Brevet FR2661574A1 — publié le 19911031

L'invention concerne des circuits de relais, et plus particulièrement des procédés et des appareils pour compenser les variations de températures affectant le seuil de déclenchement de surcharge dans de tels circuits. On a conçu une grande variété de circuits de relais à semiconducteurs qui utilisent un semiconducteur de puissance en tant que dispositif de commutation de sortie et un redresseur commandé au silicium ou un circuit de blocage similaire pour détecter une surcharge de courant ou une condition de court-circuit Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 581 540 décrit un tel circuit. Bien que le circuit décrit dans le brevet antérieur assume bien sa fonction pour limiter un courant de surcharge dans des conditions normales de fonctionne- ment, le circuit possède une tension de déclenchement relativement élevée, d'environ 450 millivolts à une température ambiante de 25 C, et cette tension de déclen- chement est sensible à des variations de la température dans l'environnement de travail Par exemple, lorsque le circuit est utilisé dans des environnements dans lesquels la température varie de -550 C à 115 'C (une plage relative- ment normale pour un fonctionnement à bord d'un aéronef, par exemple), le seuil de déclenchement auquel la protec- tion de courant déclenche la coupure du dispositif de commutation varie d'environ 400 %, de 150 à 600 millivolts. Bien que les objectifs puissent être atteints par l'utilisation d'amplificateurs opérationnels et de circuits de comparateur, de tels agencement exigent l'utilisation d'alimentations supplémentaires, éliminent la possibilité de réaliser une isolation optique de l'entrée, et occasionnent souvent des accroissements importants du courant d'entrée Ces modifications augmentent le coût, la complexité et la dimension des circuits tout en diminuant leur fiabilité. Un objet de la présente invention est donc de proposer un relais perfectionné à semiconducteurs avec protection contre les surcharges de courant, qui possède un seuil de tension de déclenchement inférieur, pour déclen- cher la protection contre les surcharges. Un autre objet plus spécifique de l'invention est de réduire la variation de température du seuil de tension de déclenchement pour déclencher une protection contre les surcharges du courant dans un circuit de relais à semiconducteurs. Un autre objet de l'invention est d'établir une impédance d'entrée plus élevée et une dissipation de puissance plus faible dans un relais à semiconducteurs, avec une protection contre les surcharges du courant. Ces objets et autres objets de l'invention sont réalisés dans un circuit de relais à semiconducteurs comportant un transistor à effet de champ à métal-oxyde connecté pour commuter un courant vers un circuit de charge, un circuit de bascule comprenant des premier et second transistors connectés de façon à contrôler une tension provoquée par un courant dans le circuit de charge et à dériver le courant à l'écart du transistor à effet de champ en réponse à une surcharge de courant dans le circuit de charge, les premier et second transistors ayant des caractéristiques de température telles qu'ils deviennent conducteurs en réponse à des tensions différentes à des températures différentes, le perfectionnement comprenant des seconds moyens destinés à rendre conducteur le circuit de bascule pour dériver le courant à l'écart du transistor à effet de champ en réponse à la tension provoquée par un courant dans le circuit de charge, les seconds moyens comportant des moyens de compensation de température destinés à adapter les caractéristiques de température des premier et second transistors du circuit de bascule afin que le circuit de bascule devienne conducteur à la même tension dans le circuit de charge sur la plage habituelle de fonctionnement du dispositif. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments sur les différentes figures: la figure 1 est un schéma d'un circuit de relais à semiconducteurs de l'art antérieur; la figure 2 est un schéma d'un circuit de commutation conforme à l'invention; la figure 3 est un schéma d'une modification apportée au circuit de la figure 2; et la figure 4 est un schéma d'une modification apportée au circuit de la figure 2. La figure 1 illustre un circuit 10 de relais à semiconducteurs de l'art antérieur Le circuit 10 comprend une partie d'entrée il comportant un limiteur de courant 12 et deux diodes électroluminescentes 13 et 14 Une partie 15 de commutation comprend un réseau détecteur 17 qui est disposé de façon à capter la lumière générée par les diodes électroluminescentes 13 et 14 et à assurer ainsi l'isola- tion souhaitée du circuit d'entrée Le réseau détecteur 17 est connecté à la grille d'un dispositif de commutation 18 (qui peut avantageusement être un transistor à effet de champ à métal-oxyde) à travers une résistance chutrice 19. Le réseau détecteur 17 est également connecté à la source du dispositif 18 de commutation à travers une résistance 21 Un circuit de charge 22 et une source de tension 23 sont montés en série, connectant le drain du dispositif 18 de commutation à la résistance 21 Une autre résistance 24 est connectée aux bornes du réseau détecteur 17. Dans le fonctionnement normal du relais à commutation, la présence d'un signal d'entrée dans la partie d'entrée du circuit 10 (indiquée à titre d'exemple par la fermeture d'un interrupteur 25 pour connecter une batterie 26 dans le circuit) amène les diodes électrolu- minescentes 13 et 14 à produire une lumière qui est détectée par le réseau détecteur 17 Ce dernier produit un signal entre la grille et la source du dispositif 18 de commutation, lequel signal, lorsqu'il est suffisant, rend conducteur le dispositif 18 de commutation et fournit un courant à la charge 22 Lorsque le signal d'entrée est supprimé de la partie d'entrée 11, le réseau détecteur 17 ne génère plus de signal suffisant pour commander le dispositif 18 de commutation, et ce dispositif 18 se bloque, supprimant le courant de la charge 22. Il existe différentes conditions qui peuvent générer un courant de surcharge dans la charge 22, et un tel courant de surcharge peut endommager ou détruire le dispositif 18 de commutation ou la charge 22 Pour limiter la gamme de courants pouvant être fournis à la charge 22 à travers le dispositif 18 de commutation, le circuit 10 est pourvu d'un montage destiné à bloquer le dispositif de commutation en présence de courants de surcharge Le montage particulier illustré sur la figure 1 comprend un premier transistor PNP 28 et un second transistor NPN 29 connectés de façon à former une bascule destinée à détourner par courtcircuit le courant du dispositif 18 de commutation Une résistance 31 relie le réseau détecteur 17 à la base du transistor 28 et au collecteur du transistor 29 L'émetteur du transistor 28 est connecté à la borne supérieure du réseau détecteur 17, et l'émetteur du transistor 29 est connecté à la borne inférieure du réseau détecteur 17 Une résistance 32 est montée entre la source du dispositif 18 de commutation et la résistance 21 pour fournir une mesure de la tension aux bornes de la résis- tance 21 au collecteur du transistor 28 et à la base du transistor 29 pendant le fonctionnement du dispositif 18 de commutation. L'agencement de bascule présente en fait deux bornes d'entrée, dont l'une mesure la tension aux bornes de la résistance 21 et la seconde mesure le courant fourni au collecteur du transistor 29 La valeur de la résistance 21 est choisie de manière que, si le courant passant dans la charge 22 devient trop fort, la tension aux bornes de la résistance 21 (qui est une mesure de ce courant) s'élève au point de déclencher la bascule, mettant en court-circuit l'entrée entre les bornes de source et de drain du dispositif 18 de commutation La différence de tension sur la jonction base et émetteur du transistor 29 rend ce transistor conducteur et provoque un appel de courant à travers la jonction émetteur-base du transistor 28 Le transistor 28 devient conducteur et bloque la bascule dans l'état EN Ceci provoque l'invalidation du dispositif 18 de commutation, ce qui a pour effet de supprimer le courant de la charge 22. Un problème majeur du circuit 10 illustré sur la figure 1 est que la tension demandée pour déclencher la bascule comprenant les transistors 28 et 29 change de façon importante avec la température Etant donné que cette tension est déterminée par une mesure aux bornes de la résistance 21, elle est en fait une mesure du courant traversant le dispositif 28 de commutation et la charge 22, et cette valeur peut varier fortement avec la température. Plus particulièrement, dans un montage particulier 10, la valeur du courant traversant la charge, demandée pour faire fonctionner la bascule, varie de 1,3 ampère à -55 C à 1 ampère à 250 C et à 0,33 ampère à 115 'C De plus, étant donné que la tension de déclenchement varie nécessairement du même degré, la tension nominale de déclenchement doit être maintenue à une valeur beaucoup plus élevée que celle qui serait nécessaire si la valeur était plus stable Une moindre dissipation de puissance globale pour le circuit accompagnerait une tension de déclenchement plus faible. La figure 2 illustre un circuit 40 de commuta- tion conçu conformément à l'invention Le circuit 40 comprend des éléments d'une partie d'entrée il essentielle- ment identique au circuit 10 de la figure 1 pour commander deux diodes électroluminescentes 13 et 14 afin de cons- tituer une entrée isolée électriquement Le circuit 40 de commutation comprend aussi une partie de sortie 15 qui comprend tous les éléments de la partie de sortie 15 du circuit 10, tous ces éléments étant identifiés par les mêmes références numériques Un certain nombre d'éléments, qui coopèrent avec ceux dont le fonctionnement a déjà été expliqué, destinés à produire une compensation de tempéra- ture pour le circuit 40, sont ajoutés à la partie 15 de sortie de la figure 2. Ces éléments comprennent une diode électrolumi- nescente 42 montée en parallèle avec une diode 43 au silicium La diode électroluminescente 42 est couplée optiquement à l'une des diodes électroluminescentes 13 et 14 ou à ces deux diodes électroluminescentes 13 et 14 afin que la présence d'un signal d'entrée dans la partie d'entrée il soit détectée Le montage en parallèle de la diode 43 au silicium et la diode électroluminescente 42 est connectée à l'émetteur d'un transistor NPN 44 dont le collecteur est connecté à la base du transistor 28 et au collecteur du transistor 29 La base du transistor 44 est connectée par une résistance 46 entre le dispositif 18 de commutation et la résistance 21 Un condensateur 47 est monté entre la base du transistor 44 et la borne négative de la source de tension 23. Lorsqu'un signal d'entrée est appliqué, par exemple par la fermeture de l'interrupteur 25 dans la partie d'entrée 11, les diodes électroluminescentes 13 et 14 fournissent une lumière pouvant être détectée au réseau détecteur 17, ainsi qu'à la diode électroluminescente 42. Cette dernière est choisie de façon à générer environ 1,1 volt en circuit ouvert et elle produit un courant d'environ micro-ampères dans la condition de court-circuit. Cependant, La diode électroluminescente 42 est montée en parallèle avec la diode 43 au silicium; par conséquent, la tension aux bornes de la diode électroluminescente 42 est limitée à celle présente aux bornes de la diode 43 La tension de la diode 43 varie avec la température, d'environ 0,5 volt à -550 C, à 0,350 volt à 250 C et à 0,05 volt à 1150 C. Etant donné que le transistor 44 est connecté à l'entrée à la base du transistor 28 de la bascule, lorsque le transistor 44 devient conducteur, il déclenche la bascule pour court-circuiter le dispositif de commutation 18 et couper le circuit 40 Le transistor 44 est rendu conducteur lorsque la tension appliquée aux bornes de la résistance 21 devient assez grande pour que la tension appliquée entre la base et l'émetteur du transistor 44 devienne suffisamment grande La valeur de la résistance 46 est choisie pour produire une faible chute de tension afin qu'une polarisation des bornes base-émetteur du transistor 44 soit essentiellement égale à la différence engendrée par la tension aux bornes de la résistance 21 et la tension aux bornes de la diode 43 Comme indiqué précédemment, les tensions demandées pour rendre conducteur un transistor (tel que les transistors 28 et 29 de la bascule) et la tension aux bornes de la diode 43 varient avec la tempéra- ture Par conséquent, en choisissant un transistor 44 ayant une tension de mise en conduction qui varie dans la plage prévue de températures d'une manière correspondant à la variation de tension aux bornes de la diode 43 au silicium, on peut obtenir une tension constante de mise en conduction aux bornes de la résistance 21 Ceci, par suite, se traduit par un déclenchement relativement constant de la bascule comprenant les deux transistors 28 et 29, car le déclenche- ment a lieu à la borne de dissipation de courant de la bascule plutôt qu'à la borne d'entrée sensible à la tension Enfin, ceci se traduit par un courant de déclen- chement relativement constant à travers le dispositif 18 de commutation. L'utilisation de valeurs numériques habituelles constituées par une tension de déclenchement émetteur-base de 0,450 volt pour le transistor 44, une valeur de 0,350 volt aux bornes de la diode 43 donne une tension aux bornes de la résistance 21 de 0,10 volt pour déclencher le transistor 44 à 250 C A -55 C, le transistor 44 demande 0,6 volt, la diode 43 chute à 0,50 volt, et la tension aux bornes de la résistance 21 est de nouveau de 0,10 volt A 'C, la tension à travers le transistor 44 est de 0,15 volt, à travers la diode 43 de 0,05 volt et à travers la résistance 21 de 0,10 volt. On peut donc voir que le courant de déclenche- ment traversant le dispositif 18 de commutation est maintenu constant par le circuit 40 lorsque la température varie largement De plus, la valeur relativement constante du courant de déclenchement permet d'utiliser une valeur beaucoup plus faible pour déclencher le fonctionnement de la bascule et permet donc de diminuer la dissipation globale d'énergie Il convient de noter que la combinaison de la résistance 46 et du condensateur 47 est choisie pour fournir un circuit de base de temps à un léger retard qui élimine le déclenchement nuisible du transistor 44 par des courants transitoires rapides. L'homme de l'art reconnaîtra que d'autres procédés de mise en oeuvre de l'invention sont possibles. Par exemple, le montage en parallèle de la diode 43 au silicium et la diode électroluminescente 42 peut être remplacé par un transistor NPN ayant la même caractéristi- que de tension-courant que la diode 43 au silicium et la diode électroluminescente 42 Un transistor sensible à la lumière produirait la variation souhaitée avec la tempéra- ture pour compenser la variation de la tension de déclen- chement de la bascule avec la température La figure 3 illustre un tel circuit Une autre possibilité est de remplacer la diode électroluminescente 42 par une diode à courant constant ou un dispositif similaire à courant constant monté en parallèle avec la diode 43 au silicium. La figure 4 illustre un tel circuit. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit de relais décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit de relais à semiconducteurs comportant un transistor ( 18) à effet de champ à métal- oxyde monté de façon à commuter un courant vers un circuit de charge ( 22) , un circuit de bascule comprenant des premier et second transistors ( 28, 29) montés de façon à contrôler une tension engendrée par un courant dans le circuit de charge et dériver le courant à l'écart du transistor à effet de champ en réponse à une surcharge de courant dans le circuit de charge, les premier et second transistors ayant des caractéristiques de température telles qu'ils deviennent conducteurs en réponse à des tensions différentes à des températures différentes, le circuit de relais étant caractérisé en ce qu'il comporte des seconds moyens destinés à déclencher la bascule pour dériver le courant à l'écart du transistor à effet de champ en réponse à la tension engendrée par un courant dans le circuit de charge, les seconds moyens comprenant des moyens ( 42, 43, 44) de compensation de température destinés à adapter les caractéristiques de température des premier et second transistors du circuit de bascule afin que la bascule soit déclenchée à la même tension dans le circuit de charge, sur la plage habituelle de fonctionnement du dispositif. 2 Circuit de relais à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de compensation de température comprennent un troisième transistor 44 monté de façon à établir un trajet de courant dans le mode de fonctionnement pour mettre en conduction l'un des transistors du circuit de bascule, les bornes de base et d'émetteur du transistor étant connectées de façon à détecter la tension dans le circuit de charge. 3 Circuit de relais à semiconducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de compensation de température comprennent un moyen ( 43) il destiné à abaisser la tension de mise en conduction du troisième transistor.