Brevet FR2644626A1 — publié le 19900921

"Circuit de commande d'un relais pour le couplage d'une charge réactive à caractère capacitif, à un réseau basse tension L'invention a trait à un relais associé à une charge présentant, outre une composante active, une composante réactive substantielle à caractère capacitif, en vue du couplage de cette charge à un réseau de distribution électrique à basse tension, en réponse à un signal de commande extérieur, le relais comprenant au moins une paire de contacts aptes à se joindre sous l'effet d'un champ magnétique créé par une bobine branchée sur une source de courant à travers un moyen interrupteur rendu passant par un signal de commande extérieur. Par contraste avec les charges qui présentent, outre la composante active, une composante réactive à caractère inductif, et provoquent, à l'ouverture des contacts d'un relais en série, un extracourant de rupture générateur d'arc, les charges dont la composante réactive a un caractère capacitif provoquent, à la fermeture des contacts d'un relais en série, un courant transitoire de charge de la capacité, qui provoque un arc à la fermeture, qui détériore les contacts précocément et peut éventuellement provoquer la soudure des contacts. I1 est évident pour un homme du métier que, pour éviter l'extracourant de rupture provoqué par le caractère inductif de la composante réactive, il faut couper le relais lorsque le courant passe par zéro, et que, pour éviter l'arc de fermeture provoqué par le caractère capacitif de la composante réactive, il faut fermer le circuit au moment où la tension aux bornes du dispositif de relais passe par zéro. I1 est relativement aisé d'obtenir, avec des interrupteurs à semiconducteurs, la mise à l'état passant à l'instant. où la tension entre leurs bornes s'annule, tandis que, au moins avec des semiconducteurs déclenchés, la mise à l'état bloquant se produit à l'annulation du courant traversant. Cependant, comparés aux relais électromécaniques, les interrupteurs à semiconducteurs présentent des inconvénients. A l'état bloquant leur résistance n'est pas infinie, et, à l'état passant leur résistance n'est pas nulle. I1 en résulte des pertes. Par contre les relais électromécaniques, qui peuvent être considérés comme des interrupteurs parfaits présentant, à l'état ouvert, une résistance pratiquement infinie, et, à l'état fermé, une résistance pratiquement nulle, présentent généralement, en raison de l'inertie de l'équipage mobile et de l'inductance de la bobine de commande, une vitesse de réponse limitée ; les irrégularités du temps de réponse peuvent fréquemment être du même ordre de grandeur que la période du secteur; synchroniser la fermeture du relais sur un instant déterminé de la période paraissait irréaliste. On a songé à associer un relais électromécanique et un ou plusieurs interrupteurs à semiconducteurs pour constituer un relais hybride, en utilisant le relais électromécanique comme un sectionneur manoeuvré à vide, et assurant la perfection des états ouvert et fermé, tandis que les interrupteurs semiconducteurs prennent en charge les phases d'ouverture et de fermeture, pour devenir bloquants à l'annulation du courant traversant, et passants à l'annulation de la tension entre les bornes du relais hybride. Le document FR-A-2 183 778 décrit des interrupteurs hybrides de ce genre. Dans l'appareillage électrique domestique, les charges à composantes réactives à caractère capacitif étaient rares, et les solutions classiques apparaissaient suffisantes, soit que les relais électromécaniques courants, prévus pour des charges avec une composante réactive inductive, aient paru suffisamment dimensionnés pour accepter les extracourants de fermeture, soit que les pertes des semiconducteurs en interrupteurs classiques aient été considérées acceptables, soit qu'une solution d'interrupteurs hybrides ait été adoptée. Cependant, dans le domaine de l'appareillage électrique domestique, notamment dans le cadre de la commande à distance des luminaires d'éclairage à tubes fluorescents dits compensés, où une partie des appareillages présente une charge réactive capacitive pour compenser la charge réactive inductive de l'autre partie des appareillages, il est apparu le besoin de relais de commande légers, susceptibles de fonctionner dans toutes les positions, avec une puissance de commande faible, et capables d'assurer, sans surveillance particulière, le couplage de l'appareillage de luminaire au réseau sans dispositif de coupure manuel intermédiaire. Certains relais électromécaniques récents s'avéraient convenir pour l'application envisagée, mais cependant étaient munis de contacts de trop petites dimensions pour supporter des fermetures répétées sur les charges réactives à caractère capacitif présentées par les appareillages de luminaire. La Demanderesse a pris conscience que ces relais, apparemment incapables de coupler une charge capacitive au réseau basse tension de façon satisfaisante, se comporteraient convenablement s'ils étaient fermés à un instant où la tension entre leurs contacts était sensiblement nulle et que, en raison de leur petite taille, leur temps de réponse pouvait être une fraction de période du réseau. Ainsi, à rebours de la démarche normale qui consiste à choisir un relais capable de supporter des conditions de manoeuvre données, et à réaliser l'appareillage de commande en conséquence, la Demanderesse a choisi le relais pour sa petite taille et sa faible puissance de commande, compatibles avec un appareillage de commande à performances déterminées, et a adapté les circuits annexes pour que les conditions de manoeuvre du relais soient supportables. Dans ce but, l'invention propose un circuit de commande d'un relais associé à une charge présentant, outre une composante active, une composante réactive substantielle à caractère capacitif, en vue du couplage de cette charge à un réseau de distribution électrique à basse tension en réponse à un signal de commande extérieur, le relais comprenant au moins une paire de contacts aptes à se joindre sous l'effet d'un champ magnétique créé par une bobine branchée sur une source de courant à travers un moyen interrupteur rendu passant par un signal de commande, caractérisé en ce qu'il comporte, soumis à la tension du secteur à travers un étage déphaseur ajusté, monté en série avec la bobine de relais en combinaison avec le moyen interrupteur, un circuit de commutation apte à devenir passant au passage à zéro de la tension à laquelle il est soumis, et à rester passant en réponse à une chute de tension dans la bobine de relais. Ainsi l'avance de phase apportée par l'étage déphaseur ajusté vient-elle compenser le retard entre l'instant où le circuit de commutation devient passant, et fait circuler un courant dans la bobine du relais, et l'instant où les contacts du relais se joignent. Par ailleurs la bobine du relais reste excitée, après que le circuit de commutation soit devenu passant, tant que le moyen interrupteur reste fermé. On notera que, la tension étant sinusoïdale, on peut considérer que le circuit déphaseur apporte une avance de phase, même si cette avance est en fait un retard de 2 moins l'avance, ou simplement le supplément de l'avance, si l'on tient compte que la tension s'annule deux fois dans la période. De préférence l'étage déphaseur comporte au moins une cellule à résistance capacité, avec la résistance en série et la capacité en parallèle. L'amplitude de tension à l'entrée de l'étage déphaseur est largement suffisante pour que l'on puisse utiliser un déphaseur passif simple. Avantageusement au moins une cellule à résistance capacité comporte une résistance ajustable, pour le réglage de la phase. En disposition préférée le circuit de commutation comporte un étage de mise en forme délivrant des signaux carrés en phase avec la tension à laquelle ce circuit est soumis, et un étage différenciateur suivi d'un étage modulateur. Cet étage modulateur est attaqué par des impulsions calées sur le passage à zéro de la tension qui attaque l'étage de mise en forme, déphasée par rapport à la tension entre contacts. En disposition préférée également, la bobine de relais présentant deux bornes dont la première est reliée à la source de courant, dont le retour est à la masse, l'étage différenciateur comprend un transistor avec son émetteur à la masse, avec son collecteur relié à la source de courant par une résistance, et dont la base, attaquée par l'étage de mise en forme à travers une capacité, est reliée à travers une résistance à une ligne de maintien qui se relie à la seconde borne de la bobine de relais à travers une diode antiretour. L'étage de mise en forme comprend un transistor dont l'émetteur est à la masse, dont la base, attaquée par la tension de secteur à travers l'étage déphaseur, est reliée à la masse par une diode de protection, tandis que son collecteur, relié à ladite ligne de maintien par une résistance, se relie à la capacité d'attaque de l'étage différenciateur. Ainsi, quand la ligne de maintien est à la tension de source, en l'absence de courant à travers la bobine de relais, les étages de mise en forme et différenciateur sont opérants, et le transistor de l'étage différenciateur délivre des impulsions positives en réponse aux impulsions différenciées des flancs descendants des signaux carrés sur le collecteur de l'étage de mise en forme, et l'étage modulateur est sollicité vers l'état passant. Tant que le moyen interrupteur est à l'état ouvert, il ne passe pas de courant dans la bobine. Si le moyen interrupteur se ferme, à la première occurrence d'une impulsion positive sur le collecteur de l'étage différenciateur, l'étage modulateur devient passant et du courant passe dans la bobine de relais, dont le potentiel de seconde borne tombe. La ligne de maintien n'est plus alimentée à travers la diode antiretour.Le transistor d'étage de mise en forme n'a plus de gain, tandis que le transistor d'étage différenciateur se bloque, et l'étage modulateur est maintenu passant. En application préférée, le circuit s'intègre dans un dispositif commutateur avec un pilote à commande infrarouge qui partage la même source d'alimentation que le circuit de commande, et délivre à celui-ci ledit signal de commande. Des caractéristiques complémentaires et des avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente la disposition de principe du circuit selon l'invention ; la figure 2 est un schéma d'un circuit selon l'invention ; la figure 3 représente en schéma un dispositif commutateur où s'intègre un circuit selon l'invention la figure 4 est un diagramme de fonctionnement du circuit selon la figure 2. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, une charge 1 à composante réactive à caractère capacitif est à coupler aux conducteurs de phase P et de neutre N d'un réseau à basse tension, à travers les contacts 3k d'un relais 3, muni d'une bobine de commande 3a. On notera en passant que les contacts 3b, représentés ici sous forme d'une barrette mobile qui vient porter sur deux grains fixes, forment fonctionnellement une paire de contacts qui se joignent et se disjoignent pour respectivement fermer et ouvrir un circuit. La bobine 3a du relais 3 est reliée par une première borne, à un pôle + d'une source de tension dont le retour, non représenté, est à la masse. La seconde borne de la bobine 3a est reliée à la sortie d'une porte ET 4, avec une première entrée 4a qui reçoit un signal de commande C, et une seconde entrée 4b reliée à une Sortie 5a d'un circuit de commutation 5. Le circuit de commutation 5 reçoit, sur une entrée 5c, la tension du conducteur de phase P du réseau à travers un étage déphaseur 6 à déphasage ajustable. Le circuit de commutation 5 est apte à devenir passant, et émettre un signal sur sa sortie 5a en réponse au passage à zéro de la tension de secteur déphasée par l'étage déphaseur 6. En outre, la chute de tension résultant de passage de courant à partir de la source 2 à travers la bobine 3a du relais 3, appliquée à l'entrée 5b du circuit 5 maintient ce circuit à l'état passant, pour qu'un signal soit appliqué à l'entrée 4k de la porte 4. Tant qu'il n'apparaît pas de signal C, la porte ET 4 est bloquée, il ne passe pas de courant dans la bobine 3a et la paire de contacts 3b est ouverte. Si l'on applique un signal C sur l'entrée 4a de la porte ET 4, cette porte 4 reste bloquée momentanément. Mais, à la première occurrence d'annulation de tension sur l'entrée 5c qui rend passant le circuit 5, la porte ET 4 se débloque, et du courant passe dans la bobine 3a. La chute de tension résultante sur l'entrée 5b maintient le signal sur l'entrée 4b. La porte 4 reste débloquée jusqu'à ce qu'on annule le signal C. Dès que du courant traverse la bobine 3a la paire de contacts 3b est sollicitée en jonction. Si l'étage déphaseur 6 est ajusté pour que le déphasage en avant, par rapport à la tension entre phase P et neutre N, sur l'entrée 5c, corresponde à la durée de fermeture effective des contacts 3b du relais 3 dont la bobine 3a est alimentée par la source 2, ces contacts 3 > se fermeront au moment où s'annule la tension entre eux, égale à celle qui règne entre les conducteurs P et N, puisque la résistance de la paire ouverte de contacts 3k est pratiquement infinie. On rappelle que le déphasage en avant est une expression commode, qui peut correspondre physiquement à un déphasage en arrière. Dans l'exemple de réalisation représenté figure 2, le circuit déphaseur est constitué de deux cellules à résistance capacité 20 et 21 en série, avec des résistances série 20a, et 21a, et des capacités parallèles 20b, 21k. On notera que la résistance 21a est ajustable pour régler le déphasage à la valeur nécessaire. L'étage déphaseur est constitué par un transistor 16 dont l'émetteur est à la masse et qui -est attaqué sur sa base par la tension issue de l'étage déphaseur. Une diode de protection 19, passante depuis la masse, supprime les demi-alternances négatives où le transistor 16 est bloqué, tandis que, pendant les demialternances positives, le transistor 16 est saturé.Il apparaît donc sur la résistance de collecteur 16a des signaux carrés, en opposition de phase avec la tension issue de l'étage déphaseur 20,21. Ces signaux carrés ont une amplitude peu inférieure à la tension entre la ligne 17, dite ligne de maintien, et la masse. La tension de cette ligne 17 est prélevée sur la seconde borne de la bobine 3a du relais 3, à travers une diode antiretour 17a. Cette tension de ligne 17 sera donc voisine de celle de la tension de source 2 tant qu'il ne passera pas de courant dans la bobine 3a, pour pratiquement s'annuler quand la bobine 3a est excitée. L'étage différenciateur comprend un transistor 15, dont l'émetteur est à la masse, tandis que le collecteur est relié à la source 2 à travers une résistance 15a. La base du transistor 15 est reliée au collecteur du transistor 16 à travers une capacité 18, et à la ligne de maintien 17 à travers une résistance 15k, la constante de temps de l'ensemble capacité 18, résistance 15b étant très petite devant la demi-période de secteur. Ainsi les flancs descendants des signaux carrés présents sur le collecteur du transistor de l'étage de mise en forme se traduiront par des impulsions positives sur la résistance de collecteur 15k. En outre, lorsque du courant passe dans la bobine 3a et que la tension de la ligne de maintien 17 est basse, le transistor 15 est bloqué et son collecteur est sensiblement à la tension de source 2. Entre la seconde borne de la bobine 3a du relais 3 et la masse est disposé un circuit modulateur formé de deux transistors 14a et 14k en série ; le transistor 14a est relié par son collecteur à la seconde borne de la bobine 3a, et son émetteur est relié au collecteur du transistor 14k, dont l'émetteur est à la masse. Ce montage est équivalent à une porte ET, étant conducteur lorsque, et seulement lorsque les deux transistors 14a et 14k sont passants. La base du transistor 14a est reliée, à travers une résistance, au collecteur du transistor 15, et la base du transistor 14b reçoit un signal de commande C extérieur.Ainsi, lors de l'apparition du signal de commande C, le transistor 14 > est mis à 11 état passant ; lors de la prochaine occurrence d'une impulsion positive sur le collecteur du transistor 15, le transistor 14a est, lui aussi, dans l'état passant. Du courant circule dans la bobine 3a et la tension de la ligne 17 devient basse : le transistor 14a est maintenu à l'état passant. Parallèlement, le passage de courant dans la bobine 3a appelle en jonction la paire (prise au sens fonctionnel) de contacts 3k du relais 3 ; au bout d'un temps fonction des caractéristiques du relais 3 et du courant dans la bobine 3a, les contacts 3b se joignent. Si le déphasage de l'étage déphaseur a été bien prévu, et ajusté avec précision par réglage de la résistance 21a, la fermeture des contacts 3k se produit à l'annulation de la tension entre eux, cette tension étant celle qui règne entre les conducteurs P et N du réseau basse tension. Le diagramme de la figure 4 résume le fonctionnement du circuit de la figure 2. La ligne 50 représente la tension entre conducteurs P et N, et la ligne 55 la tension en sortie de l'étage déphaseur 20, 21, cette tension étant déphasée en avant d'un angle 56 par rapport à la tension de la ligne 50. On voit qu'il s'agit d'un déphasage relatif, défini à KIT près par rapport au déphasage réel. La ligne 60 représente les signaux carrés sur le collecteur du transistor 16, et la ligne 65 les impulsions sur le collecteur du transistor 15. On notera que l'impulsion 66 est celle qui provoque le passage de courant dans la bobine 3a, de sorte que cette impulsion 66 est suivie dtun palier haut 67, tandis que les signaux carrés de la ligne 60 s'interrompent. La ligne 70 correspond à la polarisation de la base du transistor 14 > . L'instant 71, non corrélé temporalement avec la tension de secteur, correspond à l'apparition d'un signal de commande C. La ligne 75 représente l'intensité dans la bobine de relais 3a ; à l'instant 76, synchrone avec l'impulsion 66 de la ligne 65, le courant s'établit dans la bobine 3a ; le palier haut 67 correspond au blocage du transistor 15, provoqué par l'abaissement de tension de la ligne de maintien 17. La ligne 80 indique l'écartement des contacts 3b: maximal jusqutau point 81, synchrone de l'établissement de courant 76 dans la bobine 3a, et de l'occurrence de l'impulsion 66, cet écartement s'annule au point 82, synchrone d'une annulation de tension entre conducteurs P et N représentés à la ligne 50. La durée de fermeture des contacts 3k, entre les instants correspondant aux points 81 et 82, est égale au déphasage réglé 56. On remarquera que, sur le diagramme de la figure 4, l'instant correspondant au point 82, où les contacts 3b viennent se joindre, correspond à la deuxième annulation de tension de la ligne 50 après l'instant de l'occurrence de l'impulsion 66. Ceci tient à ce que la durée de fermeture des contacts 3b est comprise entre une demi et une période du secteur. Selon la durée de fermeture, la jonction des contacts 3b pourrait se produire à la première, la deuxième, la troisième annulation... de tension qui suit l'impulsion 66. Cela souligne le caractère quelque peu fictif du déphasage en avant 56, le déphasage réel étant égal au déphasage 56 à K ff près. En se reportant à la figure 3, le circuit de commande 30 du relais 3 est intégré dans un dispositif commutateur, avec un pilote 31 à commande à distance par un émetteur d'infrarouge, le pilote étant muni d'un récepteur 31a avec une diode photosensible. Une source de tension, alimentée en parallèle entre les conducteurs P et N du réseau basse tension, dessert le circuit de commande 30, qui peut être celui qui est représenté figure 2, et le pilote 31, dont la constitution est en soi en dehors du cadre de la présente invention. L'important pour la description est que ce pilote émette un signal de commande C en réponse à un signal infrarouge sur le récepteur, et cesse d'émettre le signal de commande C en réponse à un autre signal infrarouge. Cette disposition est intéressante en ce sens que les schémas de circuits à basse tension peuvent être simplifiés, les luminaires étant découplés des interrupteurs de commande, tandis que les points de commande d'allumage et d'extinction peuvent être multipliés. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution, dans le cadre des revendications. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande d'un relais (3) associé à une charge (1) présentant, outre une composante active, une composante réactive substantielle à caractère capacitif, en vue du couplage de cette charge (1) à un réseau de distribution électrique à basse tension (P, N) en réponse à un signal de commande (C, 70) extérieur, le relais (3) comprenant au moins une paire (3b) de contacts aptes à se joindre sous l'effet d'un champ magnétique créé par une bobine (3a) branchée sur une source de courant (2) à travers un moyen interrupteur (14b) rendu passant par un signal de commande (C), caractérisé en ce qu'il comporte, soumis à la tension du secteur à travers un étage déphaseur ajusté (6 ; 20, 21), monté en série avec la bobine de relais (3a) en combinaison avec le moyen interrupteur (14t), un circuit de commutation (5) apte à devenir passant au passage a zéro de la tension à laquelle il est soumis, et à rester passant en réponse à une chute de tension dans la bobine de relais (3a). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage déphaseur (6) comporte au moins une cellule (20, 21) à résistance capacité, avec la résistance (20a, 21a) en série et la capacité (20b, 21b) en parallèle. 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage déphaseur (6) comporte au moins une cellule (21) à résistance capacité où la résistance (21a) est ajustable. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit circuit de commutation comporte un étage (16, 19) de mise en forme délivrant des signaux carrés (60) en phase avec la tension (55) à laquelle est soumise ce circuit, et un étage différenciateur (15, 15b, 18) suivi d'un étage modulateur (14a). 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bobine de relais (3a) présentant deux bornes dont la première est reliée à la source de courant (2) dont le retour est à la masse (N), l'étage différenciateur comprend un transistor (15) avec son émetteur à la masse (N), avec son collecteur relié à la source de courant (2) à travers une résistance (15a), et dont la base, attaquée par l'étage de mise en forme à travers une capacité (18), est reliée à travers une résistance (lob) à une ligne de maintien (17) qui se relie à la seconde borne de la bobine de relais (3a) à travers une diode (17a) antiretour. 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage de mise en forme comprend un transistor (16) dont l'émetteur est à la masse (N), la base, attaquée par la tension de secteur (50) à travers l'étage déphaseur (6 ; 20, 21), est reliée à la masse à travers une diode (19) de protection, tandis que son collecteur, relié à travers une résistance (16a) à ladite ligne de maintien (17), se relie à la capacité d'attaque (18) de l'étage différenciateur (15, 15 > , 18). 7. Circuit selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte, entre seconde borne de bobine (3a) de relais et masse (N), deux transistors en série, un premier (14a), constituant ledit étage modulateur, ayant son collecteur relié à la seconde borne de bobine (3a), sa base reliée au collecteur de transistor (15) d'étage différenciateur, et son émetteur relié au collecteur du second (14b) qui constitue ledit moyen interrupteur avec son émetteur à la masse et sa base attaquée par ledit signal de commande. 8. Circuit selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il s'intègre dans un dispositif commutateur (figure 3) avec un pilote (31) à commande infrarouge, partageant la même source d'alimentation (2) que le circuit de commande (30) et délivrant à celui-ci ledit signal de commande (C, 70).