FR2810471A1 - Commutateur bidirectionnel bistable - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un commutateur bidirectionnel (1) comportant un premier moyen de commutation bidirectionnel entre deux bornes (2, 3) de puissance du commutateur, un élément de stockage basse tension entre une première borne de puissance (3) et une borne (4) de commande du commutateur, et un étage de commande propre à organiser, à chaque début d'alternance d'une tension alternative d'alimentation (Vac) appliquée entre les bornes de puissance et quand le commutateur est fermé, la charge de l'élément de stockage avec une polarité fonction du signe de l'alternance.

Description

c0b22UTATEOR BIDIRECTIOHINEL BISTABLE La présente invention concerne le domaine des commuta teurs bidirectionnels conmandables par un signal basse tension. L'invention concerne, plus particulièrement, des commutateurs bidirectionnels destinés à être connectés en série avec une charge alimentée par une tension alternative, par exemple, le secteur et, parmi ceux-ci, les commutateurs qui sont ouvrables et fermables sur commande.

Des commutateurs pour charges alternatives du type de ceux auxquels se rapporte la présente invention sont utilisés, en particulier, chaque fois que l'on a besoin d'un circuit d'inter face entre un système de commande basse tension, par exemple, un microcontrôleur, et une charge devant être alimentée par une tension alternative, par exemple, un moteur, une résistance chauffante, etc.

Un effile d'application de la présente invention concerne les appareils électroménagers, par exemple, des machines à laver, dans lesquelles plusieurs charges (moteur, pompe, résistance chauffante, vannes) doivent être commandées à partir du micro- contrôleur de la machine.

Généralement, un commutateur bidirectionnel propre à être commandé par un signal basse tension est constitué d'un triac en série avec la charge à commander et dont la gachette reçoit signal de commande basse tension.

Un problème qui se pose avec un triac est qu'il doit être amorcé à chaque alternance de la tension d'alimentation car il se bloque par disparition du courant entre ses deux bornes de puissance. Par conséquent, dans les systèmes classiques, on applique souvent un signal continu sur la gâchette du triac pendant toute la durée où il doit être fermé.

Un inconvénient est que ce signal continu, généralement fourni par un microcontrôleur qui tire son énergie d'une alimen tation basse tension, entraîne une consommation permanente.

Pour éviter le recours à un signal continu, on prévoit, lorsqu'un ou plusieurs triacs sont destinés à être commandés par un microcontrôleur, une commande impulsionnelle. La commande est alors effectuée par des impulsions à chaque changement de pola rité de l'alimentation alternative. Ces impulsions, présentes sur toute la durée de fermeture, monopolisent le microcontrôleur. De plus, pour de faibles charges, il n'est généralement pas possible de commander le triac par un signal impulsionnel à la fréquence du secteur. En effet, les courants de maintien et de déclenche- ment du triac sont alors du même ordre de grandeur (la dizaine de milliampères) que le courant dans la charge.

Un autre inconvénient est que le circuit d'alimentation du microcontrôleur ou analogue dissipe alors fortement dans la mesure on utilise le plus souvent une conversion de tension depuis une haute tension d'alimentation alternative.

I1 serait souhaitable de disposer d'un commutateur bidirectionnel haute tension qui puisse être commandé par un signal basse tension en minimisant la consommation ainsi que le recours au microcontrôleur de commande éventuel.

Un autre inconvénient du triac est qu'il ne délivre pas d'information sur son état (passant ou bloqué). or il peut être souhaitable de connaître cet état, par exemple, pour détecter un déclenchement parasite. Ainsi, un objet de la présente invention est de propo ser un commutateur bidirectionnel bistable susceptible d'être commandé par un signal impulsionnel irrégulier, c'est-à-dire ne fournissant qu'une impulsion pour l'allumage et une impulsion pour l'extinction.

La présente invention vise également à proposer un cir cuit de commutation bidirectionnel respectant la structure d'un trias, c'est-à-dire comprenant deux bornes de puissance et une borne de commande. Ainsi, un autre objet de l'invention est de permettre une commande du commutateur par un signal impulsionnel appliqué sur une seule borne du circuit.

La présente invention vise également à proposer un cir cuit autonome, c'est-à-dire ne nécessitant aucune alimentation basse tension externe pour son fonctionnement.

La présente invention vise également à permettre une détection, par le circuit de commande, de l'état du commutateur. La présente invention vise également à fournir, de façon simple, une information sur l'état (ouvert ou fermé) du commutateur.

L'invention vise en outre à proposer un commutateur bidirectionnel qui soit entièrement intégrable.

Pour atteindre ces objets, la présente invention pré voit un commutateur bidirectionnel comportant un premier moyen de commutation bidirectionnel entre deux bornes de puissance du commutateur, un élément de stockage basse tension entre une première borne de puissance et une borne de onde du commuta- teur, et un étage de commande propre à organiser, à chaque début d'alternance d'une tension alternative d'alimentation appliquée entre les bornes de puissance et quand le commutateur est fermé, la charge de l'élément de stockage avec une polarité fonction du signe de l'alternance.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la fermeture du commutateur est provoquée par l'apparition d'une impulsion basse tension de charge de l'élément de stockage sur ladite borne de commande. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ouverture du commutateur est provoquée en forçant la décharge de l'élément de stockage, de sorte que le premier moyen de camuta- tion bidirectionnel reste bloqué au début de l'alternance qui suit de la tension alternative d'alimentation.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le commutateur comporte un moyen pour retarder la mise en conduc- tion du premier moyen de commutation bidirectionnel par rapport au passage par zéro de la tension alternative d'alimentation, afin de laisser à l'élément de stockage le temps de se charger.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étage de commande comporte un deuxième moyen de commutation bidirectionnel entre ladite borne de commande et une deuxième borne de puissance du commutateur.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étage de commande comporte au moins un interrupteur reliant la borne de commande du deuxième moyen de commutation à la première borne de puissance du commutateur.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit deuxième moyen de commutation bidirectionnel est constitué de deux thyristors de commande montés en antiparallèle et dont les gâchettes respectives sont individuellement connectées à une première borne d'application de la tension alternative d'alimen tation par l'intermédiaire d'un interrupteur de l'étage de commande.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit deuxième moyen de commutation bidirectionnel est un triac dont la gâchette est connectée à une première borne d'application de la tension alternative d'alimentation par l'intermédiaire d'un interrupteur de l'étage de commande.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit premier moyen de commutation bidirectionnel est constitué de deux éléments de commutation unidirectionnels montés en anti- parallèle entre les deux bornes de puissance du comimtateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits éléments de commutation sont constitués de thyristors de puissance respectivement à gâchette de cathode et d'anode, les gâchettes desdits thyristors de puissance étant individuellement reliées à la borne de commande du commutateur par l'intermédiaire d'une diode Zener.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque thyristor de puissance est associé à un thyristor de commande ayant le même type de gâchette.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit premier moyen de commutation bidirectionnel est un triac dont la gâchette est connectée, par l'intermédiaire de deux diodes zener montées tête-bêche, à la borne de commande.

Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente, de façon très schématique et simplifiée, un commutateur bidirectionnel selon l'invention, associé à une charge alimentée par une haute tension alterna- tive ; la figure 2 représente un mode de réalisation plus détaillé d'un commutateur bidirectionnel selon la présente invention ; la figure 3 illustre, sous forme de chronogrammes, le fonctionnement simplifié d'un commutateur tel que représenté en figure 2 ; la figure 4 détaille, sous forme de chronogrammes, la fermeture initiale du commutateur de la figure 2 ; la figure 5 détaille, sous forme de chronogramttes, le fonctionnement du cosmnztateur de la figure 2 lors d'un changement d'alternance de la tension d'alimentation alternative ; la figure 6 représente un premier mode de réalisation d'un étage de camnande d'un commutateur selon l'invention ; la figure 7 représente un deuxième mode de réalisation d'un étage de commande d'un camnwtateur selon l'invention ; la figure 8 représente un troisième mode de réalisation d'un étage de commande d'un commutateur selon l'invention ; et la figure 9 représente un autre mode de réalisation d'un commutateur selon l'invention.

Les mêmes éléments ont été désignés par des mêmes réfé rences aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments qui sont nécessaires à la compréhension de l'inven tion ont été représentés aux figures et seront décrites par la suite. En particulier, la charge alternative devant être camTandée par le commutateur de l'invention n'a pas été détaillée et ne fait pas l'objet de la présente invention. En outre, les chrono- grammes des figures 3, 4 et 5 ont été tracés sans respect d'échelle.

Une caractéristique de la présente invention est d'associer un élément de commutation bidirectionnel un étage de commande prélevant l'énergie nécessaire à maintenir le commutateur dans un état fermé sur la tension d'alimentation alternative. Cet étage de commande est, selon l'invention, adapté à recevoir des impul- sions uniques de commande pour provoquer un changement d'état.

La figure 1 représente, de façon très schématique et simpli fiée, le raccordement d'un commutateur selon l'invention.

Ce commutateur 1 comporte, vu de l'extérieur, deux bor nes, respectivement 2 et 3 de puissance, et une borne 4 de commande basse tension. Le commutateur 1 est destiné à être connecté en série avec une charge 5 (Q) à commander entre deux bornes 6 et 7 d'application d'une tension alternative Vac. La borne 4 de commande est destinée à recevoir, à chaque fermeture souhaitée pour le commutateur, une impulsion unique de commande. Cette impulsion est de polarité positive ou négative par rapport au potentiel de repos de la borne 3. Ce potentiel de repos repré sente à la fois la masse du circuit de commande basse tension (non représenté) et le zéro de la tension Vac. La borne 4 est ensuite laissée en l'air (borne 9) pendant tout le temps où le camrutateur doit rester fermé. L'ouverture du commutateur 1 est provoquée par une liaison de la borne 4 à la borne 3. La commande est, par exemple, effectuée au moyen d'un interrupteur 8 à trois positions. Cet interrupteur relie la borne 4 à, respectivement, un potentiel bas (par exemple, 5 volts) positif ou négatif Vcc, une connexion en l'air ou déconnexion, et la borne 3. La position où la borne 4 est reliée à la borne 3 constitue, de préférence, la position de repos du commutateur à l'état ouvert.

Selon l'invention, la polarité de l'impulsion n'a pas d'importance. Le commutateur est rendu conducteur, le cas échéant avec un léger retard came on le verra par la suite, par la première impulsion qui se présente sur sa borne de commande après sa mise sous tension.

La figure 2 représente un mode de réalisation d'un camuta- teur selon la présente invention. on utilise deux thyristors de puissance Thl et Th2 montés en antiparallèle entre les bornes 2 et 3 de puissance du commutateur 1. Chaque thyristor Thl ou Th2 est affecté à une des alternances de la tension alternative Vac. Par exemple, le thyristor Thi est connecté par son anode à la borne 2 tandis que le thyristor Th2 est connecté par son anode à la borne 3. Chaque thyristor Thl, Th2 est associé à un thyristor pilote ou d'amorçage Th3, Th4 dont le rôle est, entre autres, d'assurer la conduction en début d'alternance. Les anodes respec tives des thyristors Thi et Th3 sont connectées à la borne 2 tandis que les cathodes des thyristors Th2 et Th4 sont reliées à cette borne 2. La cathode du thyristor Th3 est reliée, par l'intermédiaire d'une diode Zener DZ1, à la gâchette de cathode du thyristor Thl, l'anode de la diode Zener DZ1 étant connectée à cette gâchette. L'anode du thyristor 'Th4 est connectée, par l'intermédiaire d'une diode zener DZ2, à la gâchette d'anode du thyristor Th2, la cathode de la diode Zener étant connectée à cette gâchette.

Une autre caractéristique de la présente invention est d'utiliser un condensateur C destiné à mémoriser l'état conduc teur du commutateur. Selon l'invention, la polarité de charge du condensateur C change chaque alternance de l'alimentation alternative. Une première électrode du condensateur C est connectée à la borne 3. Une deuxième électrode du condensateur C est reliée à la borne 4 de commande du commutateur 1, à la cathode du thy ristor Th3 et à l'anode du thyristor Th4, donc aux cathode et anode respectives des diodes DZ1 et DZ2. Le rôle des diodes DZ1 et DZ2 est de retarder l'amorçage des thyristors Thl et Th2 pour laisser le temps au condensateur C de se recharger jusqu'au potentiel VZ1 ou VZ2 (représentant la tension seuil de la diode Zener DZ1 ou DZ2 correspondante) selon le thyristor Th3 ou Th4 qui conduit.

Une autre caractéristique de la présente invention est d'organiser une charge et décharge automatique du condensateur C lorsque le ctateur est fermé. Pour ce faire, un étage 10 de commande provoque la décharge du condensateur C dans la gâchette du thyristor Th3 ou Th4 au début de chaque nouvelle alternance, selon la polarité de la source alternative. Cela permet la recharge du condensateur avec une polarité opposée. Fonctionnellement, l'étage de commande 10 est constitué de deux interrupteurs K1 et K2. Un premier interrupteur K1 relie, par ses bornes de puissance, la gâchette de cathode du thyristor Th3 à la borne 3. Un deuxième interrupteur K2 relie, par ses bornes de puissance, la gâchette d'anode du thyristor Th4 à la borne 3. Les bornes de camnande respectives des interrupteurs K1 et K2 sont reliées, par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation R, à la borne 2. Les interrupteurs K1 et K2 fonctionnent en opposition. Quand l'interrupteur K1 est ouvert, laissant en l'air la gâchette du thyristor Th3, l'interrupteur K2 est fermé, c'est-à-dire qu'il relie la gâchette du thyristor Th4 à la borne 3, et inversement. L'interrupteur K1 est destiné à être fermé au début des alternances négatives et l'interrupteur K2 au début des alter nances positives.

Le fonctionnement du circuit de la figure 2 va être exposé en relation avec les figures 3, 4 et 5. La figure 3 représente, sous<B>f</B>orme de chronogrammes, un exemple d'allures de la tension Vac, de la tension Vc aux bornes du condensateur C, et courant I dans le commutateur, c'est-à- dire circulant entre les bornes 2 et 3, donc dans la charge. On suppose une absence de déphasage entre le courant I et la tension Vac, c'est-à-dire une charge purement résistive, bien que l'inven tion fonctionne sur tout type de charge.

Initialement, lorsque le circuit constitué de l'associa tion en série d'un commutateur 1 et d'une charge 5 est raccordé aux bornes 6, 7 d'alimentation alternative (figure 1), le conden sateur C (figure 2) du commutateur est déchargé. Il est même, de préférence, court-circuité par l'interrupteur 8 dont la position de repos relie les bornes 3 et 4. A titre de variante, la posi tion de repos de l' interrupteur 8 place la borne 4 en l' air ou, comme cela sera décrit plus loin, la connecte à l'entrée d'un microcontrôleur ou analogue pour détecter l'état du commutateur. En supposant le thyristor Thl affecté aux alternances positives, la partie du circuit constituée des thyristors Th2 et Th4 est polarisée en inverse lors des alternances positives. De plus, les thyristors Thl et Th3 ne peuvent être amorcés quelles que soient les positions respectives des commutateurs K1 et K2. En effet, la borne 4 est au potentiel de la borne 3. Ainsi, aucun courant ne peut, lors des alternances positives et même si le commutateur K1 est fermé, être injecté sur la gâchette de cathode du thyristor Th3, ni sur celle du thyristor Thl. Un raisonnement similaire s'applique pour les alternances négatives, où les thyristors Thl et Th3 sont polarisés en inverse. Aucun courant ne peut donc être injecté dans la gâchette du thyristor Th4 ou Th2 si le condensa teur C est déchargé.

On suppose qu' un instant t1, une impulsion basse ten sion de commande apparaît sur la borne 4, par une liaison brève de l'interrupteur 8 à la tension Vcc. Cette impulsion, supposée arbitrairement de polarité positive, charge le condensateur C en respectant cette polarité. Si la polarité de l'impulsion est de même signe que l'alternance en cours, il faudra attendre le début (instant t2) de l'alternance de signe opposé pour amorcer alors le thyristor Th4 et fermer le commutateur.

Si le condensateur C est chargé avec une polarité inverse de celle présente aux bornes 2 et 3, le thyristor Th3 ou Th4 correctement polarisé entre immédiatement en conduction.

En variante, le commutateur peut entrer en conduction même si l'impulsion de commande est de même polarité que l'alter nance courante de l'alimentation alternative. Il faut alors que la durée de l'impulsion de commande, c'est-à-dire la durée pen dant laquelle l'interrupteur 8 relie la borne 4 au potentiel +Vcc avant de la laisser en l'air, soit suffisante pour charger le condensateur au niveau VZ1.

La figure 4 illustre, par des chronogrammes à échelle temporelle agrandie par rapport à ceux de la figure 3, la ferme- ture initiale d'un cannnitateur. on suppose ici une fermeture au début d'une alternance positive, suite à une impulsion de pola rité négative se produisant lors d'une alternance négative. L'impulsion de commande provoque la charge du condensateur C (à partir d'un instant t10). Le niveau de charge dépend du niveau de tension de l'impulsion appliquée sur la borne 4 et on suppose ici que ce niveau est inférieur au seuil VZ2, mais est suffisant pour provoquer l'amorçage du thyristor Th3. L'alternance négative se termine (courbe V), la tension aux bornes du commutateur étant décroissante dans la mesure où celui-ci est encore ouvert. A la fin de l'alternance négative (instant t11), lorsque la tension aux bornes du commutateur devient positive, l'interrupteur K1 (figure 2) se ferme. Le condensateur C se décharge alors dans la gâchette du thyristor Th3. Ce dernier devient conducteur et recharge le condensateur C en positif (en préparation de l'alter nance suivante). L'interrupteur K1 s'ouvre dans la mesure où il n'y a plus de tension aux bornes du commutateur global. Lorsque (instant t12) la tension du condensateur C atteint la tension seuil VZ1 de la diode Zener DZ1, le thyristor Thl est amorcé. Le circuit reste dans cet état jusqu' la fin de l'alternance posi tive.

Le courant I dans le "triac bistable" de l'invention dépend du courant prélevé par la charge connectée en série avec celui-ci. Toutefois, grâce au thyristor Th3, la conduction débute à proximité du début de l'alternance même si le thyristor Thl n'est pas encore conducteur (c'est-à-dire avant l'instant t12).

Que ce soit dans l'exemple de la figure 3 ou dans celui de la figure 4, la polarité du condensateur C permet que, au début de l'alternance négative (instant t2, figure 3) qui suit l'apparition de l'impulsion de fermeture, lorsque le commutateur K2 se ferme, une décharge du condensateur C se produise par l'anode du thyristor Th4, sa gâchette, le commutateur K2 et la borne 3 reliée à la première électrode du condensateur C. Cette circulation permet un amorçage du thyristor Th4 plaçant l'anode de la diode DZ2 sensiblement au potentiel de la borne 2. Le thyristor Th2 est alors amorcé quand la tension à ses bornes (en négligeant les chutes de tension série dans les composants Th4 et DZ2) devient supérieure au seuil VZ2 de la diode Zener DZ2. La décharge du condensateur correspond en fait à une inversion de sa polarité. En effet, celui-ci maintient à ses bornes une tension fixée par la valeur seuil de la diode DZ2 en prélevant l'énergie nécessaire sur la tension Vac par la conduction du thyristor Th4. Peu après le début de l'alternance négative, le condensateur C se trouve donc chargé avec un potentiel plus positif sur sa première électrode (borne 3), ceci en préparation de l'alternance positive suivante. L'inversion de charge du condensateur C est limitée par la diode DZ2 sans laquelle elle suivrait la tension Vac. Lors de l'alternance positive qui suit, l'étage de commande 10 bascule. Le commutateur Kl se ferme alors que le commutateur K2 s'ouvre, la résistance R participant à la polarisation nécessaire au basculement. I1 s'ensuit une décharge du condensateur C depuis son électrode reliée à la borne 3 jusqu'à son électrode reliée à la borne 4. Cette décharge s'effectue, comme indiqué précédem- ment, par circulation de courant dans la gâchette de cathode du thyristor Th3 de sorte que ce dernier s'amorce. Quand charge du condensateur C sur son électrode 4 devient suffisante pour dépasser le seuil VZ1 de la diode Zener DZ1, celle-ci entre en avalanche et le thyristor Thl s'amorce.

Aux chrcmogramnes de la figure 3, on a négligé les retards dus coimautations, de sorte que l'on considère qu'un courant I circule dans le commutateur dès le début (instant t2) de chaque alternance.

La figure 5 illustre, par des chronogrammes échelle agrandie par rapport à ceux de la figure 3, un changement d'alternance. Vers la fin de l'alternance positive, le commuta- teur s'ouvre (instant t20) quand le courant qui le traverse devient inférieur au courant de maintien du thyristor Thi. La tension V à ses bornes, qui était maintenue à un niveau vs correspondant à la chute tension série dans le commutateur à l'état passant (sensiblement la chute de tension en série aux bornes du thyris tor Thi), rejoint alors l'amplitude instantanée de la tension Vac puis décroît avec elle. Au début de l'alternance négative (ins tant t21), l'interrupteur K2 se ferme provoquant, comte indiqué précédemment, la décharge du condensateur C dans la gâchette du thyristor Th4. Le condensateur est aussitôt rechargé en négatif (voir l'allure de la tension Vc). Lorsque (instant t22) la tension Vc atteint la tension seuil VZ2 de la diode Zener DZ2, le thyristor Th2 s'amorce et le circuit reste dans cet état jusqu'à la fin de l'alternance négative. La tension à ses bornes est alors à un niveau -Vs correspondant à la chute de tension série dans le thyristor Th2 à l'état passant. Entre les instants t21 et t22, la tension V aux bornes du commutateur de l'invention suit sensiblement l'allure de la tension aux bornes du condensateur C dès que le thyristor Th4 est passant. En figure 5, on considère, pour simplifier, que le thyristor Th4 est passant dès le début de l'alternance (instant t21).

on notera que toute l'énergie nécessaire au fonction- nement du commutateur est, tant que celui-ci est fermé, prélevée sur la haute tension alternative, la borne 4 étant en 'air ou à haute impédance.

Pour éteindre le commutateur de l'invention, il faut forcer décharge du condensateur C (instant t3, figure 3). Pour cela, on le court-circuite au moyen de l'interrupteur 8. La conduction du commutateur s'arrête à la fin de l'alternance (ins tant t4) par disparition du courant traversant les thyristors.

Après disparition de l'impulsion de commande en ferme- ture, la tension Vc sur la borne 4 de commande du commutateur de l'invention indique l'état de ce dernier et plus particulière- ment, son sens de conduction. Par conséquent, un commutateur bidirectionnel bistable de l'invention présente, sur sa borne de commande une indication de son état de fonctionnement. Si celle- ci est un potentiel nul, le commutateur est ouvert. Si celle-ci est à un potentiel positif, ou négatif, le commutateur est pas sant. De plus, le sens de conduction du commutateur est indiqué par la polarité du signal présent sur la borne 4. Ainsi, on peut lire le signe de l'alternance en cours. Une telle caractéristique peut servir, par exemple, à synchroniser d'autres signaux de commande d'un système utilisant plusieurs charges commandées par plusieurs commutateurs. On veillera alors à effectuer une détec tion respectant l'isolement de la borne 4 par rapport aux bornes Vcc et 3 afin de ne pas provoquer de décharge du condensateur C.

Les thyristors Th2 et 'Th4 qui sont des thyristors à gâchette d'anode seront choisis pour présenter une bonne tenue en tension inverse dans la mesure où ils doivent supporter la ten sion Vac, par exemple, le secteur à 220 volts. On pourra égale ment prévoir une diode en série avec chacun de ces thyristors d'anode, côté cathode. En variante, on choisira une structure adaptée cette tenue en tension entre cathode et gâchette d'anode.

L'étage de commande 10 (figure 2) peut être réalisé de plusieurs façons selon les composants utilisés. Dans tous les cas, on veillera à maintenir la fonctionnalité recherchée qui est que, alternativement selon la polarité de la tension d'alimenta- tion, un seul des interrupteurs K1 ou K2 soit fernie. Trois exemples seront décrits ci-après en relation avec les figures 6, 7, et 8. Les constituants du commutateur de l'invention qui n'ont pas été représentés à ces figures (en particulier les thyristors Thl et Th2) et leurs connexions respectives se déduisent de la figure 2.

Dans les montages illustrés par les figures 6 à 8, le thyristor Th3 est associé aux alternances positives entre les bornes 2 et 3. Le thyristor Th4 est associé aux alternances négatives.

figure 6 représente un premier mode de réalisation d'un étage de commande 10-1 selon la présente invention. Ce mode de réalisation est basé sur l'utilisation de thyristors Th5 et Th6 pour la réalisation des interrupteurs K1 et K2. Le thyristor ThS est un thyristor à gâchette d'anode dont l'anode est reliée à une première borne de la résistance R et à la cathode du thyris tor Th6. La cathode du thyristor Th5 est reliée à la gâchette du thyristor Th3. L'anode du thyristor Th6 est reliée à la gâchette d'anode du thyristor Th4. Les gâchettes respectives des thyris tors Th5 et Th6 sont reliées à la borne 3, donc directement à une des bornes d'application de la tension alternative vac. Le thy ristor Th5 est rendu conducteur pendant les alternances positives et le thyristor Th6 pendant les alternances négatives.

La consommation résiduelle du commutateur de l'inven tion est liee à la consommation résiduelle de son étage de commande 10. A l'état ouvert, cette consommation est, dans l'exemple de la figure 6, limitée au courant de fuite de gâchette des thyristors Th5 et Th6 et à la dissipation dans la résistance R. En effet, tant que le condensateur C (non représenté à la figure 6) n'est pas initialement chargé par une impulsion de commande, aucun des thyristors Th5 ou Th6 ne peut être rendu conducteur pour amorcer l'un des thyristors Th3 ou Th4.

La figure 7 représente un deuxième mode de réalisation d'un étage de commande 10-2 selon l'invention. Ce mode de réali sation fait appel à l'utilisation d'un triac T pour réaliser les deux interrupteurs K1 et K2. Une première borne de puissance 20 du triac T est connectée à la borne 3 tandis qu'une deuxième borne de puissance 21 est reliée aux gâchettes des thyristors Th3 et Th4. La gâchette du triac T est reliée, par l'intermédiaire de la résistance R, à la borne 2 du commtateur. Le triac T est rendu passant au début de chaque alternance à partir du moment où le condensateur C a une charge non nulle.

La figure 8 représente un troisième mode de réalisation d'un étage de commande 10-3 selon l'invention. Ce mode de réali sation est basé sur l'utilisation de transistors bipolaires pour réaliser les interrupteurs Kl et K2. L'interrupteur Kl est cons titué de deux transistors bipolaires P1 et Nl respectivement de type NPN et PNP. L'émetteur du transistor P1 est relié à la gâchette de cathode du thyristor Th3. Le collecteur du transistor P1 est connecté à la borne 3. La base du transistor P1 est reliée au collecteur du transistor Ni dont l'émetteur est relié, par l'intermédiaire de la résistance R, à la borne 2. La base du transistor<B>Ni</B> est reliée à la borne 3. Côté interrupteur K2, celui-ci est constitué de deux transistors bipolaires P2 et N2, respectivement de type NPN et PNP. L'émetteur du transistor N2 est connecté à la gâchette d'anode du thyristor Th4. Le collecteur du transistor N2 est connecté à la borne 3. La base du transistor N2 est connectée au collecteur du transistor P2 dont l'émetteur est relié, par l'intermédiaire de la résistance R, à la borne 2. La base du transistor P2 est reliée à la borne 3.

Les transistors N1 et P1 sont conducteurs pendant les alternances positives tandis que les transistors P2 et N2 le sont pendant les alternances négatives. Les transistors P1 et N2 seront, de préférence, choisis pour avoir un fort gain, dans la mesure où ils fixent le temps de réaction du système suite au passage par zéro de la tension alternative d'alimentation. Les transistors N1 et P2 seront de préférence choisis avec un gain plus faible.

A titre d'exemple particulier de réalisation, en utili sant l'étage de commande 10-3 du type illustré par la figure 8, on pourra prévoir une résistance R de kilo-ohms et un conden sateur C de 330 nanofarads.

La figure 9 représente un autre mode de réalisation d'un commutateur l' selon l'invention, basé sur l'emploi de triacs. Selon ce mode de réalisation, un premier trias Tl connecté entre les bornes 2 et 3 d'application de la tension alternative constitue l'équivalent des thyristors Thl et Th2 des modes de réalisation précédents. Deux diodes Zener DZ1 et DZ2 sont placés tête-bêche entre la gâchette du trias et la borne de cotmiande 4, le condensateur C reliant toujours les bornes 3 et 4. Un deuxième trias T2 est connecté entre les bornes 2 et 4 et constitue l'équivalent des thyristors Th3 et Th4 des modes de réalisation précédents. Un troisième trias T constitue les interrupteurs Kl et K2, comme le trias T de la figure 7. I1 relie la gâchette du trias T2 à la borne 3, sa propre gâchette étant reliée, par l'intermédiaire de la résistance R, à la borne 2. Le fonction nement du commutateur de la figure 9 se déduit du fonctionnement des modes de réalisation précédents. Bien entendu, ce mode de réalisation peut se combiner avec l' des modes de réalisation ci-dessus.

Un avantage de la présente invention est qu'elle permet de réaliser une fonction de trias bistable susceptible d'être commandé par une seule impulsion pour chaque station.

Un autre avantage de la présente invention est que toute la consommation inhérente au fonctionnement du système est prélevée directement sur la source de tension alternative.

un autre avantage de la présente invention est que, grâce à l'intégration de l'étage de commande basse tension du commutateur, il est désormais possible d'intégrer d'autres fonc tions (par exemple, de protection, de synchronisation, etc.). Par exemple, on peut prévoir de synchroniser les impulsions de commande sur le voisinage du passage par zéro de l'alimentation alterna- tive en intégrant des composants basse tension supplémentaires à l'étage de commande. On peut aussi prévoir une détection de température associée à un élément bloquant le fonctionnement de l'étage de commande à la fin de l' alternance est apparue une surchauffe.

Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensionnements respectifs des divers constituants du commutateur de l'invention dépendent de l'appli cation (en particulier des courants et tensions de puissance et de commande) et des caractéristiques souhaitées en termes de cons,tion, de dissipation et de temps de réaction. Pour les niveaux de tension, la notion de haute et basse tension s'entend, au sens de l'invention, en comparant ces tensions l'une à l'autre. La tension alternative est, par exemple, la tension du secteur (110 ou 220 volts) et la basse tension Vcc est, par exemple, d'une valeur donnée comprise entre 2 et 50 volts. Toutefois, l'invention apporte des avantages pour toute tension alternative, qu'elle soit haute ou basse par rapport au secteur. Dans un mode de réalisation préféré, les seuils des diodes Zener sont iden tiques et, de préférence, le plus proche possible de la tension d'alimentation du circuit de commande du commutateur. Toutefois, en variante, les seuils pourront être différents l'un de l'autre.

L'obtention des signaux de commande de l'interrupteur basse tension 8 n'a pas été détaillée car elle est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et du fonctionnement souhaité. En particulier, les impulsions de changement d'état n'ont pas à être synchronisées par rapport à la tension alternative Vac. En effet, si une impulsion de commande apparaît au milieu d'une alternance, la fermeture du commutateur est reportée d'au plus une alternance. La réalisation pratique de l'interrupteur à trois états 8 pourra faire appel à des techniques classiques de fabrication. En parti- culier, on pourra prévoir de réaliser cet interrupteur par un circuit numérique en utilisant une sortie trois-états d'un cir cuit logique, ou une sortie d'un microcontrôleur. I1 n'est pas nécessaire de prévoir deux tensions (positive et négative) pour la commande en fermeture du commutateur de l'invention. Ce qui a été illustre ci-dessus en relation avec des impulsions positives ou négatives démontre simplement que le commutateur de l'inven tion peut etre commandé indépendanment de la polarité de signal de commande par rapport à l'alimentation alternative.

En outre, bien que l'invention ait été décrite dessus en relation avec des thyristors pour les parties puissance du commutateur, d'autres composants ayant des fonctions équivalentes pourront être utilisés pour réaliser ces éléments commutation.

Enfin, d'autres composants et d'autres structures que ceux décrits en relation avec les figures 6 à 8 pourront être utilisés pour réaliser un étage de commande selon l'invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Commutateur bidirectionnel (1 ; l'), caractérisé en ce qu'il comporte un premier moyen de commutation bidirectionnel (Thl, Th2 ; T1) entre deux bornes (2, 3) de puissance du commutateur ; un élément (C) de stockage basse tension entre une pre mière borne de puissance (3) et une borne (4) de commande du commutateur ; et un étage de commande (l0) propre organiser, à chaque début d'alternance d'une tension alternative d'alimentation (Vac) appliquée entre les bornes de puissance et quand le commutateur est fermé, la charge de l'élément de stockage avec une polarité fonction du signe de l'alternance.

2. Comntztateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fermeture du camnutateur (1, l') est provoquée par l'apparition d'une impulsion basse tension de charge de l'élément de stockage (C) sur ladite borne de commande (4).

3. Commutateur selon la revendication 1 ou 2, caracté risé en ce que l'ouverture du ctateur (1, l') est provoquée en forçant la décharge de l'élément de stockage (C), de sorte que le premier moyen de commutation bidirectionnel (Thl, Th2 ; T1) reste bloqué au début de l'alternance qui suit de la tension alternative d'alimentation (Vac).

4. Commutateur selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (DZ1, DZ2) pour retarder la mise en conduction du premier moyen de commuta tion bidirectionnel (1, 1') par rapport au passage par zéro de la tension alternative d'alimentation (Vac), afin de laisser à l'élément de stockage (C) le temps de se charger.

5. Commutateur selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 4, caractérisé en ce que l'étage de commande comporte un deuxième moyen de commutation bidirectionnel (Th3, Th4 ; T2) entre ladite borne de commande (4) et une deuxième borne de puissance (2) du ctateur (1, l').

6. Commutateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage de commande (10) comporte au moins un interrupteur (K1, K2 ; T3) reliant la borne de commande du deuxième moyen de commutation (Th3, Th4 ; T2) à la première borne (3) de puissance du commutateur<B>(1, 11).</B>

7. Commutateur (1) selon la revendication 6, caracté rise en ce que ledit deuxième moyen de commutation bidirectionnel est constitué de deux thyristors de commande (Th3, Th4) montés en antiparallèle et dont les gâchettes respectives sont individuel- lement connectées à une première borne (3) d'application de la tension alternative d'alimentation (Vac) par l'intermédiaire d'un interrupteur (K1, K2) de l'étage de commande (10).

8. Commutateur (l') selon la revendication 6, caracté risé en ce que ledit deuxième moyen de commutation bidirectionnel est un triac (T2) dont la gâchette est connectée â une premiere (3) d'application de la tension alternative d'alimentation (Vac) par l'intermédiaire d'un interrupteur (T) de l'étage de commande (10).

9. Commutateur (1) selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 8, caractérisé en ce que ledit premier moyen de commutation bidirectionnel est constitué de deux éléments de commutation unidirectionnels (Thi, Th2) montés en antiparallèle entre les deux bornes (2, 3) de puissance du commutateur.

10. Commutateur selon la revendication 9, caractérisé en que lesdits éléments de citation sont constitués de thyris tors de puissance (Thi, Th2) respectivement à gâchette de cathode et d'anode, les gâchettes desdits thyristors de puissance étant individuellement reliées à la borne de commande (4) du Commuta teur (1, l') par l'intermédiaire d'une diode Zener (DZ1, DZ2).

11. Commutateur selon les revendications 7 et 10, carac térisé en ce que chaque thyristor de puissance (Thl, Th2) est associé à un thyristor de commande (Th3, Th4) ayant le même type de gâchette.

12. Commutateur (l') selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 10, caractérisé en ce que ledit premier moyen de commutation bidirectionnel est un triac (Tl dont la gâchette est connectée, par l'intermédiaire de deux diodes Zener (DZ1, DZ2) montées tête-bêche, à la borne de commande ) .