée de l'invention. Ce circuit comprend dans l'ensemble une bobine de relais 10 associée avec un méca- nisme 11 fermant des contacts 14 sur un circuit commandé, cet ensemble étant monté en série entre une paire de bornes d'entrée sous tension continue 20, 21. La bobine de relais 10 est du type susceptible de fonctionner pour fermer les contacts 14 du circuit 4 2484134 commandé lorsque l'on applique à cette bobine un courant de fer- meture d'au moins une première intensité, et susceptible de fonctionner après fermeture pour maintenir les contacts fermés, lorsqu'on applique à la bobine un courant de maintien d'au moins une seconde intensité inférieure à la première intensité. A cette bobine de relais, sont associés des circuits 30 pour obte- nir le courant de fermeture requis au départ et pour maintenir ensuite un niveau réduit -de courantsuffisant toutefois pour te- nir le relais fermé jusqu'à ce que l'alimentation continue aux bornes 20 et 21 soit interrompue. Un interrupteur de commande OUVERT-FERME 15 commande l'ensemble du fonctionnement du circuit de la bobine de relais. Les circuits de régulation 30 comporte généralement des moyens pour détecter le courant dans la bobine 10, ces moyens comportant dans le présent exemple la résistance R4 au bord de laquelle est engendrée une tension représentative du courant de bobine. R4 est une résistance d'une faible valeur dé l'ordre de demi-ohm, si bien que sa propre dissipation de puissance est minime. Il est prévu un moyen pour comparer le courant de bobine ainsi détecté avec une référence d'une inten- sité prédéterminée, ce moyen comportant un comparateur de ten- sion Zl à une entrée duquel est appliquée la tension en prove- nance de la résistance R4 se manifestant sur le conducteur 31. Sur une autre entrée, le comparateur Zl reçoit une tension four- nie par l'alimentation en courant continu en conjonction avec un régulateur de tension 32 et un diviseur de tension à résis- tance 33. La sortie du comparateur Zl est ainsi indicatrice le la relation entre le courant de bobine 10 à un moment donné et la référence qui est réglée en accord avec le niveau de courant requis pour maintenir le relais fermé. D'autres composants comportent des moyens pour éta- blir et supprimer le courant de bobine. Ces moyens sont destinés à interrompre la fourniture de courant à la bobine et à court- circuiter cette bobine pendant les périodes o les contacts 14 sont fermés et o le courant de maintien de la bobine est d'une intensité suffisante, et à rétablir l'alimentation en courant lorsque le courant de bobine s'abaisse à un niveau voisin du courant de maintien minimum requis, Un premier et un second moyen de commutation à transis- tor 34 et 35 sont employés dans le circuit en série de la bobine 2484134 de relais entre les contacts pour assurer les fonctions de coM- mutation nécessaires dans cette réalisation. Le premier moyen à transistors 34 comportant les transistors Qi et Q2 doit 9tre FERME pour que la bobine de relais soit alimentée. Le second moyen à transistors 35 est en relation avec lîalimentation sur le côté à voltage de la bobine de relais et remplit une tension qui doit 9tre décrite en relation avec la mise en circuit ini- tial de la bobine de relais, sert également à accèlérer la ré- duction du courant dans la bobine pour provoquer l'ouverture du relais lors de la suppression du courant d'alimentation. En supposant qu'au moment o la tension d'entrée est initialement présente, c'est-à-dire lorsque le commutateur 15 est fermé et que la tension est présente aux bornes 20 et 21, les transistors Q3 et Q4 sont conducteurs du fait que la ten- sion est suffisante pour appliquer une commande debase à Q4 par l'intermédiaire de la diode de Zener Ce5 et de la résistan- ce 7, si bien que cette commande positive de base rend conduc- teur la combinaison de transistors NPN de Q3 et Q4. A ce moment, une tension relativement basse apparaft aux bornes de R4 et le comparateur Zl détecte une large diffé- rence entre ses entréesqui engendre un courant de commande ini- tiale vers Q5, ce qui commande la combinaison de Qi, Q2 qui de- livre un courant à la bobine principale de relais 10 pour provo- quer la fermeture. En effet, lorsque Qi et Q2 sont totalement conducteurs et saturés, la bobine 10 est alimentée à partir de l'alimentation en courant continu. Lorsque la tension aux bor- nes du shunt R4 atteint un niveau fixé par le réseau diviseur 33 comportant R1O, Rll, R12 et R13, le comparateur ZI supprime la commande vers Ql et Q2 et déconnecte effectivement la bobine de relais 10 de l'alimentation en courant continu. La bobine de relais 10 commence alors à fonctionner comme source de courant en agissant dans le circuit- à basse tension constitué de Q3,Q4 et CR2; la diode branchée entre la-borne négative de courant continu et le côté haute tension de la bobine du relais. La basse ten- sion de commutation maintient le taux de variation du courant de décharge à un niveau bas. Lorsque le courant de bobine est ré- duit au niveau fixé par le diviseur de tension, dans lequel la résistance R10 détermine une histérésis de commutation, Zl rend conducteur Q1 et Q2 et le cycle se répète. La figure 3 montre la tension de bobine résultante et 6 2484134 la forme du courant pour le circuit, en montrant les périodes de temps t1 dans lesquelles Ql et Q2 sont conducteurssi bien qu'une tension relativement élevée apparaît aux bornes de la bobine et que le courant croit. Durant la période intermédiaire t2 relativement plus longue, le courant de bobine décroit graduelle- ment etlorsqu'il atteint le niveau de commande prédéterminé IH Ql et Q2 sont de nouveau alimentéssi bien que le courant croit à nouveau. Les composants Q3, Q4, CR3 et leurs résistances asso- ciées R5 et R6, assurent une décroissance rapide du courant lorsque la tension continue est supprimée. En effet, lorsqu'au- cune tension continue n'est appliquée aux bornes d'entrée, com- me c'est le cas lorsqu'un commutateur FERME-OUVERT est ouvert quelque part dans le circuit, Q3 et Q4 sont désaturés et le tra- jet de commutation pour la bobine de relais passe par CR3 et CR2. Cet accroissement dans la tension de commutation a pour consé- quence un taux élevé de variation de courant et il en résulte une courte durée de disjonction au cours de laquelle les con- tacts de la bobine du relais sont rapidement ouverts. Le régulateur de tension 32 à déclenchement périodi- que comportant les composants Q6, Q7, R14, R!5, CR4 et Cl fonc- tionne en appliquant pas à pas une tension réglée au réseau di- viseur 33 et au comparateur Zl. La tension appliquée pas à pas provoque la mise en dérivation de Cl sur R12 lors de la mise en circuit et crée un niveau élevé de courant de référence pour le comparateur Zl. Ce niveau initialement élevé permet au courant de fermeture du relais d'être obtenu avant le démarrage de la régulation. Lorsque Cl se charge, la référence décroit, si bien que dans les conditions de maintien, le courant de référence précédemment mentionné est obtenu. La constante de temps du cir- cuit est réglée de façon à dépasser le temps maximum de ferme- ture du relais. Le régulateur de tension du circuit comprenant les transistors Q6 et Q7 est dans l'ensemble en accord avec les enseignements du brevet US Shuey no 4 052 660 du 4 Octobre 1977. Ce brevet décrit des circuits assurant une régulation de tension avec des moyens de déclenchement maintenant la sortie ouverte jusqu'à ce que le niveau de régulation souhaité soit atteint. Le régulateur de tension à déclenchement périodique 32 diffère de la réalisation spécifique du brevet US n0 4 052 660 en ce que le nombre des composants est réduit. Le régulateur 32 ne nécessite pas de résistance branchée entre le borne 20 et le collecteur de Q16 du fait du bas niveau de dissipation de puis- sance dans Q6. Dans la réalisation du brevet US, une telle ré- sistance était employée pour réduire la puissance dans le tran- sistor correspondant. A titre d'exemple complémentaire, le tableau en annexe donne les composants utilisés de façon appropriée dans le circuit de la figure 2. L'appareil considéré est du type dans lequel la tension continue d'alimentation est de 28 volts entre les bornes et 21, le courant de fermeture nécessaire pour le relais étant de 4 ampères continus, et le courant nécessaire pour le maintien du relais étant de 0,6 ampère continu. En fonctionnement, tel circuit présente un temps d'enclenchement (t de la figure 3) d'approximativement 0,36 milliseconde, un temps de commutation (t2 de la figure 3) d'approximativement 6,7 millisecondes et une dissipation continue de puissance d'approximativement 1,72 watt. Ainsi, il est créé un régulateur de courant utilisant la bobine d'un relais de puissance maintenu électriquement com- me élément d'emmagasinage d'énergie pour assurer le courant de maintien avec une réduction de la dissipation de puissance pen- dant le maintien de l'ordre de grandeur significatif en compa- raison avec les techniques de l'art antérieur. En outre, les circuits d'états solides conformes à la présente invention per- mettent l'élimination de la commutation mécanique et son ajuste- ment autrement nécessaire pendant la production du relais. L'exemple représenté est seulement représentatif d'une forme dans laquelle l'invention peut être appliquée et il est bien en- tendu que la formé spécifique de l'invention peut varier et 9tre modifiée en restant dans le cadre de l'invention défini par les revendications ci-jointes. 8 2484134 TABLEAU T A B L E A U ComPosants de la fiqure 2 Identification Transistors Q1 et Q3 2N3773 Transistors Q2 et Q7 2N2904 Transistors Q4, Q6 et Q5 2N2219A Diodes CR1 et CR2 1N4002 Diode de Zener CR3 46 v., 400 mw Diode de Zener CR4 15 v., 400 mw Diode de Zener CR5 10 v., 400 mw Condensateur Cl 0,1 microf. 37 v. tantale Condensateur Z1 Lm 124 (seulement unguart de : Condensateur l1 l'unit'de quarte necessaire: Résistances R1, R5 et R8 lx103 ohms, 1/4 w. cc. Résistance R2 1.8x103 ohms, 1/2 w. cc. Résistances R3 et R5 51 ohms, 1/4 w. cc. Résistance R7 3x103 ohms, 1/2 w. cc. Résistances R9, R13 10xO103 ohms, 1/2 w. cc. Résistance R10 5x106 ohms, 1/2 w. cc. Résistance Rll 40x103 ohms, 1/2 w. cc. Résistance R12 450x10 ohms, 1/2 w. cc.. Résistance R14 43x103 ohms, 1/2 w. cc. Résistance R15 13x103 ohms, 1/2 w. cc. Résistance R4 0,5 ohms, 1 w. ww. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 9 2484134 RE V E N D IC A T-I O N S ) Circuit de relais de puissance maintenu électri- quement en position fermée et ayant une dissipation de puissan- ce réduites relais comportant une bobine de relais et des cir- cuits de régulation destinés à 9tre branchés entre une paire de bornes d'entrée sous tension continue, cette bobine de relais étant susceptible de fonctionner pour fermer électromagnéti- quement des contacts d'un circuit commandé par application d'un courant de fermeture d'au moins une première magnitude à cette bobine, et cette bobine étant susceptible de fonctionner après fermeture pour maintenir les contacts fermés par application d'un courant de maintien d'au moins une seconde magnitude, la- quelle est inférieure à la première magnitude, circuit de relais caractérisé en ce que les circuits de régulation comportent des moyens pour détecter le courant dans la bobine, des moyens pour comparer le courant de bobine ainsi détecté avec une référence d'une magnitude prédéterminée, des moyens pour supprimer de la bobine le courant fourni pendant les périodes dans lesquelles les contacts sont fermés et dans lesquelles le courant de main- tien est au moins de l'importance de la seconde magnitude, en étant plus proche de cette seconde magnitude que de la première magnitude, périodes pendant lesquelles l'inductance de la bobine. conserve le courant de maintien au moins à la première magnitude. ) Circuit de relais de puissance selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les moyens pour détecter le courant dans la bobine comportent une résistance montée en série avec cette bobine, la tension prenant naissance aux bornes de cette ré- sistance étant représentative du courant dans la bobine, cette tension étant fournie en tant que première entrée aux moyens pour comparer le courant de bobine détecté avec une référence, ces moyens comportant un comparateur de tension auquel est appliquée, en tant que seconde entrée, une tension de référence obtenue à partir de la tension d'alimentation, ce comparateur engendrant un signal de sortie lorsque la tension indiquant le courant de bobine atteint le niveau de la tension de référence, pour mettre en oeuvre les moyens pour supprimer l'alimentation de courant dans la bobine, ces moyens comportant un premier transistor monté en série avec la bobine, transistor dont l'état conducteur est supprimé par le signal de sortie du comparateur pour déconnecter effectivement la bobine de la tension d'alimentation, la bobine 1O 2484134 agissant alors comme source de courant. ) Circuit de relais de puissance selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que, lorsque la tension indiquant le courant de bobine tombe au-dessous du niveau de la tension de référence, pendant une période o le premier transistor est non conducteur, le signal de sortie du comparateur est en mesure de rendre conducteur le moyen de commutation constitué par le pre- mier transistor et de restituer le courant d'alimentation 2 la bobine. 4 ) Circuit de relais de puissance selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce qu'il est prévu un second transistor branché en série avec la bobine sur le c6té basse tension de celle-ci pour accélérer la réduction du courant de bobine après suppression de l'alimentation en courant continu. 5 ) Circuit de relais de puissance selon l'une quel- conque des revendications l à 4, pour maintenir fermé un relais avec une dissipation de puissance réduite, caractérisé en ce qu'il comporte des circuits.avec une bobine de relais montée en série entre des bornes d'entrée en tension continue, un régula- teur de courant de commutation pour permettre à une tension con- tinue d'entrée d'engendrer dans cette bobine un courant attei- gnant un niveau suffisant pour fermer le relais, pour suppri- mer ensuite la tension appliquée à cette bobine pendant une pé- riode o un courant suffisant pour tenir le relais fermé, est maintenu par inductance de la bobine, et pour restituer la ten- sion d'alimentation à ce relais avant que le courant de bobine tombe au-dessous du niveau minimum de courant de maintien.