Brevet FR3102607A1 — publié le 20210430

Module électronique de commande et installation domotique L’invention concerne un module électronique de commande (100) comprenant des premier et deuxième circuits de commande variable (120, 130) configurés pour commander au moins une charge électrique (20, 30) avec une tension efficace variable à partir d’une source électrique alternative monophasée (10), un circuit de contrôle (140) des premier et deuxième circuits de commande variable et un bloc d’alimentation (110) configuré pour alimenter le circuit de contrôle. Chaque circuit de commande variable (120 ; 130) comprend un interrupteur (121 ; 131) présent entre l’entrée et la sortie du circuit de commande variable. L’entrée de chaque circuit de commande variable est reliée à la phase (P 10 ) de la source électrique alternative monophasée (10) et la sortie (S v120 ; S v130 ) de chaque circuit de commande variable (120 ; 130) est reliée à une charge électrique. L’interrupteur de chaque circuit de commande variable est commandé par le circuit de contrôle (140) de manière à faire varier la tension efficace en sortie de chaque circuit de commande variable. Le module est caractérisé en ce que le premier circuit de commande variable (120), le deuxième circuit de commande variable (130) et le circuit de contrôle (140) comprennent chacun une masse électrique virtuelle indépendante (M v120 ; M v130 ; M v140 ). Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Module électronique de commande et installation domotique La présente invention concerne les modules électroniques utilisés en domotique pour commander des dispositifs électriques domestiques tels que des lampes ou des moteurs de volets. L’invention concerne plus particulièrement les modules, encore appelés « micro-modules », à plusieurs sorties présentant notamment un faible encombrement afin de permettre leur intégration dans des boîtiers d’interrupteur ou de prise électrique par exemple. Dans le domaine de la domotique, les modules ou « micro-modules » sont des dispositifs de taille réduite permettant de commander à distance des appareils électriques tels que des ampoules d’éclairage ou des moteurs de volets, chaque module comprenant un moyen de traitement local tel qu’un processeur. La commande à distance est réalisée par liaison radio, courant porteur, ou par toute autre liaison numérique ou analogique filaire. Il existe actuellement deux types de module électronique de commande de lumière sur le secteur. Le premier type correspond à des variateurs (en anglais « dimmers ») qui fonctionnent sans neutre mais avec une seule sortie variable. Le deuxième type de module est un module proposant deux sorties commandées. Toutefois, dans ce deuxième type de module, le fonctionnement du module requière l’utilisation du neutre. Or, il existe un besoin pour un module électronique de commande ayant plusieurs sorties variables. Il existe également un besoin pour un tel module capable de fonctionner sans neutre afin notamment de pouvoir s’adapter au câblage électrique des habitations anciennes où le neutre n’est pas disponible en tout point. A cet effet, l’invention propose un module électronique de commande comprenant au moins des premier et deuxième circuits de commande variable configurés pour commander au moins une charge électrique avec une tension efficace variable à partir d’une source électrique alternative monophasée, un circuit de contrôle des premier et deuxième circuits de commande variable et un circuit ou bloc d’alimentation configuré pour alimenter le circuit de contrôle, chaque circuit de commande variable comprenant un interrupteur présent entre l’entrée et la sortie dudit circuit de commande variable, l’entrée de chaque circuit de commande variable étant reliée à la phase de la source électrique alternative monophasée et la sortie de chaque circuit de commande variable étant reliée à ladite au moins une charge électrique, l’interrupteur de chaque circuit de commande variable étant commandé par le circuit de contrôle de manière à faire varier la tension efficace en sortie de chaque circuit de commande variable, caractérisé en ce que le premier circuit de commande variable, le deuxième circuit de commande variable et le circuit de contrôle comprennent chacun une masse électrique virtuelle indépendante. Le module électronique de commande de l’invention permet d’avoir plusieurs sorties de commande variable capables chacune de commander une charge électrique de manière indépendante et fiable, et ce sans nécessiter de connexion du module au neutre. En effet, dans le cas d’un module électronique de commande à une seule sortie variable la masse virtuelle de l’interrupteur est habituellement connectée à la masse du circuit de contrôle. Dans le cas d’un module ayant plusieurs sorties variables, cela n’est pas possible car la masse virtuelle de chaque circuit de commande variable dépend du niveau de variation propre du circuit. En dotant les circuits de commande variable et le circuit de contrôle chacun avec une masse électrique virtuelle indépendante, chaque circuit de commande variable possède une référence de potentiel électrique propre qui assure un fonctionnement sans perturbation de sa sortie variable. En effet, en l’absence de neutre, si les masses virtuelles des interrupteurs des circuits de commande sont reliées à un même référentiel comme par exemple la masse du circuit de contrôle, la commande de l’état (passant ou bloqué) d’un interrupteur peut être perturbée, voire empêchée, par des niveaux de variations différents en sortie d’un autre circuit de commande variable du même module. En outre, avec une masse virtuelle indépendante pour l’interrupteur de chaque circuit de commande variable, le contrôle de sa mise en conduction peut être réalisé avec un faible niveau de tension. Selon une caractéristique particulière du module de l’invention, le circuit ou bloc d’alimentation est relié à au moins une sortie d’un circuit électronique de commande variable, ledit circuit d’alimentation comprenant au moins un composant de stockage d’énergie électrique et une masse virtuelle indépendante des masses virtuelles des premier et deuxième circuits de commande variable et du circuit de contrôle et dans lequel le circuit de contrôle est configuré pour commander l’interruption de la conduction entre l’entrée et la sortie de chaque circuit de commande variable en fonction d’un angle de conduction maximal déterminé. Le bloc d’alimentation du module est ainsi apte à prélever et à stocker l’énergie nécessaire pour alimenter le circuit de contrôle, et ce sans perturber la commande de la ou les charges électriques, celle-ci étant assurée par la définition d’un angle de conduction maximum. Selon une autre caractéristique particulière du module de l’invention, le circuit ou bloc d’alimentation est relié à la sortie de tous les circuits électroniques de commande variable. Cela permet comme expliqué plus loin en détails de pallier la défaillance d’une sortie ou de la charge reliée et d’allonger le temps de prélèvement d’énergie électrique. Selon une autre caractéristique particulière du module de l’invention, l’angle de conduction maximum correspond typiquement à 80% de chaque alternance de la source électrique alternative monophasée. L’angle peut être ajusté automatiquement (fonction auto-max) en fonction de la charge connectée : une ampoule à LED de faible puissance laisse passer moins de courant et peut donc nécessiter un angle de conduction réduit afin de laisser suffisamment d’énergie au circuit de contrôle. Selon une autre caractéristique particulière du module de l’invention, la masse virtuelle du circuit ou bloc d’alimentation est reliée à la phase de la source d’alimentation monophasée. Selon une autre caractéristique particulière du module de l’invention, l’interrupteur de chaque circuit de commande variable comprend deux transistors à effet de champ MOS de type N. L’invention a également pour objet une installation domotique comprenant une pluralité de charges électriques commandées par un ou plusieurs modules électroniques de commande selon l’invention. La figure 1 est un schéma d’un module électronique de commande conformément à un mode de réalisation de l’invention, La figure 2 est un schéma électronique d’un interrupteur d’un circuit de commande variable du module de la figure 1, La figure 3 est un schéma électronique d’un interrupteur d’un autre circuit de commande variable du module de la figure 1, La figure 4 est un schéma électronique du bloc d’alimentation du module de la figure 1, La figure 5 montre la forme des signaux en entrée et en sortie des circuits de commande variable ainsi que le signal obtenu pour le stockage d’énergie par le bloc d’alimentation du module de la figure 1. Un module électrique de commande 100 conforme à un mode de réalisation de l’invention est représenté à la figure 1. Le module 100 comprend un bloc d’alimentation 110, un premier circuit de commande variable 120, un deuxième circuit de commande variable 130 et un circuit de contrôle 140. Le circuit de contrôle 140 comprend un contrôleur ou générateur de signaux de commande 141, une ou plusieurs entrées filaires 142 et un récepteur sans fil 143. La ou les entrées filaires 142 sont reliées au contrôleur 141 et sont destinées à transmettre à celui-ci des signaux d’entrée transmis par exemple par un interrupteur, une sonnette ou une sortie de contact d’alarme, etc. Le récepteur sans fil 143 est également relié au contrôleur 141 afin de lui transmettre des signaux d’entrée envoyés par exemple par une télécommande, un téléphone ou une tablette, etc. Le module électrique de commande 100 est relié à une source électrique alternative monophasée 10 via un conducteur 11. Les premier et deuxième circuits de commande variable 120 et 131 comprennent chacun respectivement un interrupteur commandé 121 et 131. Les interrupteurs commandés 121 et 131 sont chacun reliés, d’une part, au circuit de contrôle 140 qui assure via des signaux de commande S c120 et S c130 leur commande variable et, d’autre part, à la phase P 10 de la source électrique alternative monophasée 10. La sortie de l’interrupteur commandé 121 correspond à la sortie variable S v1 20 du premier circuit de commande variable 120 qui, dans l’exemple décrit ici, est reliée à une ampoule 20. De même, la sortie de l’interrupteur commandé 131 correspond à la sortie variable S v 130 du deuxième circuit de commande variable 130 qui, dans l’exemple décrit ici, est reliée à un moteur 30. La variation en sortie de chaque circuit électronique de commande est réalisée par une transmission partielle du signal sinusoïdal présent en entrée de l’interrupteur de chaque circuit pilotée par le circuit de contrôle 140. Conformément à l’invention, le premier circuit de commande variable 120 comprend une première masse virtuelle M v1 20 tandis que le deuxième circuit de commande variable 130 comprend une deuxième masse virtuelle M v130 indépendante de la première masse virtuelle M v1 2 0 . A cet effet, le premier circuit de commande variable 120 comprend une barrière d’isolation B i120 qui isole le circuit du reste des circuits du module 100, la transmission des signaux de commande entre le circuit de contrôle 140 et le premier circuit électronique de commande variable 120 étant assurée par un premier opto-coupleur 12. De même, le deuxième circuit de commande variable 130 comprend une barrière d’isolation B i13 0 qui isole le circuit du reste des circuits du module 100, la transmission des signaux de commande entre le circuit de contrôle 140 et le deuxième circuit électronique de commande variable 130 étant assurée par un deuxième opto-coupleur 13. Les barrières d’isolation assurent un bon fonctionnement des masses virtuelles. On utilise ici de manière préférentielle des opto-coupleurs car ils constituent des moyens simples et économiques pour la réalisation des barrières d’isolation. Toutefois, d’autres moyens tels que des amplificateurs soustracteurs aptes à soustraire le niveau de la masse virtuelle des transistors au signal de commande peuvent être utilisés pour réaliser les barrières d’isolation. Chaque circuit de commande variable est formé de deux transistors. Dans l’exemple décrit ici et comme illustré sur les figures 2 et 3, l’interrupteur 121 du premier circuit de commande variable 120 comprend deux transistors à effet de champ MOS de type N (N-MOS) 122 et 123 (figure 2) tandis que l’interrupteur 131 du deuxième circuit de commande variable 130 comprend deux transistors à effet de champ N-MOS 132 et 133 (figure 3). La phase P 10 de la source électrique alternative monophasée 10 est reliée au drain D respectivement des transistors 122 et 132, tandis que la grille G des transistors 122, 123, 132 et 134 est reliée au circuit de contrôle 140. La première masse virtuelle M v120 du premier circuit de commande variable 120 est connecté au point jonction entre les transistors 122 et 123 . La sortie variable S v1 20 du premier circuit de commande variable 120 est prise sur le drain D du transistor 123. De même, la deuxième masse virtuelle M v130 du deuxième circuit de commande variable 130 est connecté au point jonction entre les transistors 132 et 133. La sortie variable S v 130 du deuxième circuit de commande variable 130 est prise sur le drain D du transistor 133. L’interrupteur des circuits de commande peut également être réalisé avec des transistors à effet de champ MOS de type P (P-MOS), ou des transistors bipolaires à grille isolée N-IGBT ou IGBT, ou encore des transistors bipolaires NPN ou PNP. Les deux transistors d’un interrupteur, à savoir ici les deux transistors 122 et 123 de l’interrupteur 121 et les deux transistors 132 et 133 de l’interrupteur 131, assurent chacun la conduction pendant une alternance du signal sinusoïdal de la source électrique 10. Dans l’exemple décrit ici, les transistors 122 et 132 assurent la conduction pendant les alternances positives du signal sinusoïdal de la source 10 tandis que les transistors 123 et 133 assurent la conduction pendant les alternances négatives du signal de la source 10. Comme indiqué précédemment, le point jonction entre les deux transistors d’un interrupteur est connecté à une masse virtuelle indépendante et constitue la référence de potentiel pour la tension de commande des transistors. Ainsi, grâce à cette masse virtuelle, il suffit de fournir une faible tension à la grille (cas des transistors à effet de champ) ou un faible courant à la base (cas des transistors bipolaires) des transistors pour mettre en conduction l’un des deux, à savoir celui-ci qui est polarisé positivement à l’instant considéré. En effet, la tension d’entrée fournie par la source électrique 10 étant alternative, chaque transistor voit cette tension comme étant positive lors d’une seule des deux alternances (positive ou négative), il n’est donc mis en conduction que pendant une seule des deux alternances. La ligne de commande des deux transistors (i.e. la commande de la grille ou de la base ou) peut être faite indépendamment pour chaque transistor. Elle peut néanmoins aussi être une commande unique. Lorsqu’un qu’un des transistors est dans l’état passant, l’autre peut être dans l’état bloqué. Il est donc nécessaire de s’assurer que le courant passe par un autre chemin lorsqu’un transistor est bloqué afin d’acheminer le courant vers la sortie de chaque circuit de commande variable (sorties S v1 20 et S v 130 ). Dans le cas de transistors à effet de champ MOS, ceux-ci comprennent déjà une diode intrinsèque inverse (encore appelée « body diode »), notée D in sur les figures 2 et 3, qui assure le passage du courant entre la source et le drain du transistor lorsque celui-ci est dans l’état bloqué. En revanche, si le transistor est dans l’état passant, le courant peut circuler dans les deux sens de sorte que le courant circulant en inverse se répartit entre la diode intrinsèque et le transistor. Les transistors bipolaires à grille isolée IGBT intègrent également une diode intrinsèque inverse. Pour les autres types de transistors bipolaires (NPN ou PNP), il faut ajouter une diode en inverse en parallèle de chaque transistor. L’utilisation d’une masse virtuelle indépendante pour chaque circuit de commande variable permet d’assurer une commande fiable des transistors, et ce avec une faible tension de commande. En effet, si les masses virtuelles des interrupteurs à transistors des circuits de commande sont reliées à un même référentiel comme par exemple la masse du circuit de contrôle, la commande de l’état (passant ou bloqué) des transistors d’un interrupteur peut être perturbée, voire empêchée, par des niveaux de variations différents en sortie d’un autre circuit de commande variable d’un même module. Plus précisément, la tension de référence pour pouvoir commander les transistors MOS correctement est le point milieu entre ces deux transistors. La commande des grilles ("gate") des transistors MOS doit être référencée par rapport à ce point. En effet, on commande un transistor MOS en appliquant une tension entre la grille et la source. Comme les deux transistors sont montés tête bêche (pour un fonctionnement en alternatif), les deux sources sont connectées entre elles et forment un point de référence pour les deux transistors MOS qui est utilisé comme masse virtuelle. La tension de cette masse virtuelle est en pratique environ la moitié de la tension entre l'entrée phase et la sortie variée (i.e. la tension efficace transmise à l'ampoule ou au moteur) car les deux transistors ont un fonctionnement symétrique. Cette tension dépend donc directement du niveau de variation choisi par l'utilisateur. Avec un seul circuit de commande variable, il n’y a pas de difficulté car on peut tout référencer par rapport au point milieu qui peut devenir une masse locale pour la carte du circuit, en particulier pour le circuit de contrôle. En revanche, avec deux circuits de commande variable ou plus, les points milieux des différentes sorties sont à des tensions différentes, car le réglage de variation est différent sur chaque sortie. De plus ces tensions ne sont pas flottantes entre elles puisqu'elles sont toutes liées à la phase. L’indépendance des masses virtuelles entre les différents circuits de commande variable et le circuit de contrôle assurent un fonctionnement fiable du module électronique de commande. Le bloc d’alimentation 110 est destiné à délivrer un courant continu CC en particulier aux éléments du circuit de contrôle 140 à partir du signal de source électrique alternative monophasée 10. Le bloc d’alimentation 110 fonctionne donc comme un convertisseur de courant alternatif (CA) en courant continu (CC) basse tension. La tension alternative en entrée du bloc d’alimentation étant généralement élevée (tension du secteur par exemple), le convertisseur de tension agit en général comme un abaisseur de tension (topologie « flyback » si besoin d’une isolation galvanique ou « buck » sans isolation galvanique). La figure 4 illustre le circuit du bloc d’alimentation 110 qui comprend un condensateur C 11 0 dont une borne est reliée aux sorties S v1 20 et S v130 des circuits de commande variable 120 et 130 et à l’entrée d’un régulateur de tension continue 111 et dont l’autre borne est reliée à la masse du régulateur de tension continue 111. Le régulateur de tension délivre en sortie une tension continue V 111 . La source d’énergie en entrée du bloc d’alimentation 110 est de préférence reliée à toutes les sorties des circuits de commande variable présentes dans le module électronique de commande, à savoir dans l’exemple décrit ici les sorties S v1 20 et S v130 respectivement des circuits de commande variable 120 et 130. En effet, la mutualisation du prélèvement d’énergie nécessaire au fonctionnement du bloc d’alimentation entre toutes les sorties variables disponibles dans le module présente les avantages suivants : - si un circuit de sortie est interrompu par défaillance ou absence de la charge reliée à la sortie, comme par exemple une ampoule grillée ou un moteur de volet roulant à butée électromécanique, alors le bloc d’alimentation peut prendre l’énergie nécessaire entre les autres sorties et son entrée ; - si l’angle de conduction est différent entre les sorties, le bloc d’alimentation peut récupérer de l’énergie entre la sortie ayant l’angle de conduction le plus faible et l’entrée, c’est-à-dire la sortie présentant une différence de potentiel pendant l’intervalle le plus long avec l’entrée ; - si le type de charge est différent entre les sorties, par exemple une charge capacitive sur une sortie et une charge inductive sur une autre sortie, alors les deux sorties ne vont pas conduire en même temps. Une sortie sera mise en conduction au début de la sinusoïde alors que l’autre sera mise en conduction jusqu’à la fin de la sinusoïde. Ainsi, les intervalles d’ouverture des sorties, pendant lesquels le bloc d’alimentation peut récupérer de l’énergie, ne coïncident pas et sont distincts. Le bloc d’alimentation dispose alors de deux intervalles au lieu d’un pour recharger son condensateur. En outre, la masse virtuelle M v 11 0 du bloc d’alimentation 110 est indépendante des masses M v120 et M v130 des sorties S v120 et S v130 afin d’assurer la charge du condensateur en cas d’interruption d’un circuit de sortie comme indiqué ci-avant. La masse M v 11 0 du bloc d’alimentation est connectée de préférence, mais non exclusivement, à la phase P 10 de la source 10 car cela constitue une solution économique et simple techniquement. L’énergie nécessaire au fonctionnement des éléments du module électronique de commande 100 tels que notamment le circuit de contrôle 140 est stockée dans le condensateur C 11 0 pendant le temps où la sortie des circuits de commande variable n’est pas en conduction avec l’entrée qui correspond à la durée pendant laquelle il existe une différence de potentiel entre l’entrée et la sortie des circuits de commande variable. L’interruption de la conduction entre l’entrée et la sortie des circuits de commande variable est commandé par le circuit de contrôle 140. Afin de pouvoir stocker suffisamment d’énergie, l’angle de conduction maximum, qui correspond au maximum de transmission d’énergie à la charge (ampoule allumée au maximum de son intensité lumineuse par exemple), représente typiquement 80% de la totalité de la sinusoïde. La figure 5 illustre un exemple d’interruption du signal sinusoïdal en l’absence de neutre permettant d’avoir une différence de potentiel entre l’entrée et la sortie d’un circuit de commande variable pour la charge du condensateur du bloc d’alimentation. Sur la figure 5, le signal sinusoïdal en entrée d’un circuit de commande variable est interrompu en sortie de ce circuit sur une durée définie par l’angle de conduction maximal qui est choisi ici pour laisser passer environ 80% de chaque alternance du signal sinusoïdal en entrée d’un circuit de commande variable. L’angle restant définit la durée pendant laquelle la sinusoïde est interrompue et, par conséquent, la tension disponible pour la charge du condensateur du bloc d’alimentation. Dans le cas d’un module électronique de commande recevant des signaux d’entrée de dispositifs à isolation galvanique comme un bouton de sonnette ou une sortie de contact d’alarme, le bloc d’alimentation est également pourvu d’une isolation galvanique assurée par exemple par un transformateur. Dans le cas d’une commande variable d’une charge requérant un niveau de puissance important, les deux sorties (ou plus si le module comprends plus de deux circuits de commande variable) des circuits de commande variable peuvent être mises en parallèle pour la commande d’une même charge. Le module électronique de commande de l’invention peut comporter plus de deux circuits de commande variable en fonction des besoins. En dotant chaque circuit de commande variable d’un même module électronique de commande d’une masse virtuelle indépendante, le module de l’invention permet une commande variable fiable des charges électriques. Le module électronique de commande de l’invention est ainsi apte à fonctionner sans référence de potentiel externe, en particulier le neutre. Le module de l’invention est en outre parfaitement adapté pour commander de manière variable des charges de nature différente comme par exemple une ampoule et un moteur de volet sans que la commande variable d’une de ces charges perturbe la commande variable de l’autre charge. Le module électronique de commande de l’invention est particulièrement adapté pour être intégrée dans des logements déjà existants pour les interrupteurs ou prises électriques, et ce même dans des habitations anciennes où le neutre n’est pas toujours disponible au niveau des interrupteurs ou prises électriques. Module électronique de commande (100) comprenant au moins des premier et deuxième circuits de commande variable (120, 130) configurés pour commander au moins une charge électrique (20, 30) avec une tension efficace variable à partir d’une source électrique alternative monophasée (10), un circuit de contrôle (140) des premier et deuxième circuits de commande variable et un bloc d’alimentation (110) configuré pour alimenter le circuit de contrôle, chaque circuit de commande variable (120 ; 130) comprenant un interrupteur (121 ; 131) présent entre l’entrée et la sortie dudit circuit de commande variable, l’entrée de chaque circuit de commande variable étant reliée à la phase (P 10 ) de la source électrique alternative monophasée (10) et la sortie (S v120 ; S v130 ) de chaque circuit de commande variable (120 ; 130) étant reliée à ladite au moins une charge électrique, l’interrupteur de chaque circuit de commande variable étant commandé par le circuit de contrôle (140) de manière à faire varier la tension efficace en sortie de chaque circuit de commande variable, caractérisé en ce que le premier circuit de commande variable (120), le deuxième circuit de commande variable (130) et le circuit de contrôle (140) comprennent chacun une masse électrique virtuelle indépendante (M v120 ; M v130 ; M v140 ). Module selon la revendication 1, dans lequel le bloc d’alimentation (110) est relié à au moins une sortie (S v120 ; S v130 ) d’un circuit électronique de commande variable (120 ; 130), ledit circuit d’alimentation comprenant au moins un composant de stockage d’énergie électrique (C 110 ) et une masse virtuelle indépendante (M v110 ) des masses virtuelles (M v120 ; M v130 ; M v140 ) des premier et deuxième circuits de commande variable (120, 130) et du circuit de contrôle (140) et dans lequel le circuit de contrôle est configuré pour commander l’interruption de la conduction entre l’entrée et la sortie de chaque circuit de commande variable (120 ; 130) en fonction d’un angle de conduction maximal déterminé. Module selon la revendication 2, dans lequel le circuit d’alimentation (110) est relié à la sortie de tous les circuits électroniques de commande variable (120, 130). Module selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’angle de conduction maximal correspond à 80% de chaque alternance de la source électrique alternative monophasée (10). Module selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la masse virtuelle du circuit d’alimentation (M v110 ) est reliée à la phase (P 10 ) de la source d’alimentation monophasée (10). Module selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’interrupteur (212 ; 131) de chaque circuit de commande variable (120 ; 130) comprend deux transistors à effet de champ MOS de type N (122, 123 ; 132, 133). Installation domotique comprenant une pluralité de charges électriques commandées par un ou plusieurs modules électroniques de commande (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.