FR2461407A1

FR2461407A1 - Interrupteurs de courant alternatif utilisant des transistors a effet de champ

Info

Publication number: FR2461407A1
Application number: FR8014735A
Authority: FR
Inventors: Arlon D Kompelien
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1979-07-02
Filing date: 1980-07-02
Publication date: 1981-01-30
Also published as: IT1127506B; IT8049143A0; GB2053610A; DE3024390A1; US4280069A; CA1154089A

Abstract

CIRCUIT INTERRUPTEUR DE COURANT ALTERNATIF UTILISANT UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP. LE CIRCUIT INTERRUPTEUR DE COURANT ALTERNATIF COMPREND UNE SOURCE DE COURANT ALTERNATIF 22, UNE CHARGE 21 ET UN INTERRUPTEUR COMPRENANT UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP 10 EN SERIE, DEUX DIODES 16, 17 CONNECTEES ENTRE LES DEUX BORNES DE CANAL 12, 13, DU TRANSISTOR ET LE SUBSTRAT 15, UN MOYEN CAPACITIF POUR FOURNIR DU COURANT CONTINU, UN CIRCUIT SENSIBLE A UNE CONDITION 60 EXCITE PAR LE MOYEN CAPACITIF ET UN CIRCUIT SEMI-CONDUCTEUR DE COMMUTATION 41, 46 ET 54 ASSURANT LA COMMANDE DU TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP 10 EN REPONSE A UN SIGNAL DE SORTIE DIFFERENTIEL PROVENANT DU CIRCUIT 60, LEDIT MOYEN CAPACITIF COMPRENANT UN CONDENSATEUR 65 ET UNE DIODE 68 EXCITEE PAR LA SOURCE 22 INDEPENDAMMENT DU TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP. APPLICATION A LA COMMANDE DE PLUSIEURS CHARGES.

Description

La présente invention se rapporte à des circuits dans

lesquels un courant est transmis à une ou plusieurs charges par l'in-

termédiaire de transistors à effet de champ utilisés comme interrup-

teurs. Un transistor à effet de champ utilisé dans ce but est essentiellement symétrique et il se compose d'un canal placé entre deux électrodes (la source et le drain)et une électrode de commande,

ou grille,isolée dudit canal mais placée dans une position adjacente.

Pour un transistor à effet de champ à grille isolée par canal p,le le dispositif est commuté dans la condition de conduction en rendant la

grille plus négative que la source(la plus positive des deux électro-

des de canal) d'une valeur au moins égale à la tension de seuil,qui est typiquement de 2 volts. Si la tension de grille est égale à la

tension de source,le transistor à effet de champ est bloqué. Ce ré-

sultat peut être obtenu en reliant la grille au substrat,qui assure en fait sa connexion à la source,puisque le substrat est normalement maintenu à la tension de source. Les rôles de la source et du drain sont évidemment permutés entre les deux électrodes de canal lors de

l'alternance du courant alternatif d'alimentation.

Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique déposé par la Demanderesse sous le numéro 2.039.429 A, on a décrit une diversité d'interrupteurs de courant alternatif à transistors à effet de champ. Leur fonctionnement est toujours fonction de l'existence

d'une paire de diodes entre les deux électrodes de canal et le subs-

trot du transistor à effet de champ;les diodes sont constituées,dans la plupart des cas,par les diodes intrinsèques ou parasites de la structure de transistor à effet de champ. On a décrit dans ce brevet une diversité de circuits utilisant le substrat comme un point de référence à partir duquel on produit une tension de commande qui est appliquée à l'électrode de canal du transistor à effet de champ pour

le rendre conducteur ou pour le bloquer.

Cependant,la plupart de ces circuits connus produisent la tension de commande nécessaire en utilisant une circulation de

courant passant dans la structure de diode interne entre les électro-

des de canal et le substrat. En faisant passer une petite quantité de courant dans la structure interne,comme cela sera expliqué dans la suite, on peut créer une source de courant se présentant sous la forme d'un condensateur chargé. Dans ces conditions,le condensateur est disponible pour assurer la commutation d'un seul transistor à effet de champ et d'une charge correspondante. Ce circuit n'est pas comodément adaptable à la commutation commandée d'un certain nombre de charges individuelles. Dans le cas o plusieurs charges

doivent être commandées par des transistors à effet de champ respec-

tifs,il faudrait prévoir un condensateur ou une source de courant séparée pour chacune desdites charges. Il en résulterait évidemment une augmentation du coOt,de la complexité et des dimensions du

système de commande.

En conséquence,la présente invention concerne un circuit de commande de courant alternatif comprenant une source de courant alternatif,une charge et un interrupteur comportant un transistor à effet de champ,tous ces éléments étant connectés en série,deux diades connectées entre les deux bornes de ccial du transistor à effet de choep et son substratun circuit de stockage et redressement

à condensateur-diode qui est excité par la source de courant alterna-

tifrun circuit sensible à une condition qui est excité par le circuit

de stockage et redressement,et un circuit de commutation à semi-

conducteurs qui est connecté à la grille et au substrat du transistor à effet de champ et qui est commandé par le circuit sensible à une

condition pour assurer la mise en condition et le blocage du transis-

tor à effet de champ.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention

seront mis en évidence dans la suite de la description,donnée à ti-

tre d'exemple non limitatif,en référence aux dessins annexés dans lesquels: 24z14O7 Figs. 1 et 2 représentent des circuits de type connu; Fig.3 représente un circuit de commande d'une seule charge; Fig.4 représente une variante du circuit de la figure 3; et Fig.5 représente un circuit de commande de plusieurs charges. On a représenté sur les figures 1 et 2 deux systèmes de commande de type connu. Ces systèmes permettent d'expliquer le fonctionnement d'un dispositif à transistor à effet de champ qui est

utilisé comme un interrupteur de courant.

Sur la figure lreprésentée sous une forme très simpli-

fiée,on a indiqué un transistor à effet de champ 10 comportant un canal 11 et deux électrodes ou bornes de canal 12,13. Ce dispositif est un transistor à effet de champ à canal p, dans lequel la source constitue l'électrode la plus positive tandis que le drain constitue l'électrode la plus négative. Le transistor à effet de champ comporte également une électrode de commande 14,du type grille isolée,et un substrat 15. Entre les électrodes de canal 12, 13 et le substrat 15,il est prévu deux jonctions 16,17 formant des diodes intrinsèques; elles sont capables de conduire du courant mais

elles n'interviennent normalement pas comme des éléments conduc-

teurs de courant lors d'une utilisation normale des transistors à

effet de champ.

Le transistor 10 est connecté en série avec une charge 21 aux bornes d'une source de courant alternatif 22 de manière que le transistor 10 commande la charge 21. Le transistor à effet de champ 10 est commandé par un interrupteur 24 et une batterie 28 qui sont connectés,comme indiqué, entre la grille 14 et le

substrat 15.

Lorsque l'interrupteur 24 se trouve dans la position indiquée,il établit un court-circuit entre le substrat 15 et

la grille 14 et le transistor à effet de champ 10 est bloqué.

La nature du transistor à effet de champ à canal p est telle que, pour que le transistor soit rendu conducteur,il faut que la grille 14 soit placée à un potentiel égal ou plus négatif que la tension de seuil du transistor 10. La valeur normale de la tension de seuil est d'environ 2 volts. Avec le circuit indiqué sur la figure l,o

la grille 14 est reliée au substrat 15,la différence entre les po-

tentiels de la grille 14 et des électrodes 12,13 ne peut jamais être supérieure à la baisse de potentiel crééepar les diodes (à savoir les diodes intrinsèques 16 ou 17) par rapport à la tension

appliquée. En conséquence,lorsque le substrat 15 est mis en court-

circuit avec la grille 14,cette grille ne peut jamais atteindre un potentiel supérieur d'environ 0,5 volt à la tension de l'une ou l'autre des électrodes 12 ou 13,en fonction de la polarité de la

source 22.

Lors de la commutation de l'interrupteur 24,la batterie 28 est connectée entre le substrat 15 et la grille 14. La batterie 28 a une tension supérieure à la tension de seuil du transistor à effet de champ lO,de sorte que ce transistor 10 est rendu conducteur,

en reliant alors la charge 21 à la source 22.

On voit par conséquent que ce circuit à transistor à effet de champ de type connu peut être utilisé comme un interrupteur

du-type "fermeture" ou "ouverture" pour commander une charge alimen-

tée par une source de courant alternatif.

Un inconvénient majeur du circuit de la figure 1 consiste dans l'obligation de prévoir une batterie. La figure 2 représente un autre circuit de type connu qui élimine l'obligation de prévoir une batterie. On a représenté sur la figure 2 un transistor à effet de champ 10' qui est agencé d'une façon différente de celui de la figure 1. Le transistor 10' comporte la même structure de transistor à effet de champ que celui de la figure 1 mais on lui a ajouté une paire de transistors à effet de champ 30 et 31 qui sont connectés en parallèle avec les diodes intrinsèques 16 et 17. Chacun des transistors à effet de champ 30 et 31 a sa grille reliée en croix av

avec l'électrode opposée correspondante 13,12 du transistor princi-

pal à effet de champ 10'. Les transistors à effet de champ 30 et 31 sont utilisés pour contourner,et reproduire l'effetdes jonctions

intrinsèques 16 et 17,en les empêchant ainsi de conduire effective-

ment un courant quand le transistor principal à effet de champ 10' est en circuit. Cela correspond à un mode de fonctionnement plus souhaitable et on a fondamentalement affaire au type de dispositif à

transistor à effet de champ qui est utilisé dans le présent système.

Pour simplifier,on a représenté les circuits des figures 3 et 5 en correspondance au simple transistor à effet de champ 10 de la

figure 1.

Le transistor à effet de champ l0'(figure 2)est relié comme

auparavant à la charge 21 et à la source de courant alternatif 22.

L'électrode de commande 14 est reliée à l'interrupteur 24 et la borne d"'arrêt" est à nouveau reliée au substrat 15 du transistor '. Cependantle circuit de la figure 2 utilise un condensateur 36 et deux diodes 37 et 38 qui permettent une charge du condensateur 36 par un courant qui passe au travers des transistors internes à

effet de champ 30 et 31 en fonction de la condition de fonctionne-

ment existante. Le condensateur 36 est connecté entre la borne de marche de l'interrupteur 24 et le substrat 15 de façon à

boucler le circuit.

Le circuit de la figure 2 fonctionne d'une manière tout à

fait semblable à celle du circuit de la figure 1. Quand 1'interrup-

teur 24 se trouve dans la position représentée,le substrat 15 est mis en court-circuit avec la grille 14 du transistor à effet de champ 10',ce qui maintient ce transistor bloqué. Le substrat est maintenu à la tension de source par les transistors à effet de champ et 31 qui sont conducteurs en fonction de la polarité de la

tension appliquée entre les électrodes de canal 12 et 13 du tran-

sistor à effet de champ 10'. Le courant passant par ces transistors et 31 produit une charge du condensateur 36,le trajet du courant étant complété par les diodes 37 et 38. Ce trajet est établi dans

la condition de "blocage" du transistor à effet de champ 10'.

Lorsque l'interrupteur 24 est actionné de manière à être fermé par se borne de marche,la tension apparaissant aux bornes du condensateur 36 est appliquée entre le substrat 15 et la grille 14 de façon à rendre cette dernière suffisamment négative pour produire

une mise e conduction du transistor à effet de champ 10'.

Le circuit de la figure 2 fournit un moyen très simple et peu coOteux pour utiliser un seul transistor à effet de champ

lorsqu'il ne faut pas d'autres courants pour sa commutation.

Cependant,si du courant est nécessaire pour un circuit de commande servant à actionner l'interrupteur 24,ou bien si un groupe de transistors à effet de champ doivent être utilisés pour commander plusieurs charges, la configuration de circuit de la figure 2 peut poser des problèmes en ce qui concerne son fonctionnement et ses applications. On remédie à ces inconvénients en utilisant les

circuits des figures 3 à 5.

La figure 3 représente un système de commande pour un

transistor à effet de champ 10.

La grille 14 du transistor à effet de champ 10 est reliée au substrat 15 par un transistor a effet de champ 41. Une résistance 44 relie le substrat 15 à la Ggrille 43 du transistor à effet de champ 41. Deux transistors de commutation 46 et 54 sont connectés,

comme indiqué,aux grilles 43 et 14 par l'intermédiaire de résistan-

ces correspondantes 45 et 53.Les transistors 46 et 54 sont également reliés par l'intermédiaire d'une résistance commune 51 à une borne d'un corndensateur 65. Les transistors de commutation 46 et 54 sont commandés à partir d'un circuit sensible à une condition 60, et

par exemple un circuit amplificateur /à pont réagissant à la tempé-

rature et servant à commander la charge 21,qui peut par exemple être une charge de chauffage,telle qu'un relais servant à commander une installation de chauffage telle qu'un four/un foyer. Le moyen sensible à une condition 60 produit à sa sortie un signal de J7 commutation différentielle qui rend conducteur l'un ou l'autre des transistors 46 ou 54 tandis que l'autre est bloqué. Le circuit sensible à une condition 60 est excité par le moyen de stockage ou condensateur 65.Le condensateur 65 est relié par sa borne négative,par l'intermédiaire de la diode 68,à une borne de la source d'alimentation 22 tandis que sa borne positive est connectée

directement à l'autre borne de la source d'alimentation 22.

Le fonctionnement-de ce circuit est simple. On va d'abord supposer que la charge 21 n'est pas excitée. Le circuit

sensible à une condition 60 produit un signal de sortie différen-

tiel qui rend conducteur le transistor 46 et qui bloque le transistor 54. Le transistor 46,lorsqu'il est conducteurapplique à partir du condensateur 65 une tension négative à la grille 43

du transistor à effet de champ 41. Il en résulte une mise en conduc-

tion de ce transistor 41 et un court-circuitage de la grille 14 avec le substrat 15. Cela maintient le transistor à effet de champ ' dans la condition de blocage,de sorte que la charge 21 est désactivée. Si le circuit sensible à une condition 60 détecte une condition qui jeécessite l'excitation de la charge 21,les signaux de sortieversitransistors 47 et 53 sont inversés. Il en résulte un blocage du transistor 46,et par conséquent un blocage du transistor à effet de champ 41,ainsi qu'une mise en conduction du transistor 54.Lorsque la source de courant alternatif 22 fournit un signal positif à sa borne supérieure,la grille 14 est effectivement reliée à la borne négative de la source d'alimentation 22 par rapport à l'électrode de source 12,qui est positive. Il en résulte une mise en conduction complète du transistor à effet de champ l0,qui assure alors l'excitation de la charge 21. Lorsque le courant alternatif produit par la source 22 est inversé,il est nécessaire de rendre la grille 14 plus négative que l'électrode de source 13 d'une valeur

au moins égale à la tension de seuil,qui est d'environ 2 volts.

Ce résultat est obtenu par application de la tension apparaissant aux bornes du condensateur 65 par l'intermédiaire du transistor

54 de façon que la chute de potentiel entre la grille 14 et l'élec-

trode de source 13 soit suffisamment négative pour que le transis-

tor à effet de champ 10 devienne conducteur et reste dans cette condition. Lorsque la source de courant alternatif 22 est inversée, la tension négative apparaissant à la grille 14 est maintenue par la tension appliquée par le condensateur 65 aux deux électrodes de canal 12 et 13 puisque leur différence de tension est faible dans la

condition de conduction.

On voit par conséquent qu'une tension suffisamment négative est appliquée à la grille 14,soit par connexion directe de l'électrode de source du transistor à effet de champ 10 à la source de tension d'activation 22, soit sous l'effet de la tension qui est disponible au condensateur 65. Ce condensateur a été chargé par

l'intermédiaire de la source 68 d'une manière complètement indépen-

dante de la structure interne du transistor à effet de champ 10 proprement dit. Le condensateur 65 fournit également le courant

d'activation nécessaire au circuit sensible à une condition 60.

En conséquence,le condensateur 65,chargé indépendamment et qui n'est absolument pas relié au substrat 15 du transistor à effet de champ ,est capable d'appliquer à ce transistor 10 la tension de commande

nécessaire et de fournir également simultanément le potentiel d'ex-

citation nécessaire au circuit sensible à une condition 60 et à

ses éléments associés.

La figure 4 est une variante de la figure 3. La différence essentielle consiste en ce que le système de commande de la figure 4 utilise deux transistors à effet de champ 70 et 71 pour remplacer les transistors plus classiques 46 et 54 de la figure 3. En utilisant des transistors à effet de champ 70 et 71,il est possible d'obtenir un système de commande qui contient d'une façon générale tous les transistors à effet de champ pouvant être intégrés dans un seul substrat. Cela permet également d'expliquer l'avantage obtenu par la suppression du condensateur dans le circuit de substrat conforme

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à la figure 2. Avec le circuit de la figure 3,il n'est pas critique que la tension du substrat 15 devienne,dans la condition de "blocage" correspondant à une moitié du cycle de la source 22, plus positive que le potentiel existant d'un côté ou de l'autre du condensateur 65. Sur la figure 4,on a également mis en évidence une autre variante,consistant dans la prévision d'une autre diode 72 et d'un autre condensateur 73. La diode 72 est reliée au

condensateur 73 et elle est polarisée de manière que ce condensa-

teur 73 soit chargé,pendant le demi-cycle inverse de la source 22, par la tension de charge du condensateur 65. Cela permet d'obtenir un système de doublement de tension en double alternance. Le fonctionnement du circuit est essentiellement identique à celui de

la figure 3 et on ne répètera pas sa description,excepté pour pré-

ciser que les grilles des transistors de commande 70 et 71 peuvent maintenant se trouver à un potentiel positif identique à celui de

leur substrat pour passer dans une condition de "blocage".

La figure 5 représente deux circuits de commutation 75 et 76,qui comportent chacun des éléments individuels 10, lOa assurant la commande de charges correspondantes 21 et 21a. Il est prévu plusieurs circuits 75 et 76 pour l'ensemble du dispositif de commande,lesdits circuits étant identiques et conformes à ce qui a été indiqué sur la figure 3,excepté qu'ils utilisent un seul moyen

de stockage d'énergie et un seul redresseur se présentant respecti-

vement sous la forme du condensateur 65 et de la diode 68. En con-

séquence,un certain nombre de circuits sensibles à une condition , 60a, etc. peuvent être combinés avec un circuit logique commun et peuvent être alimentés par une seule source de courant en vue de la commande de plusieurs dispositifs à transistors à effet de

champ individuels 10 assurant l'excitation de la charge correspon-

dante 21. Il est clair que,du fait que le condensateur 65 et la diode 68 sont indépendants des électrodes de substrat 15,il ne se produit aucune interaction perturbatrice entre les différents circuits 75 et 76,comme cela serait le cas si on essayait d'utiliser un seul condensateur dans un des circuits d'électrodes de

substrat de la figure 2 pour produire une tension commune d'ali-

mentation en courant continu en vue de la commande de deux ou plusieurs transistors à effet de champ 10 indépendants. Il est évident qu'on peut commander n'importe quel nombre de transistors

à effet de champ avec ce système par un simple ajustement des carac-

téristiques de condensateur 65 et de la diode 68 pour tenir compte de la petite quantité d'énergie qui est consommée par les

circuits semiconducteurs pour la commande des différentes charges.

l

Claims

REVENDICATIONS

l.Circuit interrupteur de courant alternatif,comprenant

une source de courant alteraatif (22),une charge (21) et un inter-

rupteur comprenant un transistor à effet de champ (10),tous ces éléments étant reliés en série,deux diodes (16,17)connectées entre les deux bornes de canal (12,13) du transistor à effet de champ et c pacitif le substrat (15) de ce transistor,un moyenP pour Tournir du courant continu,un circuit sensible à une condition (60) excité par le moyen capacitif et un circuit semiconducteur de commutation

(41, 46,54) qui est commandé par le circuit sensible à une condi-

tion et qui assure la commande du transistor à effet de champ (lO), caractérisé en ce que ledit moyen capacitif comprend un condensateur (65) et une diode (68)excitée par la source de courant

alternatif (22) indépendamment du transistor à effet de champ (10).
2. Circuit interrupteur de courant alternatif selon la revendication l, caractérisé en ce que le circuit sensible à une condition (60) fournit un signal de sortie différentiel au circuit

semiconducteur de commutation (41, 46,54).
3. Cir=uit interrupteur de courant alternatif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit semiconducteur de commutation comprend un premier transistor (41)connecté entre la grille (14) et le substrat (15) du transistor à effet de champ (10), un second transistor ( 46) qui commande le fonctionnement du premier, et un troisième transistor (54) connecté à la grille du transistor à

effet de champ pour polariser cette grille quand le premier transis-

tor est bloqué.
4. Circuit interrupteur de courant alternatif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les transistors du circuit semiconducteur de commutation sont des transistors à effet de champ.
5. Circuit interrupteur de courant alternatif selon

l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que

le moyen capacitif et de redressement comprend deux condensateurs

(65,73) et deux diodes (68,72) connectés dans un circuit de double-

ment de tension.
6. Circuit interrupteur d'un ensemble de circuits interrupteurs de courant alternatif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 5,caractérisé en ce que chacun des circuits

interrupteurs comporte la source de courant alternatif et. le moyen

capacitif.