Brevet FR2712748A1 — publié le 19950524

La présente invention a pour objet un commutateur électronique bitension auto-adaptatif pour la commande automatique d'un dispositif d'alimentation en tension continue Udc d'une valeur prédéterminée à partir d'un réseau d'alimentation en tension alternative Vac dont la valeur nominale peut varier entre une première valeur Vacl, voisine de la valeur Udc et une deuxième valeur Vac2 voisine de la moitié de la valeur Udc , le dispositif d'alimentation en tension continue comprenant au moins un pont redresseur comportant des première et deuxième bornes d'entrée reliées audit réseau d'alimentation en tension altemative Vac et des première et deuxième bornes de sortie reliées respectivement aux pôles négatif et positif d'alimentation en tension continue Udc, et au moins des premier et deuxième condensateurs connectés en série entre lesdites première et deuxième bornes de sortie, le commutateur automatique comprenant un circuit de commutation connecté entre une première borne du réseau d'alimentation en tension alternative Vac variable et le point milieu de connexion des premier et deuxième condensateurs et un circuit de commande connecté entre des première et deuxième bornes du réseau d'alimentation en tension alternative. On connait déjà différents circuits de commutation destinés à permettre à un dispositif d'alimentation électrique d'un appareil utilisant une tension continue de fonctionner correctement à partir de différentes tensions du réseau, sans intervention de l'utilisateur. De façon plus particulière, on connaît des dispositifs d'alimentation électrique incorporant un circuit doubleur de tension, qui sont conçus pour fonctionner avec un redressement double alternance à partir de la tension alternative du réseau la plus élevée, par exemple 230 V, et pour mettre en service automatiquement le circuit doubleur de tension lorsque la tension alternative du réseau présente une valeur plus basse, par exemple 115 V. De tels dispositifs d'alimentation électrique fonctionnent de façon satisfaisante pour l'utilisateur puisque ce dernier n'a pas à effectuer de commutation manuelle en fonction de la valeur nominale de la tension du réseau auquel le dispositif d'alimentation concerné est branché. Toutefois, en pratique, les commutateurs électroniques automatiques conçus pour assurer une commutation au sein du dispositif d'alimentation en fonction du niveau de la tension du réseau extérieur, sont complexes, et relativement encombrants et coûteux à réaliser dans la mesure où ils nécessitent la mise en oeuvre d'un grand nombre de composants. De plus, la puissance dissipée au sein même des commutateurs automatiques connus est relativement importante ce qui réduit les possibilités de miniaturisation et d'incorporation dans des dispositifs d'alimentation électrique intégrés dans de petits appareils devant être alimentés en courant continu. La présente invention a précisément pour objet de réaliser un commutateur électronique automatique optimisé, de conception simple, comprenant un petit nombre de composants et consommant une faible puissance de manière à être peu coûteux à fabriquer et être facilement incorporable dans des appareils de petites dimensions. L'invention a notamment pour objet de réaliser un commutateur électronique automatique statique ne comportant pas de composants volumineux tels que des relais ou enroulements. L'invention a encore pour objet de réaliser un commutateur électronique pouvant être utilisé comme un simple composant et être appliqué à des dispositifs d'alimentation électrique existants en remplacement de commutateurs manuels ou de commutateurs électroniques automatiques plus complexes. Ces buts sont atteints grâce à un commutateur électronique bi-tension auto-adaptatif pour la commande automatique d'un dispositif d'alimentation en tension continue Udc d'une valeur prédéterminée à partir d'un réseau d'alimentation en tension alternative Vac dont la valeur nominale peut varier entre une première valeur Vacî , voisine de la valeur Udc et une deuxième valeur Vac2 voisine de la moitié de la valeur Udc , le dispositif d'alimentation en tension continue comprenant au moins un pont redresseur comportant des première et deuxième bornes d'entrée reliées audit réseau d'alimentation en tension alternative Vac et des première et deuxième bornes de sortie reliées respectivement aux pôles négatif et positif d'alimentation en tension continue Udc, et au moins des premier et deuxième condensateurs connectés en série entre lesdites première et deuxième bomes de sortie, le commutateur automatique comprenant un circuit de commutation connecté entre une première borne du réseau d'alimentation en tension alternative Vac variable et le point milieu de connexion des premier et deuxième condensateurs, et un circuit de commande connecté entre des première et deuxième bornes du réseau d'alimentation en tension alternative VAc, caractérisé en ce que le circuit de commutation comprend un triac connecté entre ladite première bome du réseau d'alimentation et ledit point milieu, et dont l'électrode de commande est activée par l'intermédiaire de l'élément récepteur d'un optocoupleur monté dans ledit circuit de commande, et en ce que le circuit de commande comprend un pont redresseur dont deux bornes d'entrée sont connectées auxdites première et deuxième bornes du réseau d'alimentation et deux bornes de sortie délivrent une tension redressée à double alternance u alimentant les autres composants du circuit de commande, un pont diviseur composé de deux résistances en série connectées aux bornes de sortie du pont redresseur, une diode Zener programmable présentant un seuil prédéterminé, connectée en parallèle avec le pont diviseur et dont l'électrode de commande est reliée au point milieu entre les résistances du pont diviseur, un thyristor monté dans un circuit série avec une résistance de polarisation, une diode électroluminescente de l'opto-coupleur et une diode Zener, ce circuit série étant lui-même connecté entre les deux bornes de sortie du pont redresseur, et l'électrode de commande du thyristor étant elle-même reliée à la cathode de la diode Zener programmable, et en ce que le circuit de commande comprend en outre une résistance connectée entre la borne de sortie positive du pont redresseur et la cathode de la diode Zener programmable et un condensateur connecté entre l'électrode de commande du thyristor et la borne de sortie négative du pont redresseur, afin de créer une constante de temps de retard du déclenchement du thyristor par rapport à la détection dudit seuil de tension prédéterminé par la diode Zener programmable. De façon plus particulière, le circuit de commutation comprend, en parallèle avec le triac, un circuit série comprenant une première résistance de polarisation, I'élément récepteur de ltopto-coupleur, et le montage en parallèle d'une deuxième résistance de polarisation et d'un condensateur, I'électrode de commande du triac étant elle-même reliée au point commun entre l'élément récepteur de l'opto-coupleur, la deuxième résistance de polarisation et le condensateur. Le commutateur selon l'invention, qui peut être incorporé dans un boîtier unique à quatre sorties associé à un dissipateur de chaleur, peut être appliqué à un niveau d'alimentation en tension alternative Vac dont la valeur nominale peut varier entre environ 90 V et 260 V avec une fréquence de l'ordre de 50 Hz à 60 Hz. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma-bloc montrant la façon dont un commutateur électronique selon l'invention est utilisable avec un dispositif connu d'alimentation en tension continue à partir d'un réseau d'alimentation en tension alternative, et - la figure 2 est un schéma détaillé d'un exemple de commutateur électronique selon l'invention. On a représenté sur la figure 1 un dispositif 1 1 à 14 connu d'alimentation en tension continue Udc d'une valeur prédéterminée à partir d'un réseau d'alimentation en tension alternative Vac, le commutateur électronique 10 selon l'invention étant utilisable en combinaison avec ce dispositif d'alimentation 1 1 à 14. La tension altemative Vac représente la tension disponible aux bornes d'un réseau d'alimentation classique, tel qu'un réseau à la fréquence de 50 Hz ou 60 hz. Le dispositif 11 à 14 est conçu pour fonctionner avec une tension alternative d'entrée Vac pouvant varier entre une première valeur haute, par exemple 230 ou 260 V, voisine de la valeur de la tension de sortie Udc, et une deuxième valeur basse, par exemple 90 ou 110 V voisine de la moitié de la valeur de la tension de sortie Udc. Le dispositif d'alimentation 1 1 à 14 comprend essentiellement un filtre 11 dont les bomes d'entrée sont reliées directement au réseau d'alimentation en tension alternative Vac, et dont les bornes de sortie sont reliées à des première et deuxième bornes d'entrée a, b d'un pont redresseur classique double alternance 12 dont des première et deuxième bomes de sortie c, d sont reliées respectivement aux pôles négatif et positif d'alimentation en tension continue Udc. Des condensateurs 13 et 14 sont connectés en série entre les bornes de sortie c, d du pont redresseur 12. Le point milieu de connexion des condensateurs 13, 14 est relié à une borne 2 du commutateur 10 qui peut être sélectivement reliée à une première borne 1 du réseau d'alimentation en tension alternative Vac variable. Le commutateur électronique 10 comprend en outre un circuit de commande connecté entre des première et deuxième bornes 3, 4 du réseau d'alimentation en tension altemative Vac, pour commander automatiquement la liaison sélective entre les bornes 1 et 2 en fonction de la valeur de la tension alternative Vac du réseau d'alimentation. D'une manière générale, le circuit est ouvert entre les bornes 1 et 2 du commutateur 10 lorsque la tension Vac du réseau d'alimentation aux bornes 3 et 4 est voisine de la valeur maximale admissible Vac, (par exemple 230 V), elle même voisine de la tension continue Udc fournie par le dispositif d'alimentation 1 1 à 14. Dans ce cas, ce dispositif d'alimentation fonctionne de façon classique avec un redressement double alternance effectué dans le pont redresseur 12, et les deux condensateurs 13 et 14 sont simplement montés en série entre les bornes c et d d'alimentation en tension continue Udc. En revanche, lorsque la tension Vac du réseau d'alimentation aux bornes 3 et 4 présente une valeur (par exemple de 110 V) nettement inférieure à la tension continue Udc et donc à la valeur maximale admissible Vacî, tout en restant supérieure à une valeur minimale Vac2, par exemple de 85 ou 90 V, une liaison directe est créée automatiquement entre les bornes 1 et 2 par le commutateur 10. De la sorte, par la liaison directe créée entre le point milieu des condensateurs 13 et 14 et une borne d'alimentation du réseau, le dispositif d'alimentation 1 1 à 14 fonctionne, de façon connue en soi, en doubleur de tension, ce qui contribue à maintenir la valeur de la tension continue de sortie Udc malgré la valeur plus faible de la tension de sortie du réseau. On décrira maintenant de façon détaillée en référence à la figure 2 un exemple de commutateur électronique 10 conforme à l'invention, qui comporte un circuit de commande relié aux bornes 3 et 4 du réseau d'alimentation à tension alternative Vac et un circuit de commutation relié d'une part à la borne 1 du réseau d'alimentation et d'autre part à un point milieu 2 de connexion des condensateurs 13 et 14. Le circuit de commutation comprend essentiellement un triac TH2 connecté entre les bornes 1 et 2, et un circuit série monté en parallèle avec le triac ce ce circuit série comprenant successivement entre les bomes 1 et 2 une première résistance de polarisation R6, un élément récepteur d'un opto-coupleur U2 et le montage en parallèle d'une deuxième résistance de polarisation R7 et d'un condensateur C4. L'électrode de commande G2 du triac TH2 est elle-même reliée au point commun entre l'élément récepteur de l'opto-coupleur U2, la résistance R7 et le condensateur C4. Un condensateur C2 monté en parallèle sur le triac TH2 et un condensateur C3, monté entre d'une part le point commun entre la résistance R6 et l'opto-coupleur U2 et d'autre part la borne 2, assurent la fonction d'antiparasitage pour le montage. On constate que le circuit de commutation comprend lui-même un très petit nombre de composants (six composants dans l'exemple présenté) et peut fonctionner de façon sûre, le triac TH2 ne pouvant être rendu conducteur que lorsque l'élément récepteur de l'opto-coupleur U2 est lui-même excité et rendu conducteur. On décrira maintenant le circuit de commande qui, par l'intermédiaire de l'opto-coupleur U2, permet de rendre sélectivement conducteur le triac TH2. Le circuit de commande comprend un pont redresseur CR1 dont deux bornes d'entrée sont connectées aux bornes 3 et 4 du réseau d'alimentation et deux bornes de sortie délivrent une tension redressée à double alternance IL destinée à alimenter les autres composants du circuit de commande. Un pont diviseur est constitué de deux résistances R4 et R5 en série connectées aux bornes de sortie du pont redresseur CR1. Une résistance de polarisation R3 et une diode Zener programmable U1 montées en série sont connectées en parallèle avec le circuit série des résistances R4 et Rg. L'électrode de commande G3 de la diode Zener programmable U1 est par ailleurs connectée au point milieu de connexion des résistances R4 et Rg. Un condensateur C1 est monté en parallèle avec la diode Zener programmable U1. Un circuit série comprenant successivement une résistance de polarisation R1, une diode électroluminescente de l'opto-coupleur U2, un thyristor TH1 et une diode Zener D1 est connecté entre les bornes de sortie du pont redresseur CR1. L'électrode de commande G1 du thyristor TH1 est elle-même reliée à la cathode de la diode Zener programmable qui constitue également le point de connexion entre la résistance R3 et le condensateur C1. La diode Zener programmable U1 présente une tension de seuil prédéterminée qui peut être par exemple fixée à 2,5 V. L'opto-coupleur U2 peut être constitué par la combinaison d'une diode électroluminescente et d'un photo-transistor ou de préférence par une diode électroluminescente à faible courant d'excitation (par exemple 5mA) et un phototriac combinés dans un opto-triac. D'une façon générale, le circuit de commande se caractérise par son petit nombre de composants (dix composants dans l'exemple considéré en incluant l'opto-triac), sa simplicité, sa fiabilité et sa très faible consommation. Le circuit de commande comprend une partie de détection proprement dite, qui se compose du pont diviseur R4, Rg, de la diode Zener programmable U1 et une résistance R3 de polarisation de la diode Zener programmable U1, et une partie de commutation qui se compose essentiellement du thyristor TH1, de la diode Zener D1, du condensateur C1 et de la résistance de polarisation R1 et, en liaison avec l'opto-coupleur U2 assure la commande effective du circuit de commutation proprement dit précédemment décrit, qui comprend essentiellement le triac TH2 et ses composants de polarisation. Le fonctionnement du circuit de commande est le suivant: La diode Zener programmable U1 se comporte comme un circuit ouvert tant que la tension issue du pont diviseur R4, Rg, au point commun des résistances R4 et R5 n'atteint pas la tension de seuil Us prédéterminée de la diode Zener programmable U1 qui est par exemple de 2,5 V. Lorsque cette tension de seuil Us est atteinte, la diode Zener programmable U1 se comporte comme une diode zener classique. La tension Ux issue du pont diviseur R4, Rg, c'est-à-dire la tension aux bornes de la résistance R5 est une tension redressée double alternance évoluant entre zéro et une valeur de crête Vx à une fréquence double de celle du réseau d'alimentation. Si la tension Ux aux bornes de la résistance Rg, qui est appliquée sur l'électrode de commande G3 de la diode Zener programmable U1 reste constamment inférieure au seuil Us, c'est-à-dire si la valeur de crête Vx est inférieure à Us, la diode Zener programmable U1 reste bloquée et le condensateur C1 se charge à travers la résistance R3. Lorsque la tension aux bornes du condensateur C1, c'est-à-dire sur l'électrode de commande G1 du thyristor TH1 passe au-dessus du seuil de la diode Zener D1, le thyristor TH1 est enclenché, rendant ainsi conducteur l'opto-coupleur U2 qui rend lui-même conducteur le triac TH2. Le thyristor TH1 est rebloqué à chaque passage à zéro de la tension de sortie du pont redresseur CR1. Lorsque la tension crête Vx de la tension Ux aux bomes de la résistance R5 est supérieure à la tension de seuil Us de la diode Zener programmable U1 cette dernière devient conductrice chaque fois que la tension Ux dépasse le seuil Us, c'est-à-dire à une fréquence double de celle du réseau d'alimentation. La diode Zener programmable U1 devient ainsi conductrice à chaque alternance, ce qui rend la charge du condensateur C1 impossible. Par suite, le seuil de la diode Zener D1 n'est jamais atteint aux bornes du condensateur C1, sur l'électrode de commande G1 du thyristor TH1 et ce dernier reste bloqué. L'opto-coupleur U2 n'est pas excité et le triac TH2 reste également bloqué en permanence. On notera que la fiabilité du circuit de commande est assurée par le fait que la tension de détection par l'étage de détection R4, Rg, U1 du circuit de commande est toujours en avance sur le circuit de commutation TH1, D1 du fait de la constante de temps introduite par la résistance R3 montée en série avec le condensateur C1 (La résistance R3 joue en effet le rôle de polarisation de la diode Zener programmable U1 tout en permettant la charge du condensateur C1). Il ne peut donc en aucun cas y avoir de déclenchement intempestif du triac TH2 à la mise sous tension ou lors de coupures aléatoires au niveau du réseau d'alimentation. Avantageusement, le commutateur 10 conforme à l'invention est incorporé dans un boîtier unique, par exemple de type TO3P, avec quatre sorties 1, 2, 3, 4, associé à un dissipateur de chaleur. Un tel commutateur peut alors être utilisé comme un simple composant, par exemple dans une gamme de puissance pouvant aller jusqu'à environ 1 kW. REVENDICATIONS 1. Commutateur électronique bi-tension auto-adaptatif pour la commande automatique d'un dispositif d'alimentation en tension continue Udc d'une valeur prédéterminée à partir d'un réseau d'alimentation en tension alternative Vac dont la valeur nominale peut varier entre une première valeur Vacî , voisine de la valeur Udc et une deuxième valeur Vac2 voisine de la moitié de la valeur Udc , le dispositif d'alimentation en tension continue comprenant au moins un pont redresseur (12) comportant des première et deuxième bornes d'entrée (a, b) reliées audit réseau d'alimentation en tension alternative Vac et des première et deuxième bomes de sortie (c, d) reliées respectivement aux pôles négatif et positif d'alimentation en tension continue Udc , et au moins des premier et deuxième condensateurs (13,14) connectés en série entre lesdites première et deuxième bornes de sortie (c, d), le commutateur automatique (10) comprenant un circuit de commutation connecté entre une première borne (1) du réseau d'alimentation en tension alternative Vac variable et le point milieu (2) de connexion des premier et deuxième condensateurs (13, 14) et un circuit de commande connecté entre des première et deuxième bornes (3, 4) du réseau d'alimentation en tension alternative VAc, caractérisé en ce que le circuit de commutation comprend un triac (TH2) connecté entre ladite première borne (1) du réseau d'alimentation et ledit point milieu (2), et dont l'électrode de commande (G2 ) est activée par l'intermédiaire de l'élément récepteur d'un opto-coupleur (U2) monté dans ledit circuit de commande, et en ce que le circuit de commande comprend un pont redresseur (CR1) dont deux bornes d'entrée sont connectées auxdites première et deuxième bornes (3, 4) du réseau d'alimentation et deux bornes de sortie délivrent une tension redressée à double alternance u alimentant les autres composants du circuit de commande, un pont diviseur composé de deux résistances en série (R4, Rg) connectées aux bornes de sortie du pont redresseur (CR1 ), une diode Zener programmable (U1 ) présentant un seuil prédéterminé, connectée en parallèle avec le pont diviseur (R4, Rg) et dont l'électrode de commande (G3) est reliée au point milieu entre les résistances (R4 et Rg) du pont diviseur, un thyristor (TH1) monté dans un circuit série avec une résistance de polarisation (R1), une diode électroluminescente de l'opto-coupleur (U2) et une diode Zener (D1), ce circuit série étant lui-même connecté entre les deux bornes de sortie du pont redresseur (CR1), et l'électrode de commande (G1) du thyristor (TH1) étant elle-même reliée à la cathode de la diode Zener programmable (U1), et en ce que le circuit de commande comprend en outre une résistance (R3) connectée entre la borne de sortie positive du pont redresseur (CR1) et la cathode de la diode Zener programmable (U1) et un condensateur (C1) connecté entre l'électrode de commande (G1) du thyristor (mî) et la borne de sortie négative du pont redresseur (CR1), afin de créer une constante de temps de retard du déclenchement du thyristor (TH1) par rapport à la détection dudit seuil de tension prédéterminé par la diode Zener programmable (Z1). 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commutation comprend, en parallèle avec le triac (TH2), un circuit série comprenant une première résistance de polarisation (R6), l'élément récepteur de l'opto-coupleur (U2), et le montage en parallèle d'une deuxième résistance de polarisation (R7) et d'un condensateur (C4), l'électrode de commande (G2) du triac (tu2) étant elle-même reliée au point commun entre l'élément récepteur de l'opto-coupleur (U2), la deuxième résistance de polarisation (R7) et le condensateur (C4). 3. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de commutation comprend en outre des condensateurs (C2, C3) d'antiparasitage associés au triac (TH2). 4. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'opto-coupleur (U2) est constitué par un opto-triac comprenant une diode électroluminescente à faible courant d'excitation. 5. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la diode Zener programmable (U1) définit un seuil de tension de l'ordre de 2,5 v. 6. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est incorporé dans un boîtier unique à quatre sorties (1, 2, 3, 4) associé à un dissipateur de chaleur. 7. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un niveau d'alimentation en tension alternative Vac dont la valeur nominale peut varier entre environ 90 V et 260 V avec une fréquence de l'ordre de 50 Hz à 60 Hz.