Brevet FR2652963A1 — publié le 19910412

L'invention concerne des circuits de relais, et plus particulièrement des circuits de relais qui utilisent des redresseurs photosensibles commandés au silicium en tant qu'éléments de commutation actifs qui sont mis en conduction uniquement lorsque la valeur de la tension alternative commandée est entre des limites prédéterminées par rapport à zéro volt. On a conçu un certain nombre de circuits, dans l'art antérieur, pour constituer un relais de courant alternatif constitué de deux redresseurs photosensibles commandés au silicium, en couplage antiparallèle, c'est-à- dire tête-bêche en parallèle, qui sont mis en conduction par des sources de lumière à diodes électroluminescentes qui leur sont couplées optiquement par l'intermédiaire d'un chemin diélectrique transparent. Les diodes électro- luminescentes sont elles-mêmes excitées par un signal d'entrée et émettent de la lumière qui atteint les redresseurs photosensibles commandés au silicium pour les rendre conducteurs et fermer un circuit de sortie entre une source d'alimentation en courant alternatif et une charge. Ces circuits de relais sont largement utilisés pour la commande de charges à courant alternatif par des signaux logiques générés par des calculateurs, tels qu'on en trouve dans des systèmes de commande basés sur micro-ordinateur. Le couplage optique entre le circuit du signal d'entrée et le circuit de charge établit une excellente isolation électrique entre les signaux logiques et les charges à courant alternatif. De plus, le circuit de relais à redresseurs photosensibles commandés au silicium demande peu de composants pour sa réalisation. Cette simplicité permet l'utilisation de techniques de construction de circuits hybrides pour produire des circuits de relais à courant alternatif à semi-conducteurs qui peuvent être produits à bon marché en grande série sous un boîtier de très petite dimension. Pour la plupart des applications, il est souhaitable de disposer d'un relais à courant alternatif qui est mis en conduction uniquement à des instants o la valeur de la tension alternative commandée est proche de zéro. Ceci élimine en grande partie le problème des transitoires qui apparaissent si le relais est mis en conduction à un instant o la tension alternative commandée est d'une valeur importante. Ce type d'action de circuit est connu de l'homme de l'art sous le nom de commutation à tension nulle, bien que l'action réelle de commutation puisse avoir lieu dans un intervalle de tensions autour de zéro. En général, des circuits de l'art antérieur effec- tuant une commutation à tension nulle pour des relais de courant alternatif utilisant des redresseurs photosensibles commandés au silicium possèdent un grand nombre de composants pour avoir un comportement acceptable. De tels circuits sont coûteux et ceux-ci neutralisent donc l'un des avantages principaux de leur utilisation. Dans un effort visant à produire un circuit de commutation à tension nulle en utilisant un nombre minimal de composants, on a utilisé, dans des conceptions antérieures, un transistor dont le collecteur et l'émetteur sont connectés à la gâchette et à la cathode, respectivement, du redresseur photosensible commandé au silicium. La base du transistor est connectée par l'intermédiaire d'une résistance chutrice montée en série à l'anode du redresseur commandé au silicium afin que la tension anode-cathode du redresseur photosensible commandé au silicium commande le transistor. Ce circuit utilise le transistor pour verrouiller le circuit gâchette- cathode du redresseur photosensible commandé au silicium lorsque la tension aux bornes du circuit anode-cathode du redresseur commandé au silicium dépasse une valeur prédéterminée afin d'empêcher le redresseur commandé au silicium d'être mis en conduction. Malheureusement, le circuit décrit de blocage de gâchette du redresseur commandé au silicium a pour effet d'élever notablement le niveau de lumière demandé pour mettre en conduction le redresseur photosensible commandé au silicium. Cet accroissement exige une augmentation du courant de la diode électroluminescente, fourni par la source de signal d'entrée, au point que des circuits de relais à courant alternatif de l'art antérieur, utilisant des configurations de commutation à tension nulle, ne peuvent pas être utilisés dans un tel agencement et sont directement commandés par des signaux logiques générés par ordinateur. Ces circuits logiques à ordinateur sont limités par l'intensité du courant qu'ils peuvent fournir pour attaquer l'entrée du circuit de relais à courant alter- natif, de sorte que pour fonctionner, ils nécessitent des amplificateurs et des circuits d'attaque de puissance supplémentaires en interface entre les circuits de relais de l'art antérieur et la logique d'ordinateur. Pour cette raison et pour d'autres raisons, on a conçu et décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 339 670 un circuit de relais nouveau comprenant deux redresseurs photosensibles commandés au silicium montés en couplage antiparallèle afin de réaliser une commande double alternance d'une tension alternative. Cet agencement réalise une commutation à tension nulle par l'utilisation du circuit collecteur- émetteur d'un transistor pour shunter le circuit gâchette-cathode du redresseur photosensible commandé au silicium. Les bases des transistors ainsi utilisées avec chaque redresseur commandé au silicium sont connectées entre elles par une seule résistance chutrice. La tension de rupture émetteur-base de chaque transistor établit un niveau de commutation prédéterminé à tension nulle et donne un circuit de relais à courant alternatif à commutation à tension nulle dont le fonctionnement n'exige pas un courant d'entrée de niveau élevé. Un tel circuit fonctionne bien avec des signaux logiques générés par ordinateur. Bien que ce dernier circuit décrit ait un comportement amélioré, il existe certaines conditions dans lesquelles certaines sources d'énergie à courant alternatif génèrent des quantités anormales de bruit électrique qui, même avec utilisation de circuits à passage par zéro tels que décrits dans le brevet précité, amène les redresseurs commandés au silicium à ne pas se mettre en conduction en réponse à des signaux d'entrée et provoque des demi- périodes dites "perdues". L'invention a donc pour objet un circuit perfectionné de relais à semiconducteurs pour la commande de charges à courant alternatif. Un autre objet de l'invention est de proposer des circuits de relais à semi-conducteurs utilisant deux redresseurs photosensibles commandés au silicium, montés en couplage antiparallèle, pour réaliser une commande double alternance d'une tension alternative et un circuit de commutation à tension nulle qui est insensible aux transitoires de la charge, pouvant provoquer des pertes de demi-alternance. Ces objets et autres objets de l'invention sont réalisés par un circuit de commutation à tension nulle destiné à commander le courant pour une charge montée en série et une source de tension alternative, comprenant des premier et second redresseurs photosensibles commandés au silicium ayant chacun des bornes de gâchette, d'anode et de cathode, les bornes anode-cathode étant connectées en couplage antiparallèle aux bornes de la charge et de la source de tension alternative, des moyens destinés à appliquer des signaux d'entrée pour générer de la lumière afin de déclencher les premier et second redresseurs photosensibles commandés au silicium, des moyens destinés à produire une plage de tensions à l'intérieur de laquelle fonctionnent les redresseurs photosensibles commandés au silicium, des moyens destinés à verrouiller sur la cathode la borne de gâchette de chacun des redresseurs photo- sensibles commandés au silicium en l'absence de signaux lumineux d'entrée appliqués à ces redresseurs, et des moyens destinés à ouvrir le circuit entre la gâchette et le redresseur de chaque redresseur photosensible commandé au silicium en présence de signaux lumineux d'entrée. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un circuit de commutation de l'art antérieur; la figure 2 est une représentation graphique de la tension produite par la source d'énergie du circuit de la figure 1; et la figure 3 est un schéma du circuit de commutation de l'invention. La figure 1 illustre le circuit de l'art antérieur montré dans le brevet N 4 339 670 précité. Dans le circuit 10 de relais à courant alternatif, à commutation à tension nulle, une source 16 d'énergie à courant alternatif et une charge 18 sont montées en série entre des bornes de sortie 12 et 14. La fonction du circuit 10 est de constituer un circuit effectivement ouvert entre les bornes de sortie 12 et 14 lorsque le relais n'est pas actionné afin que la tension 16 ne soit pas appliquée à la charge 18, et de constituer un circuit effectivement fermé entre les bornes de sortie 12 et 14 lorsque le relais est actionné, permettant à la tension alternative de la source 16 d'être appliquée à la charge 18 par l'intermédiaire du circuit de relais. A cet effet, deux redresseurs photosensibles 20 et 22 commandés au silicium sont placés en couplage antiparallèle entre les bornes 12 et 14 afin de former un circuit qui peut conduire le courant dans un sens conmme dans l'autre et qui convient donc à une commande de courant alternatif double alternance. Les deux redresseurs 20 et 22 commandés au silicium sont montés de manière que (lors- qu'ils conduisent), en conduction durant les demi-périodes positives de la source 16 d'énergie à courant alternatif, lorsque la tension à la borne 12 est positive par rapport à la tension à la borne 14, le courant de la charge circule dans le circuit anode-cathode du redresseur photosensible 20 commandé au silicium. Inversement, durant les demi- périodes négatives de la source 16 d'énergie à courant alternatif, le courant de la charge circule dans le circuit anode-cathode du redresseur photosensible 22 commandé au silicium. Les redresseurs photosensibles 20 et 22 commandés au silicium sont, respectivement, placés dans l'état conducteur par deux diodes électroluminescentes 24 et 26 qui sont placées à proximité immédiate d'eux. Les diodes électroluminescentes 24 et 26 sont montées en série avec une résistance chutrice 28 et une source 34 de signal d'entrée. Lorsque la source 34 de signal d'entrée applique un signal d'entrée aux diodes électroluminescentes 24 et 26, celles-ci produisent de la lumière qui est couplée optiquement aux redresseurs photosensibles 20 et 22 au silicium. Ceci met en conduction les redresseurs 20 et 22 qui établissent un circuit de conduction double alternance entre la source 16 d'énergie à courant alternatif et la charge 18. Lorsque la source 34 du signal d'entrée est supprimée, les redresseurs 20 et 22 sont amenés dans l'état non conducteur par les inversions de courant de la source 16 d'énergie à courant alternatif. Tel que décrit jusqu'à présent, le circuit 10 permet à la source 34 du signal d'entrée de mettre en conduction les redresseurs photosensibles 20 et 22 commandés au silicium à un niveau quelconque de tension de la source 16 de tension alternative. Pour empêcher le circuit de relais 10 d'être mis en conduction lorsque la source 16 de tension alternative a une certaine valeur et que des transitoires posent un problème majeur, un montage de commutation à tension nulle est constitué par des transistors 36 et 38 et une résistance chutrice 40. Le transistor NPN 36 est connecté par son collecteur et son émetteur à la gâchette et à la cathode, respectivement, du redresseur 20, et le transistor NPN 38 est connecté par son collecteur et son émetteur à la gâchette et à la cathode, respectivement, du redresseur 22. Un dispositif redresseur photosensible commandé au silicium peut être rendu insensible à des sources de lumière d'entrée par shuntage de son circuit gâchette- cathode au moyen d'une connexion à basse impédance. Ces connexions à basse impédance sont constituées par les transistors 36 et 38 lorsqu'ils sont polarisés en conduc- tion. Ceci apparaît lorsque la tension aux bornes de la source 16 d'énergie à courant alternatif dépasse des limites prédéterminées de manière que les redresseurs 20 et 22 ne puissent pas être mis en conduction sauf lorsqu'ils sont en deçà des limites de tension prédéterminées. Durant les demi-périodes positives de la source 16 d'énergie à courant alternatif, la tension aux bornes du circuit anode- cathode des redresseurs 20 et 22 s'élève au point de dépasser la tension d'amorçage émetteur-base du transistor 38. Ceci provoque l'application d'un courant de polarisa- tion à travers la jonction base-émetteur du transistor 38 et la résistance 40 jusqu'à la base du transistor 36, rendant conducteur ce dernier. De la même manière, durant les demi-périodes négatives de la source 16 d'énergie à tension alternative, lorsque la tension aux bornes du circuit anode-cathode du redresseur 22 dépasse la tension d'amorçage émetteur-base du transistor 36, un courant de polarisation est amené à circuler à travers la résistance jusqu'à la base du transistor 38, rendant ce dernier conducteur. La tension habituelle d'amorçage émetteur- base des transistors NPN 36 et 38 est d'environ 9 à 12 volts. En conséquence, la mise en place de la résistance 40 entre les bases des transistors 36 et 38 permet aux redresseurs photosensibles 20 et 22 commandés au silicium d'être mis en conduction pour des tensions, produites par la source 16 d'énergie à tension alternative, comprises entre plus et moins 9 à 12 volts. Malheureusement, le circuit 10 illustré sur la figure 1 manque certaines demi-périodes de fonctionnement lorsqu'il est utilisé avec certaines sources d'énergie qui génèrent des quantités anormales de bruit électrique. On peut en démontrer la cause en se référant à la figure 2 qui illustre une forme d'onde sinusoïdale de la tension produite par la source 16 d'énergie. L'équation de l'onde sinusoïdale est donnée par v=Vmax sin (2rft), o V est la tension instantanée, Vmax est la tension maximale de crête de l'onde sinusoïdale, F est la fréquence de l'onde sinusoïdale, T est le temps. Une résolution pour T donne T=1/2rF x arcsin de v/Vmax. T est le temps auquel le relais doit conduire avant que le circuit de conduction à zéro verrouille les redresseurs 20 et 22 de la figure 1. Comme on peut le voir, T est inversement proportionnel à la fois à la fréquence F et à la tension maximale Vmax. Des tensions de lignes habituelles utilisées avec de tels circuits établissent une tension maximale de volts à une fréquence de 400 Hz, et une fenêtre de plus ou moins 12 volts pour la plage de commutations, de sorte que T est égal approximativement à 30 microsecondes. Si le relais 10 de la figure 1 ne conduit pas durant ce temps, il doit attendre la demi-période suivante, provoquant ce qui est appelé une perte. A présent, on peut rendre les redresseurs 20 et 22 commandés au silicium insensibles à des perturbations de bruit en verrouillant à la masse leurs bornes de gâchette. Ceci ne peut évidemment pas être effectué durant le temps de conduction pendant la période de la fenêtre à tension nulle, de sorte que les valeurs des résistances 42 et 44 dans l'art antérieur sont choisies de façon que les redresseurs 20 et 22 ne puissent pas non plus être aisément mis en conduction. Cependant, apparemment, une très grande quantité de bruit dans la source d'énergie à courant alternatif de la charge peut rendre les redresseurs 20 et 22 commandés au silicium insensibles aux signaux lumineux d'entrée, de sorte que les pertes apparaissent. L'invention a été conçue pour éliminer le problème des pertes. Le circuit 48 de la figure 3 est similaire à celui illustré sur la figure 1, sauf que la résistance 42 a été remplacée par un transistor TEC (transistor à effet de champ) 60 à jonction dont la grille est polarisée par une résistance 54 montée en parallèle avec une diode électro- luminescente 50, la résistance 44 étant remplacée par un transistor TEC 62 à jonction dont la grille est polarisée par une résistance 56 montée en parallèle avec une diode électroluminescente 52, et des condensateurs 64 et 66 sont connectés entre les bornes opposées de la résistance 40 et les bornes de sortie 12 et 14. Dans le circuit 48 de la figure 3, les transistors TEC 60 et 62 à jonction conduisent normalement entre la source et le drain. Par conséquent, durant la condition de fonctionnement général du circuit, les gâchettes des deux redresseurs 20 et 22 sont connectées essentiellement directement aux cathodes. En l'absence d'un signal d'entrée provenant des diodes électroluminescentes 24 et 26, aucun des redresseurs 20 et 22 n'est influencé par des transitoires présents dans la charge à un degré quelconque, même durant la période au cours de laquelle la tension de charge 18 est dans la zone de la fenêtre. En général, l'impédance des transistors TEC 60 et 62 à jonction est inférieure à 1000 ohms, tandis que celle des résistances qu'ils remplacent est habituellement de kilohms à 50 kilohms. Par ailleurs, des diodes électroluminescentes 50 et 52 sont couplées directement pour recevoir la lumière provenant des diodes électroluminescentes 26 et 24, respectivement, de manière que, lorsque des signaux d'entrée sont appliqués à partir de la source de signaux d'entrée aux redresseurs 20 et 22, les DEL 50 et 52 génèrent une tension négative à la grille des transistors respectifs 60 et 62 à jonction, ce qui bloque ce tran- sistor. Le blocage du transistor 60, par exemple, amène la gâchette du redresseur 20 commandé au silicium à flotter afin qu'il soit essentiellement en circuit ouvert. Ceci permet au redresseur 20 commandé au silicium de conduire uniquement en réponse au signal produit par la diode électroluminescente 26 durant la période de la fenêtre et supprime entièrement l'effet des transitoires dans la charge de sortie. Le transistor 62 fonctionne d'une manière similaire en réponse à une tension négative appliquée à sa grille, produite par la diode électroluminescente 52 pour bloquer le transistor 62 et établir une impédance infinie à la gâchette du redresseur 22 commandé au silicium durant les demi-périodes négatives de la source 16 d'énergie à tension alternative. Les transistors 36 et 38 réagissent de la même manière (comme sur la figure 1) à l'application d'un courant à travers la résistance 40 et à la jonction base- émetteur des transistors 36 et 38 pour produire la fenêtre de limitation afin qu'une commutation à tension nulle puisse avoir lieu. Les condensateurs 64 et 66 sont montés pour dériver des transitoires à haute fréquence afin que les transistors 36 et 38 ne soient pas rendus conducteurs et ne bloquent pas prématurément les gâchettes des l redresseurs 22 et 20 commandés au silicium. Le circuit de l'invention élimine sensiblement les pertes. Il est apparu que le circuit nouveau illustré sur la figure 3 est beaucoup moins sensible au bruit transitoire, même dans la zone de la fenêtre de tension nulle en l'absence de signaux d'entrée provenant des DEL 24 et 26 en raison du meilleur verrouillage ou blocage produit par les TEC à jonction 60 et 62. De plus, les redresseurs commandés au silicium 20 et 22 ont une meilleure sensi- bilité au maximum car les TEC à jonction 60 et 62 établis- sent un circuit virtuellement ouvert en présence de signaux d'entrée produits par les DEL 24 et 26 couplées à travers les DEL 50 et 52. De plus, l'interférence d'un blocage ou verrouillage prématuré des hautes fréquences a été minimisée à l'aide des condensateurs 66 et 64 de dériva- tion. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de commutation à tension nulle destiné à commander le courant pour une charge (18) et une source (16) de tension alternative montées en série, caractérisé en ce qu'il comporte des premier et second redresseurs photosensibles (20, 22) commandés au silicium ayant chacun des bornes de gâchette, d'anode et de cathode, les bornes anode-cathode étant agencées pour être con- nectées en couplage antiparallèle sur les bornes de la charge (18) et de la source (16) de tension alternative, des moyens destinés à appliquer des signaux d'entrée afin de générer de la lumière pour déclencher les premier et second redresseurs photosensibles commandés au silicium, des moyens destinés à établir une plage de tensions à l'intérieur de laquelle fonctionnent les redresseurs photosensibles commandés au silicium, des moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette de chacun des redresseurs photosensibles commandés au silicium en l'absence de signaux lumineux d'entrée appliqués aux redresseurs photosensibles commandés au silicium, et des moyens destinés à ouvrir le circuit entre la gâchette et le redresseur de chaque redresseur photosensible commandé au silicium en présence de signaux lumineux d'entrée. 2. Circuit de commutation à tension nulle selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à établir une plage de tensions à l'intérieur de laquelle fonctionnent les redresseurs photosensibles commandés au silicium comprennent des moyens (42, 44, 36, 38, 60, 62) destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette du premier redresseur photosensible commandé au silicium en réponse à des tensions alternatives positives prédéterminées produites par la source de tension alter- native, et des moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette du second redresseur photosensible commandé au silicium en réponse à des tensions alternatives négatives prédéterminées produites par la source de tension alternative. 3. Circuit de commutation à tension nulle selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette du premier redresseur photosensible commandé au silicium en réponse à des tensions alternatives positives prédéter- minées produites par la source de tension alternative et les moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette du second redresseur photosensible commandé au silicium en réponse à des tensions alternatives négatives prédéterminées produites par la source de tension alterna- tive, comprennent chacun une résistance (42, 44) et l'un de deux transistors à jonction (36, 38) ayant chacun ses bornes d'émetteur et de base montées entre la gâchette et la cathode du redresseur photosensible associé commandé au silicium, et sa borne de base connectée à travers la résistance à la borne de base de l'autre transistor à jonction. 4. Circuit de commutation à tension nulle selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux condensateurs (64, 66) connectant chacun la borne de base de l'un des transistors à jonction à la cathode du redresseur photosensible associé commandé au silicium. 5. Circuit de commutation à tension nulle selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette de chacun des redresseurs photosensibles commandés au silicium en l'absence de signaux lumineux d'entrée appliqués aux redresseurs photosensibles commandés au silicium compren- nent deux transistors à effet de champ (60, 62) à jonction dont les bornes de source et de drain de chacun d'eux sont connectées aux bornes de gâchette et de cathode de l'un des redresseurs photosensibles commandés au silicium. 6. Circuit de commutation à tension nulle selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens destinés à ouvrir le circuit entre la gâchette et le redresseur de chaque redresseur photosensible commandé au silicium en présence de signaux lumineux d'entrée compren- nent une diode électroluminescente (50, 52) montée entre les bornes de grille et de source du transistor à effet de champ à jonction associé à l'un des redresseurs photo- sensibles commandés au silicium et couplée de façon à recevoir la lumière actionnant le redresseur photosensible associé commandé au silicium. 7. Circuit de commutation à tension nulle selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens destinés à établir une plage de tensions à l'intérieur de laquelle fonctionnent les redresseurs photosensibles commandés au silicium comprennent des moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette du premier redresseur photosensible commandé au silicium en réponse à des tensions alternatives prédéterminées appliquées par la source de tension alternative, et des moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette du second redresseur photosensible commandé au silicium en réponse à des tensions alternatives négatives prédéterminées appliquées par la source de tension alternative. 8. Circuit de commutation à tension nulle selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette du premier redresseur photosensible commandé au silicium en réponse à des tensions alternatives positives prédéter- minées appliquées par la source de tension alternative et les moyens destinés à bloquer sur sa cathode la borne de gâchette du second redresseur photosensible commandé au silicium en réponse à des tensions alternatives négatives prédéterminées appliquées par la source de tension alternative comprennent chacun une résistance (42, 44) et l'un de deux transistors à jonction (36, 38) dont chacun a ses bornes d'émetteur et de base connectées entre la gâchette et la cathode du redresseur photosensible associé commandé au silicium et sa borne de base connectée à travers la résistance à la borne de base de l'autre transistor à jonction. 9. Circuit de commutation à tension nulle selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux condensateurs (64, 66) connectant chacun la borneJde base de l'un des transistors à jonction à la cathode du redresseur photosensible associé commandé au silicium.