Brevet FR2520165A1 — publié le 19830722

'0165 INTERRUPTEUR DIFFERENTIEL A USAGE DOMESTIQUE La présente invention concerne les interrupteurs différen- tiels automatiques à usage domestique destinés à commander l'ou- verture des contacts d'un relais disposé en série dans la ligne d'alimentation électrique sans retard si le courant différentiel détecté est de forte intensité et avec un retard déterminé lors- qu'il est de faible intensité, de manière à éviter toute ouverture inopportune des contacts et à assurer une bonne protection des Otres humains. On sait que la circulation d'un courant alternatif ( 50 ou 60 Hertz) à travers le corps humain, peut avoir de nombreuses conséquences allant du picotement jusqu'à la fibrillation car- diaque en fonction de l'intensité du courant, de la durée de cette circulation et du trajet emprunté par le courant électrique à travers le corps. Par exemple, il n'y a aucun danger cardiaque pour un homme en bonne santé à être parcouru par un courant de 30 m A pendant 11 secondes ou par un courant de 500 m A pendant moins de 20 ms Mais la tetanos physiologique définit un autre seuil de courant, seuil au dessus duquel il n'est pas possible de relacher une prise; ce dernier seuil a une valeur moyenne de 10 m A environ, mais dépend essentiellement des caractéristiques de chaque person- ne et, plus particulièrement, de son sexe et de son age Par exemple, ce seuil peut descendre à 6 m A pour une femme et à une valeur inférieure pour un enfant, comme décrit dans un article du Dr J CABANES publié en langue française dans la Revue Géné- rale d'Electricité ( RGE-FRA, ISSN 0035-3116, 10/81,N 10, pp 707- 711) sous le titre "Nature des effets physiologiques du courant électrique" On détermine ainsi une courbe de danger définie par l'intensité maximale d'un courant de fuite que l'homme peut sup- porter sans danger en fonction du temps d'application de ce cou- rant de fuite. Il existe généralement dans tous les appartements un dis- joncteur différentiel disposé sur le tableau de distribution ' ' ' Z' ' 252 '0165 générale de ltalimentation électrique, et destiné à déconncter la ligne d'alimentation secteur lorsqu'est détecté un courant de défaut d'intensité supérieure à 500 m A, mais il nécessite une prise de terre ayant une très faible résistance, Si la résistance de terre n'est pas très faible, on dispose un inter- rupteur différentiel déconnectant la ligne secteur lorsqu'un courant de défaut de 1 m A est détecté Mais dans ce cas, les bruits parasites et les courants transitoires étant similaires aux courants de défaut, il est nécessaire que les circuits de l'interrupteur les distinguent les uns des autres de manière à éviter toute ouverture inopportune des contact du relais. tout interrupteur différentiel à usage domestique inclut -un transformateur différentiel disposé dans la ligne d'alimen- tation entre la charge et la source, et un relais dont les contacts sont en série dans la ligne également en amont de la charge. Lorsqu'un courant de défaut apparait dans la ligne, un signal est engendré dans l'enroulement secondaire du transformateur différentiel Ce signal est utilisé après traitement pour commander le'changement d'état du relais. De façon à obtenir une courbe de réponse fonction de l'in- tensité et de la durée du courant de défaut, il est connu par exemple d'appliquer ce signal à N amplificateurs disposés en série, la sortie de chacun d'eux étant reliée' à un circuit de retard engendrant une impulsion; toutes ces impulsions sont alors appliquées à un comparateur de manière à commander le changement d'état du relais si l'une de ces impulsions est supérieure à un seuil déterminé La courbe de réponse dtun tel interrupteur est du type en escalier, et n'est pas similaire à la courbe connue de danger En outre, cet interrupteur nécessite N amplificateurs et N circuits de retard; de ce fait, sa fiabilité diminue lorsque le nombre entier N augmente Il est alors nécessaire de choisir n suffisamment petit pour obtenir une fiabilité raisonnable et un prix compétitif, mais assez élevé pour approximer la courbe de danger. Dans le brevet américain 3 B 36 821 est décrit un autre type de dispositif de protection contre les courants de défaut; ce dispositif met en oeuvre un amplificateur opérationnel, un intégrateur et des moyens de commutation pour interrompre la circulation du courant-dans la ligne d'alimentation lorsque le signal produit par le courant de défaut après amplification et intégration atteint un seuil déterminé Cependant, pour fonc- tionner, le conducteur neutre de la ligne doit être relié à la terre et être clairement identifié sur toute la longueur de la ligne D'autre part, les contacts des moyens de commutation sont normalement fermés et une bobine doit être alimentée pour pouvoir l O interrompre le courant dans la charge, ce qui ne présente pas une grande sécurité si l'un des composants du circuit est défail- lant Enfin, ce système inclut en outre un générateur d'impulsions et un second transformateur, ce qui en réduit encore la fiabilité. La présente invention a pour but d'obvier à ces inconvénients. Elle a pour autre but de perfectionner les interrupteurs diffé- rentiels à usage domestique fonctionnant en sécurité positive. Ces buts et d'autres encore sont atteints selon l'invention, au moyen d'un interrupteur différentiel incluant un relais dont les contacts, en série avec les deux conducteurs de la ligne d'alimentation secteur et disposés entre la charge et la source d'alimentation alternative, sont ouverts lorsque la bobine de commande du relais n'est pas alimentée, le signal d'entrée de l'interrupteur étant fourni par l'enroulement secondaire d'un transformateur différentiel dont l'enroulement primaire est dis- posé en série dans la ligne d'alimentation secteur entre les contacts du relais et la source d'alimentation. L'interrupteur différentiel comprend un convertisseur cou- rant-tension auquel est appliqué le signal d'entrée et dont la sortie est reliée à un filtre passe-bas en série avec un redres- seur dont la sortie est reliée à un générateur de fonction dont le signal de sortie présente une pente de tension proportionnelle à l'amplitudecrête du signal délivré par le redresseur et est appliqué à la première borne d'entrée d'un comparateur ayant une seconde borne d'entrée à laquelle est appliquée une tension continue de seuil Le signal de sortie du comparateur est appliqué 4 2520165 à l'entrée d'un amplificateur dont la sortie commande l'état des contacts du relais. Une diode de réaction relie la première borne d'entrée et la borne de sortie du comparateur, de manière à verrouiller les contacts du relais en l'état ouvert si l'interrupteur a commandé leur ouverture Les circuits de l'interrupteur différentiel sont alimentés par l'intermédiaire d'un interrupteur de réarme- ment qu'il est nécessaire de manoeuvrer pour déverrouiller les contacts et permettre leur fermeture lorsque la cause qui a provoqué leur ouverture a disparu. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et carctéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation donné à titre non limitatif et accompagnée d'une planche de dessins. La Figure 1 représente le schéma d'un interrupteur différen- tiel conforme à la présente invention, et La Figure 2 représente la source d'alimentation en courant continu associée à cet interrupteur. En référence maintenant plus précisément aux dessins, on a représenté Figure 1 un interrupteur différentiel à usage domes- tique-conforme à la présente invention La ligne d'alimentation 1 relie la source de tension alternative 2, par exemple 220 Volts, Hertz ou 115 Volts, 60 Hertz, à la charge qui n'a pas été représentée sur la figure Le conducteur neutre de la ligne 1 nia pas besoin d'être repéré pour le bon fonctionnement de l'in- terrupteur. Un relais 3 est disposé en série dans la ligne 1 entre la source et la charge Les contacts de ce relais 3 sont normale- ment ouverts lorsque la bobine de commande 101 n'est pas alimen- tée Le relais 3 comporte un jeu de contacts pour chaque conduc- teur de la ligne 1, de manière à agir sur les deux conducteurs en même temps et à obtenir ainsi une sécurité complète pour l'utilisateur. L'enroulement primaire du transformateur différentiel 4 est connecté en amont dans la ligne 1 d'alimentation, de manière 2520165 à Ce qu'un signal apparaisse sur son enroulement secondaire lors- qu'un courant différentiel est engendré dans la ligne 1. L'intensité du signal est directement fonction de l'intensité du courant différentiel détecté et sa fréquence est la même que celle de la source 2, ctest à dire 50 ou 60 Hertz Ce signal est appliqué d'abord à un convertisseur courant-tension 5 ayant une impédance d'entrée nulle et un gain déterminé, par exemple réali- sé au moyen d'un amplificateur opérationnel' Le signal en tension est alors appliqué à un filtre passe-bas 6 dont la fréquence de coupure est légèrement supérieure à la fréquence de la source d'ali- mentation, de manière à éliminer les courants transitoires et les bruits parasites qui ne sont pas des courants de défaut Ce filtre 6, qui peut également être constitué pax un amplificateur différen- tiel, est relié à un redresseur 7 qui délivre donc une tension continue en réponse à un courant différentiel détecté dans la ligne 1. Cette tension continue est alors appliquée à un générateur de fonction 8 dont le signal de sortie présente une pente de tension proportionnelle à l'amplitude-crête du signal qui lui est appliqué en entrée Ce générateur de fonction peut, par exemple et de préférence, âtre un intégrateur logarithmique. Le signal de sortie de ce générateur de fonction 8 est alors appliqué à la première entrée d'un comparateur 9 dont la seconde entrée reçoit une tension continue déterminée de seuil Un tel comparateur est, de préférence, également constitué par un ampli- ficateur opérationnel. La sortie du comparateur 9 est reliée à un amplificateur 10 commandant l'état des contacts du relais 3 par l'intermédiaire de la bobine 101 Pour que les contacts de ce relais 3 soient fermés, la bobine 101 doit être alimentée, ce qui assure la sécurité posi- tive de l'interrupteur. Une diode de réaction 1 l disposée entre la première entrée et la sortie du comparateur 9 permet de verrouiller les contacts du relais 3 e-n état ouvert dès lors qu'ils ont été mis dans cet état ouvert par les circuits de l'interrupteur. De façon plus détaillée, le générateur de fonction 8 comprend 6 2520165 un amplificateur différentiel 81-ayant deux entrées et une sortie. Son entrée négative est connectée, par l'intermédiaire de la ré- sistance 82, à la sortie du redresseur 7, tandis que son entrée positive est reliée, par l'intermédiaire de la résistance 83, à S un conducteur commun relié à la borne commune de la source de tension continue 12 Une branche incluant un condensateur 84 et une résistance R 5 disposés en parallèle relie la borne de sortie de l'amplificateur 81 et l'entrée négative de ce dernier La pente de la tension de sortie de ce générateur de fonction 8 dépend essentiellement de la valeur de la résistance 85 Dans cet exem- ple de réalisation, le temps écoulé entre la détection d'un courant différentiel et le moment o la tension de sortie du générateur 8 atteint la valeur de la tension de seuil appliquée au comparateur 9 est une fonction logarithmique de l'intensité du courant de défaut détecté. Une source 12 engendre les tensions continues requises pour le fonctionnement de chaque composant de l'interrupteur, ainsi que la tension de seuil appliquée au comparateur 9 Cette source 12 est reliée à la ligne d'alimentation 1 par l'intermédiaire d'un interrupteur de réarmement 13 En référence à la Figure 2, cette source 12 inclut un diviseur de tension comprenant deux condensa- teurs 20,21 en série, connectés entre ses bornes d'entrée Une varistance 23, shuntant le condensateur 21, élimine les petites perturbations telles que les surtensions. La tension alternative divisée prélevée au point de jonction des deux condensateurs 20 et 21, est alors appliquée par l'inter- médiaire d'une résistance en série 24, à un redresseur, par exemple à double alternance, constitué par un pont de diodes 25-28, dont la tension continue de sortie est régulée par deux diodes zener 28 et 29 disposées en série entre les sorties du pont redresseur, et stabilisée au moyen des condensateurs 30 et 31 shuntant respec- tivement les diodes zener 28 et 29, et du condensateur 32 disposé entre les sorties du redresseur Le point de jonction 33 des deux condensateurs 30 et 31 est relié au point de jonction 34 des deux diodes zoner 28 et 29, et constitue la borne commune à laquelle est reliée l'une des extrémités de la résistance 83 du générateur de fonction 8. 7 2520165 La tension de ce conducteur commun est la tension de référence pour les circuits de l'interrupteur différentiel et la source 12 délivre ainsi deux tensions symétriques par rapport à cette tension de référence pour assurer l'alimentation des amplificateurs opàra- tionnels de l'interrupteur et la détermination de la tension de seuil appliquée au comparateur 9 On comprend de ce fait pourquoi il est inutile de repérer les conducteurs de la ligne d'alimenta- tion secteur 1 pour en déterminer le conducteur commun. On décrira maintenant le fonctionnement de l'interrupteur îO différentiel Lorsqu'il n'y a aucun courant différentiel dans la ligne d'alimentation 1 et que l'interrupteur de réarmement 13 est. fermé, l'interrupteur différentiel est en état de veille La bo- bine 101 est alimentée et, ainsi, les contacts du relais 3 sont fermés, la charge étant normalement alimentée Il faut noter ici que si l'interrupteur de réarmement 13 est ouvert, les contacts du relais 3 sont automatiquement ouverts, puisque la bobine 101 n'est pas alimentée, et ceci de façon à assurer la sécurité complète de l'utilisateur. Lorsqu'un courant différentiel apparait sur la ligne d'alimen- tation 1, par exemple à cause d'une fuite de courant entre l'un des conducteurs de la ligne 1 et la terre, un signal est engendré sur l'enroulement secondaire du transformateur 4 et est appliqué aux autres circuits Le générateur de fonction 8 engendre un signal en tension dont la pente est proportionnelle à l'intensité du cou- rant différentiel détecté Lorsque la tension de ce dernier signal atteint la tension de seuil qui est appliquée au comparateur 9, l'amplificateur 10 arrête d'alimenter la bobine 101, ce qui provo- que l'ouverture immédiate des contacts du relais 3 Le rôle essentiel du générateur de fonction 8 est d'accélérer l'ouverture des contacts du relais 3 si le courant différentiel détecté est élevé et d'en retarder l'ouverture s'il est faible et sans danger, de manière à éviter toute ouverture inopportune de ces contacts. Grgce à ce générateur de fonction 8, la courbe de réponse de l'in- terrupteur différentiel conforme à la présente invention, peut correspondre à la courbe connue de danger En ajustant la valeur des résistances 82 et 85, chaque point de cette courbe de réponse 252 0165 peut être situé juste en dessous du seuil au dessous duquel on ne peut pas lâcher une prise. La diode de réaction 11 permet d'appliquer sur la première entrée du comparateur 9 la tension de sortie de ce même comparateur et ainsi verrouiller l'interrupteur différentiel en état de sécu- rité en interdisant toute fermeture des contacts du relais 3 sans que l'utilisateur en exprime le désir par un acte positif. En effet, pour fermer à nouveau les contacts du relais 3, il est alors nécessaire d'ouvrir l'interrupteur de réarmement 13, puis de le fermer pour réarmer l'interrupteur différentiel pour le remettre en état de veille. On peut ainsi constater que ce dernier présente une sécurité positive, notamment parce que tous les circuits de surveillance fonctionnent indépendamment de l'état des contacts du relais 3, ces derniers ne pouvant gtre fermés si l'interrupteur différentiel n'est pas en état de veille. Bien que seul le mode préféré de réalisation de l'invention ait été décrit, il est évident que toute modification apportée par lt Homme de l'Art dans le même esprit ne sortirait pas du cadre de la présente invention. 9 2520165 REVENDICATIONS 1 Interrupteur différentiel à usage domestique incluant un relais dont les contacts, en série avec les deux conducteurs de la ligne d'alimentation entre la charge et la source d'ali- mentation en courant alternatif, sont ouverts lorsque la bobi- ne de commande du dit relais n'est pas alimentée, le signal d'entrée du dit interrupteur différentiel étant délivré par l'enroulement secondaire d'un transformateur différentiel dé- tectant tout courant différentiel dans la dite ligne et étant disposé sur la dite ligne entre les dits contacts et la dite source, le dit interrupteur étant caractérisé en ce qu'il inclut en outre un convertisseur courant-tension ( 5), un filtre passe- bas ( 6), un redresseur ( 7), un générateur de fonction ( 8), un comparateur ( 9) et un amplificateur ( 10), le dit signal d'entrée étant appliqué au dit convertisseur courant-tension ( 5) à la sortie duquel est connecté le dit filtre passe-bas ( 6) en série avec le dit redresseur ( 7) dont la sortie est reliée au dit générateur de fonction ( 8) engendrant un signal en tension qui est appliqué à la première entrée du dit comparateur ( 9) ayant une seconde entrée à laquelle est appliquée une tension conti- nue déterminée de seuil, le signal de sortie du dit comparateur ( 9) étant appliqué à l'entrée du dit amplificateur ( 10) de com- mande de l'état des dits contacts du dit relais ( 3), les cir- cuits du dit interrupteur différentiel étant alimentés par une source de tension continue ( 12) reliée à la ligne d'alimentation ( 1) entre le dit relais ( 3) et la dite source d'alimentation ( 2) par l'intermédiaire d'un interrupteur de réarmement ( 13). 2 Interrupteur différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une diode ( 11) shunte la dite première entrée et la dite sortie du dit comparateur ( 9), de manière à verrouiller les con- tacts du dit relais ( 3) en posotion ouverte, lorsque les circuits du dit interrupteur différentiel ont commandé leur ouverture. 3 Interrupteur différentiel selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que le dit générateur de fonc- tion ( 8) est un intégrateur logarithmique dont le signal de sor- tie présente une pente de tension proportionnelle à l'amplitude- crête de la tension continue qui est appliquée à son entrée. -10 252 '0165 4 Interrupteur différentiel selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le dit générateur de fonction ( 8) inclut un am- plificateur différentiel ( 81) ayant deux entrées et une sortie, la première entrée,étant connectée par l'intermédiaire d'une pre- mière résistance ( 82) à la sortie du dit redresseur ( 7) et la se- conde entrée étant connectée au conducteur commun de la dite sour- ce de tension continue ( 12) par l'intermédiaire d'une deuxième résistance ( 83), une branche comprenant un condensateur ( 84) et une troisième résistance ( 85) en parallèle reliant la dite pre- mière entrée et la dite sortie du dit amplificateur différentiel ( 81). 8888 e 8 e 888888888 e 8 e 88888888888 '