Brevet FR2761375A1 — publié le 19981002

La présente invention concerne un dispositif d'amorçage du courant pour poste de drainage de courants vagabonds. Le domaine technique de l'invention est la protection des ouvrages métalliques contre l'oxydation d'origine électrique par drainage de courant. Actuellement, la plupart des postes de drainage autonomes, basés sur l'utilisation de diodes, présentent une tension de seuil de conduction ( généralement 0,6 Volts). La conséquence en est que lorsque la différence de potentiel entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds est inférieure à ce seuil, aucun courant n'est drainé, bien que l'ouvrage métallique soit peut-être déjà soumis à une légère corrosion (potentiel de l'ouvrage par rapport à la terre supérieur à son potentiel d'oxydation) . Or, certains environnements présentent cette caractéristique sur de très longues périodes de temps, rendant le phénomène dangereux à terme. Pour résoudre ce problème, certains constructeurs proposent des postes de drainage utilisant un relais, fermé dès que la tension du récepteur des courants vagabonds est inférieure à la tension de l'ouvrage protégé. Cette solution n'est utilisable que si on dispose d'une source d'alimentation électrique pour actionner le relais, ce qui n'est souvent pas le cas. D'autres proposent l'installation en parallèle avec le poste de drainage d'un dispositif d'amorçage du courant utilisant une diode au germanium (seuil de 0,3V). Ce dispositif présente l'avantage d'être autonome, mais ne fait que réduire le seuil de déclenchement, pas le supprimer. Le problème posé est donc de réaliser un poste de drainage étant à la fois autonome et ne présentant pas de tension de seuil, donc pouvant drainer du courant dés qu'une différence de potentiel apparaît entre l'ouvrage métallique à protéger et le récepteur des courants vagabonds. Une solution au problème posé est, selon l'invention, un dispositif autonome d'amorçage du courant de drainage, monté généralement en parallèle avec un poste de drainage existant, lorsque les courants drainés peuvent être importants, mais aussi éventuellement en lieu et place d'un poste de drainage, lorsque les courants à drainer sont faibles. Selon l'invention: - le courant d'amorçage, et éventuellement tout le courant de drainage, passent au travers d'un ou plusieurs transistors MOS, de la source vers le drain dans le cas de transistors à canal N, et du drain vers la source dans le cas de transistors à canal P, - la tension de grille d'au moins un de ces transistors est commandée de façon à enrichir ou au minimum le cas échéant (transistor à enrichissement-appauvrissement) à ne pas appauvrir son canal, dès qu'une différence de potentiel positive appariait entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds, - la tension de grille d'au moins un de ces transistors est commandée de façon à appauvrir (cas des transistors à enrichissement-appauvrissement) ou à ne pas enrichir (cas des transistors à enrichissement) son canal, dès qu'une différence de potentiel négative apparaît entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds, - la commande des tensions de grille desdits transistors MOS est assurée par un dispositif électronique à basse consommation, alimenté par au moins une pile, une pile solaire ou une éolienne éventuellement associées à une batterie ou un condensateur de forte valeur, permettant l'autonomie du dispositif d'amorçage complet selon l'invention. Le dispositif selon l'invention est basé sur l'utilisation d'un transistor MOS de puissance, dont la grille, qui présente une impédance pratiquement infinie, est bien adaptée à une logique de commande alimentée par piles, donc autonome. Le principe de base de l'invention est d'utiliser le transistor MOS en "diode synchrone" Dans ce montage, le courant traverse toujours le transistor N-MOS de la source vers le drain (ou le transistor P-MOS du drain vers la source), ce qui est contraire à l'usage courant. De plus, dans ce cas, on enrichît, ou n'appauvrit pas son canal par une tension grille-source appropriée: une résistance source-drain de faible valeur, en fait sensiblement égale à la résistance drain-source dans une utilisation conventionnelle, apparait alors en parallèle avec la diode de roue libre, réduisant la chute de tension dans le composant, et le rendant plus performant qu'une simple diode en direct. Par contre, quand la tension drain-source devient positive, on veille à bloquer le transistor, par une tension grille-source appropriée, et le courant ne passe pas: le transistor se conduit alors comme une diode en inverse. Le but de ce montage est traditionnellement de concurrencer les diodes Schottky dans les montages redresseurs à basse tension, car la résistance d'un transistor MOS basse tension (60V par exemple) présente une résistance en mode passant très faible (quelques dizaines de milli-ohms pour les plus courants). Ce montage ne peut par contre pas économiquement concurrencer les diodes haute tension et fort courant (utilisées dans les postes de drainage), car un transistor MOS supportant une forte tension drain-source présente toujours une résistance en mode passant relativement élevée (au minimum quelques Ohms), et un transistor à faible résistance ne supporte que les basses tensions: il faudrait donc monter un nombre très élevé de transistors MOS en sérieparallèle pour arriver à des performances supérieures à celle d'une diode, mais à un prix incomparablement supérieur, et avec une fiabilité douteuse. La diode synchrone ne peut donc pas remplacer la diode traditionnelle dans les postes de drainage courants. Cependant, quand le problème du seuil se fait sentir, un drainage de courants de quelques centaines de milliampères suffit à réduire considérablement l'oxydation. Et, dans ce cas, une diode synchrone haute tension et résistance passante raisonnable (de l'ordre de l'ohm) en parallèle avec la diode peut y parvenir tout en présentant à ses bornes une tension, certes proportionnelle au courant drainé, mais nettement inférieure à la tension de seuil de la diode traditionnelle. C'est la phase d'amorçage du drainage. Quand le courant drainé devient plus important, la diode synchrone a tendance à se comporter comme la diode de roue libre du transistor, dont les performances sont normalement inférieures à celles de la diode utilisée pour le poste de drainage: cette dernière prend donc le relai (évitant au passage que trop de charges soient stockées dans la jonction de la diode de roue libre). La diode synchrone, utilisée selon l'invention, n'est donc utile que lorsque la différence de potentiel entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds est inférieure au seuil du poste de drainage traditionnel, pour amorcer le courant. Le seuil de déclenchement du poste de drainage a alors disparu. On peut noter que le faible courant relatif drainé par la diode synchrone en fonctionnement normal ne peut sensiblement perturber le fonctionnement d'un poste de drainage émetteur ou régulateur de tension qui présente une tension de seuil. Le dispositif d'amorçage selon l'invention est donc, dans une première caractéristique, le suivant: un transistor MOS, commandé par un montage électronique basse consommation, qui tient compte principalement de la différence de potentiel existant entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds, est monté en parallèle avec la diode de puissance, qui assure normalement le drainage (forts courants). Le transistor MOS est monté de telle façon que sa diode de roue libre intégrée soit dans le même sens que la diode de drainage. Quand la différence de potentiel entre l'anode et la cathode des deux diodes en parallèle est négative, le montage électronique bloque le transistor MOS, et aucun courant ne peut passer (tant qu'on ne dépasse pas la tension de claquage du transistor MOS, ou de la diode de puissance). Cette phase correspond, au niveau d'un poste de drainage, à un "récepteur" de courants vagabonds temporairement à une tension positive par rapport à la conduite. Il doit alors être isolé de cette dernière. Quand la différence de potentiel entre l'anode et la cathode des deux diodes en parallèle est positive, le montage électronique rend le transistor MOS passant. Le montage ne présente alors pas de tension de seuil, mais une résistance dynamique faible dès les plus faibles différences de tension. Quand la différence de potentiel devient plus importante, la diode de drainage (et dans une moindre mesure la diode de roue libre intégrée au transistor) prend le relais, car, passée sa tension de seuil (0,6V en général), celle-ci présente une résistance dynamique beaucoup plus faible que la résistance du transistor passant. Le dispositif d'amorçage selon l'invention, basé sur l'utilisation d'un transistor MOS en diode synchrone, et associé à une simple diode de puissance, permet donc de: - drainer de faibles courants, en présence d'une différence de potentiel entre l'ouvrage protégé et le récepteur des courants vagabonds inférieure à la tension de seuil d'une diode, - drainer normalement les courants forts, comme le ferait une simple diode de puissance. En outre, le dispositif d'amorçage selon l'invention peut-être autonome, car la grille du transistor MOS présente une impédance pratiquement infinie, et la logique de contrôle basse consommation, très simple, peut se contenter d'une alimentation sur piles (au lithium par exemple, si on vise une autonomie supérieure à 10 ans). Dans les cas où le courant à drainer est toujours faible, on peut éventuellement, toujours selon l'invention, se passer du poste de drainage, la diode de roue libre du transistor MOS écrêtant la tension de drainage d'une façon tout à fait satisfaisante. Dans divers modes de réalisation, toujours selon l'invention, le dispositif peut comporter plusieurs transistors MOS mis en parallèle, pour diminuer leur résistance globale, et, ou, en série, pour augmenter la tension inverse de claquage. Dans le cas où les transistors MOS sont placés en parallèle, les sources, les drains et les grilles peuvent être reliées, l'ensemble se présentant alors comme un seul transistor MOS de plus faible résistance. Dans le cas, selon l'invention, où les transistors, ou ensembles de transistors en parallèle, sont montés en série, les commandes de grille (tensions grille-source) doivent être indépendantes les unes des autres: des transformateurs d'isolement peuvent avantageusement être utilisés entre la logique de contrôle -qui hache légèrement dans ce cas sa sortie pour "passer" le transformateur- et les commandes indépendantes de tension grille-source. En pratique, les transistors MOS dépassant rarement 1000 volts d'isolement entre le drain et la source, il peut être utile d'en monter deux en série pour concurrencer les meilleures diodes de redressement. Tout homme de l'art connaissant l'électronique saura réaliser un tel montage. Selon une variante du dispositif selon l'invention, le dispositif peut être un véritable poste de drainage, utilisant une diode synchrone en parallèle avec l'élément redresseur dudit poste, qui peut par exemple être une diode, un thyristor. Cette diode synchrone a alors toujours pour fonction d'amorcer le courant de drainage sans effet de seuil. Le dispositif de commande du dispositif d'amorçage selon l'invention peut-être un simple comparateur de tension, avec ou sans hystérésis, associé ou non à un filtrage passe-bas de la différence de potentiel existant entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds, pour éviter des commutations indésirables. Plus généralement, le dispositif de commande selon l'invention peut-être tout dispositif électronique basse consommation garantissant le fonctionnement du ou des transistors MOS associés en diode synchrone, le passage du mode enrichi ou non appauvri au mode non enrichi ou appauvri dépendant seulement de l'évolution de la différence de potentiel existant entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds, telle que définie plus haut. On remarque qu'aucun dispositif de commande réalisable ne peut déclencher la conduction résistive du transistor MOS avec un seuil rigoureusement nul: des facteurs comme par exemple la tension d'offset d'un comparateur, I'hystérésis involontaire ou volontaire, la dérive des caractéristiques en fonction de la température, font que le seuil de déclenchement ne sera jamais égal à 0V. Cependant, du point de vue d'un exploitant habitué à des seuils d'au minimum 0,3V, le seuil de déclenchement du dispositif selon l'invention (quelques dizaines de millivolts au plus) pourra être considéré comme nul. Le dispositif de commande selon l'invention, donc le dispositif complet d'amorçage selon I'invention ne nécessitant qu'une très faible puissance d'alimentation, s'alimente avec tout dispositif permettant une grande autonomie. Par exemple, une pile, une pile solaire ou une éolienne associée à une batterie ou un condensateur de forte valeur, un générateur thermique peuvent être des sources d'énergie électrique satisfaisantes, la liste n'étant pas limitative. Les figures I à 2 représentent deux variantes de dispositifs d'amorçage selon l'invention. La liste ne saurait être limitative, car un homme de l'art peut en créer d'autres sans difficultés, qui ne seront que des variantes du dispositif d'arnorçage selon l'invention s'ils utilisent au moins un transistor MOS en diode synchrone, telle que définie plus haut, pour amorcer le courant quand la tension aux bomes du poste de drainage est inférieure à son seuil. Les figure 1 et 2 représentent donc deux modes de réalisation du dispositif d'amorçage selon l'invention ((il) ou (12)) dans son environnement: Les connecteurs (1) et (2) sont connectés respectivement à l'ouvrage métallique à protéger, et au récepteur des courants vagabonds. La tension de drainage (Vd) et le courant de drainage (Id) sont respectivement la tension entre (1) et (2) et le courant passant aussi bien dans (1) que dans (2). Un éclateur (3) est éventuellement prévu pour protégé le poste de drainage des surtensions. Une résistance (4), qui peut fort bien être un tableau de lampes, a pour but de limiter le courant de drainage (Id). La diode de puissance (5) est la diode de puissance de drainage, utilisée traditionnellement. (5) peut aussi représenter un montage plus complexe, tel un poste de drainage émetteur, qui, comme une simple diode, présente une tension de seuil. Spécifiquement sur la figure 1, (il) représente un mode de réalisation du système d'amorçage selon l'invention. Il se compose de: - un transistor N-MOS (6), ici à enrichissement, commandé par la sortie de (7). Si on recherche une résistance dynamique plus faible, on peut utiliser en fait plusieurs transistors MOS en parallèle, qui se comportent comme un seul transistor. (6) peut aussi être un ou plusieurs transistors N-MOS à enrichissement-appauvrissement. Dans ce cas, la commande grille-source de blocage doit être négative, ce qui impose une alimentation symétrique du dispositif. - Un comparateur (7), dont la sortie est nulle quand son entrée est positive par rapport à sa masse (8) (transistor (6) normalement polarisé mais bloqué), et proche de sa tension d'alimentation (10), supérieure à la tension de seuil du transistor (6), quand son entrée est négative (transistor en inverse mais canal enrichi). Ce comparateur comprendra en pratique quelques composants électroniques, car il faut décaler la tension d'entrée et se protéger des surtensions, mais un homme de l'art connaissant l'électronique n'aura aucun mal à le réaliser. - Une pile (9) pour alimenter le comparateur, qui devrait employer une technologie basse consommation (CMOS par exemple). Eventuellement, toujours selon l'invention, (9) peut représenter plusieurs piles en série, si on désire une tension de commande du transistor plus importante. On peut en outre placer d'autres piles qui permettront d'alimenter le comparateur (7) avec des tensions symétriques par rapport à la masse (8), ce qui permettra de simplifier le comparateur. Spécifiquement sur la figure 2, (12) représente un mode de réalisation du système d'amorçage selon l'invention. il se compose de: - un transistor P-MOS (16), ici à enrichissement-appauvrissement, commandé par la sortie de (17). (16) peut représenter plusieurs P-MOS en parallèle. - Un comparateur ( 17) dont la sortie est positive quand la tension drain-source est négative (transistor (16) normalement polarisé mais bloqué car canal appauvri), et négative quand la tension drain-source est positive (transistor en inverse mais résistif car canal enrichi). - Deux piles (19) pour alimenter le comparateur ( 17) de façon symétrique, entre (10) et (18). Dans ces deux montages, on constate que la détection d'une tension positive entre l'ouvrage à protéger et le récepteur des courants vagabonds se traduit par un enrichissement du canal du transistor MOS ((6) ou (16)), provoquant en retour une baisse de cette tension, mais jamais une annulation. Le comparateur devra donc être très sensible (grand gain), ou comporter un léger hystérésis (avec apparition d'un seuil de déclenchement de quelques dizaines de millivolts, qui peut être raisonnablement considéré comme nul par l'exploitant). Dans tous les cas, le comparateur peut intégrer un filtrage passe-bas de la tension mesurée, pour éviter que des bruits provoquent la conduction du transistor quand il est censé bloquer le courant et se comporter comme une diode polansée en inverse. Le dimensionnement des transistors MOS prendra en compte le fait que la commande de gnlle n'est pas instantanée, et peut générer des parasites. Des montages aussi simples peuvent facilement consommer moins de 10 micro-ampères, ce qui permet une autonomie du système d'amorçage supérieure à 10 ans, en utilisant des piles lithium par exemple. On peut alors envisager de souder les piles et de noyer le système dans de la résine pour le protéger des agressions extérieures. La figure 3 montre l'évolution du courant de drainage (Id) en fonction de la tension (Vd), en supposant (4) de valeur constante. La courbe en pointillé figure la courbe obtenue sans dispositif d'amorçage ((1 1) ou (12)). Tant que la tension (Vd) est inférieure au seuil de la diode, celle-ci ne permet le passage que d'un très faible courant. Le trait plein représente la courbe obtenue avec 1) ou (12). On suppose ici que le transistor ((6) ou (16)) (ou l'association de transistors en série-parallèle) présente une résistance en régime résistif de l'ordre de 1 Ohm, ce qui en pratique est facile à obtenir, par mise en parallèle de quelques transistors. L'efficacité du drainage est sensiblement augmentée dans les basses valeurs de (Vd). Le seuil a disparu. Le courant drainé est relativement faible, mais représente la plus grande partie du courant rejoignant l'ouvrage récepteur à cet endroit, I'autre partie passant toujours par les défauts de l'isolant de l'ouvrage à protéger. Cette proportion largement en faveur du drainage vient du fait que la résistance du dispositif d'amorçage (ici I Ohm) est faible par rapport à la résistance de l'isolant de l'ouvrage à protéger. Le dispositif d'amorçage peut donc, à terme, permettre d'économiser une grande quantité de métal. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'amorçage du courant pour poste de drainage de courants vagabonds, ne présentant pratiquement pas de tension de seuil, et pouvant éventuellement être utilisé en lieu et place d'un poste de drainage, caractérisé en ce que: - le courant d'amorçage, et éventuellement tout le courant de drainage (Id), passent au travers d'un ou plusieurs transistors MOS ((6) ou (16)), de la source vers le drain dans le cas de transistors à canal N (6), et du drain vers la source dans le cas de transistors à canal P (16), - la tension de grille d'au moins un de ces transistors ((6) ou (16)) est commandée de façon à enrichir ou au minimum le cas échéant (transistor à enrichissement-appauvrissement (16)) à ne pas appauvrir son canal, dès qu'une différence de potentiel (Vd) positive apparaît entre l'ouvrage à protéger (1) et le récepteur des courants vagabonds (2), - la tension de grille d'au moins un de ces transistors ((6) ou (16)) est commandée de façon à appauvrir (cas des transistors à enrichissement-appauvrissement (16)) ou à ne pas enrichir (cas des transistors à enrichissement (6)) son canal, dès qu'une différence de potentiel (Vd) négative apparaît entre l'ouvrage à protéger (1) et le récepteur des courants vagabonds (2), - la commande des tensions de grille desdits transistors MOS ((6) ou (16)) est assurée par un dispositif électronique ((7) ou (17)) à basse consommation, permettant un fonctionnement autonome du dispositif d'amorçage complet ((1 1) ou (12)). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif électronique de commande ((7) ou (17)) desdits transistors ((6) et (16)) peut être alimenté par au moins une pile((9),( 19)), une pile solaire ou une éolienne éventuellement associées à une batterie ou un condensateur de forte valeur.