Brevet FR3019411A1 — publié le 20151002

Interrupteur programmable automatique intelligent pour charge linéaire avec un gradateur. 1- DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui des interrupteurs de pilotage automatique d'une charge 5 linéaire avec un gradateur. Par exemple, l'invention propose une solution pour l'allumage automatique de lampe. Plus précisément, l'invention concerne à faire passer automatiquement le courant dans une charge selon les besoins directs défini par l'utilisateur. Ce système de commande d'alimentation en courant est un circuit tout électronique répondant à un critère de fonctionnement presque identique à celui d'un interrupteur manuel classique à 2 fils. 10 Par interrupteur, on entend un dispositif susceptible de faire passer ou couper le courant électrique traversant une charge telle une lampe. Par programmable, on entend une large possibilité d'utilisation avec diverses types de charge et de valeurs de puissance. Par automatique, on entend un mode opératoire sans intervention humaine pour accomplir une 15 tâche bien définie comme l'allumage et l'extinction de la lumière. Par charge linéaire, on entend un dispositif à comportement résistif qui consomme du courant électrique de façon linéaire telle une résistance ou une lampe. Par gradateur, on entend un dispositif destiné à modifier l'allure du courant et de la tension alternative sinusoïdale dans le but de faire varier la puissance dans la charge. 20 L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, à l'allumage automatique des lampes incandescentes, halogènes et à LED, de puissance allant de quelques watts à quelques centaines de watts. 2- ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE A ce jour, on connaît différents types de dispositif variateur (aussi appelé gradateur) de 25 l'intensité du courant électrique dans une charge (par exemple une lampe). Outre, les traditionnels gradateurs à triac ou à thyristor, fonctionnant selon le principe du hachage de la sinusoïde du courant alternatif distribué, on connaît également des dispositifs de gradateur à transistors. Dans [EP 1757174 (A2)], un commutateur intelligent pour pomper du courant élevé dans la charge est proposé et représenté par le dispositif de la figure 1. Il permet de contrôler en permanence 30 le courant dans les transistors de commutation du gradateur. Les deux transistors (26) et (24) sont contrôlés en alternance en fonction du courant traversant le composant (30) qui est l'image du courant pompé. Dans [FR 2595021 (A1)], on décrit un dispositif de commande automatique d'appareil par la lumière représenté par la figure 2. L'interrupteur constitué par un gradateur à TRIAC est contrôlé à 35 l'aide d'une cellule photoélectrique CEL reliée aux bornes du pont de diodes PONT2. Le TRIAC agit à son tours comme un interrupteur à travers un second pont de diodes PONTI, de sorte que la CHARGE est alimentée en courant gradué, dès que la cellule est éclairée et que la charge cesse d'être sous tension dès que la cellule est obstruée. Aujourd'hui, on trouve sur le marché de l'éclairage, bon nombre d'interrupteurs automatiques (aussi appelé interrupteur automatique infrarouge, ecodetecteur ou crépusculaire) qui conviennent notamment à l'allumage des lieux de passage avec des performances souvent restreintes. La première fonction demandée à ces dispositifs est d'allumer et d'éteindre automatiquement la lumière pendant une durée pré-déterminée. 3- OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de rassembler 10 en un seul dispositif l'alimentation automatique en courant d'une charge linéaire par un gradateur et un interrupteur qui répond aux critères de fonctionnement presque identique à celui d'un mécanisme d'interruption du courant classique à 2 fils. Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir un interrupteur tout électronique sans transformateur, ni bobine, ni relais, ni contacteur et ni 15 pile. Au moins un mode de réalisation particulier de l'invention a pour objectif de fournir un interrupteur électronique ayant la même fonction qu'un interrupteur classique manuel dans un circuit d'allumage par une source de courant alternative. Au moins un mode de réalisation particulier de l'invention a pour objectif de fournir un 20 interrupteur automatique suivant le contrôle de trois paramètres de détection qui sont le mouvement, la lumière et l'ambiance. Au moins un mode de réalisation particulier de l'invention a pour objectif de fournir un interrupteur automatique pour des charges linéaires telles que, une lampe incandescente, une lampe halogène et une lampe à LED faible consommation. 25 Au moins un mode de réalisation particulier de l'invention a pour objectif de fournir un interrupteur capable de commandes des charges de quelques Watt à quelques centaines de Watt. Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un interrupteur de remplacement facile à monter fil par fil à l'emplacement et lieu d'un interrupteur classique manuel traditionnel. 30 Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un interrupteur avec une consommation au repos inférieur au Watt et dont l'installation est très simple, ne nécessitant aucune intervention, ni réglage et ni ajustement à cause de la régulation automatique de la puissance de la charge en place. Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un 35 interrupteur avec un indice IP65 et d'un système de protection contre la surcharge et le court_circuit. Enfin, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un autre objectif est de fournir un interrupteur automatique intelligent à la portée du grand public, facile à mettre en place et sans aucun bouton poussoir. 4- EXPOSE DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un interrupteur tout électronique à partir de la structure d'un gradateur monophasé à transistor dont la commande est fonction de la puissance de la charge. Le courant dans la charge est à tout instant égal à la somme du courant principal gradué et du courant auxiliaire de contrôle. Par conséquent, cet interrupteur ne fait pas varier le courant dans la charge qui est la fonction primaire d'un gradateur. L'interrupteur est tel qu'il ne comprend, ni transformateur, ni bobine d'inductance, ni relais, ni pile ou accumulateur et ni bouton poussoir. Il remplit intégralement la fonction de l'interrupteur 10 mécanique classique traditionnel à deux fils. L'interrupteur électronique est structuré à partir d'une configuration de gradateur monophasé constituée de deux transistors MOSFET canal N montés en têtes bêches. Le gradateur ainsi constitué est formé par deux interrupteurs de puissance entièrement contrôlable et unidirectionnel où on contrôle un transistor par alternance. On autorise ainsi le passage du courant durant un temps déterminé tO de 15 la demi-période. Ce temps est défini par le rapport cyclique, qui est le rapport du temps de fermeture divisé par la demi-période, représentatif de la valeur de la puissance de la charge vue aux bornes du réseau. L'autre portion de temps assure la fourniture de l'énergie auxiliaire nécessaire à la commande et au contrôle de l'ensemble interrupteur. Le signal PWM (Pulse Width Modulation en anglais) de commande ainsi obtenu doit être synchrone avec la tension aux bornes de l'interrupteur. 20 L'interrupteur est tel qu'il comprend un pont redresseur à diodes délivrant l'alimentation auxiliaire de l'électronique de commande et les signaux nécessaires aux contrôles des deux transistors MOSFET canal N. L'interrupteur est tel qu'il comprend un bloc de détection, composé d'un détecteur de mouvement, d'un détecteur de lumière et d'un détecteur d'ambiance qui sont destinés à fournir la 25 fonction automatique gérée par un microcontrôleur. L'interrupteur est tel qu'il comprend aussi un bloc de détection, composé d'un détecteur de passage par zéro pour la synchronisation du signal PWM et de la saturation des MOSFET pour la protection contre une éventuelle surcharge et court-circuit. De façon avantageuse et intelligente, on donne au microcontrôleur le choix de choisir le 30 moment opportun pour envoyer ou couper le courant dans la charge suite à une succession de choix multiple enregistré dans sa mémoire et qui est le produit de l'association des trois paramètres de détection. Avantageusement, les circuits électroniques de contrôle de l'interrupteur fournissent au microcontrôleur les informations utiles pour la protection et l'ordre de commande des des transistors. 35 Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de l'utilisation d'un gradateur qui utilise l'autre partie non graduée pour alimenter et gérer son électronique de commande et de contrôle. Le courant dans la charge, ici une lampe, voit ainsi sa valeur, à tout instant, à 100% de sa valeur nominale. En d'autre terme le courant dans la lampe est égal au courant de gradation (pendant tO sur une demi-période) plus le courant auxiliaire (pendant tl sur le reste de cette demi-période). De cette façon, on peut choisir et même réguler le courant dans les transistors en fonction de la puissance nominale de différentes charges. Une désaturation est tout de suite générer en cas de court-circuit. Ainsi, l'interrupteur accepte de fonctionner avec tous les types de charges linéaires comme, lampe à incandescence, lampe halogène et les lampe à LED. En particulier, Il convient aussi parfaitement aux lampes dites « à faible consommation ». De façon avantageuse, l'interrupteur ne consomme au repos qu' avec un minimum de courant 10 utile au microcontrôleur de la technologie nanowatt. Avantageusement, lesdits moyens de commande et de contrôle comprennent au moins un microcontrôleur configuré pour : - recevoir une première information relative au passage par zéro de la tension alternatif ; - recevoir en second lieu les informations relative à la puissance de la charge en place ; 15 - scruter en permanence en troisième lieu la saturation des transistors MOSFET ; - recevoir en quatrième lieu les informations relatives à la détection des trois paramètres pour l'automatisation de l'allumage : - générer un ensemble de signaux de commande à partir desdites première, seconde, troisième et quatrièmes informations ; 20 - transmettre ledit ensemble de signaux de commande vers chaque bloc de pilotage de transistor MOSFET. Avantageusement, avec lesdits moyens de commande, de contrôle et ladite structure de puissance, la fabrication est simple, peu coûteuse et moins encombrant. Aussi pour avoir un fonctionnement encore plus sûr de l'interrupteur, l'ensemble de la partie électronique peut être enrober 25 dans de la résine garantissant ainsi la caractéristique de l'indice de protection IP65 contre les poussières et les jets d'eau. Dans un autre mode de réalisation, l'invention concerne un circuit électronique précité fonctionnant en interrupteur d'allumage de luminaire. Ainsi, il est proposé de placer cet interrupteur en lieu et place de l'interrupteur classique manuel traditionnel à deux fils en série avec une lampe de 30 230V 5- LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront décrites par la suite, donnée à titre d'exemple indicatif et non limita« et des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1, décrit ci-dessus en relation avec l'art antérieur, présente un exemple d'un gradateur 35 dispositif connu pour maîtriser le passage du courant fort dans la charge ; - la figure 2, décrit ci-dessus en relation avec l'art antérieur, présente un exemple d'un gradateur à triac connu d'un dispositif de commande automatique par la lumière ; - la figure 3 présente le schéma détaillé de l'interrupteur selon un mode de réalisation particulière de l'invention ; - la figure 4 présente des formes d'onde de courant qui est à la base de l'invention. 6- DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION L'invention concerne un interrupteur pour l'alimentation en courant d'une charge. On décrit ci-après un exemple de mise en oeuvre de l'invention pour l'allumage d'une lampe. Bien entendu, cet exemple est purement illustratif et non limitatif. Ainsi, l'invention pourrait être utilisée pour le pilotage 10 d'autres charges linéaires ou appareils électriques, comme une cafetière par exemple. La figure 3 présente le schéma détaillé de l'interrupteur selon un mode de réalisation particulière de l'invention. L'interrupteur programmable automatique (200) représenté par les deux bornes de connexion (K1,K2) est branché en série avec la lampe (100) aux bornes d'une source de tension alternative du 15 réseau (L,N). L'interrupteur électronique (200) comprend un branchement principal constitué par un gradateur à deux transistors MOSFET, canal N, (301) et (302) montés en tête-bêche (source commune) dont les drains respectifs sont reliés aux bornes de connexions K1 et K2. L'interrupteur électronique (200) comprend un branchement auxiliaire constitué par un pont 20 de 4 diodes (201, 202, 203 et 204) qui fournissent au bloc de contrôle et de commande (300) les signaux d'informations de base nécessaire au pilotage des transistors MOSFET. Dans cette exemple de réalisation, le pont de diodes comprend deux points de connexion Ul et U2. Le point U1 est connecté au bloc (303) qui fournit les informations de passage par zéro de la tension du réseau et de la saturation des transistors MOSFET. Le point U2 est connecté au bloc (305) 25 qui fournit la tension d'alimentation auxiliaire de tout le bloc de contrôle et commande (300). Dans l'exemple de la figure 3, le bloc (300) comprend : - un bloc (303) qui détecte le passage par zéro et mesure la saturation des MOSFET ; - un bloc (304) qui détecte et traite les trois paramètres pour l'automatisation dont : - un détecteur de mouvement par infrarouge 30 - un détecteur de lumière par cellule électroluminescence - un détecteur d'ambiance par un électret - un bloc (305) qui fournit l'alimentation auxiliaire ; - un bloc (306) qui reçoit et traite les informations via (303), (304) et (305) pour piloter les transistors MOSFET par l'intermédiaire des deux pilotes (driver en anglais) (326) et (336) ; 35 - et un dernier bloc (316) comprenant un microcontrôleur qui est le centre de calcul de toutes les opérations. Dans l'exemple de réalisation de l'interrupteur (200), tous les signaux U1, U2, G1 et G2 sont référencés au seul et même point M. Le bloc (200) se présente par rapport aux deux bornes de connexion K1 et K2 comme un interrupteur manuel fictif K. La figure 4 représente l'illustration de la forme d'onde de courant dans le circuit de la figure 3 pendant la fermeture de l'interrupteur (200). Dans cette exemple de réalisation, à la fermeture de l'interrupteur (200) (ou de l'interrupteur fictif K) on laisse passer dans la charge, représentée par la lampe (100), un courant sinusoïdal représentatif de la puissance nominal de la lampe vis-à-vis du réseau d'alimentation représenté par (L,N) Dans l'exemple de la figure 3, le branchement principal constitué par la paire de transistors (301) et (302) est parcouru par le courant C 1 (courant principal) qui est bien la forme d'onde attendue du courant d'un gradateur. L'angle de retard d'allumage est ici représenté par tO, une portion du temps T représentatif de la demie-période du réseau. Dans l'exemple de la figure 3, le branchement auxiliaire raccordé aux bornes du pont de diodes est parcouru par le courant C2 (courant auxiliaire) qui est bien la forme d'onde complémentaire à Cl sur une demie-période du réseau. Son angle de retard d'allumage est représenté par tl tel que : t1=Tt0 Dans l'exemple de la figure 3, la lampe 100 est parcouru par le courant nominal C3 sinusoïdal, qui est à tout instant l'équivalent de la somme des deux courants Cl et C2 quelque soit l'angle de retard 20 d'allumage représenté par tO. Et enfin, dans l'exemple de réalisation de la figure 3, ladite invention ne fonctionne pas en variateur de courant dans la lampe. Il est juste prévue pour fonctionner comme un interrupteur classique tout ou rien. REVENDICATIONS1. Interrupteur programmable automatique (200) caractérisé en ce que ledit interrupteur comprend, entre une première borne K1 et une deuxième borne K2 : - un branchement principal parcouru par un courant C1, comprenant une paire de transistors MOSFET (301) et (302) qui fonctionne en gradateur ; et - un branchement auxiliaire parcouru par un courant C2, comprenant un pont de diodes (201), (202), (203) et (204) qui fonctionnent, au moins en partie en redresseur ; 2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit branchement principal comprend un gradateur monophasé à transistors montés en têtes bêche, pilotés par un microcontrôleur dans un bloc de contrôle et de commande (300), et en ce que ledit branchement auxiliaire alimente le bloc de contrôle et de commande (300) en informations de base. 3. Interrupteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit bloc de contrôle et de commande (300) comprend au moins un premier bloc de contrôle (303) qui fournit des informations telles que, la détection du passage par zéro de la tension et la mesure de la saturation des transistors, pour le bloc de commande (306). 4. Interrupteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit bloc de contrôle et de commande (300) comprend au moins un deuxième bloc de contrôle (304) qui fournit, au bloc de commande (306), les trois paramètres nécessaires à l'automatisation de l'allumage de la charge (100), ledit deuxième bloc de contrôle étant constitué de : - un détecteur de mouvement par infrarouge ; et - un détecteur de lumière avec une cellule photosensible ; et - un détecteur d'ambiance avec un électret. 30 5. Interrupteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit bloc de contrôle et de commande (300) comprend au moins un troisième bloc d'alimentationauxiliaire (305) qui alimente toute l'électronique de contrôle et de commande du dispositif. 6. Interrupteur selon les revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que ledit bloc de 5 commande (306) comprend au moins un microcontrôleur (316) et au moins un bloc de pilotage (driver en anglais) par transistors MOSFET (326) et (336), caractérisé en ce que ledit bloc de commande (306) est configuré de telle sorte qu'il fournit : - le minimum de courant consommé pendant le blocage de l'interrupteur ; - les paramètres d'allumage en fonction de la puissance de la charge ; 10 - l'ordre de commande d'ouverture et de fermeture de l'interrupteur ; - la décision d'interruption d'allumage en cas de surcharge ou/et de court-circuit. 7. Interrupteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit microcontrôleur (316) configuré pour : 15 - recevoir une première information relative au passage à zéro de la tension du réseau ; - recevoir une seconde information relative à la saturation des transistors MOSFET ; - recevoir une troisième information relative à la détection d'un mouvement ; 20 - recevoir une quatrième information relative à la variation de la lumière ; - recevoir une cinquième information relative à une variation d'ambiance ; - générer un ensemble de signaux de commande à partir desdites première, deuxième, troisième, quatrième et cinquième informations ; - transmettre ledit ensemble de signaux de commande vers lesdits blocs de 25 pilotage (326) et (336). 8. Interrupteur selon toutes les revendications, caractérisé en ce que le dit interrupteur en mode passant est parcouru par un courant C3 qui est l'image de la somme des deux courants Cl et C2 desdits branchements principal et auxiliaire, caractérisé en ce 30 que ledit interrupteur est parcouru par le même courant C3 que celui de la charge (100).