Brevet FR2871002A1 — publié le 20051202

Le secteur technique de l'invention est celui des interrupteurs électroniques autonomes à commutation automatique. Ces interrupteurs interviennent, par exemple, dans certains dispositifs de protection d'équipements électriques contre les surtensions et les surintensité ainsi que dans certains convertisseurs statiques d'énergie électrique. On connaît des interrupteurs électroniques à commutation automatique (1) intégrant un commutateur de puissance (2) et le circuit de commande (3) dudit commutateur de puissance, suivant la description de la Figure 1, dont les instants de fermeture et d'ouverture du commutateur de puissance (2) sont déterminés directement à partir de la différence de potentiel électrique entre les électrodes de puissance (2-a) et (2-b) ou à partir du courant électrique qui parcourt lesdites électrodes de puissance. L'objet de ce type d'interrupteur électronique est de rapprocher le circuit de commande (3) du commutateur de puissance (2) de manière à améliorer la robustesse et à simplifier les systèmes dans lesquels on utilise lesdits interrupteurs électroniques. On connaît en particulier des interrupteurs électroniques à commutation automatique dont le commutateur de puissance s'ouvre ou se ferme lorsque la différence de potentiel entre les électrodes de puissance (2-a) et (2b) atteint un seuil de tension prédéterminé ou lorsque le courant qui parcourt lesdites électrodes atteint un seuil d'intensité prédéterminé. Le circuit de commande (3) de l'interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) peut par ailleurs être alimenté en énergie électrique par une source (10) reliée audit circuit de commande au moyen de conducteurs électriques. On connaît d'autre part des interrupteurs électroniques à commutation automatiques, dits autonomes, qui extraient directement l'énergie électrique nécessaire à leur fonctionnement du circuit de puissance auquel lesdits interrupteurs électroniques à commutation automatique sont connectés via leurs électrodes de puissance. En effet, un interrupteurs électronique à commutation automatique autonome peut extraire de l'énergie du circuit de puissance auquel il est connecté en exploitant la différence de potentiel électrique présente entre ses électrodes de puissance (2-a) et (2-b) lorsque le commutateur de puissance (2) est ouvert, ou bien en utilisant le passage d'un courant électrique dans ses électrodes de puissance lorsque le commutateur de puissance (2) est fermé. La présente invention concerne un interrupteur dont la fermeture est déclenchée par le passage par un maximum ou par un minimum de la différence de potentiel électrique présente entre ses électrodes de puissance (2-a) et (2-b). Ce principe de commande diffère d'interrupteurs connus dont la fermeture est déclenchée lorsque la différence de potentiel entre leurs électrodes de puissance atteint un seuil prédéterminé. La réouverture de l'interrupteur électronique peut soit intervenir à l'issue d'une durée de fermeture prédéfinie, soit intervenir lorsque l'une des grandeurs électriques auquel est soumis le commutateur (2) atteint un seuil prédéterminé, comme par exemple l'annulation du courant. Un domaine particulier d'application de l'invention est celui des dispositifs utilisant des matériaux piézoélectriques associés à un circuit électrique de traitement non-linéaire. Ces dispositifs sont, par exemple, des dispositifs amortisseurs semi-passifs de vibrations mécaniques utilisant des matériaux piézoélectriques tels que ceux décrits par les brevets FR 01 10368, FR 03 06965. Les dispositifs générateurs d'énergie électrique utilisant des matériaux piézoélectriques tels que ceux décrits par les brevets FR 03 03921, FR 03 04886, font également partie des domaines d'application de l'invention. Dans le cadre des applications utilisant des matériaux piézoélectriques pour le contrôle de vibrations mécanique et pour la génération d'énergie électrique, on connaît des dispositifs permettant de détecter les maximums et les minimums d'une grandeur physique telles qu'une force, un mouvement mécanique ou une différence de potentiel électrique. De tels dispositifs peuvent avoir pour fonction de synchroniser une action avec lesdits extremums. Cette action peut être, par exemple, la commande de la fermeture ou de l'ouverture d'un interrupteur électronique. Dans le cas des dispositifs décrits par les demandes de brevets français FR 01 10368, FR 03 03921 et FR 03 04886, la commande des interrupteurs électroniques peut être synchronisée avec les extremums de la différence de potentiel entre les électrodes terminales d'éléments piézoélectriques soumis à des sollicitations mécaniques. L'énergie électrique nécessaire à l'alimentation du détecteur de maximum ou de minimum de tension et à la commande des interrupteurs électroniques est fournie par une alimentation annexe qui est constituée soit d'une source d'énergie totalement indépendante des éléments piézoélectriques, soit d'un dispositif de récupération d'énergie exploitant une partie de l'énergie électrique fournie par les éléments piézoélectriques eux mêmes. La présente invention se distingue des dispositifs connus en ce que le circuit détecteur de maximum ou de minimum de tension assure en outre la fonction de récupération et de stockage de l'énergie électrique permettant d'assurer le fonctionnement dudit interrupteur électronique autonome à commutation automatique. Le fonctionnement de l'interrupteur électronique autonome à commutation automatique, comprenant le circuit de commande (3) et le commutateur de puissance (2), ne nécessite aucune autre source d'énergie. Dans le cadre des applications décrites par les brevets FR 01 10368, FR 03 06965, FR 03 03921, ou FR 03 04886, ladite énergie électrique est prélevée sur les éléments piézoélectriques par l'intermédiaire de leurs électrodes terminales. La structure de l'interrupteur électronique autonome à commutation automatique qui fait l'objet de l'invention est décrite Figure 2. Ledit interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) dont la fermeture est déclenchée lorsque la différence de potentiel électrique présente entre ses deux électrodes terminales passe par un maximum ou par un minimum, comprend: - un commutateur de puissance (2) muni de deux électrodes de puissance (2- a et 2-b) et d'une électrode de commande, - un comparateur (4) muni de deux électrodes d'entrée (4-a et 4-b) et d'une électrode de sortie (4-c), - un dipôle de stockage d'énergie électrique (5), - un dipôle passif (6). Le commutateur de puissance (2) est constitué d'un composant semiconducteur ou d'une association de plusieurs composants semi-conducteurs tels que des thyristors, des transistors bipolaires, des transistors MOS, des transistors IGBT et peut comprendre également des diodes, des résistances et des condensateurs, le comparateur (4) est constitué d'un composant semi-conducteur de type transistor bipolaire, ou transistor MOS, ou transistor IGBT, ou thyristor, et peut inclure des résistances et des diodes, la fonction stockage d'énergie électrique (5) est constituée d'un ou plusieurs condensateurs, le dipôle passif (6) est constitué de résistances et de diodes, les deux électrodes de puissance (2-a et 2-b) du commutateur de puissance constituant les deux électrodes terminales de l'interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1), la première électrode de puissance (2-a) du commutateur de puissance étant reliée à la première électrode d'entrée (4-a) du comparateur (4) ainsi qu'à la première électrode du dipôle passif (6), la deuxième électrode du dipôle passif (6) étant reliée à la deuxième électrode d'entrée (4-b) du comparateur (4) ainsi qu'à la première électrode du dipôle de stockage d'énergie électrique (5), la deuxième électrode du dipôle de stockage d'énergie électrique (5) étant reliée à la deuxième électrode de puissance (2-b) du commutateur de puissance (2), la sortie (4-c) du comparateur (3) étant reliée à l'électrode de commande du commutateur de puissance (2). 2871002 -4 Le circuit de commande (3) du commutateur de puissance (2) peut comporter soit un détecteur de minimum de différence de potentiel, soit un détecteur de maximum de différence de potentiel. La Figure 3 représente le schéma d'une réalisation particulière de l'invention dans le cas du déclenchement de la fermeture de l'interrupteur électronique autonome à commutation automatique lorsque la différence de potentiel présente entre ses électrodes terminales passe par un maximum. Dans cette réalisation particulière, le commutateur de puissance (2) comprend un transistor bipolaire NPN (2-d) et une diode (2- c), l'anode de la diode (2-c) constituant la première électrode de puissance (2-a) dudit commutateur de puissance (2), la cathode de la diode (2-c) étant reliée au collecteur du transistor bipolaire NPN (2-d), l'émetteur du transistor bipolaire NPN (2-d) constituant la deuxième électrode (2-b) dudit commutateur de puissance (2), la base du transistor bipolaire NPN (2-d) constituant l'électrode de commande du commutateur de puissance (2). Le comparateur (4) comprend deux résistances (4-e et 4-f) et un transistor bipolaire PNP (4-d), la première électrode de la première résistance (4-e) constituant la première électrode d'entrée (4-a) du comparateur (4), la deuxième électrode de ladite première résistance (4-e) étant reliée à la base du transistor bipolaire PNP (4-d), l'émetteur du transistor bipolaire PNP (4-d) constituant la deuxième entrée (4-b) du comparateur (4), le collecteur du transistor bipolaire PNP (4-d) étant relié à la première électrode de la deuxième résistance (4-f), la deuxième électrode de ladite deuxième résistance (4-f) constituant l'électrode de sortie (4-c) du comparateur (4). Le dipôle de stockage d'énergie (5) est un condensateur. Le dipôle passif (6) est constitué d'une résistance (6-a) et une diode (6-b) reliées en série. La Figure 4 représente le schéma d'une réalisation particulière de l'invention dans le cas du déclenchement de la fermeture de l'interrupteur électronique autonome à commutation automatique lorsque la différence de potentiel présente entre ses électrodes terminales passe par un minimum. Dans ce cas, le commutateur de puissance (2) comprend un transistor bipolaire PNP (2-e) et une diode (2-c), la cathode de la diode (2-c) constituant la première électrode de puissance (2-a) dudit commutateur de puissance (2), l'anode de la diode (2-c) étant reliée au collecteur du transistor bipolaire PNP (2-e), l'émetteur du transistor bipolaire PNP (2-e) constituant la deuxième électrode (2-b) dudit commutateur de puissance (2), la base du transistor bipolaire PNP (2-e) constituant l'électrode de commande dudit commutateur de puissance (2). Le comparateur (4) comprend deux résistances (4-e et 4-f) et un transistor bipolaire NPN (4-g), la première électrode de la première résistance (4-e) constituant la première électrode d'entrée (4-a) du comparateur (4), la deuxième électrode de ladite première résistance (4-e) étant reliée à la base du transistor bipolaire NPN (4-g), l'émetteur du transistor bipolaire NPN (4-g) constituant la deuxième entrée (4-b) du comparateur (4), le collecteur du transistor bipolaire NPN (4-g) étant relié à la première électrode de la deuxième résistance (4-f), la deuxième électrode de ladite deuxième résistance (4-f) constituant l'électrode de sortie (4-c) du comparateur (4). Le dipôle de stockage d'énergie (5) est un condensateur. Le dipôle passif (6) est constitué d'une résistance (6-a) et une diode (6-b) reliées en série. L'association en parallèle de deux interrupteurs électroniques autonomes à commutation automatique, l'un des interrupteurs étant déclenché par détection de minimum de différence de potentiel, l'autre interrupteur étant déclenché par détection de maximum de différence de potentiel, permet de réaliser un dipôle qui se comporte comme un interrupteur déclenché à chaque fois que la différence de potentiel entre ses électrodes terminales passe par un maximum ou par un minimum, conformément aux dispositifs décrits dans les demandes de brevets N FR 01 10368, FR 03 06965, FR 03 03921, et FR 03 04886. Lesdits interrupteurs électroniques autonomes à commutation automatique, ou des associations de tels interrupteurs, peuvent être utilisés dans des dispositifs amortisseurs de vibrations mécaniques comprenant un matériau électroactif, par exemple un matériau piézoélectrique. Lesdits interrupteurs électroniques autonomes à commutation automatique, ou des associations de tels interrupteurs, peuvent également être utilisés dans des dispositifs générateurs d'énergie électrique à partir des vibrations d'une structure mécanique comprenant un matériau électroactif, par exemple un matériau piézoélectrique. Revendications 1) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) dont la fermeture est déclenchée lorsque la différence de potentiel électrique présente entre ses deux électrodes terminales passe par un maximum ou par un minimum, comprenant - un commutateur de puissance (2) muni de deux électrodes de puissance (2- a et 2-b) et d'une électrode de commande, - un comparateur (4) muni de deux électrodes d'entrée (4-a et 4-b) et d'une électrode de sortie (4-c), - un dipôle de stockage d'énergie électrique (5), - un dipôle passif (6), caractérisé en ce que le commutateur de puissance (2) est constitué d'un composant semi-conducteur ou d'une association de plusieurs composants semi-conducteurs tels que des thyristors, des transistors bipolaires, des transistors MOS, des transistors IGBT et peut comprendre également des diodes, des résistances et des condensateurs, le comparateur (4) est constitué d'un composant semi-conducteur de type transistor bipolaire, ou transistor MOS, ou transistor IGBT, ou thyristor, et peut inclure des résistances et des diodes, la fonction stockage d'énergie électrique (5) est constituée d'un ou plusieurs condensateurs, le dipôle passif (6) est constitué de résistances et de diodes, les deux électrodes de puissance (2-a et 2-b) du commutateur de puissance constituant les deux électrodes terminales de l'interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1), la première électrode de puissance (2- a) du commutateur de puissance étant reliée à la première électrode d'entrée (4-a) du comparateur (4) ainsi qu'à la première électrode du dipôle passif (6), la deuxième électrode du dipôle passif (6) étant reliée à la deuxième électrode d'entrée (4-b) du comparateur (4) ainsi qu'à la première électrode du dipôle de stockage d'énergie électrique (5), la deuxième électrode du dipôle de stockage d'énergie électrique (5) étant reliée à la deuxième électrode de puissance (2-b) du commutateur de puissance (2), la sortie (4-c) du comparateur (3) étant reliée à l'électrode de commande du commutateur de puissance (2). 2) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) suivant la revendication précédente, caractérisé en ce que le commutateur de puissance (2) comprend un transistor bipolaire NPN (2-d) et une diode (2-c), l'anode de la diode (2-c) constituant la première électrode de puissance (2-a) dudit commutateur de puissance (2), la cathode de la diode (2-c) étant reliée au collecteur du transistor bipolaire NPN (2-d), l'émetteur du transistor bipolaire NPN (2-d) constituant la deuxième électrode (2-)) dudit commutateur de puissance (2), la base du transistor bipolaire NPN (2-d) constituant l'électrode de commande du commutateur de puissance (2). 3) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le comparateur (4) comprend deux résistances (4-e et 4-f), une diode (4-h) et un transistor bipolaire PNP (4-d), la première électrode de la première résistance (4-e) constituant la première électrode d'entrée (4-a) du comparateur (4), la deuxième électrode de ladite première résistance (4-e) étant reliée à la base du transistor bipolaire PNP (4-d), l'émetteur du transistor bipolaire PNP (4-d) étant relié à la cathode de la diode (4-h), l'anode de ladite diode (4-h) constituant la deuxième entrée (4-b) du comparateur (4), le collecteur du transistor bipolaire PNP (4-d) étant relié à la première électrode de la deuxième résistance (4-f), la deuxième électrode de ladite deuxième résistance (4- f) constituant l'électrode de sortie (4-c) du comparateur (4). 4) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur de puissance (2) comprend un transistor bipolaire PNP (2-e) et une diode (2c), la cathode de la diode (2-c) constituant la première électrode de puissance (2-a) dudit commutateur de puissance (2), l'anode de la diode (2-c) étant reliée au collecteur du transistor bipolaire PNP (2-e), l'émetteur du transistor bipolaire PNP (2-e) constituant la deuxième électrode (2-b) dudit commutateur de puissance (2), la base du transistor bipolaire PNP (2-e) constituant l'électrode de commande dudit commutateur de puissance (2). 5) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) suivant l'une quelconque des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le comparateur (4) comprend deux résistances (4-e et 4-f) et un transistor bipolaire NPN (4-g), la première électrode de la première résistance (4-e) constituant la première électrode d'entrée (4-a) du comparateur (4), la deuxième électrode de ladite première résistance (4-e) étant reliée à la base du transistor bipolaire NPN (4-g), l'émetteur du transistor bipolaire NPN (4-g) étant relié à l'anode de la diode (4-h), la cathode de ladite diode (4-h) constituant la deuxième entrée (4-b) du comparateur (4), le collecteur du transistor bipolaire NPN (4-g) étant relié à la première électrode de la deuxième résistance (4-f), la deuxième électrode de ladite deuxième résistance (4-f) constituant l'électrode de sortie (4-c) du comparateur (4). 2871002 8 6) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dipôle de stockage d'énergie (5) est un condensateur. 7) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dipôle passif (6) est constitué d'une résistance (6-a) et une diode (6-b) reliées en série. 8) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, utilisé dans un dispositif amortisseur de vibrations mécaniques comprenant un matériau électroactif, par exemple un matériau piézoélectrique. 9) Interrupteur électronique autonome à commutation automatique (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, utilisé dans un dispositif générateur d'énergie électrique à partir de vibrations mécaniques comprenant un matériau électroactif, par exemple un matériau piézoélectrique.