Brevet FR2521791A1 — publié le 19830819

L'invention concerne un interrupteur électroni- que de courant monté dans un système de distribution de courant continu, en particulier pour des postes télépho- niques, et destiné à remplacer les coupe-circuits à fusi- bles et les coupe-circuits automatiques dans de tels sys- tèmes L'invention concerne plus particulièrement un interrupteur électronique de courant qui limite le courant de court-circuit dans le système. Lorsqu'un court-circuit se produit dans des sys- tèmes de distribution d'énergie comportant des coupe- circuits classiques, des courants de court-circuit très importants apparaissent et sont à l'origine de surtensions et de sous-tensions transitoires graves Dans des postes téléphoniques, par exemple, des soustensions signifient la cessation du fonctionnement des circuits électroniques avec, pour conséquence, un risque d'interruption de fonc- tionnement de longue durée Des surtensions créent un risque de destruction des circuits électroniques On sait déjà, par exemple d'après la revue Ericsson N O 4, 1974, page 120, comment résoudre les problèmes posés par les court-circuits, en rendant "hautement ohmique" le système d'alimentation en énergie La figure 1 des dessins annexés illustre un exemple d'un tel système hautement ohmique Le redresseur RL alimente une charge L par l'in- termédiaire d'un filtre F, d'un coupe-circuit Si et d'un câble K Une batterie B de force électromotrice E et de résistance interne Ri est connectée en attente au sys- tème Les coupe-circuits 52-56 sont reliés en outre à des charges non représentées Le fait que le système soit hautement ohmique signifie que les résistances des divers circuits sont réparties entre la batterie et un câble dans le rapport de 1:10, par exemple Ceci signifie que la résistance interne R de la batterie et la résistance de ligne du câble Y ne descendent pas au-dessous de cer- taines valeurs Pour un système à 48 volts, par exemple, Ri = 4,5 m N et la résistance du câble RK = 45 m Q, bien que cela ne soit pas souhaitable du point de vue des pertes En raison de la situation hautement ohmique, le courant de court-circuit qui apparaît est donc limité, dans cet exemple, à un maximum de 1000 A Cette solution donne une chute de tension maximale de 4,5 volts dans la distribution, même en cas de court-circuit Les charges connectées aux coupe-circuits, c'est-à-dire aux coupe- circuits 52-56, autres que la charge L en court-circuit, peuvent donc être maintenues à un niveau de tension accep- table. Dans le cas d'un court-circuit se produisant dans la charge L, on obtient un cycle transitoire au point A (figure 1), ce cycle étant illustré sur la figure 2 des dessins annexes La figure 2 est un graphique montrant que la tension tombe rapidement à l'instant de l'établis- sement du court-circuit et qu'elle est ensuite constante, puis qu'elle s'élève rapidement à l'instant de fusion du coupe-circuit SI Dans un système hautement ohmique tel que celui décrit ci-dessus (courbe b), on obtient une chute maximale de tension et une élévation maximale de tension d'environ 4,5 volts, respectivement à l'instant d'apparition du court-circuit et lorsque le fusible du coupe-circuit a fondu La courbe en trait plein illustre le cycle obtenu avec un dispositif à relais classique, qui n'est pas hautement ohmique, et la courbe c en trait mixte illustre le cycle obtenu lorsqu'on utilise un interrupteur électronique de courant conforme à l'inven- tion La solution à dispositif hautement électronique au problème des transitoires, décrit ci-dessus, exige cependant de grosses batteries et elle n'est donc possi- ble, en pratique, que dans des systèmes de distribution d'énergie importants Dans de petits systèmes équipés de batteries de moins d'environ 2000 Ah, il faut des conden- sateurs de très grande capacité pour maintenir les tran- sitoires entre des niveaux acceptables. L'invention'a pour objet un interrupteur élec- tronique de courant qui limite le courant de court- circuit de manière que la tension chute et que les 3 2521791 transitoires, apparaissant pendant la présence du court- circuit et la fusion d'un fusible, puissent être réduites à de très faibles valeurs. Avec l'interrupteur électronique selon l'inven- tion, qui remplace totalement ou en partie les coupe- circuits 51-56 de la figure 1, on obtient donc une meil- leure limitation de courant dans le système connu, en donnant à la batterie et au câble des valeurs hautement ohmiques L'avantage de l'interrupteur de courant selon l'invention est que ce dimensionnement de la batterie et du câble à des valeurs hautement ohmiques n'est plus nécessaire, ce qui signifie une simplification du système et une diminution de ses pertes internes En utilisant l'interrupteur de courant selon l'invention, on peut également obtenir une limitation du courant de court- circuit dans de petits systèmes d'alimentation. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un système de distribution d'énergie hautement ohmique; la figure 2 est un graphique montrant la chute de tension aux bornes d'un coupe-circuit pendant un court-circuit; la figure 3 est un schéma simplifié illus- trant le principe de l'interrupteur de courant selon l'invention; la figure 4 est un schéma du circuit d'une forme de réalisation de l'invention; la figure 5 est un graphique montrant la forme du courant; et la figure 6 est un schéma d'une forme de réalisation du circuit d'alimentation incorporé dans l'interrupteur de courant de la figure 3. Le schéma simplifié de la figure 3 illustre le principe de l'interrupteur électronique de courant selon l'invention Ce schéma représente un circuit EK d'alimentation connecté à une charge L dont le courant de court-circuit doit être contrôlé La charge est con- nectée au conducteur neutre du système et le circuit EK d'alimentation est connecté par l'intermédiaire d'une résistance R de détection de courant au pôle négatif du système (-48 V dans ce cas) Le circuit d'alimentation comporte à la fois un trajet de courant normalement conducteur et pouvant être commandé et un trajet de cou- rant de limitation de courant, pouvant être commandé, et il est constitué de circuits à transistors dont l'un per- met le passage du courant de charge et dont un autre limite'à une valeur nominale donnée In la surintensité apparaissant en cas de court-circuit se produisant dans la charge Si la charge L est capacitive, le circuit d'alimentation a également pour fonction de limiter la surintensité apparaissant à l'intérieur de la charge durant le cycle de mise en marche Dans certaines formes de réalisation (décrites ci-dessous), le trajet à courant pouvant être commandé et le trajet de limitation de cou- rant peuvent constituer un seul trajet de courant. L'interrupteur électronique de courant comporte en outre un circuit de seuil JF dont une entrée est connectée à une résistance R et dont l'autre entrée est connectée à une tension de référence Vr La sortie du circuit de seuil JF est reliée à un circuit d'horloge TK dont la sortie est connectée à l'entrée de commande d'un circuit de maintien HK par l'intermédiaire d'un élément d'indica- tion visuelle, par exemple une diode électroluminescente LD La sortie du circuit de maintien est connectée à l'entrée de commande du trajet de courant pouvant être commandé et incorporé dans le circuit d'alimentation EK. Un contact KI est en outre destiné à repositionner le circuit de maintien La fonction du circuit de maintien est d'agir sur le circuit d'alimentation de manière qu'il ne conduise aucun courant Tous les éléments (y compris le contact Ki) sont constitués de circuits électroniques comprenant des transistors, des diodes et des composants passifs (résistances, condensateurs). A l'état normal, un courant de charge I le circuit d'alimentation EK. Dans le cas d'un court-circuit ou d'une surin- tensité I >In, la chute de tension UR aux bornes de la résistance R devient supérieure à Uref' Dans ce cas, on obtient à la sortie du circuit JF une quantité (tension de sortie) qui est appliquée en tant que quantité de commande au circuit -EK d'alimentation afin de le commander en régulation à courant constant Ceci signifie que le courant de court- circuit est limité à une valeur du même ordre de grandeur que la valeur nominale In du courant de l'interrupteur. Le circuit d'horloge TK est actionné en même temps par la quantité de sortie du circuit de seuil JF et ce cir- cuit commence à compter un intervalle de temps choisi et donné At Lorsque le temps At a été compté, on obtient un signal de sortie appliqué à la diode électrolumines- cente et à l'entrée de commande du circuit de maintien HK. Ce dernier transmet alors un signal de sortie au circuit EK d'alimentation, ce qui a pour résultat l'interruption du trajet de courant (trajets de courant) dans ce circuit et donc l'interruption complète du courant de charge La séquence de temporisation du circuit d'horloge TK est nécessaire pour empêcher l'interrupteur électronique d'être déclenché par les phénomènes transitoires isolés que le système d'alimentation peut supporter, et pour empêcher le déclenchement de l'interrupteur de courant au commencement du chargement d'un condensateur. 6 2521791 Le circuit de maintien peut être dimensionné, le cas échéant, de manière à être actionné par un signal extérieur "déclenchement extérieur DE" afin qu'il agisse sur l'interrupteur, c'est-à-dire qu'il interrompe le courant de charge Ceci permet d'établir des priorités de charges, par exemple en cas d'une défaillance d'un réseau L'interrupteur peut être repositionné manuelle- ment ou à l'aide d'un signal extérieur, par fermeture du contact Kl Le circuit d'horloge TK est convenablement réalisé sous la forme d'un circuit analogique RC (résistance et condensateur), mais une solution à cir- cuit numérique, comportant un compteur binaire, peut également être utilisée La sortie alarme est indiquée en SA sur la figure 3. La figure 4 représente une forme de réalisation de l'interrupteur électronique de courant montré schéma- tiquement sur la figure 3. Le circuit EK d'alimentation comprend deux trajets de courant dont l'un constitue le trajet collec- teur-émetteur d'un premier transistor n-p-n Tl et le second comprend une résistance R 4 montée en série avec le trajet collecteur-émetteur d'un deuxième transistor n-p-n T 2 Les trajets collecteur-émetteur des transis- tors Tl et T 2 sont montés en parallèle La résistance Rl, connectée aux émetteurs des transistors Tl-et T 2, corres- pond à la résistance R 2 de la figure 3 Le circuit com- parateur JF comprend un transistor n-p-n T 3 dont la base est connectée à la résistance Rl et au point de connexion commune des émetteurs des transistors Tl et T 2 Une résistance R 2 est montée comme résistance de collecteur pour le transistor T 3 Le circuit d'horloge TK comprend un cirtuit RC comportant un transistor n-p-n T 6, une liaison RC constituée d'un condensateur C et d'une résistance R 3, ainsi qu'une résistance de base R 6 pour le transistor T 6, cette résistance étant reliée à un point compris entre le condensateur C et la résistance R 3. Un contact K 2 est monté en parallèle avec le condensateur C 7 2521791 pour court-circuiter ce dernier lorsqu'il est fermé Le circuit de maintien HK comprend deux circuits à transis- tors Un premier circuit est formé par le transistor n-p-n T 4 dont la base est reliée au collecteur du transistor T 6 du circuit d'horloge TK, son collecteur étant connecté à la base du transistor Tl monté dans le circuit d'ali- mentation Le second circuit comprend un transistor n-p-n T 5, une résistance R 5 étant incorporée dans le circuit d'alimentation EK La base du transistor T 5 est reliée au collecteur du transistor T 6, et son émetteur (de même que l'émetteur du transistor T 4) est connecté à la borne -48 V Le collecteur du transistor T 5 est relié à la borne O V par l'intermédiaire de la résistance de base R 5 du transistor T 2. Dans l'état normal de l'équipement d'alimenta- tion, un courant de charge I 1 teur du transistor Tl La résistance Rl présente une valeur déterminée de façon que la chute de tension base- émetteur, pour le courant de charge Il, soit inférieure à 0,7 V, ce qui a pour résultat le blocage du transistor T 3 En outre, la valeur de la résistance R 2 est telle que l'on obtient une chute de tension base-émetteur suf- fisante dans le transistor Tl pour que ce dernier soit totalement conducteur et qu'un trajet de courant faible- ment ohmique soit obtenu pour le courant de charge entre la sortie de la charge et la borne 48 V. Lorsque le courant de charge Il augmente de façon que Il > In' c'est-à-dire qu'il apparaisse une surintensité, à la suite d'un court-circuit, par exemple, la chute de tension entre les bornes de la résistance Rl s'élève jusqu'à la valeur de 0,7 V demandée par le tran- sistor T 3 pour devenir conducteur Le transistor T 3 commence donc à conduire et un courant circule dans la résistance R 2 et sur le trajet collecteur-émetteur du transistor T 3, vers la borne -48 V Ceci a pour résultat l'écoulement du courant de base du transistor Tl par l'intermédiaire du trajet faiblement ohmique vers la 8 2521791 borne -48 V et le blocage du transistor Tl (le potentiel au point a devenant négatif) Le courant de court-circuit est alors conduit par le transistor T 2, à présent conduc- teur (le courant de base passant par la résistance R 5) et est limité par la résistance R 4 Le courant s'écoule également de la borne O V vers le condensateur C, à travers la résistance R 3 du circuit d'horloge et à tra- vers le transistor saturé T 3, vers la borne -48 V Il en résulte la charge du condensateur C (le contact K 2 étant ouvert) Au bout d'un temps donné'At, le condensateur C est chargé à un niveau tel que la chute de tension base- émetteur du transistor T 6 dépasse 0,7 V et que ce transis- tor commence à conduire, ce qui a pour résultat le passage du courant à travers les résistances R 7 et R 8 et le tran- sistor T 5, ce qui signifie que davantage de courant part de la borne O V à travers la résistance R 5, mais en pas- sant à présent par le transistor T 5 La chute de tension base-émetteur du transistor T 2 devient alors trop faible et ce transistor se bloque Ceci signifie que l'interrup- teur électronique de courant entre en fonction, car le trajet du courant de charge a été bloqué par les transis- tors non conducteurs Tl et T 2 Le courant traversant le transistor conducteur T 5 est limité par la résistance R 5. Dans la forme de réalisation montrée sur la figure 6, le circuit d'alimentation EK ne contient qu'un transistor Tl qui, avec la résistance RI, forme un trajet de courant pouvant être commandé, destiné au courant de charge Par l'intermédiaire d'une résistance Rl O montée dans le circuit de seuil JF, la base du transistor T 3 est connectée au collecteur du transistor Tl et à la borne -48 V au moyen de la résistance Rll Le transistor T 2, la résistance R 4, le transistor T 5 et la résistance R 5 (figure 4) ont été éliminés Lorsque le courant pas- sant dans le transistor Tl augmente, le transistor T 3 devient conducteur et le transistor Tl commence à se bloquer La tension de collecteur du transistor Tl s'élêve donc et le courant circule à travers la résistance 9 2521791 R 10 vers la base du transistor T 3 Plus la tension de collecteur du transistor Tl augmente, plus ce transistor se bloque On obtient ainsi une réduction du courant col- lecteur-émetteur du transistor Tl, telle que le produit VCE Ic est limité dans l'intervalle de sécurité de fonctionnement pour ce transistor Il en résulte une limitation du courant de court-circuit et de l'énergie de court-circuit. Le graphique de la figure 5 montre le courant de collecteur du transistor Tl (figure 4) en fonction du temps Un courant normal de charge circule à l'instant t = 0, par exemple un courant de collecteur de 5 ampères traversant le transistor Tl Un court-circuit apparaît dans la charge à l'instant t = to et le courant s'élève par gradins, mais il est limité par le circuit d'alimenta- tion à une valeur donnée, par exemple 8 ampères Ceci est obtenu à l'aide du trajet de courant R 4, T 2 de la figure 4. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 6, le courant de collecteur Ic est limité en fonction de la tension de collecteur à une valeur inférieure à In = 5 A (courbe en trait pointillé). Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'interrupteur électronique décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Interrupteur électronique de courant monté dans un système de distribution de courant continu et connecté en série avec une charge, aux bornes de la source d'alimentation en tension du système, afin d'intervenir lorsque le courant de charge traversant cet interrupteur dépasse une valeur donnée au bout d'un temps donné (At), l'interrupteur comprenant un circuit (EK) d'alimentation à limitation de courant, conduisant un courant de charge (Il), un circuit de seuil (JF) détec- tant le courant de charge et émettant une première quan- tité lorsque le courant de charge (Il) dépasse une valeur donnée définie (In), un circuit d'horloge (TK) déclenché par la première quantité pour produire une seconde quantité au bout du temps (At), l'interrupteur électronique étant caractérisé en ce que le circuit d'alimentation (EK) comprend un premier trajet de courant (Tl) pouvant être commandé, destiné au courant de charge (I), et un second trajet de courant (R 4,,T 2), pouvant être commandé, destiné à une limitation de courant, connecté en parallèle avec le premier trajet de courant, celui-ci étant commandé par ladite première quantité de façon a n'être pas conducteur en même temps que le second trajet de courant devient conducteur afin de limiter le courant de charge, et en ce qu'un circuit de maintien (HK) est déclenché par la seconde quantité pour trans- mettre une troisième quantité au circuit d'alimentation (EK), ce qui a pour résultat de placer les deux trajets de courant dans l'état non conducteur afin que le courant de charge soit interrompu. 2 Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation (EK) comprend un pre Qmier transistor (Tl) dont le trajet collecteur-émetteur forme ledit premier trajet de courant pouvant être commandé, et dont la base est reliée au circuit de seuil (JF), et un second transistor (T 2) dont le trajet collecteur-émetteur, en série avec une première résistance (R 4), forme ledit second trajet de courant à limitation de courant, la base du second transistor (T 2) étant reliée par l'intermédiaire d'une seconde résistance (R 5) à une première borne de la source de tension d'ali- mentation, la seconde résistance (R 5) étant dimensionnée de.manière que, Lorsque le courant de charge dépasse ladite valeur et que le premier transistor devient non conducteur, le second transistor devienne conducteur pour limiter le courant de charge.