Brevet FR2544563A1 — publié le 19841019

Détecteur de circuit résistif. La présente invention concerne la protection des équipements de distribution et des sources de cou- rant électrique contre les défaillances dans les char- ges et, plus particulièrement, la mise en oeuvre de cette protection par des éléments à semi-conducteurs. Historiquement, dans les systèmes d'alimenta- tion en courant, on a utilisé des fusibles ou des coupe-circuit pour assurer une protection contre les défaillances dans les câblages ou les charges Ces deux types de dispositifs isolent les défaillances en coupant mécaniquement tout contact avec la source d'alimentation. Ils dépendent tous deux d'une réaction thermique à des courants de surcharge de circuit, si bien qu'ils sont lents et tributaires de la température L'élément thermique d'un fusible est détruit dans le processus d'isolement, tandis que les coupe-circuit sont volu- mineux et lourds comparativement aux composants de circuits. En conséquence, un objet de la présente in- vention est de protéger les équipements de distribu- tion et les sources de courant contre les défaillances survenant dans les câblages ou les charges en utilisant des éléments à semi-conducteurs qui sont efficaces en ce qui concerne leur encombrement et leur poids Un autre objet est d'assurer cette protection sans devoir nécessairement déconnecter la charge ou le circuit dé- fectueux Un autre objet est d'assurer une limitation de courant instantanée Un autre objet est d'assurer une protection à de faibles niveaux de courant Un au- tre objet encore est de fournir un moyen en vue de dé- tecter et de signaler des défaillances de court-circuit complètes ou partielles Dans la description ci-après, il est principalement question de défaillances survenant dans une charge et qui sont la cause d'un prélèvement de courant excessif, mais les enseignements que ren- ferme la présente spécification, sont également appli- cables à la détection de circuits ouverts complets ou partiels dans des charges. Suivant l'invention, une source de courant est raccordée à une charge par une résistance de limitation de courant Dans des conditions de fonctionnement nor- males, la chute de tension aux bornes de la résistance de limitation de courant est faible et justifiée. Lorsque la charge prélève un courant excessif (défail- lance) comme c'est le cas dans un court-circuit, la chute de tension aux bornes de la résistance de limita- tion de courant s'élève considérablement Dans le cas d'une charge à haute impédance telle qu'un circuit géné- rateur de signaux, le prélèvement de courant est faible et la résistance de limitation de courant peut avoir une valeur élevée, occasionnant ainsi un accroissement disproportionné de la chute de tension pour une faible élévation donnée du prélèvement de courant Un thermis- tor peut être substitué à la résistance de limitation de courant pour assurer une protection semblable à des niveaux de consommation de courant plus élevés. En réponse à la chute de tension accrue aux bornes de la résistance de limitation de courant, une diode Zener devient conductrice dans la direction inverse (rupture inverse) et connecte la chute de tension à un indica- teur tel qu'une diode électroluminescente Un circuit de verrouillage peut être incorporé pour fournir une indication de défectuosité verrouillée ou pour décon- necter la charge défectueuse. Les objets, caractéristiques et avantages-pré- cités de la présente invention, ainsi que d'autres ap- paraitront plus clairement à la lecture de la descrip- tion détaillée ci-après de l'invention. L'unique dessin annexé est un schéma de mon- tage du dispositif de protection de circuit résistif dans sa forme de base et avec des caractéristiques supplémentaires. Dans l'unique dessin annexé, on représente un détecteur de circuit résistif-101 Une source de courant 10 applique une tension positive sur une li- gne 12 Un élément de chute de tension tel qu'une ré- sistance de limitation de courant 14, est raccordé en- tre la source de courant 10 et une charge 16 Cette charge 16 représente une prise de courant En consé- quence, une chute de tension s'établit aux bornes de la résistance de limitation de courant 14 conformé- ment à la loi d'Ohm, en réponse au courant en charge. Suite à cette chute de tension, le côté source de la résistance de limitation de courant 14 est à tout moment plus positif que le côté charge Lorsque la charge 16 présente une défectuosité telle qu'un court- circuit, la chute de tension est importante Etant donné que la chute de tension aux bornes de la résis- tance de limitation de courant 14 varie avec la char- ge 16, il convient de tenir compte des fluctuations survenant dans cette dernière, et la présente inven- tion peut être le plus efficace lorsqu'elle est mise en oeuvre dans des situations o la charge 16 ne varie pas sensiblement dans des conditions opératoires nor- males En présence d'une défectuosité, la résistance de limitation de courant 14 limite instantanément le prélè- vement de courant sur la source de courant 10. Un élément à conductivité seuil tel qu'une diode Zener 18, est raccordé en série à une résistan- ce 20 et à un élément indicateur tel qu'une diode électroluminescente 22 Ces éléments sont raccordés aux bornes de la résistance de limitation de courant 14 La diode Zener 18 est raccordée, dans la direc- tion inverse, au côté source de la résistance de limita- tion de courant 14 En conséquence, elle ne sera pas conductrice, à moins qu'une chute de tension seuil équivalant à la tension de rupture inverse soit attein- te aux bornes de la résistance de limitation de cou- rant Toutefois, dans cette éventualité, la diode Zener 18 devient conductrice et permet le passage d'une tension à travers la résistance 20 en direction de la diode électroluminescente 22, laquelle est raccordée dans un sens de conduction pour émettre une lumière indiquant une défectuosité lorsqu'elle est soumise à une polarisation directe Etant donné que la diode électroluminescente 22 nécessite une très faible ten- sion de polarisation directe (par exemple, 1,5 volt) pour s'allumer, la résistance 20 limite la tension ap- pliquée à cette diode 22 Il est entendu que le choix des valeurs pour la résistance 14 et la diode Zener 18 est déterminé par les modes de défaillance et les con- ditions opératoires de la charge Dans le cas de dé- fectuosités provoquant des courants en charge anormale- ment élevés, la diode Zener 18 se met en circuit ouvert, ce qui empêche la diode électroluminescente 22 de s'al- lumer au cours d'un fonctionnement normal de la charge, mais, essentiellement, elle "connecte" la chute de ten- sion à la diode électroluminescente 22 lorsque la chu- te de tension dépasse une valeur seuil D'autre part, lorsqu'il s'agit de détecter des défectuosités provo- quant des courants en charge anormalement faibles, la diode Zener 18 peut présenter un circuit fermé, ce qui a pour effet d'allumer la diode électroluminescente 22 au cours d'un fonctionnement normal, mais de "déconnec- ter" la chute de tension de cette diode 22 lorsque la chute de tension tombe en dessous d'une valeur seuil. On supposera qu'une charge à haute impédance 16 telle qu'un circuit générateur de signaux, prélève un courant de 1,5 milliampère à travers une résistance de limitation 14 de 4000 ohms La puissance dissipée dans la résistance de limitation 14 est faible, c'est- à-dire de l'ordre de 10 milliwatts La chute de ten- sion aux bornes de la résistance de limitation 14 est de 6 volts ( 0,0015 ampère x 4000 ohms) Une défec- tuosité dans la charge provoque, dans la chute de ten- sion, un changement de 4 volts par milliampère de chan- gement de courant ( 0,001 ampère x 4000 ohms) En rai- son de ce rapport disproportionné, les changements sur- venant dans la charge sont très perceptibles, ce qui facilite la détection des défectuosités survenant dans la charge, tout en rendant l'utilisation d'une résis- tance comme élément de chute de tension particulière- ment appropriée pour des applications à courant faible. Pour des applications à courant plus fort, une résis- tance élevée n'est pas souhaitable et un thermistor peut être substitué à la résistance de limitation 14 comme élément de chute de tension Une résistance sous forme d'un thermistor peut être faible (par exem- ple, 3 ohms) à des niveaux de courant de l'ordre de milliampères, par exemple, et cette valeur s'élève considérablement à des niveaux de courant indiquant une défaillance de la charge, telle qu'un court-circuit. Dans le contexte de la présente invention, cette carac- téristique du thermistor en rend l'utilisation idéale pour des applications de circuits à courant plus fort, notamment pour l'excitation de lampes ou de relais. Bien que la diode électroluminescente 22 elle- même indique une défectuosité, une indication verrouil- ' lée de cette défectuosité peut être prévue comme illus- tré dans la partie de verrouillage 102 du circuit. Cette partie 102 renferme un élément de verrouillage tel qu'un photoredresseur au silicium 26 couplé opti- quement à la diode électroluminescente 22 Ce redres- seur au silicium 26 est raccordé dans un sens de con- duction au côté source de la résistance de limita- tion de courant 14, mais il n'est pas conducteur jus- qu'à ce qu'il soit irradié (déclenché) par la diode électroluminescente 22 Dès que le redresseur au sili- cium 26 devient conducteur, une tension est appliquée, via un commutateur 28, sur une ligne 30 en vue d'allu- mer une lampe témoin 32 Il est entendu que cette lam- pe témoin 32 pourrait également être remplacée par un relais ou un dispositif analogue permettant de décon- necter la charge 16 La partie de verrouillage 102 reste verrouillée jusqu'à ce qu'il ait été remédié à la défectuosité, tandis que le redresseur au silicium 26 est remis à l'état initial par coupure momentanée du circuit au commutateur 28. Comme illustré dans une partie 103, un circuit OU 36 est raccordé pour réagir à n'importe quel nombre de dispositifs protecteurs de circuits résistifs RCD 2, RCD 3 RC Dn, tels qu'ils sont illustrés à titre d'exemple par la combinaison du dispositif protecteur de circuit résistif 101 et de la partie de verrouillage 102 en vue de fournir une indication commune (FAULT) d'une défectuosité Il est entendu que, à l'interven- tion d'une logique appropriée, diverses combinaisons de dispositifs protecteurs de circuits résistifs pour- raient être interconnectées en utilisant différents composants logiques pour fournir une indication de dé- fectuosité basée sur différentes combinaisons de dé- faillances de charge. Comme illustré dans une partie 104, plusieurs "branches" diode Zener/diode électroluminescente élabo- rées après la combinaison série de la diode Zener 18, de la résistance 20 et de la diode électroluminescente 22, sont connectées en parallèle aux bornes de la ré- sistance de limitation de courant 14 Les valeurs des diodes Zener sont sélectionnées pour fournir des indi- cations de défectuosités discrètes dans chaque bran- che à différents niveaux de prélèvement de courant afin d'obtenir une indication plus quantitative du prélèvement de courant. Il est également entendu que de nombreuses variantes peuvent être utilisées pour obtenir des fonctions identiques ou équivalentes de celles dé- crites ici De même, bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à une forme de réalisation donnée à titre d'exemple, l'homme de métier comprendra que diverses modifications, omis- sions et additions peuvent être envisagées sans se départir de l'esprit et du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Détecteur de circuit résistif destiné à protéger une source de courant alimentant une charge contre une défectuosité de cette dernière qui provo- que un prélèvement de courant excessif, ainsi qu'à fournir une indication de cette défectuosité de la charge, ce détecteur comprenant: un élement de chute de tension raccordé pour ache- miner le courant de la source à la charge, pour limi- ter ce courant, ainsi que pour établir une chute de tension indiquant ce courant; un élément indicateur destiné à engendrer un si- gnal indiquant la défectuosité de la charge en réponse à la chute de tension; et un élément à conductivité seuil raccordé pour réa- gir à l'élément de chute de tension et connecté à l'élé- ment indicateur en vue de coupler la chute de tension à ce dernier lorsque cette chute de tension dépasse une valeur seuil. 2 Détecteur de circuit résistif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément à conductivité seuil est une diode Zener. 3 Détecteur de circuit résistif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de chute de tension est une résistance. 4 Détecteur de circuit résistif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance a une valeur élevée, de telle sorte qu'un léger accrois- sement dans le prélèvement de courant ait pour effet d'élever la chute de tension de manière disproportion- née. Détecteur de circuit résistif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de chute de tension est un thermistor dont la résistance augmente en fonction de l'accroissement du prélèvement de courant. 6 Détecteur de circuit résistif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de verrouillage destiné à fournir une indica- tion verrouillée de la défectuosité en réponse au si- gnal indiquant une défectuosité de la charge. 7 Ensemble de plusieurs dispositifs suivant la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs signaux indiquant des défectuosités sont transmis à des éléments en vue de fournir un signal indiquant une combinaison de défectuosités en réponse à une combinai- son de signaux indiquant des défectuosités dans la charge et qui leur sont appliqués. 8 Détecteur de circuit résistif en vue de fournir une indication du prélèvement de courant par une charge au départ d'une source d'alimentation, ce détecteur comprenant: un élément résistif raccordé pour acheminer le courant de la source à la charge et établir une chute de tension indiquant le prélèvement de courant par cette charge; un élément indicateur destiné à engendrer un si- gnal en réponse à la chute de tension; et un élément à conductivité seuil raccordé pour réa- gir à l'élément résistif et connecté à l'élément indi- cateur en vue de coupler la chute de tension à ce der- nier lorsque cette chute de tension dépasse une valeur seuil. 9 Détecteur de circuit résistif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal engen- , dré par l'élément indicateur indique un court-circuit total ou partiel survenant dans la charge et qui provo- que un prélèvement de courant excessif. Détecteur de circuit résistif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal engen- dré par l'élément indicateur indique un prélèvement de courant nominal, tandis que la non-émission du signal par l'élément indicateur indique la présence, dans la charge, d'un circuit ouvert complet ou partiel qui don- ne lieu à un prélèvement de courant réduit. 11 Ensemble de plusieurs dispositifs suivant la revendication 8, raccordés en parallèle pour four- nir des indications discrètes de différents niveaux de prélèvement de courant.