Brevet FR2512607A1 — publié le 19830311

La présente invention se rapporte d'une façon générale aux circuits de décharge de condensateur et concerne plus particulièrement un circuit de décharge réalisé par une combinaison d'un commutateur mécanique et d'un commutateur électronique, et utilisé pour dé- charger un condensateur à haute tension de grande capa- cité. Au cours des dernières années, 1 e besoin est apparu de plus en plus d'un appareil extrêmement petit contenant un condensateur à haute tension et de grande capacité, et pouvant être porté à la main Parni des appareils de ce genre il faut noter des défibrilisateurs pour utilisation d'urgence, des machines-outil utilisant un laser, des instruments médicaux et autres types d'ap- pareil qui contiennent un condensateur à haute tension et de grande capacité et qui utilise la décharge instan- tanée d'une forte charge électrique provenaxt du conden- sateur. Un commutateur du type étanche dans l'huile a été couramment utilisé comme commutateur de décharge in- stantanée d'une charge électrique comparativement impor- tante, mais il ne convient pas pour un usage portatif en raison des inconvénients qut'il présente à savoir d'être lourd en raison du poids de l'huile et de son récipient, et que l'huile risque de s'écouler du réci- pient sous l'effet de vibrations Par contre, un commuta- teur du type dans l'air est léger mais il présente l'in- convénient qu'un arc se produit violemment à l'ouverture ou la fermeture et l'usure du contact est considérable. Un redresseur commandé au silicium ou thyristor est bien connu comme commutateur électronique qui ne produit pas d'arc au moment du fonctionnement, mais un certain cou- rant de fuite peut être présent même lorsque il n'est-pas conducteur Si l'on suppose qu'un thyristor est utilisé lui-même comme commutateur d'un circuit de décharge de condensateur dans un défibrillateur par exemple, il peut souvent conduire à de très sérieux accidents Le. défibrillateur est un dispositif qui applique un courant 12607 à haute tension provenant du condensateur à un coeur humain en état de syncope pendant une courte période afin de ramener le malade à l'état de conscience, de sorte que le courant de faite dans le thyristor, s'il existe, est dangereux car la charge électrique du con- densateur peut Utre emmagasinée entre les deux électro- des même si le circuit n'est pas utilisé. Un objet essentiel de l'invention est donc de proposer un circuit de décharge de condensateur qui Permet non seulement d'éviter l'usure et la rupture des contacts sous l'effet de la production d'étincelle au moment de la décharge, mais qui en outre est complè- tement ouvert, sans aucune fuite. Selon l'invention, ce résultat est obtenu en intercalant un commutateur mécanique et un commuta- teur électronique en série dans un conducteur de dé- charge de condensateur, le premier commutateur étant disposé sur le c 8 té du condensateur, et en utilisant un circuit générateur de signal de commande connecté au conducteur entre les deux commutateurs par l'inter- médiaire d'un isolateur Le commutateur électronique peut âtre fermé avec un retard prédéterminé après la fermeture du commutateur mécanique de sorte que la production d'étincelle au moment du fonctionnement de ce commutateur mécanique peut être pratiquement évitée. Ainsi, l'application de l'électricité à un corps humain en dehors de l'utilisation peut être complètement évitée gràce au commutateur mécanique. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexé sur lesquels La Figure 1 est un schéma simplifié d'un dispo- sitif de décharge de condensateur selon l'invention, la Figure 2 est un schéma d'un défibri Uateur comprenant un condensateur à haute tension et grande capacité, illustrant un exemple concret du circuit de décharge de condensateur de la Fig 1, - la Figure 3 représente un schéma réel illus- trant un circuit générateur de signaux de commande utilisé dans le dispositif de la Figure 2, la Figure 4 est une courbe du courant de décharge obtenu avec le circuit de la Figure 2 avec un diagramme de temps du fonctionnement du circuit et, la Figure 5 représente un autre mode de réa- lisation d'un isolateur. Selon la Figure 1 qui est un schéma simplifié d'un circuit de décharge de condensateur selon l'inven- tion, une source d'énergie 10 est connectée à une charge 12 par un commutateur mécanique 14 et un commu- tateur électronique 16 intercalé en série Un circuit 18 générateur de signal de commande est connecté au con- ducteur entre lescommutateurs 14 et 16 par l'intermé- diaire d'un isolateur 15 pour former un signal d'action- nement ou un signal de fermeture du commutateur élec- tronique 16 Le circuit générateur 18 produit un signal de commande au commutateur électronique 16 pour le fermer avec un retard prédéterminé apres la fermeture du commu- tateur mécanique 14 De plus, le commutateur mécanique 14 est également utilisé pour isoler complètement la charge 12 de la source d'énergie 6 quand le fonctionne- ment du circuit est interrompu. La Figure 2 est un schéma d'un défibrillateur comportant un condensateur à haute tension de grande capacité, et illustre un exemple concret du circuit de décharge de condensateur de la Figure 1, la source d'énergie 10 de la Figure 1 étant représentée par un condensateur Un relais électromagnétique 22 est utili- sé comme commutateur mécanique 14 de la Figure 1, dans le circuit de sortie 20 du condensateur 10 Un thyristor à grille de coupure est utilisé comme commutateur électro- nique 16 Le contact 14 du reiais électromagnétique 22 et le thyristor i 6 sont commutés en série et une bobine d'inductance 25 ainsi que deux électrodes 26, 26 ' sont disposées sur son ctté charge Un corps humain (repr O- 12607 senté par une résistance de charge i)à l'état de syncope est connecté entre les électrodes 26, 26 ' comme charge 12. de la Figure 1 Le circuit générateur 18 branché sur le conducteur entre le contact 14 du relais 22 et le thyris-. tor 16 est connecté à la grille 17 de cet dernier par l'isolateur 15 Le relais 22 est actionné par deux bou- tons poussoirs 28 et 30. La Figure 3 est un schéma d'un exemple d'un circuit 18 générateur de signal de commande utilisé selon la Figure 2 Un dispositif de type à transformateur est utilisé pour l'isolateur 15, l'enroulement primaire 32 du transformateur 31 étant connecté aux deux extrémités du condensateur 10 par le contact de relais 14 Une basse tension induite dans l'enroulement secondaire 32 du trans- formateur 31 est appliquée comme signal de commande à la grille 17 du thyristor 16 par l'intermédiaire d'un circuit à retard comprenant une résistance 36 et un condensateur 3 R En fonctionnement, quand les commutateurs à bouton poussoir 28 et 30 sont manoeuvrés# le relais 22 est exci- té pour fermer le contact 14 A ce moment, il ne se produit aucune étincelle au contact 14 car le circuit du thyristor 16 est ouvert En mime temps, la tension du condensateur est appliquée à l'isolateur 15 Avec le relais 22 au travail une haute tension (par exemple 4 à 5 k V) *du condensateur- 10 est appliquée à l'enroulement primaire 32 de l'isolateur Une impulsion due à la décharge à ce moment est induite dans l'enroulement secondaire 34 et une basse tension de l'ordre de quelques Volts, déterminée par l'isolateur, est appliquée à la grille 17 du thyristor 16 pour fermer son circuit En raison du circuit à retard comprenant la résis- tance 36 et le condensateur 38, connecté comme le montre la Figure, la tension induite à l'enroulement secondaire est appliquée à la grille avec un retard T déterminé par T CR, o R représente la valeur b la résistance 36 et C la capacité du condensatar 38 Si "T" est choisi de façon ap- propriée, la production d'étincelle peut Otre complètement évitée même si l'ouverture et la fermeture du contact 14 sont répétées pendant une courte période sous l'effet d'un rebondissement du relais 22 L'isolateur n'est pas li- mité au type à transformateur représenté sur la Fig 3 car d'autres types de dispositif dans lesquels la haute tension au côté primaire peut Otre fournie à la grille 17 d'un thyristor sous forme d'un courant à basse tension isolée peut aussi convenir Comme isolateur de ce genre, il faut noter les dispositifs de type à propa- gation d'onde sonore, du type photo-électrique et d'au- tres types en option. Quand le thyristor 16 est fermé, un courant haute tension et de grande énergie ( 200 à 400 joules# à 75 A, tension de crête: 2000 à 4500 Volts par exemple) circule dans le corps humain 12 et en raison du choc à ce moment, la personne à l'état de syncope peut être rame- née à la conscience. Le fonctionnement du circuit dans le temps sera expliqué en détail en se référant à la courbe du courant de décharge et au diagramme de temps de la Figure 4 Sur la Figure, l'axe horizontal représente le temp écoulé, la courbe 40 représente le courant de décharge qui circule dans la résistance 12, le diagramme 42 correspond au re- lais électromagnétique 22 et le diagraume 44 au thyris- tor 16 Le contact 14 du relais 22 est fermé à l'instant t par la manoeuvre manuelle des boutons poussoirs 28, 30 et le thyristor 16 est débloqué à l'instant t 1 La diffé- rence de temps représentéepar t 1 to correspond au retard (généralement 1 à 10 millisecondes) déterminé par les élé- ments de retard 36 et 38 et c'est l'intervalle de temps pendant lequel aucun courant ne circule dans le contact 40, de façon substantielle, de sorte que le retard assure que le contact 14 peut être fermé sans étincelle. Le thyristor est débloqué à l'instant t 1 et la décharge du condensateur commence, une commutation régu- lière sans rebondissement pouvant 9 tre obtenue car le commutateur à thyristor est un dispositif sans contact. Plus de 95 pour cent de énergie totale emmagasinée dans le condensateur se décharge en environ 2 millisecondes et le courant qui circule dans le circuit 20 devient 12607 très faible à l'instant t 2 Le temps de manipulation des commutateurs à boutons dépend du personnel et du procédé de manipulation, mais il faut généralement à 30 millisecondes quand les deux boutons 28 et 30 sont manoeuvrés par les deux pouces de l'opérateur comme dans le cas d'un défibrillateur Par conséquent, l'énergie à l'instant t 3 quand les boutons sont relachés et le contact du relais 22 déconnecté, est très faible et il -ne se produit pratiquement aucune étincelle sous l'effet de l'ouverture du contact Atec le relais ouvert, et le courant complètement coupé, le thyristor 16 revient spontanément à son état bloqué. Il est supposé sur la Figure 2 et 3 que le thy- ristor utilisé est un thyristor à grille de coupure, mais tout type de thyristor autre que ce dernier peut aus- si convenir car la coupure du courant dans le circuit se fait par le relais. Selon la Figure 5 qui illustre un autre mode de réalisation du circuit 18 générateur de signal de commande de la Figure 3, ce circuit générateur comporte une diode électroluminescente 46 en plus du transformateur 31, de la résistance 36 et du condensateur 38 Dans ce cas, un thy- ristor 16 ' photo-déclenché avec une grille sensible à la lumière est utilisé à la place du transistor 16 Un signal lumineux correspondant au signal de commande retardé peut être appliqué à la grille sensible à la lumière du thyris- tor 16 ' par une fibre optique appropriée. Comme cela ressort clairement de la description ci-dessus, l'invention apporte d'autres effets supplémen- taires à ceux déjà mentionnés Etant donné que la basse tension de déclenchement de la grille de thyristor est ob- tenue en abaissant la haute tension du condensateur par le transformateur abaisseur, aucune source indépendante de basse tension n'est nécessaire à cet effet De plus, le déblocage et le blocage du thyristor sont associés avec le fonctionnement du commutateur mécanique de sorte que l'opé- ration de commutation du circuit est donc considérablement simplifiée. Le circuit de décharge de condensateur selon l'invention a été décrit cidessus dans son application à un défibrillateur, mais l'invention n'est pas limitée à cetteapplication et il est bien évident que de nom- breuses modifications peuvent atre apportées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, des modifications comprennent lt uti- lisation d'un laser comme charge, l'utilisation d'un dis- positif du type à propagation d'onde acoustique oomme cir- cuit générateur de signal de commande, l'utilisation d'un commutateur manuel à lame à la place d'un relais et 11 a L- longement du retard dans le cas o des rebondissements relativement long sne peuvent être évités. REVENDICATIONS 1 Circuit de décharge de condensateur, compre- nant un condensateur et un dispositif de commutation connecté entre ledit condensateur et une charge, carac- térisé en ce que ledit dispositif de commutation comporte un commutateur mécanique ( 14) avec un contact m 4 canique de travail connecté à la sortie dudit condendateur ( 10), un commutateur électronique ( 16) connecté en série à la sortie du commutateur mécanique, la sortie dudit commuta- teur électronique étant connectée à ladite charge ( 12) et un circuit (t 8) générateur de signal de commande des- tiné à produire un signal de déblocage appliqué à une en- trée de commande ( 17) dudit commutateur électronique, le- dit circuit générateur de signal de commande étant connec- té entre ledit commutateur mécanique et ledit commutateur électronique par un isolateur ( 15) pour fournir une tension de commande provenant de la sortie dudit commutateur méca- nipe audit circuit générateur de signal de commande, avec un isolement électrique entre eux. 2 Circuit selon la revendication l, caractérisé en ce que ledit commutateur mécanique est un relais élec- tromagnétique ( 22). 3 Circuit selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que ledit commutateur électronique est un thyristor ( 16). 4 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit thyristor ( 16) est du type à grille de blocage. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit générateur de signal de commande comporte un circuit à retard ( 36 38) pour retarder l'ap- plication dudit signal de déblocage audit commutateur élec- tronique. 6 Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que le retard dudit circuit i retard est réglé pour ttre plus long que la période de rebondissement dudit con- mutateur mécanique ( 14). 7 Circuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit isolateur ( 15) est un transforma- teur ( 31) comprenant un enroulement primaire ( 32) con- necté à la sortie dudit commutateur mécanique ( 14) et un enroulement secondaire ( 34) pour fournir une tension basse audit circuit ( 18) générateur de signal de comman- de. 8 Circuit selon la revendication 5 ou 6, carac- térisé en ce que ledit circuit à retard est un circuit à constante de temps comprenant une résistance ( 36) et un condensateur ( 38) connecté en série avec ledit enrou- lement secondaire ( 34) dudit transformateur, un signal de sortie dudit circuit à constante de temps étant appli- qué audit commutateur électronique comme signal de dé- blocage. 9 Circuit selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que le circuit dudit relais comporte deux com- mutateurs ( 28, 30) manoeuvrés manuellement connectés en série, lesdits commutateurs à manoeuvre manuelle étant connectés à un circuit d'excitation dudit relais ( 22). Circuit selon la revendication 5, caracté- risé en ce que ledit thyristor est du type à déclenche- ment par la lumière ( 16 ') comportant une grille sensible à la lumière. 11 Circuit selon la revendication 9, caracté- risé en ce que ledit circuit ( 18) générateur de signal de commande comporte une diode électroluminescente ( 46) pour produire la lumière pour ledit thyristor ( 16 t) à déclenchement lumineux sous forme du signal de déblocage.