Brevet FR2670958A1 — publié le 19920626

La présente invention concerne d'une façon générale le domaine de la protection contre les court- circuits dans des montages à interrupteur électronique. Il est connu, pour éviter la destruction d'un tel interrupteur par une surintensité due à un court-circuit, de déterminer le courant qui circule dans l'interrupteur et d'ouvrir ce dernier dès que la valeur du courant excède un seuil déterminé, puis après une temporisation de fermer à nouveau le composant pour le réouvrir rapidement si la surintensité persiste. Un tel circuit de protection doit présenter préférentiellement les caractéristiques suivantes: afin d'éviter tout déclenchement intempestif de l'interrupteur, il ne doit pas prendre en compte de brèves surintensités susceptibles d'apparaître dans la charge, par exemple lors de l'enclenchement d'une charge capacitive ou en cas de parasites; afin de ne pas risquer de détériorer l'interrupteur si le court- circuit persiste, la durée des réenclenchements doit être aussi courte que possible; afin de ramener l'interrupteur à l'état normal le plus rapidement possible lors de la disparition de l'état de court-circuit, la temporisation doit être courte. On constate ici une difficulté liée au fait que ces exigences sont dans leur principe antagonistes: pour ne pas prendre en compte les surintensités fugitives, la sensibilité du circuit doit être réduite, ce qui aboutit à un allongement des durées et fréquences de réenclenchement. La présente invention vise à proposer un circuit de protection qui remplisse les conditions précitées, tout en étant extrêmement simple et économique. Elle concerne à cet effet un circuit de protection contre les court-circuits pour un interrupteur électronique, caractérisé en ce qu'il comprend: -2- des moyens pour obtenir un paramètre électrique représentatif du courant circulant dans l'interrupteur, des moyens pour engendrer une tension variable dont le sens de variation dépend de la position dudit paramètre par rapport à une référence prédéterminée, des premier et second détecteurs à seuil recevant ladite tension variable et ayant des premier et second seuils, respectivement, un moyen à mémoire relié aux premier et second détecteurs à seuil pour ouvrir et fermer l'interrupteur lorsque la tension variable franchit le second ou le premier seuil, respectivement, en sortant de l'intervalle défini par lesdits seuils. Avec un tel circuit, une durée de surcharge autorisée avant ouverture de l'interrupteur électronique est supérieure à une durée de refermeture dudit interrupteur lorsqu'un court-circuit persiste. Plus précisément, l'interrupteur est ouvert seulement au franchissement du second seuil par la tension variable à partir d'une valeur située à l'extérieur dudit intervalle, c'est-à- dire si le paramètre excède la référence pendant une première durée déterminée, tandis que, pendant que persiste le court- circuit, l'interrupteur électronique est refermé pendant une seconde durée prédéterminée, limitée à la durée de franchissement de l'intervalle du premier vers le second seuil par la tension variable et inférieure à la première durée. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un schéma d'un circuit de protection selon la présente invention, et -3- les figures 2 et 3 sont des chronogrammes illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 1 dans deux situations différentes. En référence tout d'abord à la figure 1, on a représenté un interrupteur électronique S qui doit être protégé contre les court- circuits L'interrupteur est associé à une charge CH Bien que l'on ait illustré pour S un transistor NPN, il peut bien entendu s'agir de tout composant capable de remplir cette fonction, et notamment un transistor bipolaire ou MOS, un thyristor, etc La base de S est commandée par un circuit de commande approprié (non illustré) délivrant sur une entrée du circuit un signal de commande SC appliqué, comme on le verra plus loin, sur ladite base. Le circuit de protection comprend une résistance de mesure RM branchée entre l'émetteur de S et la masse. L'émetteur de S est par ailleurs relié à l'entrée positive d'un premier comparateur CMPO, dont l'entrée négative est reliée à un générateur GO d'une tension constante de référence UO. La sortie de CMPO commande un interrupteur électronique 51 qui est monté entre une source Gi de courant constant Il et une première borne d'un condensateur C La seconde borne de C est reliée à la masse Aux bornes de C est montée une deuxième source G 2 de courant constant I 2 La borne positive de C est reliée d'une part à l'entrée négative d'un deuxième comparateur CM Pl et d'autre part à l'entrée positive d'un troisième comparateur CMP 2 On désigne par VC la tension sur la borne positive de C Entre l'entrée positive de CM Pl et la masse est monté un générateur G 3 d'une tension constante Ut Entre ladite entrée positive de CM Pl et l'entrée négative de CMP 2 est monté un générateur G 4 d'une tension constante U 2. La sortie de CM Pl est reliée à l'entrée de réarmement RESET d'une bascule à inversion ou bascule RS, -4- désignée par BRS, tandis que la sortie de CMP 2 est reliée à l'entrée d'armement ou de positionnement SET de cette bascule. La bascule RS possède deux sorties complémentaires Q et Q, la sortie Q étant appliquée à une première entrée d'une porte ET désignée par P L'autre entrée de P reçoit le signal de commande SC de l'interrupteur S La sortie de P est appliquée à la base de l'interrupteur S. On va maintenant décrire le fonctionnement de ce circuit en référence à la figure 2, puis à la figure 3. Sur la figure 2, lorsque le courant IS qui circule dans l'interrupteur à protéger est normal, la tension aux bornes de RM, proportionnelle à ce courant et notée VRM, est inférieure à la référence de tension UO du comparateur CMPO Il en résulte que Sl est ouvert Le condensateur C est à l'état déchargé, grâce à la présence du générateur de courant G 2, et les tensions appliquées à la borne négative de CM Pl et à la borne positive de CMP 2 sont nulles. Les entrées RESET et SET de la bascule sont donc respectivement à " 1 " (niveau logique haut) et à " O " (niveau logique bas). En conséquence, la sortie Q est au niveau logique haut, et les signaux de commande de S transitent donc par la porte ET sans altération, pour ouvrir ou fermer S comme souhaité. Dès qu'un courant excessif circule dans S (instant t O), VRM devient supérieure à la référence UO Il en résulte que la sortie de CMPO passe au niveau haut, ce qui ferme l'interrupteur 51 et provoque la charge de C par le générateur Gl du courant Il La tension VC croît donc avec une pente déterminée par les valeurs de C et de Il. Lorsque VC dépasse le premier seuil Ul (instant tl), alors l'entrée RESET de la bascule passe au niveau logique bas, ce qui met fin à l'inhibition de la bascule. - La sortie Q restant au même niveau, le courant continue à passer dans S, 51 reste fermé et C continue à se charger, VC continuant donc à augmenter Lorsque VC vient à dépasser le second seuil Ul+U 2 (instant t 2), l'entrée SET passe à " 1 ", ce qui fait passer au niveau " O " la sortie Q Il en résulte que la tension de base de S est annulée et ce dernier cesse de conduire. La tension à l'entrée positive de CMPO passe donc à zéro, l'interrupteur Sl se ferme et C se décharge via le générateur de courant G 2 avec le courant I 2. VC diminue alors, franchit rapidement dans le sens descendant le seuil Ul+U 2 pour remettre à zéro l'entrée SET, et au bout d'un certain temps franchit également dans le sens descendant le seuil Ul (instant t 3). L'entrée RESET repasse alors à " 1 ", ce qui a pour effet d'appliquer un " 1 " à la porte P et de rendre l'interrupteur S à nouveau passant. Dans ce cas précis, le court-circuit existe encore, si bien que le courant qui se rétablit dans S est tel que VRM est immédiatement supérieure à UO par le processus décrit plus haut, C se recharge donc à nouveau et VC croît donc à nouveau de Ul jusqu'à Ul+U 2 (instant t 4), ce qui a pour effet d'amener à nouveau l'entrée SET à " 1 " pour annuler par la sortie Q et la porte P la tension de base de S Entre t 4 et t 6 on assiste au même phénomène qu'entrée t 2 et t 3 Mais à à un instant t 5 antérieur à t 6, le court-circuit a disparu si bien qu'à t 6, lorsque S se remet à conduire par passage de la sortie Q au niveau " 1 ", le courant qui traverse S est normal et la tension VRM est inférieur à UO Si reste donc fermé et VC va donc poursuivre sa décroissance jusqu'à zéro, tandis que le signal RESET, passé à " 1 " à t 6, reste à ce niveau pour désactiver la bascule BRS. On observe sur la figure 2 que, pendant que le court-circuit dans la charge subsiste, l'excursion de VC est limitée à l'intervalle lUl,Ul+U 2 l, ce qui, pour des 6 - pentes de charge et de décharge données du condensateur, permet d'une part de limiter les temps de conduction de S pendant que le court-circuit subsiste (entre t 3 et t 4), et donc de minimiser les risques de détérioration du composant, et d'autre part d'accroître la cadence à laquelle s'effectuent les ouvertures/fermetures successives du composant dans cette même situation, pour ainsi ramener la commande du composant à l'état normal le plus rapidement possible une fois que le court-circuit a disparu. La figure 3 illustre le cas o le courant dans l'interrupteur à protéger dépasse la valeur normale seulement temporairement, s'agissant d'une simple surintensité provisoire liée par exemple au comportement de la charge (par exemple lors de l'enclenchement d'une charge capacitive). A l'instant tl O, VRM franchit vers le haut la référence UO, ce qui ferme Si et charge C VC augmente donc et franchit Ul à l'instant t 1 l L'entrée RESET passe alors de " 1 " à " O " Mais à l'instant t 12, avant que VC n'ait pu atteindre le seuil U 1 +U 2, Le courant dans l'interrupteur S diminue déjà, ce qui conduit VRM à franchir UO dans le sens descendant 51 s'ouvre alors, C se décharge et VC diminue A l'instant t 13, VC franchit le seuil Ul dans le sens descendant et l'entrée RESET repasse à " 1 ", VC poursuivant ensuite sa décroissance jusqu'à zéro. On note que l'entrée SET de la bascule est restée à tout instant au niveau "O", si bien que la sortie Q est restée à " 1 " et que l'interrupteur est resté commandé normalement via la porte P par l'entrée de commande. Concrètement, le circuit de la présente invention présente un temps de surcharge autorisé, pendant lequel le courant peut franchir le seuil correspondant à UO sans provoquer de déclenchement, qui est égal à C (Ul+U 2)/I 1. -7- Ainsi, le circuit de protection selon la présente invention permet d'effectuer une discrimination entre un accroissement de courant, prolongé, dû à un court- circuit, et un accroissement de courant temporaire dû a une surintensité ou surcharge ne nécessitant pas d'amener l'interrupteur hors de conduction. Il est à noter que le temps de surcharge autorisé, correspondant au temps de montée de VC entre O et U 1 'U 2, est supérieur à la durée (intervalle t 4-t 3 sus-mentionné) pendant laquelle l'interrupteur est refermé pendant qu'un court-circuit subsiste Ainsi l'invention permet de diminuer cette durée de refermeture sans compromettre la qualité de l'immunité aux surintensités fugitives. Selon une variante de réalisation, non illustrée, afin d'améliorer encore la discrimination entre les états de court-circuit et de surintensité fugitive, on peut prévoir d'appliquer la tension VRM à deux comparateurs ayant des valeurs de référence UO et U'O différentes, ces comparateurs permettant la charge de C avec des valeurs de courant différentes, et plus précisément avec un courant plus faible pour le seuil de tension le plus bas. Dans ce cas, on peut laisser la charge enclenchée si une surintensité qui n'est pas due à un court-circuit franchit seulement le seuil le plus bas, même pendant une durée prolongée, car la vitesse de montée de VC est plus faible. Dans la pratique, le circuit de la figure 1 peut avantageusement être réalisé sous forme intégrée, seuls les composants RM et C, et bien entendu le composant à protéger, pouvant être extérieurs Dans ce cas, par un choix approprié de la valeur de C, on détermine à la fois la fréquence du cycle de protection pendant court- circuit et le temps de surintensité autorisé sans déclenchement. Par ailleurs, les tensions Ul et Ul+U 2 ainsi que les courants Il, I 2 peuvent être choisis comme souhaité lors de la conception du circuit On a constaté qu'un circuit dans lequel le rapport entre Ul+U 2 et Ul était d'environ 3 constituait un bon compromis entre la fréquence du cycle de protection et l'immunité du circuit aux surintensités fugitives En outre, Il et I 2 déterminant respectivement les pentes de croissance et de décroissance de la tension VC, leur rapport peut être choisi par exemple de l'ordre de grandeur de 60, ce qui donne un rapport cyclique d'environ 1/60 pour le cycle de protection en court-circuit et limite bien les temps de conduction de l'interrupteur pendant un état de court- circuit. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite ci- dessus et représentée sur les dessins, mais l'homme de l'art saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. La présente invention, comme on l'a indiqué plus haut, s'applique à la protection d'interrupteurs ou de commutateurs électroniques de natures quelconques Elle peut être utilisée notamment dans des détecteurs inductifs de présence ou de proximité, cette application n'étant bien entendu aucunement limitative. _ 9- REVENDICATIONS 1 Circuit de protection contre les court- circuits pour un interrupteur électronique (S), caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (RM) pour obtenir un paramètre électrique (VRM) représentatif du courant circulant dans l'interrupteur, des moyens (CMPO, Si, Gl, G 2, C) pour engendrer une tension variable (VC) dont le sens de variation dépend de la position dudit paramètre par rapport à une référence prédéterminée (UO), des premier et second détecteurs à seuil (CM Pl, CMP 2) recevant ladite tension variable et ayant des premier et second seuils (Ul, Ul+U 2), respectivement, un moyen à mémoire (BRS) relié aux premier et second détecteurs à seuil pour ouvrir et fermer l'interrupteur lorsque la tension variable franchit le second ou le premier seuil, respectivement, en sortant de l'intervalle défini par lesdits seuils, de telle sorte qu'une durée (t 2-t O) de surcharge autorisée avant ouverture de l'interrupteur électronique soit supérieure à une durée de refermeture (t 4-t 3) dudit interrupteur lorsqu'un court-circuit persiste. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour engendrer une tension variable comprennent un détecteur à seuil (CMPO) comparant le paramètre (VRM) à la référence (UO), un interrupteur ( 51) commandé par ledit détecteur à seuil, un condensateur (C) et des moyens (Gl, G 2) pour charger et décharger le condensateur, la tension variable (VC) étant prise sur une borne du condensateur. 3 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour charger et décharger le condensateur comprennent respectivement un premier et un second générateurs de courant (Gl, G 2), le premier générateur de courant délivrant un courant (Il) - sensiblement supérieur à celui (I 2) délivré par le second générateur de courant, de manière à avoir un rapport cyclique faible entre les phases de fermeture et d'ouverture de l'interrupteur électronique pendant l'existence d'un court-circuit. 4 Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens à mémoire comprennent une bascule à réarmement-armement (BRS) recevant sur une entrée de réarmement (RESET) la sortie du premier détecteur à seuil (CMP 1) et sur une entrée d'armement (SET) la sortie du second détecteur à seuil (CMP 2). Circuit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu une porte logique (P) recevant sur une première entrée un signal de commande (SC) de l'interrupteur électronique (S) et sur une seconde entrée la sortie du moyen à mémoire (BRS), et dont la sortie est reliée à une entrée de commande de l'interrupteur électronique (S). 6 Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que la porte logique (P) est une porte ET.