Brevet FR2702894A1 — publié le 19940923

Les interrupteurs bifilaires sont fréquemment utilisés dans les installations électriques pour établir et couper l'alimentation d'une charge Un aspect problé- matique de cette application est l'alimentation en tension de l'interrupteur: quand celui-ci est fermé, la tension entre les bornes d'entrée et de sortie de l'interrupteur est égale à zéro dans le cas idéal, ce qui veut dire qu'il n'y a pas de tension disponible pour l'alimentation de l'interrupteur lui-même. t 10 Les circuits pour réaliser de tels interrup- teurs bifilaires au moyen d'interrupteurs bidirection- nels commandés (triacs}, d'interrupteurs bidirectionnels à semiconducteurs (diacs) et d'éléments à résistance et condensateur ont l'inconvénient qu'il n'existe pas de possibilité peu coûteuse pour couper l'interrupteur à volonté, de sorte qu'une sécurité électronique (coupure en cas de surcharge) n'est pas non plus possible. Le but de l'invention est d'indiquer un circuit d'un interrupteir bifilaire, servant à établir et à couper l'alimentation d'une charge alimentée par la tension alternative du secteur, au moyen duquel l'ali- mentation en tension de l'interrupteur bifilaire puisse être préfixée, dans le cas o une tension alternative du secteur sert de tension d'attaque, de façon souple et automatique. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait qu'un tel circuit comprend: a) un interrupteur électronique à coupure en charge, b) un circuit de pilotage réalisé sous la forme d'un circuit intégré et dont la sortie de pilotage est reliée à la borne de commande de l'interrupteur électronique, ainsi que c) des moyens de couplage qui préfixent un angle de phase déterminé dans chaque alternance de la tension alternative du secteur, pendant que le circuit est alimenté en tension et la circulation de courant par la charge est interrompue, de sorte que la plage angulaire de circulation du courant de charge auto- risée est fixée comme la différence d'angle de phase de la pleine alternance de la tension alternative du secteur et l'angle de phase préfixé. Selon une autre caractéristique avantageuse, une unité d'exploitation préfixe l'angle de phase dans chaque alternance de la tension alternative du secteur en fonction du besoin minimal de tension du circuit, de O sorte que la plage angulaire de circulation du courant de charge autorisée prend sa valeur maximale. Un mode de réalisation avantageux du circuit selon l'invention prévoit que le circuit intégré de pilotage comprend les composants suivants: a) des bornes de connexion constituant une entrée d'ali- mentation, une entrée de synchronisation et une sortie de pilotage, b) un discriminateur de tension à fenêtre, relié à l'en- trée d'alimentation et servant d'unité d'exploitation pour préfixer un premier seuil et un deuxième seuil, c) un comparateur de tension, relié à l'entrée de syn- chronisation et servant d'unité de synchronisation pour préfixer un troisième seuil, d) une logique de pilotage, reliée à la sortie du dis- criminateur de tension à fenêtre et à la sortie du comparateur de tension, logique qui pilote le com- portement de commutation de l'interrupteur élec- tronique en fonction de la tension appliquée à l'entrée d'alimentation ou à l'entrée de synchroni- sation, et e) un étage final relié à la sortie de la logique de pilotage et dont la sortie forme la sortie de pilo- tage. Une autre caractéristique prévoit que le discriminateur à fenêtre génère un signal de validation et transmet ce signal à la logique de pilotage lorsque la tension appliquée à l'entrée d'alimentation atteint le premier seuil du discriminateur, et que le compara- teur génère un signal de sortie qui supprime le signal de validation lorsque la tension appliquée à l'entrée de synchronisation atteint le troisième seuil. Encore une autre caractéristique de l'inven- tiorn prévoit que le discriminateur à fenêtre génère, en tant que signal de sortie, un signal de pilotage et transmet ce signal à la logique de pilotage lorsque la -10 tension appliquée à l'entrée d'alimentation descend au-dessous du deuxième seuil du discriminateur à fe- nêtre, et que le signal de pilotage du discriminateur à fenêtre change la plage angulaire de circulation du courant de charge autorisée. Comme indiqué plus haut, des moyens de cou- plage du circuit préfixent dans chaque alternance de la tension alternative du secteur un angle de phase, lequel fixe la plage angulaire de conduction ou plage angulaire de circulation du courant de charge autorisée, ou20 l'angle (de conduction) maximal possible pour la circu- lation du courant de charge, en tant que différence d'angle de charge entre la pleine alternance de la tension alternative du secteur et l'angle de phase préfixé L'angle de phase et par suite aussi la plage angulaire de circulation du courant de charge autorisée, sont préfixés dans chaque alternance de la tension alternative du secteur en fonction du besoin en tension du circuit (comprenant l'interrupteur électronique à coupure en charge et le circuit de pilotage) Il est 3 o avantageux que l'angle de phase soit préfixé en confor- mité avec le besoin minimal de tension du circuit, ce qui signifie que la tension d'alimentation correspondant exactement à celle nécessaire au minimum est mise à la disposition de l'interrupteur à coupure de charge et au35 circuit de pilotage; la plage angulaire de circulation du courant de charge autorisée peut prendre sa valeur la plus grande possible dans ce cas L'angle (réel) de circulation du courant de charge peut être choisi librement à l'intérieur de cette plage autorisée. L'angle de phase dépend de l'allure de tension de deux tensions dérivées de la tension alternative du secteur (tension d'alimentation et tension de synchro- nisation) et est fixé par un premier seuil contrôlant la tension d'alimentation et un troisième seuil contrôlant la tension de saturation de l'interrupteur à coupure en charge: si la tension d'alimentation atteint le premier seuil, l'alimentation en tension du circuit de pilotage est assurée, de sorte que la validation pour la circu- lation de courant par la charge peut avoir lieu; si la tension sur l'interrupteur à coupure en charge descend au-dessous du troisième seuil, la validation est sup- primée et la circulation de courant par la charge est bloquée De plus, lorsqu'un deuxième seuil, contrôlant la tension d'alimentation, est atteint, l'angle de retard à la commande et par suite la plage angulaire de20 circulation du courant de charge autorisée, peuvent être variés pour assurer l'alimentation en tension Il est préférable d'utiliser un discriminateur à fenêtre pour surveiller le premier et le deuxième seuil et un compa- rateur pour surveiller le troisième seuil, une entrée du 5 discriminateur recevant la tension d'alimentation et une entrée du comparateur recevant la tension de synchroni- sation Le signal de sortie du discriminateur à fenêtre fixe le premier seuil en tant que valeur de tension minimale pour la validation de la circulation de courant30 par la charge et le deuxième seuil en tant que limite inférieure pour la tension d'alimentation admissible; le signal de sortie du comparateur fixe la limite infé- rieure pour le pilotage de l'interrupteur à coupure en charge et sert simultanément à la synchronisation du circuit avec le passage par zéro de la tension alterna- tive du secteur A l'extérieur de l'angle de phase préfixé par le discriminateur à fenêtre et par le comparateur, donc à l'intérieur de la plage d'angle de phase autorisée, l'angle de circulation du courant de charge peut être choisi et varié selon les besoins, par exemple au moyen d'une commande par coupure du début de l'alternance ou d'une commande par coupure de la fin de l'alternance (commande par déphasage initial ou par déphasage final>. L'interrupteur électronique à coupure en charge peut être réalisé par exemple sous la forme d'un transistor et être constitué par exemple par un transistor de type IGBT (transistor bipolaire à grille isolée), un transistor MOS, un transistor à effet de champ ou un transistor bipolaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma-bloc du circuit; la figure 2 représente l'allure de tension/ courant en fonction du temps (figure 2 a) et les dia- grammes de tension en fonction du temps (figure 2 b) dans le cas d'une commande par coupure du début de l'alter- nance; et la figure 3 représente l'allure de tension/ courant en fonction du temps (figure 3 a) et les dia- grammes de tension en fonction du temps (figure 3 b) dans le cas d'une commande par coupure de la fin de l'alter- nance. Selon la figure 1, la charge ou le récepteur 3 est alimenté par la tension alternative du secteur UN à travers les deux lignes (ligne bifilaire) 1, 2; pour une alimentation en tension définie, on a prévu le circuit 4, comprenant le redresseur 5, l'interrupteur électro- nique à coupure en charge 6 (lequel est constitué selon la figure î, à titre d'exemple, par une transistor IGBT) et le circuit de pilotage 7, constitué par un circuit Intégré Ce circuit intégré 7 possède six broches de connexion P, 6 (dont la broche P forme l'entrée d'alimentation EV pour l'alimentation avec la tension d'alimentation Uv, la broche P 2 forme l'entrée de synchronisation E Syn pour la tension de synchronisation U Syn' la broche P forme la sortie de pilotage A Str la broche P 4 forme la sortie de sécurité As, la broche P 5 présente le potentiel de référence (masse GND) et la broche P 6 orme l'entrée de commande Est Ce circuit 4 o comporte plusieurs composants ou parties, à savoir une alimentation 8 (pour l'alimentation en tension du circuit intégré), un circuit de mise sous tension 9 (qui fixe les conditions initiales), une logique de pilotage (pour l'exploitation et le pilotage du déroulement du processus dans le temps), une sécurité 11 avec une résistance de détection Rdét pour cette sécurité (ser- vant de protection contre la surcharge) et un étage final 14 D'autres composants encore du circuit intégré 7 sont une unité de synchronisation 12 constitué par un comparateur et une unité d'exploitation 13 constitué par un discriminateur à fenêtre L'entrée du comparateur 12 est connectée à la broche P 2 (entrée de synchronisation E Syn), l'entrée du discriminateur de tension à fenêtre 13 est connectée à la broche P (entrée d'alimentation Ev) et leurs sorties sont reliées à la logique de pilotage 10 Le discriminateur 13 fixe deux seuils de tension U 1, U 2 et le comparateur 12 fixe un troisième seuil de tension U 3 Les signaux de sortie du discrimi- nateur à fenêtre 13 et du comparateur 12 sont générés en fonction de l'allure de la tension d'alimentation Uv et de la tension de synchronisation Usyn par rapport aux seuils U 1 i U 2 et U 3 et ces signaux sont envoyés à la logique de pilotage 10 (par laquelle est validé l'in- terrupteur à coupure en charge 6) Comme le transistor35 IGBT 6 est un interrupteur polarisé, la tension alternative du secteur UN doit être redressée au moyen du redresseur 5. On expliquera ci-après les rapports de tension en fonction du temps en référence à la figure 2 (com- mande par coupure du début de l'alternance) et de la figure 3 (commande par coupure de la fin de l'alter- nance) La figure 2 a montre l'allure de tension/courant en fonction du temps et la figure 2 b représente le diagramme de tension en fonction du temps pour un circuit utilisant la commande par coupure du début de l'alternance, tandis que la figure 3 a montre l'allure de tension/courant en fonction du temps et la figure 3 b représente le diagramme de tension en fonction du temps pour un circuit utilisant la commande par coupure de la fin de l'alternance. Dans le cas de la commande par coupure du début de l'alternance, on obtient le comportement temporel suivant: 1) Au début de chaque alternance de la tension alterna- tive du secteur UN, le condensateur de lissage Cgl est chargé à travers la résistance série RV et cette tension est appliquée comme tension d'alimentation U à la broche P du circuit intégré 7 Quand la tension d'alimentation UV atteint le premier seuil U 1 (angle de phase B, instant t selon les figures 2 a, 2 b), la logique de pilotage 10 est validée par le signal de sortie du discriminateur à fenêtre 13; le transistor IGBT 6 peut à présent être rendu conducteur par la sortie de pilotage A St du circuit intégré 7 (broche P 3) et la circulation d'un courant der charge I 3 à travers le récepteur 3 peut être validée (angle maximal de circulation de courant de charge O max ou plage angulaire maximale autorisée pour la circula- tion d'un courant de charge). 2) L'angle O effectif pour la circulation du courant de s charge est choisi en conformité avec le besoin de tension du récepteur (instant t 2 selon les figures 2 a et 2 b). 3) Si la tension U Syn à l'entrée de synchronisation E Syn (broche P 2) cette tension est obtenue par les résistances de synchronisation R Synl' R Syn 2 à partir de la tension alternative du réseau UN descend au-dessous du troisième seuil U 3 (instant t 3 selon les figures 2 a, 2 b), cet événement est interprété par le passage par zéro de la tension alternative du secteur UN et la circulation du courant de charge I 3 est arrêtée par la suppression du signal de valida- tion pour la logique de pilotage 10 (blocage du transistor IGBT 6). Dans le cas de la commande par coupure de la fin de l'alternance, on obtient le comportement temporel suivant: 1) A l'application de la tension du secteur UN à travers la charge 3 à l'interrupteur bifiliaire, non encore enclenché, la tension d'alimentation UV du circuit intégré 7 est établie et cette tension UV monte nettement au-dessus du premier seuil U 2) Lorsque l'interrupteur à coupure en charge 6 est en- clenché, la totalité de l'alternance peut d'abord être choisie pour l'angle de conduction ( O = 1800) jusqu'à ce que UV atteigne le deuxième seuil U 2. 3) Quand la tension d'alimentation Uv descend sous le deuxième seuil U 2 (Uv conduction autorisée O max et "gelée"l. REVENDICATIONS 1 Circuit ( 4) d'un interrupteur bifilaire pour établir et couper l'alimentation d'une charge ( 3) alimentée par la tension alternative du secteur (UN), caractérisé en ce qu'il comprend: a) un interrupteur électronique à coupure en charge ( 6), b) un circuit de pilotage ( 7) réalisé sous la forme d'un circuit intégré et dont la sortie de pilotage (Ast) est reliée à la borne de commande de l'interrupteur i O électronique ( 6), ainsi que c) des moyens de couplage (Rv, Cgl, 13) qui préfixent un angle de phase (B) déterminé dans chaque alter- nance de la tension alternative du secteur (UN), pendant que le circuit ( 4) est alimenté en tension et la circulation de courant par la charge est inter- rompue, de sorte que la plage angulaire de circula- tion du courant de charge autorisée (Max) est fixée comme la différence d'angle de phase de la pleine alternance ( 180 ) de la tension alternative du secteur (UN) et l'angle de'phase (B) préfixé. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une unité d'exploitation ( 13) préfixe l'angle de phase (B) dans chaque alternance de la tension alternative du secteur (UN) en fonction du besoin minimal de tension du circuit ( 4), de sorte que la plage angulaire de circulation du courant de charge autorisée ( O max) prend sa valeur maximale. 3 Circuit selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le circuit intégré de pilotage ( 7) comporte les parties ou composants suivants: a) des bornes de connexion (PL, P 2, P 3) constituant une entrée d'alimentation (Ev), une entrée de synchroni- sation (E Syn) et une sortie de pilotage (Ast), b) un discriminateur de tension à fenêtre ( 13), relié à l'entrée d'alimentation (Ev) et servant d'unité d'exploitation pour préfixer un premier seuil (U 1) et un deuxième seuil (U 2), c) un comparateur de tension ( 12) relié à l'entrée de synchronisation (Esyn) et servant d'unité de synchro- nisation pour préfixer un troisième seuil (U 3), d) une logique de pilotage ( 10) reliée à la sortie du discriminateur de tension à fenêtre ( 13) et à la sortie du comparateur de tension ( 12), qui pilote le comportement de commutation de l'interrupteur élec- tronique ( 6) en fonction de la tension (Uv ou Usyn) appliquée à l'entrée d'alimentation (Ev) ou à l'en- trée de synchronisation (Esyn), et e) un étage final ( 14) relié à la sortie de la logique de pilotage ( 10) et dont la sortie forme la sortie de pilotage (Ast). 4 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le discriminateur à fenêtre ( 13) génère un signal de validation et transmet ce signal à la logique de pilotage ( 10) lorsque la tension (Uv) appliquée à l'entrée d'alimentation (EV) atteint le premier seuil (U 1) du discriminateur ( 13), et que le comparateur ( 12) génère un signal de sortie qui supprime le signal de validation lorsque la tension (Usyn) appliquée à l'en- trée de synchronisation (Esyn) atteint le troisième seuil (U 3). Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tension (Uv) à l'entrée d'alimentation (EV) est obtenue à partir de la tension alternative du secteur (UN) à l'aide d'un résistance série (Rv) et d'un condensateur de lissage (Cgl). 6 Circuit selon la revendication 4 ou 5, carac- térisé en ce que la tension (U Syn) à l'entrée de syn- chronisation (Esyn) est obtenue à partir de la tension alternative du secteur (UN) à l'aide de résistances de synchronisation (Rsynlr Rsyn 2). il 7 Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le discriminateur à fenêtre ( 13) génère, en tant que signal de sortie, un signal de pilotage et transmet ce signal à la logique de pilotage ( 10) lorsque la tension (Uv) appliquée à l'entrée d'alimentation (EV) descend au-dessous du deuxième seuil (U 2) du discriminateur à fenêtre ( 13), et que le signal de pilotage du discriminateur à fenêtre ( 13) change la plage angulaire de circulation du courant de charge autorisée ( max). 8 Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un re- dresseur ( 5) pour redresser la tension alternative du secteur (UN). 9 Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'interrupteur électronique à coupure en charge ( 6) est constitué par un transistor de type IGBT. Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'interrupteur électronique à coupure en charge ( 6) est constitué par un transistor à effet de champ.