Brevet FR2546659A1 — publié le 19841130

COMMUTATEUR L'invention concerne un commutateur, notamment un commutateur à grand pouvoir de coupure, et plus particulièrement un commutateur comportant un élément de commutation mécanique, notamment actionné électromagnétiquement, et un élément de commutation semiconducteur, mis en condition d'ouverture ou de fermeture en réponse à un signal électrique. Le commutateur du type à contacts présente l'avantge de pouvoir être réalisé sous un faible encombrement du fait de la faible résistance de contact entre les contacts, et de la petitesse de la production de chaleur Toutefois, ce type de commutateur présente l'inconvénient de comporter des pièces d'usure telles que des contacts, de sorte qu'il faut prévoir des opérations de contrôle et d'entretien périodiques s'il est utilisé dans des conditions impliquant des opérations d'ouverture et fermeture fréquentes. Le commutateur à semiconducteur, dans lequel le passage d'un courant électrique est commandé par un élément semiconducteur tel qu'un triac, permet d'obtenir le passage ou l'interruption du courant sans former d'arcs et sans user de contacts, de sorte que sa longévité est grande Toutefois, la chute de tension est notable lorsque le commutateur à semiconducteur est en conduction Il est donc nécessaire de recourir à d'encombrantes ailettes de refroidissement pour rayonner la chaleur A cet inconvénient s'ajoute celui propre à l'existence d'un certain "courant de fuite", puisque le courant ne peut pas être complètement interrompu, même lorsque l'élément semiconducteur est en condition dite d'ouverture. Ceci étant, divers efforts ont été déployés pour obtenir les avantages propres aux commutateurs -2- mécaniques et ceux propres aux commutateurs à semiconducteurs, de manière que ces avantages respectifs compensent les inconvénients sus-mentionnés, en agençant une pluralité de commutateurs de type mécanique et de type semiconducteur Toutefois, le recours à ces deux différents types de commutateur conduit à un agencement commutateur finalement très onéreux et encombrant. L'adoption d'une telle combinaison n'est pas aisée. La présente invention a pour but de parvenir à un commutateur unique, indépendant, offrant les avantages des commutateurs mécaniques et des commutateurs à semiconducteur, sans présenter leurs inconvénients. Pour atteindre ce but, l'objet de l'invention est un commutateur comportant: une enceinte dotée d'une base de montage; une paire de moyens d'amenée de courant s'étendant à l'intérieur et à l'extérieur de ladite enceinte et fixés à ladite base de montage; et une plaque de contact mobile disposée à l'intérieur de ladite enceinte de manière à pouvoir venir à une position de contact et à une position de non-contact avec au moins l'un des moyens d'amenée de courant de ladite paire, ce commutateur comportant en outre un élément de commutation semiconducteur qui est électriquement relié à au moins l'un des moyens d'amenée de courant de ladite paire, ladite plaque de contact mobile et ledit élément de commutation semiconducteur étant agencés entre les moyens d'amenée de courant de ladite paire pour établir avec celle-ci une liaison du type parallèle ou série. Si ladite plaque de contact mobile est branchée en parallèle, pour établir une liaison du type parallèle, elle est alors apte à prendre une condition de coupure avant que l'élément de commutation semiconducteur soit ouvert. -3- Si la plaque de contact mobile est agencée en branchement série, pour établir une liaison du type série, elle est alors apte à prendre une condition d'ouverture après que l'élément de commutation semiconducteur est ouvert. Les dessins annexés et la description s'y rapportant, présentés ci-après à titre d'exemples non limitatifs, décrivent et font apparaître les caractéristiques et avantages de l'invention Sur les dessins La figure 1 représente une vue en coupe d'une première forme de réalisation de l'invention; La figure 2 est un schéma de circuit équivalent relatif à la réalisation selon la figure 1; La figure 3 est une vue en coupe d'une deuxième forme de réalisation de l'invention; et La figure 4 est un schéma de circuit équivalent relatif à la réalisation selon la figure 3. Une première forme de réalisation de la présente invention est représentée sur la figure 1 Le commutateur, du type interrupteur, selon un mode de réalisation de l'invention comporte un élément de commutation mécanique doté de contacts et un élément de commutation semiconducteur, tel qu'un triac, qui sont électriquement branchés en parallèle, comme représenté sur la figure 2 montrant le schéma de circuit équivalent. Pour l'élément de commutation mécanique, une première plaque à bornes 12 et une deuxième plaque à bornes 14 sont fixées à une base de montage 10 d'une enceinte H et s'étendent à l'intérieur et à l'extérieur de celle-ci Lesdites plaques à bornes 12 et 14 possèdent respectivement des extrémités extérieures 12 ' et 14 ' constituant des bornes, et des extrémités intérieures 12 " et 14 " constituant des bornes Des vis 2546659- -4 - de bornes, 16 et 18, sont disposées sur les extrémités extérieures 12 ' et 14 ' des plaques à bornes respectives 12 et 14. Les extrémités intérieures 12 " et 14 ", constituant des bornes, des plaques à bornes 12 et 14 sont disposées respectivement à un niveau supérieur et à un niveau inférieur Un élément de commutation semiconducteur 20 est interposé "en sandwich" entre les extrémités intérieures 12 " et 14 " des plaques à bornes 12 et 14, extrémités auxquelles cet élément en forme de pastille est soudé Les deux électrodes de l'élément de commutation semiconducteur 20 sont électriquement reliées aux plaques à bornes 12 et 14 Si l'élément de commutation semiconducteur 20 possède une borne de commande 22, encore appelée "borne de gâchette" ou "borne de grille", cette borne 22 peut alors être reliée séparément à un conducteur. Une plaque métallique 24 est assemblée au côté inférieur de la base 10 Une plaque isolante 26 est disposée entre la plaque métallique 24 et la plaque à bornes 14 Lesdites extrémités intérieures 12 " et 14 " desdites première et deuxième plaques à bornes, et l'élément de commutation semiconducteur 20 dans la cavité définie par la base 10 et la plaque métallique 24 sont noyées dans une matière isolante 28, afin d'améliorer la résistance mécanique, la résistance aux agents extérieurs et la conductibilité thermique. Des contacts fixes 30 et 32 sont attachés respectivement au milieu de la plaque à bornes 12 et au milieu de la plaque à bornes 14, cela par des moyens appropriés tels que soudage ou matage Il y a en outre, dans l'enceinte H, une plaque de contact mobile 34 Des contacts mobiles 36 et 38, respectivement situés en face des contacts fixes 30 et 32, sont attachés, par soudage ou matage, à ladite plaque de contact mobile 34. -5- Un dispositif électromagnétique 40 fixé à la partie supérieure de l'enceinte H déplace la plaque de contact mobile 34 vers le bas ou vers le haut, pour établir une condition de fermeture ou d'ouverture des contacts fixes 30 et 32 Le dispositif électromagnétique comporte une armature fixe en fer, 42, un solénoïde électromagnétique 44 et une armature mobile 46 La plaque de contact mobile 34 est reliée, par l'intermédiaire d'un ressort 50, à une traverse 48 liée à l'armature mobile en fer 46 La pression de contact entre les contacts fixes 30 et 32 et les contacts mobiles 36 et 38 est produite par le ressort 50. Dans l'agencement considéré ci-avant, le dispositif électromagnétique 40 commande la fermeture ou l'ouverture des contacts de la plaque de contact mobile 34 La commutation de l'élément de commutation semiconducteur 20 est commandée par l'électrode de commande de celui-ci Dans le cas o le commutateur considéré doit être amené de l'état "non-passant" (ouverture) à l'état "passant" (fermeture), un signal de gâchette est d'abord appliqué à la borne de commande 22, afin de rendre conducteur l'élément de commutation semiconducteur 20 Le dispositif électromagnétique 40 est excité pour fermer les contacts mécaniques 30, 32, 36 et 38, cela toutefois avec un léger retard Cette procédure a pour effet que les contacts mécaniques entrent en contact alors que la conduction de l'élément est établie Après la fermeture des contacts mécaniques, un courant électrique passe par ceux-ci, tandis que le courant passant par l'élément de commutation semiconducteur 20 est faible puisque la chute de tension aux contacts mécaniques est moindre que celle propre à l'élément de commutation semiconducteur Dans le cas o il s'agit d'interrompre le courant en faisant passer le commutateur de l'état "passant" à -6- l'état "non-passant", le dispositif électromagnétique 40 est désexcité pour ouvrir les contacts mécaniques 30, 32, 34 et 38, de sorte que la plaque de contact mobile 34 est amenée à prendre une position de coupure, puis, avec un léger retard, l'élément de commutation semiconducteur est ensuite ouvert L'interruption du courant a donc lieu alors qu'il ne passe que par l'élément semiconducteur 20, de sorte que le commutateur est ouvert sans qu'il y ait production d'arcs entre les contacts mécaniques Un circuit de commande temporisé, commandant la séquence de fermeture et d'ouverture telle qu'expliquée dans ce qui précède, peut comporter des circuits classiques. Dans la forme de réalisation sus-mentionnée, dans laquelle la plaque de contact mobile 34 munie des contacts 36 et 38 et l'élément de commutation semiconducteur 20 sont branchés en parallèle, en dérivation d'une première et d'une deuxième plaque à bornes, 12 et 14, le courant électrique ne passe par l'élément de commutation semiconducteur 20 que pendant une brève durée, lors de la fermeture et de l'ouverture du commutateur Ainsi est réalisé un commutateur ayant une grande longévité puisque la production de chaleur est faible Ses dimensions peuvent donc être réduites, et les seules parties soumises à usure sont les contacts mécaniques. La figure 3 montre une deuxième forme de réalisation de la présente invention Le commutateur, du type interrupteur, comporte, en série, un interrupteur à plaque de contact mobile portant des contacts et un élément de commutation semiconducteur, comme représenté sur le schéma de circuit équivalent selon la figure 4. La structure générale de cette forme de réalisation est similaire à celle selon les figures 1 et 2, avec cette différence que le branchement en parallèle est remplacé 7 - par un branchement en série En fait, en plus de la deuxième plaque à bornes 14 a, il est prévu une plaque à bornes auxiliaire 14 b à l'intérieur de l'enceinte H. Cette plaque auxiliaire 14 b possède une première et une deuxième extrémité faisant office de bornes, respectivement 14 b' et 14 b" L'élément de commutation semiconducteur 20 est intercalé "en sansdwich"' entre la deuxième extémmité 14 b" de la plaque à bornes auxiliaire 14 b et l'extrémité intérieure 14 a" de la deuxième plaque à bornes 14 a En outre, un contact fixe 32 est attaché à ladite première extrémité 14 b' de la plaque à bornes auxiliaire 14 b Dans le cas o l'on désire que le courant passe, les contacts mécaniques 30, 32, 34 et 38 sont d'abord fermés puis, avec un léger retard,l'élément de commutation semiconducteur est fermé Dans le cas o il s'agit de couper le courant l'élément de commutation semiconducteur 20 reçoit d'abord un signal de commande d'ouverture, et les contacts 30, 32, 34 et 38 de l'élément de commutation mécanique sont alors ouverts de manière que la plaque de contact mobile 34 soit amenée à une condition de coupure avec un léger retard Un circuit de commande temporisé est adapté pour commander la séquence de la procédure de commutation décrite De ce qui précède, il résulte que le courant de fuite de l'élément de commutation semiconducteur est coupé par l'ouverture du commutateur mécanique. Bien que, dans les deux formes de réalisation, la plaque de contact mobile 34 soit actionnée par le dispositif électromagnétique 40, la présente invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation Il est évident que, sans sortir du cadre de l'invention, l'homme de l'art peut recourir, au-lieu du dispositf électromagnétique 40, à divers dispositifs envisageables pour actionner les contacts. -8- REVENDICATIONS 1 Commutateur comportant: une enceinte (H) dotée d'une base de montage ( 10); une paire de moyens d'amenée de courant ( 12,14; 12,14 a) s'étendant à l'intérieur et à l'extérieur de ladite enceinte (H) et fixés à ladite base de montage; et une plaque de contact mobile ( 34) disposée à l'intérieur de ladite enceinte de manière à pouvoir venir à une position de contact et à une position de non-contact avec au moins l'un des moyens d'amenée de courant de ladite paire ( 12,14; 12,14 a), caractérisé par le fait qu'un élément de commutation semiconducteur ( 20) est électriquement relié à au moins l'un des moyens d'amenée de courant de ladite paire ( 12, 14; 12,14 a), ladite plaque de contact mobile ( 34) et ledit -élément de commutation semiconducteur ( 20) étant agencés entre les moyens d'amenée de courant de ladite paire ( 12,14; 12,14 a) pour établir avec celle-ci une liaison du type parallèle ou série. 2 Commutateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite plaque de contact mobile ( 34) est branchée en parallèle et apte à prendre une condition de coupure avant que l'élément de commutation semiconducteur ( 20) soit ouvert. 3 Commutateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite plaque de contact mobile ( 34) est branchée en série et apte à prendre une cond Ition L'ouverture après que l'élément de commutation semiconducteur ( 20) est ouvert. 4 Commutateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, dans le cas d'un D correspondant à une liaison du type parallèle, lesdits premiers moyens d'amenée de courant comportent une première plaque à bornes ( 12) ayant une a 9 - extrémité extérieure ( 12 ') et une extrémité intérieure ( 12 "), lesquelles consci-cuent ies bo'nes, pai' le fra. que lesadcs aeuxièmes moyens d'amenée de courant comporuen une deuxième plaque à bornes ( 14) ayant une extrémité extérieure ( 14 ') et une extrémité intérieure ( 14 "), lesquelles constituent des bornes, e-c par le fait que ledit élément de commutation semiconducteur ( 20) est relié auxdites extrémités intérieures ( 12 ", 14 ") desdites première et deuxième plaques à bornes ( 12, 14). 5 Commutateur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'élément de commutation semiconducteur ( 20) et lesdites extrémités intérieures ( 12 ", 14 ") desdites première et deuxième plaques à bornes ( 12, 14) sont noyées dans une matière isolante ( 28). 6 Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'un branchement correspondant à une liaison du type série, lesdits premiers moyens d'amenée de courant comportent une première plaque à bornes ( 12) dotée d'une extrémité extérieure et d'une extrémité intérieure, lesquelles constituent des bornes, par le fait que lesdits deuxièmes moyens a'amenée ce courant comportent une deuxième plaque à bornes ( 14 a) dotée d'une extrémité extérieure ( 14 a') et d'une extrémité intérieure ( 14 a"), lesquelles consci-uen-c es bornes, Da le facu que ledit interrupteur comporte en outre une plaque à bornes auxiliaire ( 14 b) disposée à l'intérieur de ladite enceinte (H) et dotée d'une première et d'une deuxième extrémité qui constituent des bornes ( 14 b', 14 b"), ladite plaque de contact mobile ( 34) étant apte à venir soit en condition de contact soit en condition de non-contact avec l'extrémité intérieure de ladite première plaque à bornes ( 12) et avec la première extrémité ( 14 b') de ladite plaque à bornes auxiliaire -10- ( 14 b), ledit élément de commutation semiconducteur ( 20) étant relié à la deuxième extrémité ( 14 b") de ladite plaque à bornes auxiliaire ( 14 b) et à l'extrémité intérieure ( 14 a") de la deuxième plaque à bornes ( 14). 7 Commutateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit élément de commutation semiconducteur ( 20), ladite extrémité intérieure ( 14 a") de la deuxième plaque à bornes ( 14 a) et la deuxième extrémité ( 14 b") de la plaque à bornes auxiliaire ( 14 b) sont noyées dans une matière isolante ( 28).