Brevet FR2592521A1 — publié le 19870703

On connaît l'utilisation d'éléments à semiconduc teurs en combinaison avec des contacts d'interruption de circuit pour permettre aux contacts de se séparer sans qu'un arc se produise entre eux. On utilise un élément de transistor en combinaison avec une résistance dépendant de la tension pour transférer le courant hors de contacts en train de se séparer vers le transistor et ensuite à partir du transistor vers la résistance dépendant de la tension. I1 est nécessaire d'avoir un moyen pour commuter le transistor entre les états conducteurs et non conducteur de manière à permettre au transistor d'etre conducteur lorsque les contacts sont tout d'abord ouverts et ensuite de devenir non conducteurs rapidement après la séparation des contacts. Pour ce faire on utilise avantageusement un transformateur d'intensité à noyau saturable pour ouvrir et fermer le tran sistor de puissance dans des intervalles de temps prédéterminés. On a depuis déterminé que la fonction réalisée par le transistor pouvait être réalisée au moyen d'une résistance fabriquée à partir d'un matériau à coefficient de température positif ayant une valeur de résistance relativement faible pour les températures basses et une valeur notablement plus élevée pour des températures plus élevées prédéterminées. Les brevets des Etats-Unis nO 4 129 726 et 4 413 301 au nom de Middleman décrit des matériaux à coeffi cient de température positif opérationnels dans la gamme des 5 à 100 ampères qui sont utilisés en série avec des contacts séparables de manière à fournir une protection de circuit au moyen des résistances en série se trouvant dans le circuit dont la valeur de résistance augmente lorsqu'un courant de valeur supérieure à une valeur prédéterminée circule dans le matériau à coefficient de température positif. L'utilisation d'un matériau ayant un coefficient de température négatif dans des dispositifs d-'interruption de circuit est décrit dans le brevet des Etats-Unis nO 4 019 097. Ce brevet enseigne l'utilisation d'un matériau tel que le dioxyde de vanadium ou l'oxyde de cobalt et de lanthanum en série avec un mécanisme de déclenchement par transfert de flux. Les propriétés de réponse thermiques des matériaux mentionnés ci-dessus sont utilisées pour détecter une condition de surintensité et pour permettre au courant circulant dans un mécanisme de déclenchement d'augmenter jusqu'à une valeur opérationnelle. Tous les brevets mentionnés ci-dessus sont incorporés ici à titre de référence.Les matériaux décrits dans les brevets au nom de Middleman ne sont pas capables de supporter un courant suffisant pour fournir une protection en cas de surintensité dans un circuit tel qu'un circuit de disjoncteur à boîtier moulé. Le but de la présente invention est de fournir un interrupteur de courant de défaut utilisant des résistances à coefficient de température positif dans des circuits capables d'interrompre le courant dans des lignes d'alimentation domestiques et industrielles sans être endommagées ou détruites par le processus. Des circuits d'interruption de courant de défaut capables d'interrompre de manière répétée des courants de défaut pour une certaine gamme de valeurs nominales de disjoncteurs à boitier moulé sont rendus possibles par l'agencement d'une résistance à coefficient de température positif et d'une résistance dépendant de la tension en parallèle avec une paire de contacts commutés mécaniquement. Après séparation des contacts, le courant circule tout d'abord dans la résistance à coefficient de température positif qui a une faible valeur de résistance initiale. Le passage du courant dans le matériau à coefficient de température positif échauffe rapidement ce dernier, provoquant l'augmentation de sa valeur de résistance de plusieurs ordres de grandeur.La tension aux bornes de la résistance à coefficient de température positif (PTC) et de la résistance dépendant de la tension (VDR), toutes deux en parallèle, augmente rapidement jusqu'à la tension de limitation de la résistance fonction de la tension, branchant alors la résistance VDR et permettant au courant d'y circuler. Puisque la tension aux bornes de la résistance dépendant de la tension est notable ment plus élevée que la tension d'alimentation, le courant chute alors jusqu'à une faible valeur, permettant à une pai re de contacts auxiliaires de terminer le processus d'interruption. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement - Figure 1, un schéma d'un agencement de circuit interrupteur selon la présente invention; - Figure 2, un schéma d'un autre mode de réalisation de l'agencement d'interrupteur représenté figure 1; et - Figure 3, un graphique représentant la relation entre la valeur de la résistance et la température de la résistance à coefficient de température positif utilisée dans les figures 1 et 2. Bien que l'utilisation de résistances à coefficient de température positif comme éléments série dans un dispositif d'interruption de circuit soit connu, l'utilisation d'un tel matériau comme élément de circuit en parallèle pour transférer le courant hors des contacts en train de se séparer vers une résistance dépendant de la tension afin d'éliminer l'arc entre les contacts n'a pas été jusqu'ici décrit. Bien que l'on puisse utiliser différents matériaux dans les résistances à coefficient de température positif, chacun fournissant des caractéristiques particulières, les matériaux à base de titanate de baryum CBaTiO3) sont les plus connus et sont appropriés pour une interruption de courant de faible intensité. Des matériaux composites isolantmétal pour courant élevé qui subissent le passage d'une résistance basse à une résistance élevée en fonction de l'augtentation de température sont actuellement à l'essai. On a représenté figure 1, un interrupteur de courant de défaut utilisant un matériau à coefficient de température positif. L'interrupteur de courant de défaut 10 est relié, par une ligne omnibus d'alimentation 16 aux bornes d'un ensemble de contacts principal 15 constitué par des contacts fixes 11 et 12 et des contacts de shuntage 13, 14 qui sont séparés après surcharge de courant . Le courant dans la ligne omnibus d'alimentation est détecté au moyen d'un transformateur d'intensité dont l'enroulement primaire constitue la ligne omnibus d'alimentation et dont l'enroule- ment secondaire est branché à un mécanisme de fonctionnement permettant d'ouvrir rapidement le contact 15 lorsque le courant atteint une valeur prédéterminée. L'utilisation d'un transformateur d'intensité et d'un mécanisme de fonctionnement dans un circuit protégé est décrit par exemple dans les brevets des Etats-Unis 4 115 829 et 4 001 742 et on se réfèrera à ces brevets pour une description détaillée. L'interrupteur de courant de défaut 10 réalise une fonction semblable à celle de l'interrupteur limiteur de courant à semiconducteur décrit dans les brevets ci-dessus dans lesquels "l'interruption sans arc" a lieu entre des contacts séparables en transférant le courant hors des contacts via un commutateur à semiconducteur. Un ensemble de contacts auxiliaires 17 comportant un contact fixe 19 et un contact mobile 18 peut être aussi utilisé en combinaison avec l'interrupteur de courant de défaut 10 si on le souhaite.La ligne omnibus d'alimentation 16 est reliée à une source de courant au moyen de la borne 20 et à une charge de fonctionnement au moyen de la borne 21. Une résistance à coefficient de température positif, dénommée ci-après résistance PTC, est branchée en parallèle avec l'ensemble de contacts séparables 15 et avec une résistance dépendant de la tension, dénommée ci-après VDR, telle qu'une varistance à oxyde métallique 23, dénommée ci-après varistance MOV, au moyen des lignes 24 et 25. Une résistance PTC classique à base de BaTiO3 telle que décrite dans la Revue Technique Philips intitulée "PTC Thermistors As Self Regulating Heating Elements" (Thermistors PTC comme éléments de chauffage auto-régulant) par E. Anrdich a les caractéristiques décrites en 26, figure 3, dans lequel le logarithme de la résistance en ohms est représenté comme augmentant soudainement et notablement à une température prédéterminée, de l'ordre de 100 à 1600C par exemple. En faisant fonctionner l'interrupteur de courant de défaut, après séparation de l'ensemble de contacts 15, le courant est immédiatement transféré dans la résistance PTC 22 ayant une température initiale faible et une valeur initiale de résistance faible comme indiqué par les caractéris- tiques décrites auparavant en liaison avec la figure 3.Le courant traverse la résistance PTC en augmentant rapidement sa température et sa valeur de résistance de sorte que la tension aux bornes de la combinaison en parallèle de la ré sistance PTC 22 et de la varistance MOV 23 augmente de manière correspondante jusqu'à la tension de limitation de la varistance MOV provoquant le transfert immédiat dans la varistance MOV. La tension, étant maintenant notablement plus élevée que la tension d'alimentation, provoque la chute rapide dans la varistance MOV du courant jusqu'à une valeur très faible. La varistance MOV peut avoir la composition décrit dans le brevet des Etats-Unis 4 374 049, grâce à quoi la tension de limitation peut être réglée en faisant varier la composition des matériaux de la varistance MOV ainsi que le procédé de fabrication. La résistance PTC 22 de la figure 1 est chauffée 2 par la puissance interne I R, dans laquelle R est la va- leur de la résistance PTC. Lorsque le courant est tout d'abord transféré à la résistance PTC, R est faible, donc la perte de puissance est faible et la température s'élève lentement. A mesure que la température s'élève, R augmente avec pour résultat des pertes de puissance plus élevées et un échauffement plus rapide. Cependant, comme la puissance est une fonction du carré du courant, la vitesse d'échauffement est très sensible à la valeur du courant. L'interrupteur de courant de défaut 10 représenté figure 2 est semblable à celui de la figure 1 dans lequel l'interrupteur de courant de défaut est branché aux bornes d'un ensemble de contacts 15 par une ligne omnibus d'alimentation 16. La résistance PTC 22 est reliée en parallèle avec l'ensemble de contacts et avec la varistance MOV au moyen des lignes 24 et 25. La résistance PTC 22 comporte une mince couche de matériau MOV 27 soudée à une extrémité qui présente une tension de limitation très faible de l'ordre d'environ 5 volts. Lorsque le courant circule de l'ensemble de contacts 15 vers la résistance PTC 22, la puissance d'échauffement créée est égale au produit de la tension aux bornes du matériau MOV 27 et du courant dans le matériau MOV.En variante, la chute de tension fixe fournie par la couche de matériau MOV 27 peut être répartie dans des limites de grain dans le matériau constituant la résistance PTC 22, ou combinée avec la couche MOV si on souhaite un échauffement plus rapide. Puisque la puissance d'échauffement initiale est une fonction linéaire du courant, la vitesse initiale d'élévation de température dans ce mode de réalisation est supérieure et moins sensible à la valeur du courant que dans le mode de réalisation de la figure 1. Lorsque les matériaux composites isolant-métal à coefficient de température positif pour courant élevé sont disposés de sorte que le métal conducteur est enrobé dans une matrice de matériau MOV pour former une résistance PTC-MOV, la varistance MOV séparée 23 n'est plus nécessaire. Le métal fournira les propriétés de conductivité initiales de faible température et de faible résistance à la résistance PTC-MOV pour transférer le courant initialement hors de l'ensemble de contacts 15. Dans la mesure où le courant et la température augmentent dans la résistance PTC-MOV, le matériau MOV se dilatera en volume pour interrompre la conduction du métal provoquant ainsi une augmentation de la tension aux bornes de la résistance PTC-MOV jusqu'à la tension de limitation du matériau MOV. Le courant après transfert dans le matériau MOV diminue rapidement puisque la tension de limitation de la varistance MOV est notablement plus élevée que la tension d'alimentation. Bien que l'interrupteur de courant de défaut de la présente invention soit décrit dans un but de protection d'équipement et de ligne à l'intérieur d'une ligne omnibus d'alimentation, il ne l'est qu'à titre d'exemple seulement. L'interrupteur de courant de défaut peut être aussi utilisé dans toute situation où une commutation "sans arc > ' est nécessaire telle que les atmosphères explosives dans les mines par exemple et lorsqu'une commutation "dépourvue de bruit" est nécessaire comme dans les composants électroniques de détection à l'intérieur des ordinateurs. REVENDICATIONS 1. Interrupteur de courant de défaut, caractérisé en ce qu'il comporte - une paire de contacts électriques séparables (13, 14) disposés pour interrompre la circulation de courant dans un circuit électrique; et - une résistance à coefficient de température positif (22) branchée en parallèle aux bornes des contacts électriques pour transférer le courant dans la résistance (22) à coefficient de température positif lorsque les contacts se séparent. 2. Interrupteur de courant de défaut, caractérisé en ce qu'il comporte - une paire de contacts électriques séparables (13, 14) agencés pour interrompre la circulation du courant dans un circuit électrique; - une résistance à coefficient de température positif (22) branchée en parallèle aux bornes des contacts électriques pour transférer le courant dans la résistance à coefficient de température positif lorsque les contacts électriques se séparent; et - une résistance dépendant de la tension (23) branchée en parallèle aux bornes de la résistance à coefficient de température positif (22) pour transférer le courant 527) dans la résistance dépendant de la tension lorsque la tension aux bornes de la résistance à coefficient de température positif atteint une valeur de tension prédéterminée. 3. Interrupteur de courant de défaut selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance dépendant de la tension comporte un carbure de silicium ou un oxyde métallique. 4. Interrupteur de courant de défaut selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance à coefficient de température positif (22) comporte une couche (27) de matériau ayant des propriétés dépendant de la tension pour augmenter la vitesse à laquelle le matériau à coefficient de température positif atteint une température prédéterminée. 5. Interrupteur de courant de défaut selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance à coefficient de température positif comprend un matériau ayant des limites de grains et dans laquelle les limites de grains comprennent un matériau ayant des propriétés fonction de la tension. 6. Interrupteur de courant de défaut selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance à coefficient de température positif (22) et la résistance dépendant de la tension (23) comprennent un matériau composite gracie à quoi le courant est transféré dans un composant du matériau composite pour une première température lorsque les contacts électriques se séparent et ensuite est transféré dans un autre composant du matériau composite pour une deuxième température plus élevée que la première température. 7. Interrupteur de défaut de courant caractérisé en ce qu'il comporte - une paire (15) de contacts et une résistance (22) branchée aux bornes des contacts, la résistance comprenant un matériau composite ayant un coefficient de température positif de résistance grâce auquel la résistance présente une première valeur de résistance à une première température et une deuxième valeur de résistance plus élevée à une deuxième température plus élevée, le matériau ayant aussi des propriétés dépendant de la tension grâce auquel la résistance présente une troisième valeur de résistance pour une première chute de tension aux bornes de ladite résistance et une quatrième valeur de résistance plus faible pour une seconde chute de tension plus élevée aux bornes de la résistance. 8. Interrupteur de courant de défaut selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau composite comporte un premier matériau ayant une valeur de résistance à coefficient de température positif et un deuxième matériau ayant des propriétés fonction de la tension.