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La présente invention concerne les circuits électriques à courant faible de commande et de contrôle de circuits de puissance.
Par exemple, une des applications les plus importantes de l'invention concerne les circuits de contrôle à courant faible, destinés à commander, éventuel- lement par l'intermédiaire d'organes amplificateurs convenables, par exemple des amplificateurs magnétiques, des contacteurs contrôlant à leur tour le fonctionne- ment de moteurs électriques de puissance quelconque, pouvant s'étendre d'une frac- tion de cheval, à plusieurs centaines de kilowatts.
Suivant la conception la plus générale de l'invention, les circuits de contrôle et de commande, conformément au présent brevet, sont actionnés par des organes à courant faible les plus variés, tels que cellules photo-électriques, détecteurs de température, indicateurs de débit ou de pression, boutons-poussoirs destinés à obtenir une mise en marche ou un arrêt, organe de fin de course mis en action lorsqu'un organe mobile atteint ou quitte une position prédéterminée, etc.
Les circuits réalisés suivant l'invention, pour la commande de contac- teurs, ne comprennent aucun organe mobile, sauf éventuellement ceux des éléments sensibles, par exemple quand ces éléments sont constitués par des boutons-poussoirs marche-arrêt ou des organes de fin de course.
Encore est-il possible, dans ce dernier cas, de réaliser des circuits électriques continus ne comportant pas de coupure mécanique de circuits électriques, l'organe mobile des appareils en ques- tion (tels que parties mobiles des boutons-poussoirs et des organes de fin de course) ne servant qu'à modifier les caractéristiques électriques d'un organe convenable qui peut par exemple être réalisé conformément à la demande de brevet français PV 741.662 déposée le 24 juin 1957, au nom de la demanderesse, pour "Perfectionnements aux commutateurs électriques", de sorte que les systèmes de contrôle et de commande suivant l'invention éliminent de façon absolue de leur constitution, toute coupure de circuits électriques par des moyens mécaniques.
L'invention porte plus particulièrement sur la constitution d'un élé- ment individuel formant étage amplificateur, les circuits de commande et de con- trôle étant constitués par l'assemblage en série ou en parallèle d'éléments indi- viduels des types décrits ci-après, ces éléments individuels étant à leur tour contrôlés par les organes précités (détecteur, indicateur, bouton-poussoir, etc).
L'élément individuel suivant l'invention fait usage des propriétés des selfs saturables. On sait que si l'on réalise le circuit de la figure 1 des des- sins joints, circuit comprenant une self saturable 1, reliée, à l'une de ses ex- trémités (borne 9) , à une borne d'une source de courant alternatif 2 et, à l' autre extrémité (borne 5), à une charge 3, à travers un redresseur 4, qui est ori- enté comme indiqué pour laisser passer le courant de 1 vers 3, l'autre borne de la charge 3 étant connectée à l'autre borne 7 de la source 2, un courant ondulé comportant une composante continue déterminée passe à travers la charge 3 moyen- nant un dimensionnement convenable des éléments, la composante continue étant due à la présence du redresseur 4.
Si, par contre, .la borne 5 est reliée en outre, comme indiqué, à la borne inférieure 7 de la source 2 à travers un redresseur 6 ne laissant passer le courant que dans le sens de 7 vers 5, il ne passe pratiquement aucun courant dans la charge 3. Ce phénomène peut se comprendre à l'aide de ce qui suit ;
Soit la figure 2, qui représente la courbe idéalisée de magnétisa- tion de la self saturable 1; les abcisses représentant le champ magnétisant, les ordonnées l'induction dans le noyau de la self saturable. Le cycle d'hystéré- sis figuré fait que le point figuratif se déplace (quand on part de l'extrémité inférieure gauche a) de a en b sous l'influence d'un champ croissant, puis décrit la branche verticale b c jusqu'à saturation.
Quand on fait varier le champ en sens inverse, le point décrit la portion de c à d, puis ensuite la branche verti- cale d a pour revenir à l'état initial avec saturation dans le sens opposé.
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Quand le commutateur 8, intercalé entre le redresseur 6 et la borne 7, et mettant ou non en service le redresseur 6, est ouvert, le courant traversant la self 1 est figuré en gros par le trait plein de la figure 3. Sur cette figure, on a porté en pointillé la tension alternative aux bornes de la source 2, le temps étant porté en abscisses, les courants et tensions en ordonnées. On voit, comme cela est évident a priori, que le oourant ne passe que pendant le demi-cycle correspondant à une polarité positive de la borne supérieure 9 de la source 2.
Bien entendu, aucun courant ne traverse alors le redresseur 6.
La figure 3 bis montre, en fonction du temps également, et en trait plein, le courant traversant le redresseur 6 quand le commutateur 8 est fermé.
On retrouve sur cette figure, en pointillé, la tension fournie par la source 2.
Dans ce cas, le courant ne passe à travers 6 que pendant les alternances négati- ves, étant donné l'orientation du redresseur 6. Comme le montre l'expérience, ce courant est d'une valeur sensiblement constante durant cette demi-alternance, et cette valeur reste très faible. Ceci fait ressortir que le montage en cause présente un effet amplificateur marqué du fait que le courant traversant le re- dresseur 6, quand le commutateur 8 est fermé, est nettement inférieur à celui traversant la charge 3 quand le commutateur 8 est ouvert.
Comme déjà indiqué, quand 8 est fermé il ne passe dans 3 pratiquement aucun courant (ou un courant tout à fait négligeable).
En d'autres termes, quand le commutateur 8 est fermé tout se passe comme si la self 1 n'arrivait pas à être saturée par la demi-onde de courant tra- versant le redresseur 4, ceci étant dû à l'action du courant ayant traversé le redresseur 6 pendant le demi-cycle précédent. Par suite, quand 8 est fermé, la self 1 ne laisse passer dans la charge qu'un courant négligeable. Par contre, quan< 8 est ouvert la self 1 est saturée au cours de chaque demi-cycle correspondant à la conduction du redresseur 4, d'où un courant dans la charge.
Suivant une de ses caractéristiques principales, l'invention consiste à utiliser comme unité individuelle des circuits de commande et de contrôle, le schéma de la figure 1 en utilisant pour le commutateur 8, un organe sans contact présentant deux états différents de fonctionnement; dans le premier de ces états, sa résistance peut être considérée comme négligeable, dans le second comme très grande.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, ce commutateur sans contact est constitué par un transistor, soit du type à contact par point, soit du type à jonction. Par suite, l'unité individuelle réalisée conformément à l'in- vention, est constituée comme indiqué figure 4, où l'on retrouve la source de courant alternatif 2 avec la self saturable 1, le redresseur 4, la charge 3 et le redresseur 6. Le commutateur 8 est ici remplacé par un transistor 10 ,figuré de façon conventionnelle avec sa base (trait horizontal 11), l'émetteur 12, sym- bolisé par un trait oblique muni d'une flèche le joignant à 11, et le collecteur 13 (second trait oblique).
Le collecteur 13 est relié à la borne inférieure du redresseur 6, 1' émetteur 12 à la borne inférieure 7 de la source 2. Une source 14 de tension de commande est intercalée entre la base 11 et la borne 7. Dans..la présente appli- cation, le transistor fonctionne par tout ou rien, ceci grâce au choix convenable des tensions qui lui sont appliquées,en ce sens que si une tension, nulle ou positive, est appliquée entre base 11 et borne 7, le transistor peut être considé- ré comme isolant le'redresseur 6 de la borne 7. Par contre, si une tension négati- ve convenable est appliquée par la source 14, entre la base 11 et la borne 7, le transistor est court-circuité.
Par suite, dans le premier cas (absence de ten- sion ou tension positive fournie par 14), du courant passe dans la charge 3; dans le cas contraire, aucun courant ne passe dans cette charge, ce qui réalise la commande désirée.
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L'unité individuelle ainsi réaliséé permet un gain de puissance très notable, du fait, d'une part, de l'emploi de la self saturable, d'autre part, de l'emploi d'un transistor qui apporte également son gain propre.
Il est à remarquer que le montage suivant l'invention présente l'avan- tage important de fonctionner avec un retard pratiquement négligeable, étant donné que le contrôle's'exerce dès le premier demi-cycle du courant alternatif fourni par la source 2, à partir du changement d'état de la source 14; il y a là une ana- logie avec les amplificateurs magnétiques à action rapide qui se développent beaucoup actuellement.
L'expérience montre d'autre part, et ceci constitue un autre avantage, que le fonctionnement du système suivant l'invention, reste satisfaisant quand la tension d'alimentation de la source 2 varie dans d'assez larges limites. Par suite, on peut utiliser sans inconvénient pour cet usage, une tension tirée du sec- teur.
On notera que le circuit décrit ci-avant utilise une self saturable, ne comportant qu'un seul bobinage, et que la commande du transistor s'effectue par modification de la tension appliquée à sa base, le transistor fonctionnant par tout ou rien et n'agissant pas de façon continue.
Enfin,le système suivant l'invention n'utilise qu'une seule source de courant pour l'alimentation de la self saturable et du transistor associé.
Pour que les circuits de commande et de contrôle constitués au moyen des unités ci-avant décrites présentent de l'intérêt, il convient que, lors de la mise en marche, ,,ils ne fournissent pas, pendant la période de démarrage, d'in- dications intempestives, car cela pourrait entraîner de très graves inconvénients; il est donc nécessaire de paralyser à ce moment les unités.
Conformément à une autre caractéristique de l'invention, il est prévu dans ce but de court-circuiter automatiquement le transistor en l'absence de ten- sion fournie par la source 14.
Suivant une première variante de réalisation, ce résultat est obtenu en appliquant à la base une tension négative convenable, obtenue de façon appro- priée, de préférence à partir de la source 2.
La figure 5 représente le schéma résultant de cette considération.
On y retrouve les éléments 1, 2, 3, 4 ,6 et 10. Le court-circuitage du transis- tor est obtenu en reliant sa base à travers une résistance d'isolement 15, à un point intermédiaire d'une résistance 16 montée en série avec un redresse.ur 17 aux bornes de la source 2 ; ceredresseur laissant passer le courant dans le sens de 7 vers 2, on voit immédiatement qu'étant donné l'orientation du redresseur 17, une tension négative est développée entre borne 7 et extrémité inférieure de la résistance 15 ; en l'absence d'indication contraire fournie par 20-21 ou 22. le transistor est court-circuité, ce qui fait qu'aucun courant ne traverse la charge 3.
L'avantage de cette solution réside dans le fait que la paralysie du transistor intervient pratiquement instantanément, c'est-à-dire en tout état de cause, en moins d'un demi-cycle du courant alternatif d'alimentation.
On sait que pour court-circuiter ou rendre isolant un transistor, il suffit que son émetteur reçoive une tension positive, ou négative, par rapport à sa base. Il est possible de disposer plusieurs circuits'en parallèle pour effec- tuer cette opération. La figure 5 illustre également cette possibilité qui cons- titue un avantage important de l'invention.
Sur cette figure, la base est connectée à la résistance 15 et en ou- tre à des résistances telles que 17, 18 , 19 disposées en série avec.des sources de tension de commande 20, 21, 22. Pour provoquer le passage du courant dans la charge 3, il suffit, comme on le voit! immédiatement, que l'une de ces sources
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20, 21, 22 ,fournisse un potentiel négatif par rapport à la borne 7, les résis- tances 17, 18, 19 (ainsi que 15), constituant des résistances d'isolement qui ren- dent le.fonctionnement de chacune des commandes 20, 21, 22 ,indépendantes de ce+ lui des autres.
Les sources de tension de commande, telles que 20, 21, 22, (figure 5), peuvent être constituées par des sources de courant continu, ou de courant redres- sé, ou de courant alternatif de phase convenable, c'est-à-dire pratiquement en phase avec la source d'alimentation 2. Bien entendu, si les boutons-poussoirs et les organes de fin de course, dont il est fait mention plus haut, sont du type suivant la demande de brevet français PV 7410662 citée plus haut, ces sources se- ront uniquement des sources de tension alternative.
Ces sources sont bien entendu contrôlées par les organes primaires tels que cellules, détecteurs de température, indicateurs, etc, mentionnés plus haut.
La figure 6 illustre, à titre d'exemple purement illustratif, une combinaison à deux étages, utilisant deux unités individuelles, suivant l'inven- tion. On voit sur cette figure, une première unité comportant les éléments 1, 2, 4, 6, 10, 15, 16, 17, montés de la façon indiquée figure 5. A la base du transis- tor utilisé 10, sont connectées, outre la résistance 15, une résistance 23 en sé- rie avec une,source de commande 14, et une troisième résistance 24 qui n'est pas utilisée, et par suite simplement reliée à la borne 7 ; cette possibilité de mettre hors circuit une commande possible permet, comme on le voit.aisément, de prévoir des unités interchangeables; si le nombre de leurs commandes n'atteint pas le nombre prévu, les résistances correspondantes telles que 24, sont simplement mi- ses à la masse.
La charge de cette unité est constituée par une résistance 30 qui commande le transistor du second étage ; celui-ci comporte des éléments 31, 32, 34, 36, 40, analogues aux éléments 1, 2, 4, 6, etc. de la première unité. Le tran- sistor 40 comporte un système de mise au zéro, lors du démarrage, et constitué par les éléments 45, 46, 47, analogues respectivement à 15-16-17. A la base du transi tor 40, sont connectées, outre la résistance 45, deux résistances 50 et 51.La résistance 51 est montée en série avec une source de commande 52 constituant une commande indépendante; la résistance 50 est connectée à un point intermédiaire de la résistance de charge 30, ce qui fait que la première unité contrôle la se- conde ; la charge finale est montrée en 56.
La figure 7 représente une variante incorporant un circuit de réali- mentation ; on y retrouve les éléments 1, 2, 3, 4, 6 ,10 de la figure 5, ainsi que le dispositif de mise automatique au zéro ; 16-17 et 15. La réalisation est obtenue en plaçant aux bornes de la charge, un ensemble de deux résistances en série 80-81, l'une d'elle 81 étant shuntée par un condensateur 82. Le point commun de 80 et 81 est connecté à la base du transistor à travers la résistance d'isolement 55.
La réalimentation procure une mémoire, c'est-à-dire un verrouillage dans la position correspondant au passage du courant dans la charge, ce courant continuant par suite à passer lorsque l'ordre qui lui a donné naissance a dispa- ru.
Il est utile dans certains cas de pouvoir disposer de commandes tem- porisées pour ne permettre la mise en ou hors d'action, d'un circuit, qu'après qu'un laps de temps déterminé s'est écoulé depuis l'instant où l'ordre est donné.
La figure 8 montre comment une mise hors d'action temporisée est ob- tenue conformément à une autre caractéristique de 1' invention. On y retrouve les éléments 1, 2, 3, 4, 6, 10, 15, 16, 17 de la figure 5 avec les mêmes fonc- tions. Une commande non temporisée est obtenue au moyen de la résistance 60 et de la source 61. Une deuxième commande temporisée s'effectue à partir de la sour- ce 62 et de la..résistance d'isolement 63. Pour réaliser la temporisation ,un redresseur 64, orienté comme indiqué, c'est-à-dire laissant passer le courant dan
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le sens de 7 vers 10, est placé en série entre 62 et 63. Enfin, une capacité 65 de valeur appropriée est connectée entre la borne 7 et le point commun de 63 et 64.
Le fonctionnement de la temporisation est le suivant : quand la source 62 fournit une tension, le condensateur 65 se charge quasi instantanément, étant don- né que la résistance interne de la source 62 est choisie très petite. Par suite, il n'y a pas alors de temporisation. Par contre, quand la source 62 ne fournit plus de tension, la tension appliquée à la base du transistor subsiste tant que le condensateur 65 n'est pas déchargé d'une fraction déterminée; or, ce condensateur se décharge à travers 63 et l'émetteur du transistor, émetteur dont la résistance équivalente est très faible vis-à-vis de celle de 63.
La figure 9 représente un circuit réalisant l'opération inverse,c'est- à-dire une temporisation pour la mise en action. On y retrouve ici également les éléments 1, 2, 3, 4, 6, 10, 15, 16, 17 ainsi que 60 et 61. Dans ce cas, la source de commande 70 dont il s'agit de .temporiser la mise en action, est dispo- sée en série avec une résistance d'isolement 71 et un redresseur 72 orienté en sens inverse du redresseur 64 de la figure 8 ; résistance 73 est placée aux bornes de ce redresseur 72. En outre, un condensateur 74 est connecté entre borne 7 et point commun de 71 et 72.
Dans ce cas, quand apparaît la tension aux bornes de 70, l'ordre n'est pas exécuté immédiatement étant donné que le condensateur 74 doit être pré- alablement chargé, et ceci nécessite un temps fixé par la constante de temps RC, R étant la valeur de la résistance 73 et C la valeur de la capacité du condensa- teur 74.
Par contre, quand la tension aux bornes de 70 disparaît, le condensa- teur 74 se décharge pratiquement instantanément à travers le redresseur 72 et la résistance interne qui est très faible, de la source 70, d'où absence de tem- porisation à la mise hors d'action.
Comme on le sait, les transistors fonctionnent sans retard appréciable, de sorte que les circuits de contrôle réalisés conformément à l'invention, pré- sentent des temps de réponse extrêmement petits, ce qui constitue un avantage im- portant.
On conçoit que des unités individuelles de ce genre peuvent permettre de constituer des ensembles pouvant résoudre toutes les questions qui se posent dans la pratique.
D'autres caractéristiques de l'invention portent sur deux variantes de réalisation du circuit élémentaire de contrôle de la figure 1. Ces variantes sont représentées figures 10 et 11.
On a vu plus haut que, dans la réalisation de la figure 1, la présence ou l'absence d'un courant démagnétisant était obtenue ei. disposant en parallèle, aux bornes de l'ensemble redresseur 4 et charge 3, un redresseur 6 mis ou non en service, au moyen d'un commutateur 8.
Dans la réalisation de.la figure 10, constituant une première variante, la commande de courant démagnétisant s'effectue de façon différente, elle est obtenue en plaçant en parallèle entre les bornes 5 et 9 du circuit de la figure 1, une résistance dont la valeur est calculée de manière à permettre simplement le passage dans la self 1 du courant démagnétisant, la commande consistant à court-circuiter pour la polarité inverse, la self 1 au moyen de l'ensemble interrupteur 5, redresseur 6, ce qui réalise l'équivalent d'un montage parallèle, alors que le montage de la figure 1 constitue un montage que l'on peut appeler montage série.
Ce montage parallèle se révèle avantageux dans certaines applications.
Conformément à une seconde variante de réalisation, le contrôle du courant démagnétisant s'obtient en plaçant sur la self saturable, un second bobi- nage aux bornes duquel est disposé un ensemble interrupteur et redresseur.
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La figure 10 représente la première variante de réalisation. On y re- trouve les éléments 1, 2, 3, 4 de la figure 1 avec les mêmes fonctions, mais réfé- rencées 81,82, 83, 84. Entre les bornes 88 et 91 est placée une résistance 89 de valeur.juste suffisante pour permettre le passage du courant démagnétisant dans la self 81. En outre, cette self est shuntée par l'ensemble interrupteur 85 et redresseur. 86, ce dernier orienté de 91 vers 85.
On voit aisément que quand'l'interrupteur 85 est ouvert, le courant démagnétisant passant à travers 89 lors des demi-ondes négatives, fait que la self 81 a besoin d'être saturée à chaque cycle, de sorte que ne passe alors dans la résistance de charge 84 qu'un courant négligeable, ce cas réalise l'analogue du montage de la figure 1 avec l'interrupteur 8 fermé.
Par contre, quand l'interrupteur 85 de la figure 10 est fermé, la self 81 est court-circuitée pour les demi-ondes rendant la borne 88 positive, de sorte que le courant passant à travers 89 et qui démagnétiserait alors la self 81, est pratiquement intégralement dérivé à travers le redresseur 86, à condition que la résistance de ce redresseur dans le sens passage du courant, soit négligeable vis-à-vis de celle du bobinage de la self 81, condition facilement réalisable.
Par suite, la self 81 reste alors saturée et le courant passe dans la charge 84.
On peut encore rendre négligeable l'influence du courant démagnétisant traversant la résistance 89, en plaçant sur la self 81 un bobinage supplémentaire 90 aux bornes duquel est placé l'ensemble interrupteur 85 et redresseur 86, ce qui est réalisé par le montage de la figure 11, constituant seconde variante.
En effet, le flux démagnétisant provoqué par le passage du courant dans la résistance 89, est alors annulé par le flux induit passant dans le bobi- nage 90 et le redresseur 86 quand l'interrupteur 85 est fermé. On voit donc que quand 85 est fermé, un courant négligeable passe dans la résistance 84 et, quand 85 est ouvert, du courant passe dans la résistance 84.
On notera que les montages suivant l'invention sont également à répon- se rapide, comme celui de la figure 1, puisqu'ils utilisent le même principe de fonctionnement.
Une variante avantageuse consiste à constituer, comme ci-avant, 1' interrupteur 85 par un transistor que l'on commande par sa base, ce qui permet de diminuer encore plus la puissance nécessaire pour une puissance déterminée fournie à la résistance de charge 84.
REVENDICATIONS.
1. Méthode pour autoriser ou interdire le passage d'un courant dans une charge disposée en série avec une source de courant alternatif, une self saturable et un redresseur consistant à autoriser ou interdire le passage du courant démagnétisant dans la self saturable durant les demi-périodes du courant alternatif pendant lesquelles le redresseur bloque le passage du courant dans la charge.