Brevet FR2588415A1 — publié le 19870410

Cette invention concerne des coupe-circuit pour courant résiduel, également appelés disjoncteurs intervenant en cas de fuites à la terre. Des coupe-circuit pour courant résiduel comprennent géné- ralement un commutateur à solénolde qui déconnecte une charge vis- à-vis de l'alimentation électrique lorsqu'un défaut, c'est-à-dire une fuite de courant à la terre, est détectée. L'avantage d'un commutateur à soLénolde est qu'il assure une isolation électrique complète de la charge vis-à-vis de l'alimentation électrique du fait de l'intervalle qui s'est ouvert entre les contacts du com- mutateur, ceci signifiant une plus grande sûreté. Typiquement, le temps minimal pour que les contacts d'un commutateur actionné mé- caniquement s'ouvrent est d'environ 0,04 s. Alors que ce temps de fonctionnement est bref, une quantité importante d'énergie élec- trique peut néanmoins s'écouler pendant cette durée. En fonction de l'intensité du courant qui s'écoule, on détermine le risque qu'une personne subisse une fibrillation au moyen du temps qu'il faut pour isoler la personne vis-à-vis de l'alimentation élec- trique et, s'il se produit que le conducteur d'alimentation du secteur est directement en court-circuit sur la terre, un courant suffisant peut passer pour faire fondre un fusible de 13 A avant que les contacts du commutateur ne s'ouvrent. La présente invention vise à apporter une solution à ce problème et, selon l'invention, il est proposé un coupe-circuit pour courant résiduel qui comprend une paire de conducteurs destinée à connecter une charge à l'alimentation en courant élec- trique, un moyen permettant de détecter lorsque les courant qui passent dans les conducteurs diffèrent d'une quantité prédéter- minée, un dispositif de commutation mécanique possédant des contacts qui sont en mesure de s'ouvrir l'un vis-à-vis de l'autre en interrompant la circulation du courant vers la charge, un moyen couplé au moyen détecteur et servant à exciter un solénolde afin qu'il ouvre lesdits contacts du commutateur lorsque ladite diffé- rence prédéterminée des courants a été détectée, et un dispositif de commutation à. l'état solide qui possède une entrée de commande couplée au moyen détecteur afin que ledit dispositif interrompe le passage du courant électrique en direction de la charge plus rapi- dement que le temps qu'il faut au solénoïde pour ouvrir les contacts du commutateur lorsque ladite différence prédéterminée des courants a été détectée. Le dispositif de commutation à l'état solide peut com- prendre un thyristor et, de manière plus commode et préférable, il s'agit d'un triac. Si l'alimentation électrique en courant alter- natif possède une fréquence secteur de 50 Hz, le triac interrompra le courant dans la limite de 0,01 s, c'est-à-dire pas plus qu'un demi-cycle de l'alimentation électrique. Cette durée est sensible- ment inférieure à la durée minimale de 0,04 s qu'il faut aux contacts du commutateur pour s'ouvrir. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur la figure unique annexé, qui représente schématiquement un coupe-circuit pour courant résiduel constituant un mode de réalisation de l'invention. Le coupe-circuit pour courant résiduel comporte un dispo- sitif capteur comprenant un noyau magnétique 1 qui présente la forme d'un tore sauf au niveau d'un étroit entrefer unique. Dans l'entrefer, de préférence en laissant un petit jeu de coulissement entre les pièces polaires opposées du noyau, se trouve un élément de circuit intégré à effet Hall linéaire 2. L'élément 2 possède une taille telle que sensiblement tout le flux magnétique passant entre les pièces polaires est transmis dans l'élément. Deux bobines conductrices 3 et 4 sont enroulées en un nombre égal de spires sur les côtés opposés du noyau 1 et, en utilisation, les conducteurs sont connectés de façon que les courants qu'ils trans- portent induisent des flux magnétiques directement opposés dans le circuit magnétique fermé défini par le noyau 1 et coupé par l'élé- ment Hall 2. Ainsi, lorsque les courants qui passent dans les conducteurs respectifs sont égaux, il n'apparaît aucun flux résul- tant dans le circuit magnétique et aucun signal de sortie n'est produit par l'élément Hall 2. Si les courants transportés par les 2 5 8 8 4 15 bobines conductrices diffèrent, un flux magnétique est alors induit dans le noyau 1 et présentera une intensité qui est fonction de la différence entre les courants électriques, si bien que l'élément Hall 2 émettra un signal qui est proportionnet au flux magnétique résultant. Pour maintenir Les éléments consti- tuants du dispositif détecteur dans des positions correctes, il peut être envisagé de l'immerger dans un matériau d'encapsulation approprié et, dans un but de blindage magnétique, il peut égale- ment être enfermé à l'intérieur d'une couche d'un matériau ferreux. Le dispositif détecteur est connecté dans le circuit électrique d'un coupe-circuit pour courant résiduel qui commande l'alimentation électrique d'une charge ou d'un appareil ménager 10 (indiqué par une ligne en trait interrompu) depuis une source d'alimentation électrique, par exemple l'alimentation en courant alternatif du secteur. Le coupe- circuit comporte un dispositif de commutation qui est constitué par un solénolde de disjonction 11 et un commutateur bipolaire possédant deux groupes de contacts RC1 et RC2 par l'intermédiaire desquels les conducteurs 3 et 4 sont respectivement connectés à des bornes 12 et 13 destinées à la connexion au côté "phase" et au côté "neutre" de l'alimentation électrique. On peut actionner le commutateur manuellement pour ouvrir et fermer les contacts RC1 et RC2 et, le solénolde destiné à faire passer les contacts du commutateur de- l'état fermé à l'état ouvert lorsque le solénoïde est excité. La charge 10 est connectée entre les bornes de sortie 14 et 15 au niveau des autres extrémités des conducteurs 3 et 4. La borne de sortie de l'élément 2 à effet Hall est connectée à l'entrée d'un processeur de signaux 16, qui sera décrit en détail ci-dessous. Pour produire l'alimentation en courant continu destinée à l'élément à effet Hall 2 et au processeur de signaux 16, une résistance 17 et un pont redresseur 18 sont connectés en série entre les bornes d'entrée d'alimentation électrique 12 et 13 via les lignes conductrices 19 et 20. La tension de sortie continue du pont 18 est délivrée à une paire de lignes pour courant continu 21 et 22 et est stabilisée, par exempte sur 5 V, par une diode Zener 23 et un condensateur 25 connectés en parallèle entre les lignes 21 et 22. La tension continue stabilisée est délivrée à l'élément à effet Hall 2 et au processeur de signaux 16 (par des connexions OS qui ne sont pas indiquées) via les lignes 21 et 22. Le processeur de signaux comporte un couplage pour courant alternatif 25, un amplificateur de courant alternatif 26, un redresseur de précision 28, un comparateur 29 et un isolateur optique 30 disposés successivement. Le couplage pour courant alternatif 25, qui sera commodément un simple condensateur, élimine par filtrage toutes les composantes continues du signal émis par l'élément à effet Hall 2 avant de transmetre le signal au côté entrée de l'amplificateur de courant alternatif 26. Le signal amplifié fourni à la sortie de l'amplificateur 26 est délivré à l'entrée du redresseur de précision 28, lequel convertit le signal en un signal de tension continu. Ainsi, le signal émis par la sortie du redresseur est proportionnel au signal de courant alter- natif venant de l'élément Hall 2 et, par conséquent, au flux existant dans le noyau magnétique 1, c'est-à-dire à la différence des intensités électriques passant dans les conducteurs d'alimen- tation 3 et de retour 4. Le comparateur 29 compare te signal de sortie venant du redresseur avec une tension de référence, que l'on obtient commodément au moyen d'un diviseur de tension connec- té entre les lignes de courant continu 21 et 22. Comme représenté, le diviseur de tension prend la forme d'un potentiomètre 31, qui est connecté au comparateur par son contact de curseur, mais qui pourrait être remplacé par une paire de résistances. La tension de référence est fixée à un niveau tel, par exemple 3 V environ, qu'elle est normalement plus grande que le signal venant du redresseur 28, mais ce dernier signal dépasse la tension de réfé- rence lorsqu'un déséquilibre prédéterminé apparait entre les cou- rants passant dans les conducteurs 3 et 4. Le comparateur compare les deux signaux d'entrée qui lui sont fournis et émet un signal de sortie dans le seul cas ou le signal du redresseur 28 est supé- 258 8 4 1 5 rieur à la tension de référence. Le signal de sortie du compara- teur 29 est délivré à l'entrée d'un dispositif discriminateur 33. Le discriminateur 33 possède deux sorties 34 et 35, dont la première est connectée par l'intermédiaire d'une résistance 50 à l'entrée de commande d'un triac 51 connecté en série à la bobine d'excitation du solénoïde de disjonction 11 se trouvant entre les conducteurs 3 et 4 du courant du secteur. La deuxième sortie du discriminateur 33 alimente, via une résistance 53, l'entrée de commande d'un triac 54 directement connecté au conducteur 3 du côté "phase". Les signaux venant des deux sorties du discriminateur 33 sont déphasés de 180 . En d'autres termes, il n'existe pas de signal sur la première sortie 34 lorsqu'un signal est émis par la deuxième sortie 35, et inversement. Dans les conditions normales, c'est-à-dire lorsqu'un même courant passe dans Les conducteurs 3 et 4, il ne sort aucun signal du comparateur 29 et le discrimina- teur 33 produit un signal sur sa deuxième sortie 35 de sorte que le triac 54 reste dans un état conducteur vis-à-vis du courant du secteur qui doit être délivré à la charge 10. Il n'existe aucun signal sur la première sortie 34 si bien que le triac 51 est non conducteur et que le solénolde 11 n'est pas excité. Dans ces conditions normales pour le solénolde 11, les groupes de contacts RC1 et RC2 peuvent être fermés de façon que la charge 10 soit connectée à l'alimentation électrique. Le triac 51 a pour fonction d'exciter le solénolde afin qu'il ouvre les groupes de contacts RC1 et RC2 et, ainsi, déconnecte la charge 10 vis-à-vis de l'ali- mentation électrique. En réponse à l'existence d'un état défectueux, par exemple une différence des intensités des courants de l'ordre de 10mA dans les conducteurs 3 et 4, le signal venant de l'élément Hall 2 augmente jusqu'à un niveau tel que le signal de tension du redresseur 28 dépasse la tension de référence et qu'un signal de sortie est émis par le comparateur 29. Par conséquent, le signal de la deuxième sortie 35 du discriminateur 33 cesse et, simultanément, un signal est émis par la première sortie 34. Le triac 54 répond en devenant non conducteur et en interrompant le passage du courant du secteur jusqu'à la charge 10, cette inter- ruption intervenant rapidement, dans la limite du premier demi- cycle de l'alimentation en courant alternatif c'est-à-dire 0,01 s pour une alimentation du secteur de 50 Hz. Ainsi, le courant qui passe dans la charge 10 est coupé avant que les groupes de contact RC1 et RC2 actionnés par le solénolde 11 sur déclenchement du triac 51 ne se soient ouverts en coupant la connexion entre la charge 10 et l'alimentation du secteur, sachant qu'il faut une durée minimale de 0,04 s pour que les contacts du commutateurs s'ouvrent. Lorsque les contacts RC1 et RC2 se sont ouverts, les sorties du discriminateur 33 reviennent à l'état normal et, en supposant qu'il a été remédié au défaut responsable de la fuite de courant à la terre, on peut repositionner manuellement le commuta- teur bipolaire afin de fermer les contacts et de réétablir les trajets de courant entre la charge et la source d'alimentation électrique. L'interruption plus rapide du courant qui est obtenue grâce à l'inclusion du triac 51 offre les avantages suivants: a) il y aura une sensation de choc électrique très infé- rieure vis-à-vis du système nerveux lorsqu'une personne sera soumise à un courant de fuite à la terre du fait de la durée plus courte jusqu'à obtention de l'isolation; b) il passera une énergie électrique très inférieure et, en particulier, même si le conducteur de "phase" est mis directement en court-circuit à la terre, l'énergie ne sera pas suffisante pour faire fondre un fusible de 13 A; et c) un coupe-circuit pour courant résiduel destiné à réagir à un courant de fuite à la terre de 10 mA par exemple opérera la coupure de l'alimentation électrique avant qu'un autre coupe-circuit placé en amont et destiné à réagir à un courant de fuite plus élevé, par exemple 30 mA, n'ait agi. Alors que l'invention a été décrite en relation avec un triac pour l'obtention d'une rapide interruption du courant, on comprendra naturettllement que d'autres dispositifs du type thyris- tor peuvent être employés, par exemple deux redresseurs commandés au silicium, ou SCR, connectés dos à dos. Le couplage pour courant alternatif 25 qui est inclus à l'entrée du processeur de signaux fait fonction de dispositif de sécurité en ce qu'il rend le coupe-circuit impossible à commander par le positionnement d'un aimant permanent au voisinage -du capteur. Pour soumettre le coupecircuit à des essais, on peut connecter une charge auxiliaire 36 en série en plaçant un commuta- teur à bouton-poussoir 38 entre les conducteurs 3 et 4 pour dériver la partie bobinée de l'un des conducteurs, à savoir le conducteur 3. En enfonçant le bouton de manière à fermer le commu- tateur 38, on établit des niveaux de courant différents dans les parties bobinées des conducteurs 3 et 4 et, dans la mesure o le coupe-circuit fonctionne correctement, le solénoïde 11 sera amené a s'exciter et à ouvrir les contacts RC1 et RC2. Après avoir relaché le bouton et, ainsi, ouvert le commutateur 38, on peut actionner le commutateur bipolaire manuellement afin de refermer les contacts RC1 et RC2 et, ainsi, mettre fin à la procédure d'essai. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du coupe-circuit dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Coupe-circuit pour courant résiduel comprenant une paire de conducteurs (3, 4) servant à connecter une charge (10) à une alimentation électrique, un moyen (1, 2, 16) permettant de détecter lorsque les courants passant dans les conducteurs diffèrent d'une quantité prédéterminée, un dispositif commutateur mécanique possédant des contacts (RC1, RC2) qui sont en mesure d'être ouverts l'un vis-à-vis de l'autre pour interrompre le passage du courant à la charge, et un moyen (51) couplé au moyen détecteur afin d'exciter un solénoide (11) pour qu'il ouvre lesdits contacts du commutateur lorsque ladite différence prédé- terminée des courants a été détectée, caractérisé en ce qu'un dispositif de commutation à l'état solide (54) possède une entrée de commande qui est couplée au moyen détecteur (1, 2, 16) et est destiné à interrompre le passage du courant électrique à la charge (10) plus rapidement que le solénoide (11) ne le fait en ouvrant les contacts (RC1, RC2) du commutateur lorsque ladite différence prédéterminée des courants a été détectée. 2. Coupe-circuit pour courant résiduel selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le dispositif de commutation à l'état solide comprend un triac (54). 3. Coupe-circuit pour courant résiduel selon la revendi- cation 1 ou 2, o le moyen permettant d'exciter le solénoide comprend un dispositif à l'état solide (51), de préférence un triac, connecté en série avec la bobine d'excitation du solénoide entre les deux conducteurs, caractérisé en ce que le moyen détec- teur possède deux sorties (34, 35) respectivement connectées aux entrées de commande desdits dispositifs à l'état solide (51, 54). 4. Coupe-circuit pour courant résiduel selon la revendi- cation 3, o le moyen détecteur comporte un moyen (29) émetteur de signaux qui produit un signal de sortie lorsque ladite différence prédéterminée des courants est détectée, et caractérisé en ce qu'un discriminateur (33) possède une entrée connectée au moyen (29) émetteur de signaux et définit deux sorties (34, 35), les 258 8 4 15 signaux produits sur les deux sorties étant déphasés de 180 et ledit discriminateur inversant Lesdits signaux en réponse à un signal de sortie émis par le moyen émetteur de signaux. 5. Coupe-circuit pour courant résiduel selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, o le moyen détecteur comporte un dispositif de détection qui produit un signal en fonction de la différence des courants passant dans les conduc- teurs, et caractérisé par un moyen (16) de traitement de signaux qui comporte un moyen (26, 28) servant à produire un signal de tension proportionnel au signal venant du dispositif de détection, et un moyen (29) servant à comparer ledit signal de tension avec un signal de référence constant et à émettre un signal de sortie lorsque ledit signal de tension dépasse ledit signal constant. 6. Coupe-circuit pour courant résiduel selon la revendi- cation 5, o des moyens (17, 18) sont connectés entre lesdits conducteurs (3, 4) afin de produire une alimentation électrique en courant continu stabilisée à destination dudit dispositif de détection et dudit moyen de traitement de signaux, et caractérisé en ce que ladite tension de référence est obtenue à partir d'un diviseur de tension (31) connecté aux bornes de l'alimentation en courant continu (21, 22). 7. Coupe-circuit pour courant résiduel selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen détecteur comprend un dispositif de détection possédant un noyau (1) qui définit un circuit magnétique sensiblement fermé compor- tant un entrefer, et un élément à effet Hall (2) placé dans l'entrefer, les deux conducteurs (3, 4) possédant des parties bobi- nées qui sont enroulées sur le noyau. 8. Coupe-circuit pour courant résiduel selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce qu'un couplage pour courant alternatif (25) est prévu afin d'éliminer toutes les composantes de courant continu dans le signal de-sortie de l'élément à effet Hall.