FR2653276A1 - Interrupteur electronique a alimentation continue serie. - Google Patents

Abstract

L'interrupteur électronique est monté en série avec une charge (3) entre deux pôles (1, 2) d'une alimentation électrique alternative. Il comporte un triac (10). Un circuit (26) délivre à la gâchette (10a) un signal continu d'amorçage. En série avec le triac (10) sont disposés en parallèle une résistance (21) de valeur du même ordre que la charge (3), une diode à seuil d'avalanche (24), une diode Schottky (23) et un transistor MOS (22). Une source continue (25) alimente les circuits (26 et 28). Lorsque le triac (10) reçoit un signal d'amorçage, au début de la demi-période positive de tension alternative, le passage de courant dans la résistance (21) produit une tension positive au nœud (20), qui charge un condensateur réservoir dans la source (25). Avec un retard d'environ 2 ms sur l'apparition de tension au nœud (20), le circuit (28) amène le transistor (22) à saturation, la tension au nœud (20) s'annulant sensiblement. La source (25) est alimentée par des impulsions sans que l'amorçage du triac soit retardé.

Description

L'invention a trait à un interrupteur électronique, destiné à être monté en série avec une charge, entre pôles d'une tension électrique alternative, comportant, entre une borne d'entrée et une borne de sortie un composant semiconducteur apte à laisser passer du courant dans les deux sens en réponse à un signal appliqué à une électrode d'amorçage par un circuit de commande à deux états délivrant le signal d'amorçage en premier état, équipé d'une source de tension continue alimentée par la tension alternative à travers la charge à partir au moins d'impulsions créées dans une impédance en série avec le composant semiconducteur, à l'amorçage périodique de celui-ci.

On comprend bien l'intérêt qu'il y a à réaliser des interrupteurs dont l'organe de coupure de puissance est un composant semiconducteur à amorçage commandé, tel qu'un triac, notamment en raison de la suppression des étincelles ou arcs à la mise sous tension et la coupure de la charge, et de la possibilité d'adapter les modalités de commande de fermeture et d'ouverture de l'interrupteur (bouton poussoir commandant alternativement la fermeture et l'ouverture, temporisation).

Mais la contrepartie de ces avantages est qutil est nécessaire d'équiper l'interrupteur d'une source de tension continue pour alimenter les circuits logiques qui fournissent le signal d'amorçage du triac, et qui traitent les signaux de commande entre une commande extérieure telle qu'une action manuelle sur un organe approprié, et le circuit de formation du signal d'amorçage.

Lorsque l'interrupteur est ouvert (triac non amorcés, la tension alternative se trouve appliquée aux bornes de l'interrupteur, le retour, pour cette tension, s'effectuant à travers la charge. I1 est donc possible d'alimenter une source de tension continue à travers une impédance élevée et une diode de redressement, la puissance à prélever étant minime (inférieure au watts. Le courant qui traverse alors la charge est très faible, et tout se passe, pour cette charge, comme si aucun courant ne la traversait.

Par contraste, lorsque l'interrupteur est fermé, le triac, ou un équivalent, étant passant, la tension entre bornes d'entrée et de sortie devrait s'annuler sensiblement pour que la pleine tension soit appliquée à la charge, et que la puissance dissipée dans l'interrupteur soit suffisamment basse. Le prélèvement d'énergie nécessaire pour l'alimentation de la source de tension continue doit alors être fait sur le courant traversant.

Etant donné que normalement la tension continue nécessaire pour le fonctionnement correct des circuits logiques de commande est de quelques volts, typiquement 4 à 6 volts, il n'est pas possible de prélever la tension alternative correspondante aux bornes d'une impédance passive, d'autant que, sauf exception, un interrupteur sera prévu pour s'associer à diverses charges dans une gamme de puissances nominales, par exemple de 25 à 750 watts.

L'impédance devrait être suffisante pour alimenter la source continue en série avec la charge minimale, et pouvoir dissiper la puissance correspondant à la charge maximale. On comprendra que cela est irréalisable, l'impédance de l'interrupteur étant alors supérieure à l'impédance de la charge maximale.

On a réalisé des interrupteurs électroniques en disposant, en série avec un triac (ou un composant équivalentJ, une inductance de valeur relativement faible, et en retardant l'amorçage du triac, à chaque alternance, par rapport à l'instant où le triac se désamorce, à la fin de la demi-alternance précédente. A l'amorçage du triac, la tension sur la charge prend instantanément une valeur non nulle, et le courant traversant croît très rapidement jusqu'à une valeur finie, avant de parcourir la suite de la demialternance. Cette croissance très rapide provoque, aux bornes de l'inductance, une impulsion de tension que l'on utilise pour charger, à travers une diode, un condensateur de source continue.

La brièveté de l'impulsion, par rapport à la période de la tension alternative, permet de n'emprunter que peu d'énergie au courant traversant, ce qui limite la puissance dégradée dans l'interrupteur à des valeurs raisonnables.

Toutefois cette disposition présente certains inconvénients. Les variations brutales de courant à l'amorçage du triac sont sources de parasites radioélectriques ; le retard d'amorçage nécessaire à l'obtention de la tension continue de source réduit l'angle de passage de courant dans la charge, et par suite celle-ci n'est pas alimentée sous sa tension nominale ; enfin, sauf dispositions complexes, les retards d'amorçage se produisent pour les deux demi-alternances, de sorte que l'inductance produit des impulsions alternativement positives et négatives, une sur deux seulement étant utilisée pour recharger le condensateur de source.

L'invention a pour objectif un interrupteur électronique à alimentation continue série, où le composant semiconducteur à amorçage commandé s'amorce sans retard au passage à zéro de tension entre deux demi-alternances, qui ne produit pas d'impulsions de polarité impropre à la charge d'un condensateur de la source continue, et dont la consommation d'énergie est minimale.

A ces effets, l'invention propose un interrupteur électronique, destiné à être monté en série avec une charge entre pâles d'une tension électrique alternative, comportant, entre une borne d'entrée et une borne de sortie, un composant semiconducteur apte à laisser passer du courant dans les deux sens en réponse à un signal appliqué à une électrode d'amorçage par un circuit de commande à deux états délivrant le signal d'amorçage en premier état, et équipé d'une source de tension continue alimentée par la tension alternative à travers la charge à partir au moins d'impulsions créées dans une impédance en série avec le composant semiconducteur, à l'amorçage périodique de celui-ci, caractérisé en ce que cette impédance comprend une résistance montée entre la borne d'entrée et le composant semi-conducteur, un élément semiconducteur à conduction commandée en parallèle avec la résistance et monté en sorte de devenir passant en réponse à un signal retardé prélevé sur la résistance pour un courant de premier sens, et une diode montée pour sensiblement courtcircuiter la résistance pour un courant de second sens.

On comprend que, avant que l'élément semiconducteur à conduction commandée devienne passant, le courant traverse en série la résistance ; le flanc avant de l'impulsion est déterminé par la tension résultant du passage de courant, dans le premier sens, dans la résistance, tandis que le flanc arrière est déterminé par la vitesse avec laquelle l'élément semiconducteur se sature, processus dont le début résulte du retard de transmission à l'électrode de commande de l'élément semiconducteur du flanc avant de l'impulsion. Par ailleurs, lorsque le courant traverse l'interrupteur dans l'autre sens, la diode court-circuite la résistance.

Plus la résistance sera élevée, et plus sera rapide la montée du flanc de l'impulsion, sans que pour autant la fourniture de puissance à la charge soit sensiblement modifiée.

En disposition préférée, on monte une diode à seuil d'avalanche en parallèle sur la résistance ; on limite ainsi pratiquement la hauteur de l'impulsion à la tension de seuil d'avalanche. Ceci permet d'élargir la gamme de puissances de charge compatibles avec un interrupteur donné, la résistance étant choisie en fonction de la charge minimale prévue, sans que la hauteur d'impulsion devienne excessive pour les charges proches du maximum.

Des caractéristiques secondaires, portant notamment sur des dispositions pratiques de circuits, et les avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels
la figure 1 est un schéma simplifié d'un interrupteur électronique selon l'état de la technique
la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un interrupteur selon l'invention ;
la figure 3 est un diagramme de conformation d'impulsion pour l'alimentation de la source continue
la figure 4 est un schéma détaillé d'interrupteur selon l'invention, avec un bouton poussoir unique commandant alternativement la fermeture et l'ouverture.

Comme représenté figure 1, l'interrupteur de l'état de à technique, est destiné à connecter une charge 3 à un réseau de distribution de tension alternative à deux pôles 1 et 2, ou à déconnecter cette charge du réseau. L'interrupteur possède une borne d'entrée 4, reliée directement au conducteur 1, et une borne de sortie 5 reliée à une extrémité de la charge 3, tandis que l'autre extrémité de cette charge 3 est reliée directement au second pale 2.

L'interrupteur proprement dit comporte un triac 10, avec une électrode d'amorçage ou gâchette 10a. Une des électrodes principales du triac 10 est reliée directement à la borne d'entrée 4, et l'autre électrode est reliée à la borne de sortie 5 à travers une inductance 11. A cette borne de sortie 5 est connecté un ensemble redresseur avec une résistance série 12, un condensateur de passage 13 et une diode 14. La source de tension continue est complétée par un condensateur réservoir 15, et fournit au circuit de commande 16 la tension nécessaire à son fonctionnement. Ce circuit de commande 16 est sensible à une action fugitive sur le bouton poussoir 17, pour fournir, lorsque l'interrupteur doit être fermé (ou passant) un signal d'amorçage sur la gâchette 10a.

Ce signal est décalé en retard sur la tension entre les bornes d'entrée 4 et de sortie 5, de sorte que l'amorçage ne se produit que lorsque l'amplitude de tension entre les électrodes principales du triac 10 atteint quelques volts.

L'amorçage du triac 10 provoque une croissance rapide de courant dans l'inductance 11 et la charge 3. Une impulsion de tension apparaît sur l'inductance 11, dont la crête correspond sensiblement à la tension entre électrodes principales du triac juste avant l'amorçage, et la durée est déterminée par la constante de temps de l'association charge résistante 3, inductance 11. Cette impulsion de tension permet la recharge du condensateur réservoir 15. Le condensateur 18, disposé entre les bornes 4 et 5, réduit les perturbations dues aux discontinuités de courant vers la charge 3 et le réseau de distribution 1, 2, et améliore la forme de l'impulsion.

On remarquera que, dans ce montage, lorsque le triac 10 n'amorce pas (interrupteur ouvert ou bloquant), la tension de réseau est sensiblement intégralement appliquée entre les bornes 4 et 5, et le condensateur de passage 13 forme limiteur de courant à la fréquence du réseau.

Selon la forme de réalisation de l'invention choisie et représentée figure 2, l'interrupteur électronique est disposé avec le même branchement que l'interrupteur de la figure 1, avec la charge 3 et les deux pales 1 et 2 du réseau de distribution. Les éléments communs aux figures 1 et 2 portent les mêmes références sur ces deux figures, à savoir les bornes d'entrée 4 et de sortie 5, et le triac 10 avec sa gâchette 10a.

Le triac 10 est ici relié directement, par une de ses électrodes principales, à la borne de sortie 5, tandis que, entre la borne d'entrée 4 et l'autre électrode principale du triac, sont disposés en parallèle un certain nombre de composants : une résistance 21, qui est du même ordre de grandeur que la résistance présentée par la charge 3, un transistor MOS à effet de champ 22, une diode à seuil d'avalanche 24, à seuil de claquage de 7 volts environ, et une diode Schottky 23. Les connexions de ces composants avec l'électrode principale du triac déterminent un noeud de connexion 20.Une source de tension continue 25 est alimentée à travers une diode redresseuse à partir du noeud 20, par un processus de mise en forme d'impulsion qui sera détaillé plus loin, et délivre une tension continue à un circuit d'amorçage 26, sous la dépendance d'un poussoir à action fugitive 27, et un circuit de commande retardée 28, qui attaque la grille du transistor MOS 22.

On précise que le circuit de commande d'amorçage 26 envoie, pour que le triac 10 soit passant, un signal continu sur la gâchette 10a, et un signal continu de blocage lorsque l'interrupteur doit être ouvert, ou bloquant.

Bien entendu, lorsque le triac 10 est bloquant, le redresseur 25 est alimenté à partir de la tension entre les bornes d'entrée et de sortie 4 et 5 de l'interrupteur, par un montage équivalent à celui de la figure 1, qui ne fait pas partie essentielle de l'invention.

Pour le processus de formation des impulsions, on se référera également à la figure 3.

Le triac 10 recevant sur sa gâchette 10a un signal permanent d'amorçage issu du circuit 26, lorsque la valeur instantanée de tension entre les bornes de sortie 5 et d'entrée 4, après un passage périodique à zéro commence à croître, le transistor 22 est bloqué ; le triac 10 étant passant, pratiquement la valeur instantanée de tension se répartit entre la charge 3 et la résistance 21. La tension au noeud 20, comme représenté figure 4, croît rapidement du point 50, à l'origine du temps et de la tension instantanée jusqu'au point 53, en suivant l'arc de sinusoïde 55. Si l'on admet, pour simplifier, que les valeurs de résistances de la charge 3 et de la résistance 21 sont égales, la vitesse de montée sera d'environ 50 kV/s.Au point 53, à l'instant tl, la diode 24 devient conductrice, et écrête la tension au noeud 20 à sa valeur de seuil, d'où le palier 56. Au point 54, à l'instant t2, en retard sur l'instant 50, le circuit 28 applique un signal sur la grille du transistor MOS 22, qui le rend conducteur progressivement, jusqu'à se saturer à l'instant t3. Entre t2 et t3, la tension au noeud 20 décroît suivant la courbe 57, pour se stabiliser à une valeur faible 58.

A la fin de la demi-période, le sens du courant s'inverse et la tension au noeud 20 s'annule, au point 51 pour s'inverser. A ce moment la diode Schottky 23 conduit, de sorte que, durant la seconde demi-période de 51 à 52, la tension au point 20 se stabilise à une valeur négative faible 59. Les valeurs 58 et 59 correspondent aux chutes de tension interne du MOS 22 en saturation, et de la diode Schottky 23 passante, respectivement.

Dans la pratique, la partie 55 de la courbe de tension comporte un angle qui correspond à l'instant où la tension au noeud 20 vient dépasser la tension de la source 25, cette source dérivant du courant pour compléter la charge du condensateur réservoir.

Pour fixer des ordres de grandeur, on considérera le cas d'une charge de puissance nominale de 500 watts, sous 220 volts alternatifs. La valeur de la résistance 21 peut être choisie à 100 ohms. La tension de claquage de la diode 24 sera de 7 V, et la tension de source 25 de 5 V. Le temps tl sera d'environ 200gs, la tension de 5 V, au-dessus de laquelle le condensateur réservoir de la source est rechargé, étant atteinte en 120 jis environ. Le retard de mise en conduction progressive du transistor MOS 21, t2, sera fixé à 2 ms environ, tandis que la durée du flanc descendant 57 de l'impulsion, correspondant au passage de l'état bloquant à l'état de saturation du transistor 21, sera réglée à 0,5 ms environ ; le temps t3 correspond donc à 2,5 ms. La fréquence du secteur étant de 50 Hz, la durée entre les passages à zéro 50 et 51, et 51 et 52, sera de 10 ms.

On comprendra que l'interrupteur fonctionnera correctement tant que la résistance de la charge ne dépassera pas une valeur telle que la partie de courbe 55 atteindra la tension de seuil de la diode 24 au temps t2.

La figure 4 reprend le schéma de la figure 2, en détaillant les modes d'exécution de la source de tension continue 25, du circuit de commande d'amorçage 26 pour le triac 10, et du circuit de commande 28 du transistor MOS 22.

Par ailleurs, ce schéma se limite aux circuits de l'interrupteur proprement dit, et ne représente ni la charge 3, ni les conducteurs 1 et 2 du circuit de distribution
Pour la clarté du schéma, on a répété les représentations de la borne d'entrée 4 (cercle vide) et de la borne de sortie 5 (cercle avec une croix incluse) ; en outre la sortie 30 de la source 25, représentée par un triangle, est répétée pour l'alimentation de divers élements de circuit.

La source de tension continue 25 comporte une première branche d'alimentation, à partir de la borne de sortie 5, qui sera utilisée tant que le triac 10 sera bloquant ; cette première branche comprend une résistance 37 de valeur élevée, de quelques centaines de kilohms, en série avec une diode 36. La source 25 elle-meme comporte un condensateur réservoir 35 (quelques centaines de microfarads) et une diode Zener 33.

Une seconde branche d'alimentation, qui sera en service lorsque le triac 10 sera passant, part du noeud de connexion 20 et comprend une diode 34 et une résistance série 32 d'une dizaine d'ohms. Les mécanismes d'alimentation de la source 25 ont été sufisamment commentés plus haut pour ne pas appeler de commentaires complémentaires.

Le circuit de commande 26 pour le triac 10 comprend une bascule 45, dont la sortie directe attaque un transistor 46 monté en émetteur suiveur pour attaquer la gâchette 10a du triac 10. Lorsque la bascule 45 est armée, l'émetteur du transistor 46 injecte des charges sur la gâchette 10a, et le triac 10 peut s'amorcer dès qu'une tension est appliquée entre les électrodes principales du triac 10. Lorsque la bascule 45 est désarmée, le triac 10 ne peut s'amorcer.

L'armement et le désarmement de la bascule 45 sont provoqués alternativement par application sur une entrée de commande d'une impulsion produite par un transistor 47 monté en univibrateur, lorsque le bouton de commande 27 à action fugitive met en court-circuit l'émetteur et la base du transistor 47.

En outre un transistor 48 applique en temps normal un signal d'état bas sur une entrée de désarmement de la bascule 45 ; mais, à la mise sous tension du circuit général de charge, entre les conducteurs 1 et 2, le transistor 48 polarise l'entrée de désarmement de la bascule 45, pendant la croissance de la tension de source continue 25 de telle sorte que la bascule se trouve à l'état désarmé à l'origine.

Le circuit 28, qui commande la conduction progressive du transistor MOS 22, comporte une bascule 40, dont la sortie directe attaque la grille du transistor 22 à travers une résistance. L'entrée d'armement de la bascule 40 est attaquée, à partir du noeud de connexion 20, à travers une cellule intégratrice formée d'une résistance série 41b, et d'une capacité parallèle 41a. Ainsi la bascule 40 sera armée par la croissance de tension au noeud de connexion 20 (partie 55 de la courbe de la figure 3 > retardée par la constante de temps de la cellule intégratrice (correspondant à t2).

L'armement de la bascule 40 élève la tension de grille du transistor MOS à effet de champ 22, et rend conducteur ce transistor. La cellule différenciatrice, constituée de la capacité 42a en série avec la résistance 426, et disposée entre drain et grille du transistor en rétroaction, limite la vitesse de croissance du courant entre source et drain (partie 57 de la courbe de tension du noeud 20, figure 3).

Mais, à partir de l'instant t3, le transistor 22 est en saturation, jusqu'à la fin de la demi-période de tension.

Le désarmement de la bascule 50 est obtenu par le blocage du transistor 43, dont la base est reliée à la borne 5 de sortie de l'interrupteur, de sorte que la tension appliquée à la base est la tension au noeud 20 plus la chute de tension dans le triac 10, amorcé. Ainsi ce transistor 43 se bloque à l'instant du point 51 de la figure 3, où la tension sur sa base passe d'une valeur positive antérieure à une valeur négative. Ce blocage va se terminer à l'instant du point 52 de la figure 3, de sorte que la bascule 40 se réarmera au cours de la période de tension alternative qui suivra, tant que la bascule 45, armée, commandera l'amorçage du triac 10.

On notera que la charge 3 pourrait être placée entre le pôle 1 de la tension du réseau de distribution et la borne d'entrée 4, tandis que la borne de sortie 5 serait reliée directement au second pôle 2, sans que l'interrupteur voit son fonctionnement perturbé.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution, dans le cadre des revendications. Notamment la disposition des circuits de commande, aussi bien pour l'amorçage du composant interrupteur que pour la commande retardée de court-circuit de la résistance en série peut être différente de ce qui a été décrit, et peut emprunter tout schéma approprié, connu ou non.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Interrupteur électronique, destiné à être monté en série avec une charge (3) entre piles (1, 2 > d'une tension électrique alternative, comportant, entre une borne d'entrée (4) et une borne de sortie (5X, un composant semiconducteur (10) apte à laisser passer du courant dans les deux sens en réponse à un signal appliqué à une électrode d'amorçage (10a) par un circuit de commande (26) à deux états délivrant le signal d'amorçage en premier état, et équipé d'une source de tension continue (25) alimentée par la tension alternative à travers la charge (3) à partir au moins d'impulsions créées dans une impédance (21) en série avec le composant semiconducteur (10), à l'amorçage périodique de celui-ci, caractérisé en ce que cette impédance comprend une résistance (21) montée entre la borne d'entrée (4) et le composant semiconducteur (10), un élément semiconducteur (22) à conduction commandée en parallèle avec la résistance (21) et monté en sorte de devenir passant en réponse à un signal retardé prélevé sur la résistance (21) pour un courant de premier sens, et une diode (23) montée pour sensiblement court-circuiter la résistance (21) pour un courant de second sens.

2. Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une diode à seuil d'avalanche (24) est montée en parallèle avec la résistance (21), en sorte de limiter la tension (56) sur celle-ci pour des courants de premier sens.

3. Interrupteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément semiconducteur (22) à conduction commandée est un transistor MOS à effet de champ, avec un drain relié à un noeud de connexion (20) entre résistance (21) et composant semiconducteur (10), une source reliée à la borne d'entrée (4) en commun avec une extrémité de la résistance (21) écartée du noeud (20), et une grille qui reçoit ledit signal retardé.

4. Interrupteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de commande (28) comporte une bascule (40) avec une sortie reliée à ladite grille, armée par un signal prélevé sur le noeud de connexion (20) à travers une cellule intégratrice (41a, 41b) et désarmée au passage du courant (51) dans le second sens.

5. Interrupteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la grille est en outre couplée au noeud de connexion (20) à travers une cellule de rétroaction différenciatrice (42a 42b).

6. Interrupteur selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la diode (23) montée pour court-circuiter sensiblement la résistance (21) pour un courant de second sens est une diode Schottky.

7. Interrupteur selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la source de courant continu (25 > comporte un redresseur additionnel (36, 37) monté entre bornes d'entrée (4) et de sortie (5).

8. Interrupteur selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit de commande (26) comporte un organe (27) de commande manuelle à action fugitive, et une bascule (45) génératrice de signal d'amorçage, avec un état armé où elle délivre à l'électrode d'amorçage (l0a) ledit signal d'amorçage, et un état désarmé, le moyen de commande manuelle (27) étant couplé à la bascule (45) en sorte de l'armer à partir de l'état désarmé, et de la désarmer à partir de l'état armé, en réponse à une action fugitive.

9. Interrupteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la bascule (45) génératrice de signal d'amorçage est équipée d'un circuit (48) apte à la mettre à l'état désarmé à l'apparition d'une tension continue sur la source (251.