Brevet FR2582880A1 — publié le 19861205

-I l:spositif de surveillance d'état d'un commutateur élec- trique et relais électrique en comportant application L'invention a pour objet un dispositif de sur- veillance d'état de commutateur électrique présentant un état ouvert et un état fermé dans lequel il a une impé- dance inférieure de plusieurs ordres de grandeur à son impédance à l'état ouvert. Elle est applicable notamment dans toutes les installations en environnement sévère qui rendent insuffisamment fiable la surveillance de la 0 commande du commutateur, l'état de ce dernier pouvant ne pas refléter celui de la commande. L'invention concerne également les relais devant ëtre munis d'un tel dispo- sitif de surveillance, et en particulier les relais statiques, auxquels on a reproché d'être sujets à des pannes de court-circuit du composant semiconducteur jouant le rôle de commutateur, ce qui rend particulière- ment peu fiable la surveillance de la commande. Il faut à ce sujet se souvenir que les relais électromécaniques traditionnels, satisfaisants du point de vue de la sécurité, ont en contrepartie des inconvé- nients nombreux, parmi lesquels un temps de réponse important qui limite leur fréquence de commutation, la présence de rebonds, la sensibilité à un environnement vibratoire, l'usure des contacts. Les relais statiques ont l'avantage d'avoir un temps de réponse beaucoup plus court, qui permet d'atteindre des cadences de commuta- tion dépassant largement.10 kHz tout en acceptant, lorsqu'ils utilisent des composants semiconducteurs de type récent, des intensités comparables à celles des re- lais électromagnétiques. Mais le risque de court- circuits internes, indécelables lorsque la surveillance du relais s'effectue au niveau de la commande, a conduit jusqu'ici à des réticences à employer des relais sta- tiques en environnement sévère, notamment sur les lan- ceurs, tels que ceux employés pour le lancement de satellites. L'invention vise notamment à fournir un dispo- sitif de surveillance d'état de commutateur électrique. permettant de déterminer l'état réel du commutateur et non pas celui de sa commande, qu'il y ait ou non une source de tension continue appliquée au commutateur. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif de surveillance d'état de commutateur électrique compre- nant un transformateur d'isolement dont l'un des enrou- lements est relié par l'intermédiaire d'un redresseur aux bornes du commutateur et dont l'autre enroulement est en circuit avec un oscillateur présentant une impé- dance nettement supérieure à celle du second enroulement lorsque le relais est fermé et comprend des moyens d'analyse de signal électrique prélevé sur ledit autre enroulement. On voit qu'un tel dispositif de surveillance est isolé galvaniquement du commutateur par le transforma- teur. De plus, il ne comporte que des organes statiques et capables de fonctionner en environnement sévère et, notamment. en présence d'un flux de rayonnement intense, ce qui ne serait pas le cas par exemple d'un coupleur opto-électronique d'isolement. On voit que le dispositif de commande est basé sur l'utilisation d'un transformateur détectant une charge variable en alternatif, généralement à une fré- quence élevée de façop à réduire le volume de l'oscilla- teur. Mais il suffirait en principe d'utiliser une fré- quence d'oscillateur nettement supérieure à la fréquence maximale de commutation envisagée. L'invention propose également un relais sta- tique, souvent monostable, à surveillance d'état par un dispositif du genre ci-dessus défini, muni d'un circuit de commande comprenant un oscillateur. Dans un premier mode de réalisation, cet oscillateur fournit deux signaux identiques en opposition de phase, et le circuit de commande comprend un transformateur de commande du relais statique dont le secondaire est relié par l'in- termédiaire d'un redresseur à l'électrode de commande du commutateur du relais et dont le primaire présente deux bornes extrêmes reliées à l'oscillateur et un point milieu muni de moyens de commande permettant à volonté de l'isoler ou de le porter à une tension de référence de façon à commander le relais. L'oscillateur de commande du relais sera avan- tageusement d'un type fournissant des signaux rectangu- laires et à fréquence élevée, souvent de plusieurs centaines de kHz. On pourra notamment utiliser un oscil- lateur magnétique. Dans ce mode particulier de réalisation, l'os- cillateur de commande peut être incorporé au dispositif de surveillance et utilisé pour commander le relais. Cette solution a cependant l'inconvénient que l'oscilla- teur doit fonctionner en permanence. Une autre solution consiste à prévoir deux oscillateurs indépendants. Dans ce cas, la commande du relais peut être effectuée à l'aide d'un transformateur simple, dont le primaire ne comporte pas de point milieu, la commande du relais s'effectuant par simple mise en action de l'oscillateur correspondant. Quel que soit le mode de réalisation adopté, on voit que le dispositif de surveillance est complètement isolé galvaniquement, d'une part, du relais proprement dit, d'autre part, de l'organe de commande de ce dernier. Le relais statique à surveillance selon l'in- vention permet d'obtenir une sécurité équivalente à celle d'un relais électro-mécanique tout en ayant des performances de vitesse, d'absence de rebonds, d absence d'usure et de tenue aux vibrations très supérieures. Dans la pratique. le temps de réponse peut être largement inférieur à la milliseconde. Toutes ces caractéristiques le rendent notamment utilisable dans les commandes de mécanismes et les commandes de mise à feu des lanceurs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécu- tion, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma de principe d'un relais statique à surveillance suivant un premier mode de réalisation de l'invention; - la Figure 2 est un synoptique d'un relais à surveillance constituant une variante. Le relais statique montré en Figure 1 est notam- ment utilisable pour des fréquences de commutation élevées et des courants à commuter importants. Le commu- tateur proprement dit 10 est constitué par un transistor a effet de champ à canal n dit HEXFET". Le dispositif de surveillance qui lui est associé effectue une mesure d'impédance entre drain et source du transistor, la tension continue drain-source étant toujours inférieure à 2,5 V lorsque le transistor est conducteur. Le transistor peut notamment être du type IRF 150, qui permet de couper jusqu'à 50 V et 5 A en continu. Le dispositif de commande du commutateur 10 comporte un oscillateur magnétique 12 qui peut être de type entièrement classique et fournit, sur deux bornes de sortie 14 et 16, des signaux rectangulaires de pola- rité opposée, appliqués en opposition de phase, par l'intermédiaire de diodes 18 et 20 aux bornes du pri- maire 24 d'un transformateur 22 de commande du commuta- teur. Le point milieu du bobinage primaire 24 du trans- formateur 22 est relié à un organe, représenté sous forme d'un relais électromécanique 26 mais qui sera généralement un transistor, permettant à volonté de le relier à la masse (pour fermer le commutateur) ou de l'isoler (pour ouvrir le commutateur) suivant la tension appliquée sur l'entrée de commande 28. La tension aux bornes du secondaire du transfor- mateur 22 est redressée par un redresseur double alter- nance 30 et appliquée à la grille du transistor à effet de champ constituant commutateur 10. Le dispositif de surveillance de l'état du com- mutateur comporte un oscillateur qui, dans le mode de réalisation de la Figure 1, est l'oscillateur 12 de commande de ce commutateur. La surveillance d'état est réalisée par mesure de l'impédance en haute fréquence entre drain et source. Le dispositif comprend un re- dresseur 32 pouvant avoir la même constitution que le redresseur 30, dont les sorties sont reliées au drain et à la source du transistor à effet de champ de commuta- tion et dont l'entrée est reliée au secondaire d'un transformateur 34. Le primaire de ce dernier est relié au condensateur 37, d'une part, et, d'autre part, par l'intermédiaire d'un condensateur 36 d'isolement en continu et d'une résistance, aux sorties de l'oscilla- teur 12. Un signal de sortie à la fréquence de l'oscil- lateur est prélevé au primaire du transformateur 34. Ce signal est appliqué, par l'intermédiaire d'une diode de redressement 38, d'un condensateur de filtrage et d'un pont diviseur 40 à résistance, à un élément commutateur fournissant une sortie en tout-ou-rien, compatible avec la nature d'un circuit logique 44 d'exploitation. Dans le mode de réalisation de la Figure 1, l'organe de com- mutation fournissant une sortie en tout-ou-rien est constitué par un transistor bipolaire 42 destiné à four- nir une sortie compatible avec une logique TTL. Cette logique 44 peut notamment être prévue pour assurer la commande de commutateurs de secours placés en série et en paralléle avec le commutateur 10, afin d'éviter le point de panne unique à la fermeture et à l'ouverture. Le mode de réalisation montré en Figure 1 a l'avantage de n'exiger qu'un seul oscillateur 12. En contrepartie, cet oscillateur doit fonctionner en perma- nence, puisqu'il alimente le dispositif de surveillance. Le mode de réalisation montré en Figure 2, sur laquelle les éléments correspondant à ceux de la Figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, comporte deux oscillateurs, ce qui complique légèrement le système. Mais, en contrepartie, l'oscillateur 12 de commande du commutateur 10 ne fonctionne que lorsque celui-ci doit être rendu passant, ce qui permet par ailleurs de sup- primer la commande constituée par l'organe commutateur sur la Figure 1. Le mode de réalisation de la Figure 2 comprend, en plus de l'oscillateur de commande 12, un oscillateur 46 appartenant au dispositif de surveillance, muni d'une entrée 48 d'alimentation assurant la mise en fonctionne- ment du dispositif. Le commutateur 10 est commandé fermé ou ouvert selon que l'oscillateur 12 est alimenté ou non. La sortie de surveillance est prélevée sur le pri- maire du transformateur 34 et peut également commander un organe de sortie en tout-ou-rien 42, qui peut encore être constitué par un transistor. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un dis- positif conforme à la Figure 1 a été réalisé en utili- sant un oscillateur fonctionnant à une fréquence de 240 kHz. Le retard de commutation était inférieur à 20 mi- crosecondes à la fermeture, à 400 microsecondes à l'ou- verture dans le cas d'emploi d'un transistor "HEXFET#. Le temps de réponse du dispositif de surveillance était inférieur à 200 microsecondes aussi bien dans le cas de l'ouverture que dans le cas de la fermeture du commuta- teur. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représen- tés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Dispositif de surveillance d'état d'un com- mutateur électrique (10) présentant un état ouvert et un état fermé dans lequel il a une impédance inférieure de plusieurs ordres de grandeur à l'impédance à l'état ou- vert, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur d'isolement (34) dont un des enroulements est relié, par l'intermédiaire d'un redresseur (32) aux bornes de sortie du commutateur (10) et dont l'autre enroulement est en circuit avec un oscillateur (12 ou 46) présentant une impédance nettement supérieure à celle dudit autre enroulement lorsque le commutateur est fermé, ainsi que des moyens (42, 44) d'analyse de signal électrique pré- levé sur ledit autre enroulement. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ledit oscillateur (12, ou 46) a une fréquence d'oscillation supérieure à la fréquence maxi- mum de commutation du commutateur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2. caractérisé en ce que ledit signal est prélevé a une extrémité, reliée à l'oscillateur. dudit autre enrou- lement, la seconde extrémité dudit autre enroulement étant à un potentiel de référence. 4. Relais statique à surveillance d'état com- prenant un composant semiconducteur constituant commu- tateur (10), un circuit de commande comprenant un oscil- lateur de surveillance suivant la revendication 1, 2 ou 3. 5. Relais statique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'oscillateur (12) du circuit de commande constitue également l'oscillateur du circuit de surveillance et en ce que ledit oscillateur fournit deux signaux identiques en opposition de phase aux bornes extrêmes du primaire (24) d'un transformateur de com- mande dont le secondaire est relié par un redresseur (30) à l'électrode de commande du composant semiconduc- teur, le point milieu du primaire étant muni de moyens de. commande (26) permettant à volonté de l'isoler ou de le porter à une tension de référence de façon à comman- der le relais. 6. Relais statique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend un oscillateur indépendant de l'oscillateur du dispositif de surveillance et attaque directement le transformateur de commande. 7. Relais selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 6, caractérisé en ce que l'oscillateur du circuit de commande est à fréquence de plusieurs cen- taines de kHz.