Brevet FR2641435A1 — publié le 19900706

'Dispositif de commande de puissance et appareil de chauffage équipé de ce dispositif". La présente invention concerne un dispositif pour commander la puissance appliquée à une charge à partir d'une alimentation, muni d'un générateur qui engendre des trains d'impulsions de déclenchement, impulsions susceptibles d'apparaître à des instants régulièrement espacés d'un intervalle appelé période, chaque impulsion déclenchant l'application de la puissance d'alimentation pendant une durée fixe, et d'un instrument numérique pour engendrer en permanence un mot de commande représentant la puissance à appliquer. L'invention peut être appliquée notamment à la régulation d'un four, ou d'appareils de chauffage en général, pour lesquels une grande précision de la puissance est nécessaire, par exemple dans le cas du chauffage d'un four d'épitaxie pour la croissance de semi-conducteurs. Un dispositif conforme au préambule ci-dessus est connu de USP 4.282.422. Le dispositif décrit dans ce document est destiné à une plaque de cuisson. A partir d'un clavier est enregistré un mot de commande définissant un niveau de puissance marmi sept. Un générateur d'impulsions engendre un seul train d'impulsion par charge à commander, ce train comportant une impulsion à chaque période pour la pleine puissance, ou bien des impulsions pour les périodes 1, 3, 5, 7 etc pour la demi-puissance, des impulsions pour les périodes 1, 5, 9, 13, etc... pour la puissance un quart, et ainsi de suite. Ceci présente notamment le désavantage qu'on ne peut pas définir la puissance avec précision ; par exemple, une puissance comprise entre 50 et 100 ne peut pas être obtenue. L'invention fournit un dispositif dont la structure reste simple et qui peut fournir toutes les valeurs de puissance désirées, exprimées en numérotation binaire. A cet effet le dispositif selon l'invention est remarquable en ce que le générateur engendre simultanément une pluralité de trains d'impulsions qui ont tous la même durée et dont les impulsions d'un train sont toutes temporellement décalées par rapport à toutes celles des autres trains, et en ce que le dispositif est muni en outre d'un sélecteur de trains d'impulsions qui, à partir du mot numérique de commande, sélectionne un ou plusieurs trains parmi la pluralité de trains et déclenche l'application de la puissance à la charge à chaque fois qu'une impulsion de déclenchement est présente dans l'un des trains sélectionnés. Avantageusement les trains d'impulsions comportent tous un nombre différent d'impulsions et le nombre d'impulsions d'un train est à chaque fois égal à une puissance dé deux. Si le mot de commande comporte n bits, le générateur engendre simultanément un nombre n de trains d'impulsions différents de durée égale à 2n fois la susdite période1 et dont chacun correspond à un des bits du mot de commande. Une manière avantageuse d'obtenir que les impulsions d'un train soient toutes temporellement décalées par rapport à toutes celles des autres trains consiste à faire que, les trains d'impulsions étant numérotés de I à n, en cbrrespondan- ce avec le rang (ou poids) croissant des bits du mot de commande, et les périodes successives étant numérotées de 1 à 2", le train d'impulsions numéro m est constitué d'une première impulsion lors de la période 2m-1 suivie d'impulsions toutes les 2m périodes. Dans un mode de réalisation préféré, un sélecteur de trains d'impulsions comporte1 associée à chaque train d'impulsions, une porte ET à au moins deux entrées, à l'une desquelles est appliqué le train d'impulsions correspondant cependant que l'autre entrée est commandée par le bit correspondant du mot de commande, les sorties des portes ET étant reliées aux entrées d'une porte OU. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés décrivant des exemples non limitatifs fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est un schéma d'ensemble d'un appareil de chauffage selon l'invention. La figure 2 est un schéma plus détaillé montrant notamment la constitution des éléments référencés 2 sur la figure 1. La figure 3 est un schéma d'un générateur pour engendrer les trains d'impulsions. L'appareil de chauffage de la figure 1, qui sert à chauffer un réacteur de croissance épitaxiale, est divisé en quatre parties - un module I qui contient le générateur pour engendrer les trains d'impulsions, ici au nombre de 10. - des sélecteurs 2 de trains d'impulsions, un sélecteur pour chaque résistance de chauffage à controler (ici., quatre). Si il n'y en avait qu'une, ou si l'on voulait les chauffer toutes avec la même puissance, un seul sélecteur 2 suffirait. - le bloc d'alimentation de puissance 3 avec les résistances de chauffage contrôlées chacune par un triac T. Ici les résistances sont faites de lampes infrarouges L. - un processeur 4 pour déterminer la puissance qui doit être appliquée à chacune des lampes1 et fournir pour chacune un mot de commande représentant la puissance à appliquer. Le module I engendre dix trains d'impulsions qui sont fournis chacun sur un des dix conducteurs du bus 13. Ils sont engendrés simultanément, et non pas successivement. Sur chaque conducteur, les impulsions constituent des signaux de validation qui sont présents pendant, ou au moins au début de ccrtaines périodes du secteur alternatif d'alimentation et absentes pendant d'autres périodes. Chacune de ces impulsions déclenche l'application de la puissance pendant toute la période correspondante du secteur. Le processus de commande dans l'exemple décrit ici est basé sur une série de 1024 périodes consécutives du secteur. Sa durée totale est donc de 20,5 secondes avec un sec teur à 50 Hz, ou 17,1 secondes avec un secteur à 60 Hz. Le processus de commande est basé sur le principe que chaque période du secteur (20 ou 16,7 ms) est entièrement utilisée ou entièrement coupée. Chacun des dix trains d'impulsions fournit des impulsions pour les périodes r indiquées par le tableau ci-après, d'une série de 1024 périodes consécutives du secteur ne du train I Une impulsion est fournie pour d'impulsions ss les périodes I 1 ss 1, 3, 5, 7 , 1023. 2 1 2, 6, 10, 14 , 1022. 3 1 4, 12, 20, 28 , 1020. 4 1 8, 24, 40, 56 , 1016. 5 1 16, 48, 80, 112...., 1008. 6 1 32, 96, 160, 224..., 992. 7 i 64, 192, 320, 448.., 960. 8 1 128, 384, 640, 896. 9 1 256, 768. 10 1 512. l Il est facile de se rendre compte que chaque train (numérotés de 1 à-10) contient deux fois moins d'impulsions que le groupe précédent et que toute période validée par un des trains d'impulsions ne l'est par aucun des autres c'est à dire que les impulsions d'un train sont toutes temporellement décalées par rapport à toutes celles des autres trains. Par exemple le groupe 1 contient une impulsion à la période 7, qui n'est présente dans aucun des autres trains d'impulsions. Dans le tableau ci-dessus, les trains étant numérotés de 1 à 10 et les périodes de 1 à 1024, chaque train numéro m est constitué d'une première impulsion pour la période numérotée 2m-1, suivi d'impulsions toutes les 2m périodes. Bien entendu sur chaque conducteur du bus 13, chaque train est suivi de façon ininterrompue par un autre train identique, le tout constituant un train de durée quasi infinie. La durée d'un train est donc une notion artificielle qui a seulement pour but de simplifier la description des trains. Le sélecteur de trains d'impulsions de la figure 2 est connecté au module 1 par le bus 13 et alimente une lampe L par l'intermédiaire d/un phototriac 11. Chacun des 10 conducteurs du bus 13 est relié à l'entrée d'une porte ET 80 à 89. La seconde entrée de chacune des ces portes est connectée à une sortie d'une mémoire 5. Le processeur 4 calcule pour chaque sélecteur 2 de trains d'impulsions un mot individuel de 10 bits fourni sur le bus 14 et qui définit la quantité de chaleur à fournir par la lampe L. Un ordre de lecture du mot de 10 bits sur le bus 14 est donné à la mémoire 5 du fait de son adressage par un bus d'adresse 15. Ce bus est par exemple un bus à 6 conducteurs permettant ainsi d'adresser jusqu'à 64 sélecteurs. Le mot de 10 bits qui définit la quantité de chaleur à fournir est fourni en permanence sur les sorties CTL de la mémoire 5. Dans un four de croissance épitaxiale, il est intéressant de pouvoir moduler le profil de température que procure le chauffage par les lampes et c'est pourquoi chaque lampe est commandée par un mot de commande individuel. Les sorties des portes ET 80 à 89 sont reliées aux dix entrées d'une porte OU 90. Il est facile de comprendre que chacun des dix trains d'impulsion sur les conducteurs'du bus 13 est sélectionné par une des portes 80-89 selon le mot présent en CTL et ceux qui sont sélectionnés sont ensuite additionnés dans la porte 90 dont la sortie déclenche l'allumage de la lampe L pendant une période au moyen de l'optotriac 11. Le rôle de la porte 91 sera précisé ci-après. Comme aucune impulsion d'un train n'est présente dans un autre train, des impulsions de deux trains différents ne peuvent se produire ensemble, et la durée totale d'application de puissance cumulée est la somme des durées des périodes validées par les impulsions de tous les trains sélectionnés ensemble. Puisque le nombre d'impulsions des trains croît comme les puissances de deux, et que bien entendu le train qui comporte le moins d'impulsions est associé au bit de plus faible poids du mot de commande, la puissance électrique appliquée aux lampes est proportionnelle à la valeur du mot binaire CTL. Le dispositif selon l'invention présente la propriété suivante : lorsque le processeur modifie la valeur de consigne pour la puissance a appliquer, il peut changer le mot de commande CTL immédiatement, c'est-à-dire sans attendre la fin du cycle de 1024 périodes. Ainsi une décision de modification importante est immédiatement répercutée sur la charge. Si par exemple le bit qui commande le train d'impulsion n"2 (voir le tableau plus haut) passe de 0 à 1 au moment de la période 515, toutes les périodes 518, 522, 526, etc... seront activées pendant le reste du cycle. Si la modification est de petite amplitude, le temps au bout duquel elle est mise en oeuvre risque d'être plus long, puisque les impulsions correspondantes sont plus espacées dans le temps.Cette propriété est avantageuse puisque, d'évidence, la mise en application d'un changement important est plus urgente que celle d'une correction infime. D'autres dispositifs présents sur la figure. 2 ne sont pas toujours indispensables à la mise en oeuvre de l'invention. Le module I fournit aussi des impulsions de déclenchement 'psi, 2, (p3 correspondant au commencement de chacune des périodes d'un secteur triphasé, c'est à dire au moment ou la tension est nulle ; ces impulsions sont ajoutées dans des portes ET 91, 92, 93 au signal de validation issu de la porte 90. La sortie de la porte ET 91 déclenche la mise en conduction d'un optotriac 11 relié à une phase du secteur 21, et commandant la lampe L. Cette mise en conduction est donc réalisée à un moment tel qu'il n'y ait pas d'appel de courant. Ainsi on ne risque pas de perturber par des parasites le fonctionnement du processeur 4, ou d'une façon plus générale, de tout système électronique voisin du présent dispositif. Les dispositifs équivalents connectés aux bornes de phase 22-et 23 du secteur et alimentés par les portes 92 et 93, sont consti tués de façon identique et ne sont pas représentés. En série avec la lampe L est prévue une résistance R de mesure de courant qui, par l'intermédiaire d'un photocoupleur 12, transmet une impulsion à chaque période de secteur où un courant est présent. Ces impulsions sont comptées dans un compteur 71 qui est remis à zéro toutes les 1024 périodes, après avoir transféré son chiffre de comptage dans une mémoire 7. Les compteurs 72 et 73 procèdent de même pour les deux autres phases. Quand le sélecteur 2 est choisi à cet effet par une adresse présente sur le bus 15, le processeur 4 lit les valeurs stockées dans la mémoire 7 pour vérifier le bon fonctionnement de l'ensemble. Le comptage doit être égal au mot binaire CTL. Bien entendu si la valeur du mot CTL a été changée au cours d'un cycle, le comptage n'est pas correct. Ceci n'est pas grave, puisque tout rentre dans l'ordre dès qu'un régime permanent est établi. Dans le cas général du système de chauffage le plus simple, le mot de commande peut être obtenu par exemple avec un clavier sur lequel un opérateur frappe un chiffre correspondant à la puissance désirée. Dans le présent système plus élaboré, la température du réacteur est mesurée par une ou plusieurs sondes et fournie au calculateur qui, à partir de cette valeur, calcule la puissance à fournir par la lampe pour tendre vers la température désirée de la meilleure manière possible. Un tel calcul peut être programmé facilement par l'homme du métier. Sur le circuit de la figure 3 qui fournit les dix trains d'impulsions, un signal carré à la fréquence du secteur est introduit en 8 dans un compteur 9.qui fournit sur ses 10 sorties les résultats de divisions successives par 2 du signal 8. La première division par 2 fournit un signal carré, qui commande la validation pendant les périodes 1, 3, 5, 7, etc... Ce même signal inversé par un inverseur 29 et multiplié logiquement dans une porte ET 30 avec le résultat de la division par 4 fournit un signal de validation pendant les périodes 2, 6, 10, 14 etc... Le signal issu de l'inverseur 29 et le résul tat de la division par 4 inversé sont multipliés logiquement dans une porte 31 dont le signal de sortie est multiplié logiquement par le résultat de la division par 8 dans une porte 32 qui fournit un signal de validation pendant les périodes 4, 12, 20, 28,... etc. Chacun des résultats des divisions successives est traité de la même manière : à chaque résultat sont associées une première et une deuxième porte ET, par exemple pour la sortie de division par 64 une première porte 38 et une seconde porte 39.Une entrée de la première porte 38 est reliée à la sortie de la seconde porte correspondant au comptage précédent (ici la porte 37 correspondant à la division par 32). A la seconde entrée de cette première porte est amené le résultat de la division (ici par 64), lequel est amené également, inversé, à une entrée de la deuxième porte 39 dont l'autre entrée est réunie à la sortie de la deuxième porte 37 de l'étage précédent. La sortie de la première porte fournit le train d'impulsions correspondant. Au résultat de la dernière division par 1024 n'est associée qu'une première porte. On pourrait aussi imaginer des trains d'impulsions d'un autre type, par exemple dix trains comportant, l'un une impulsion en période 1, le deuxième une impulsion en période 2, et ainsi de suite, la durée totale du processus de commande étant alors de dix périodes. Ceci permettrait de régler la puissance à 10%, 20%, et ainsi de dix en dix pour cent. Alors le générateur de trains d'impulsions serait plus simple, mais aussi la précision de réglage beaucoup moins bonne. La solution préférée est celle décrite plus haut, basée sur le principe des poids croissants. Bien entendu différentes variantes de l'invention peuvent être imaginées sans sortir du cadre de la revendication 1. Par exemple l'alimentation peut être une alimentation monophasée, auquel cas les éléments 2, ç3, 92, 93, 22, 23 disparaissent. Elle peut aussi être une alimentation en courant continu, auquel cas le phototriac il est remplacé par un transistor de puissance commandé directement par la sortie de la porte QU 90, et le signal carré 8 (figure 3) est fourni par une horloge autonome. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour commander la puissance appliquée à une charge à partir d'une alimentation, muni d'un générateur qui engendre des trains d'impulsions de déclenchement, impulsions susceptibles d'apparaitre à des instants régulièrement espacés d'un intervalle appelé période, chaque impulsion déclenchant l'application de la puissance d'alimentation pendant une durée fixe, et d'un instrument numérique pour engendrer en permanence un mot de commande représentant la puissance à appliquer, caractérisé en ce que le générateur engendre simultanément une pluralité de trains d'impulsions qui ont tous la même durée et dont les impulsions d'un train sont toutes temporellement décalées par rapport à toutes celles des autres trains, et en ce que le dispositif est muni en outre d'un sélecteur de trains d'impulsions qui, à partir du mot numérique de commande, sélectionne un ou plusieurs trains parmi la pluralité de trains et déclenche l'application de la puissance à la charge à chaque fois qu'une impulsion de déclenchement est présente dans l'un des trains sélectionnés. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trains d'impulsions comportent tous un nombre différent d'impulsions. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le nombre d'impulsions d'un train est à chaque fois égal à une puissance de deux. 4. Dispositif selon la revendication 3, dont le mot de commande comporte n bits, caractérisé en ce que le nombre de trains d'impulsions différents engendrés par le générateur est égal à n, chaque train correspondant à un des bits du mot de commande, et leur durée est égale à 2n fois la susdite période. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, les trains d'impulsions étant numérotés de 1 à n, en correspondance avec le rang (ou poids) croissant des bits du mot de commande, et les périodes successives étant numérotées de 1 à 2n, le train d'impulsions numéro m est constitué d'une première impulsion lors de la période 2m-1 suivie d'impulsions toutes les 2m périodes. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un sélecteur de trains d'impulsion comporte, associée à chaque train d'impulsions, une porte ET à au moins deux entrées, à l'une desquelles est appliqué le train d'impulsions correspondant cependant que l'autre entrée est commandée par le bit correspondant du mot de commande, les sorties des portes ET étant reliées aux entrées d'une porte OU. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la susdite période est égale à une période d'un courant alternatif d'alimentation. 8. Dispositif selon la revendication. 7, caractérisé en ce qu'il est muni de moyens pour déclencher l'application de la puissance d'alimentation à des instants où le courant ést nul dans la charge. 9. Appareil de chauffage muni d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mot de commande est établi par le processeur en fonction d'un programme de chauffe déterminé et en réponse à une mesure de l'effet produit par des éléments chauffants.