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RELAIS HYBRIDE DE PUISSANCE
L'invention concerne les relais hybrides de puissance utilisés
pour effectuer l'ouverture ou la fermeture de circuits électriques.
Actuellement on rencontre deux principaux types de relais selon
leurs technologies de réalisation, les relais électromécaniques et les relais
à
semi-conducteurs ou relais statiques.
Les relais sont conçus pour supporter le courant du circuit
électrique dans lequel ils sont insérés et effectuer la coupure du circuit
électrique en charge, c'est à dire lorsque le circuit est parcouru par un
courant électrique.
Les relais de type électromécanique comportent un ou plusieurs
contacts électriques à déplacement mécanique, couplés à un élément
mobile du circuit magnétique d'un électroaimant. La commande" de
l'électroaimant est effectuée par l'alimentation de sa bobine produisant un
flux d'induction dans le circuit magnétique entraînant le déplacement de
l'élément mobile et la fermeture ou l'ouverture des contacts électriques du
relais.
La commutation par un relais électromécanique d'un circuit
électrique en charge, et particulièrement lorsque le circuit est selfique,
produit des arcs entre les contacts au moment de l'ouverture ou de la
fermeture du circuit. Ce phénomène est couramment appelé étincelage.
L'étincelage entraine l'apparition de charbon (charbonnage) entre
les contacts, dû à la combustion des poussières ou des particules de
matière au moment de l'arc. Une des conséquences du charbonnage est la
dégradation de la qualité du contact par l'augmentation de la résistance au
passage du courant.
Les relais statiques contrairement aux relais électromécaniques
n'utilisent pas d'éléments mécaniques mobiles mais des composants semi-
conducteurs capables d'effectuer l'ouverture ou la fermeture d'un circuit
électrique dans lesquels ils sont insérés. Les relais statiques utilisent des
composants semi-conducteurs tels que les triacs, les thyristors, les
transistors, les MOS-thyristors connus sous la dénomination anglaise de
Insulated Gate Controlled Thyristor ou IGCT , les transistors
bipolaires à grille isolée connus sous la dénomination anglaise de
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Insulated Gate Bipolar Transistor ou IGBT , les thyristors à
commande MOS connus sous la dénomination anglaise de MOS
Controlfed Thyristor ou MCT .
Ces types de composants semi-conducteurs, comportent deux
entrées de puissance destinées à être connectées à un circuit électrique et
une entrée de commande mettant le composant semi-conducteur, lorsqu'if
est inséré dans le circuit électrique par ses deux entrées de puissance, soit
dans un état bloqué, soit dans un état passant entre ces deux entrées de
puissance. Dans l'état bloqué, toute la tension du circuit électrique se
trouve
appliquée aux entrées de puissance du composant semi-conducteur et dans
l'état passant le semi-conducteur est traversé par le courant du cincuit
électrique dans lequel il est inséré.
Les relais statiques comportent néanmoins un inconvénient par
rapport aux relais électromécaniques. En effet, dans l'état passant (ou
saturé), le composant . semi-conducteur présente entre ses entrées de
puissance, au passage du courant, une tension résiduelle de saturation
produisant une dissipation d'énergie calorifique dans le composant semi-
conducteur et une élévation de sa température. Par exemple dans un triac,
cette tension résiduelle de saturation est de l'ordre de 1,5 volts. De ce
fait,
2o les relais statiques de puissances doivent étre utilisés conjointement avec
des radiateurs thermiques pour évacuer l'énergie calorifique dissipée par le
composant semi-conducteur et leur assurer ainsi une durée de vie
suffisante.
Dans un autre type de relais appelé couramment relais hybride, le
composant semi-conducteur est connecté en parallèle avec le contact
électrique à déplacement mécanique du relais électromécanique. La
commande du relais hybride provoque simultanément la mise à l'état
passant du composant semi-conducteur qui absorbe l'arc de commutation et
la fermeture du contact du relais qui court-circuite le composant semi-
conducteur. Le contact présentant une très faible résistance, le courant du
circuit électrique passe par le contact et non pas par le composant semi-
conducteur qui se trouve désamorcé évitant ainsi son échauffement.
Néanmoins cette solution comporte des inconvénients. En éffet une
augmentation de la résistance entre les contacts du relais, dû à différents
phénomènes comme par exemple le charbonnage, l'oxydation, le
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vieillissement ou un défaut mécanique des contacts, provoque l'apparition
d'une chute de tension entre les contacts qui peut 8tre suffisamment élevée
pour amorcer le composant semi-conducteur en parallèle avec le contact et
faire passer, d'une façon permanente, une partie, voir pratiquement la
totalité du courant du circuit électrique dans le composant semi-conducteur,
ce qui produit son échauffement voir sa destruction, s'il n'a pas été équipé
d'un radiateur.
La présente invention permet de palier les inconvénients de l'art
antérieur en proposant un relais hybride de puissance destiné à être inséré
dans un circuit électrique, le relais hybride comprenant un contact
électrique à déplacement mécanique, un composant semi-conducteur en
parallèle sur le contact électrique à déplacement mécanique, des moyens
pour commander d'une part la fermeture du contact et la mise en
conduction du composant semi-conducteur en réponse à un premier
signal de commande, et d'autre part l'ouverture du contact et la mise en
conduction du composant semi-conducteur en réponse à un second
signal de commande, caractérisé en ce que les moyens de commande
comprennent des moyens pour :
- générer à partir du premier signal de commande un signal de
fermeture du contact;
- générer à partir du premier signal de commande,
Indépendamment du signal de fermeture, un premier signal de mise en
conduction du composant commençant avant la fermeture du contact et
se terminant après cette fermeture;
- générer à partir du second signal de commande un signal
d'ouverture du contact;
- générer à partir du second signal de commande,
Indépendamment du signal d'ouverture, un deuxième signal de mise en
conduction du composant commençant avant l'ouverture du contact et
se terminant après cette ouverture.
Le relais relais hybride selon l'invention, peut fonctionner avec
n'importe quel composant de puissance, à savoir, les triacs, les
thyristors, mais aussi les transistors, les IGBT, les IGCT, les MCT.
Le relais hybride de puissance est réalisé de façon à générer, à
partir du premier signal de commande du relais, le signal de fermeture du
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contact et le premier signal de mise en conduction du composant,
indépendament l'un de l'autre, ce qui permet d'effectuer une mise en
conduction du composant semi-conducteur soit simultanement avec le
signai de ferméture du contact, soit avant le signal de fermeture du
contact. Il en est de même lors l'ouverture du contact. Un avantage
découlant de cette fonctionalité est que le temps de réaction du contact
mécanique lors de l'apparition, soit du signal de ferméture, soit du signal
d'ouverture, n'intervient pas. En effet dans le cas d'un rélais ayant un
temps de reponse rapide, la mise en conduction du composant semi-
conducteur peut 8tre décianchée à la ferméture du contact, avant cette
ferméture et à l'ouverture du contact, avant cette ouverture, ce qui
assure un temps suffisant pour l'établissement du courant dans le semi-
conducteur et ainsi effectuer soit l'ouverture soit la ferméture du contact
avec un courant sensiblement nul.
Dans le cas d'un relais ayant un temps de réponse assez long
pour que le courant soit établit dans le semi-conducteur, le signal de
mise en conduction du composant semi-conducteur pourra Atre émis
simultanement avec soit le signal de ferméture, soit le signal d'ouverture
du contact du relais.
Le relais hybride de puissance selon l'invention assure une
commutation synchronisée entre le contact électrique à déplacement
mécanique et le composant semi-conducteur en parallèle avec le contact.
Cette synchronisation supprime la quasi totalité de l'arc électrique pouvant
se produire à l'ouverture ou à la ferméture du contact électrique. En effet
l'ouverture ou la fennéture du contact n'est effectuée qu'au moment où le
composant semi-wnducteur est commandé dans l'état passant.
Le relais hybride de puissance selon l'invention comporte
l'avantage de rendre inutile l'utilisation d'un radiateur pour le composant
semi-conducteur, ce qui diminue le coût et la taille du relais hybride.
En effet, après la fermeture du contact, i'arrét du premier signal
de mise en conduction du composant semi-conducteur empéche que ce
demier puisse s'amorcer par i'apparition d'une chute de tension permanente
à ses bomes, due par exemple au charbonnage ou à un défaut mécanique
permanent du contact, évitant ainsi le passage du courant du circuit
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électrique dans le composant semi-conducteur et le protégeant d'un
échauffement anormal voir d'une destruction.
Un autre avantage de l'arrét du premier signal de mise en
conduction du composant semi-conducteur entratnant sa mise à l'état
bloqué, après la fermeture du contact, réside dans le fait de forcer le
passage du courant du circuit électrique par le contact, ce qui assure le
nettoyage du contact par la destruction des particules de matière carbonisée
dues au charbonnage.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront
à la lecture de la description d'exemples de relais dans lesquels :
- la figure 1 représente un synoptique d'un relais hybride de
puissance selon l'invention ;
- la figure 2 représente un schéma électrique d'un exemple de
réalisation d'un relais hybride de puissance selon l'invention ;
~ s - les figures 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f et 3g, représentent les diagrammes
de fonctionnement du relais hybride de puissance de la figure 2.
Un relais hybride de puissance 10 comporte deux bomes A et B
destinés a 8tre insérées dans un circuit électrique CE. L'ouverture ou la
fermeture du relais hybride est effectuée par une entrée de commande ER
du relais hybride 10.
Le relais hybride 10 comporte essentiellement :
- un contact électrique 20 à déplacement mécanique, connecté entre
les deux bomes A et B du relais hybride;
- une bobine 22 actionnant le contact 20 afin d'effectuer sa
fermeture ou son ouverture;
- un composant semi-conducteur 30, comportant deux entrées de
puissance El et E2, connecté en parallèle avec le contact 20 par ces deux
entrées de puissance, et une entrée de contrôle EC pour sa mise en
conduction.
Des moyens de commande comportent un circuit de commande 40
ayant l'entrée de commande ER du relais hybride, une première sortie X1
attaquant l'entrée de contrôle EC du composant semi-conducteur 30 et une
seconde sortie X2 alimentant la bobine 22.
Le relais hybride de puissance 10 peut comporter en outre une
protection 50 connectée entre les bomes A et B afin de protéger le relais
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hybride des éventuelles surtensions pouvant apparaître sur le réseau
électrique CE.
Le composant semi-conducteur 30 peut être choisi parmi les triacs,
les thyristors, les transistors, les IGBT, les IGCT, les MCT et peut être
associé à un ou plusieurs composants semi-conducteurs du môme type afin
d'assurer la fonctionnalité du relais hybride de puissance selon le type de
circuit électrique dans lequel le relais hybride se trouve inséré.
Par exemple deux thyristors montés en parallèle t8te bêche seront
utilisés dans un circuit à courant altematif.
Le relais hybride de puissance selon l'invention comporte l'avantage
d'assurer la synchronisation de la commande du contact à déplacement
mécanique et du composant semi-conducteur en tenant compte d'impératifs
liés au circuit électrique ou aux charges connectées sur le circuit
électrique.
Par exemple dans le cas d'un circuit électrique fonctionnant sous . une
tension altemative, les moyens de commande sont configurés pour assurer
une commutation du relais hybride en moment du passage par une valeur
proche de 0 volt de la tension du circuit électrique.
En effet la fermeture du relais hybride à un instant quelconque de la
période de la tension altemative du circuit électrique, et en particulier
lorsque cette tension est au maximum, provoque un brusque établissement
du courant dans le circuit électrique pouvant présenter des inconvénients
pour les équipements connectés au circuït électrique, voir pour le circuit
électrique lui mème. Nous pouvons citer à titre d'exemple le cas d'un circuit
fonctionnant en courant altematif à 50 Hertz comportant des charges
capacitives provoquant un fort appel de courant, lorsqu'on leur applique un
front de tension raide, au moment de la commutation du relais.
La figure 2 représente un schéma électrique d'un relais hybride 60 de
puissance, selon l'invention utilisant un triac en parallèle avec le contact à
déplacement mécanique et comportant des moyens de commande utilisant
un microcontrôleur.
Le microcontrôleur comporte l'avantage d'intégrer dans le relais
hybride une certaine intelligence permettant de tenir compte de nombreux
paramètres liés aux caractéristiques du relais hybride, et à celles du circuit
électrique dans lequel le relais hybride se trouve inséré.
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Dans l'exemple de réalisation de la figure 2 le relais hybride 60 est
inséré dans un circuit électrique à courant altematif comportant. deux voies
une première voie V1 et une seconde voie V2 sous une tension Ue entre ces
voies. Les voies V1 et V2 alimentent des charges non représentées sur la
figure 2.
Le relais hybride 60 est inséré dans la première voie V1
respectivement par une première borne d'entrée SA du côté de la source de
tension Ue et par une première bome de sortie CA du côté des charges, et
dans la seconde voie V2 respectivement par une seconde borne d'entrée SB
du côté de la source de ténsion Ue et par une seconde bome de sortie CB
du côté des charges.
Le relais hybride 60 comporte un contact 70 à déplacement
mécanique en parallèle avec un triac 80, l'ensemble constitué par le contact
70 en parallèle avec le triac 80 étant inséré dans la première voie V1 éntre
la première bome d'entrée SA et la première bome de sortie CA, l'ensemble
assurant l'ouverture ou la fermeture de la première voie V1. La seconde voie
V2 traverse sans interruption le relais hybride, entre la seconde bome
d'entrée SB et la seconde bome de sortie CB.
Les moyens de commande du relais hybride sont alimentés à partir
de la tension Ue du circuit électrique dans lequel le relais hybride est
inséré
par un circuit d'alimentation 90 et un circuit de régulation 92.
Le circuit d'alimentation 90 est connectée entre les voies VI et V2 du
circuit électrique sous la tension Ue foumissant à partir de la tension Ue et
à
travers une capacité C1, l'énergie nécessaire à l'alimentation des moyens
de commande du relais hybride. Un côté du circuit d'alimentation 90 étant
connecté à la première borne d'entrée SA et l'autre côté à la seconde bome
d'entrée SB.
Le circuit d'alimentation 90 foumit selon un schéma connu, une
tension d'alimentation VL continue sensiblement constante entre une
première ligne L1 et une seconde ligne L2. La seconde ligne L2 sera
considéré comme étant à un potentiel Vo de référence. Le circuit de
régulation 92 est connecté entre la première ligne L1 et la seconde ligne L2
sous la tension d'alimentation VL et foumit sur une troisième ligne L3, une
tension régulée VC par rapport à la seconde ligne L2 au potentiel Vo de
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référence. La tension VC assure l'alimentation d'un microcontrôleur 100 des
moyens de commande du relais hybride.
Les moyens de commande du relais hybride comportent
essentiellement le microcontrôleur 100 ayant
s - une première entrée logique El recevant une information de
commande d'ouverture (premier signal de commande établi sur l'entrée El)
et de fermeture (deuxième signal de commande établi sur l'entrée El) du
relais hybride ;
- une seconde entrée logique E2 recevant des impulsions IP, d'un
circuit de détection 102 fournissant au microcontrôleur 100 des informations
permettant de déterminer d'une part l'état de l'ensemble constitué par le
triac
80 en parallèle avec le contact 70 et d'autre part le passage de la tension
Ue du circuit électrique par une valeur proche de 0 volts. Le circuit de
détection comporte une paire de photodiodes D6 et D7 montées en parallèle
t8te b8che couplées optiquement à un phototransistor Q6, cette paire de
photodiodes étant en série avec un circuit de type RC série constitué par
une résistance R17 et une capacité C6, la paire de photodiodes et le circuit
RC étant connecté en parallèle sur l'ensemble du triac 80 en parallèle avec
le contact 70. Dans cette réalisation du relais hybride 60, la résistance R17
a une valeur d'environ 47 ohms et la capacité C6 a une valeur d'environ 10
nanofarads.
- une première sortie logique S1 foumit un premier signal de mise en
conduction du triac 80 en réponse à l'application sur l'entrée El du premier
signal de commande (ordre de fermeture du relais) ; la sortie S1 foumit
également un deuxième signal de mise en conduction du triac 80 en
réponse à l'application sur l'entrée El du second signal de commande
(ordre d'ouverture du relais). Cette sortie S1 attaque une entrée des moyens
de commande de mise en conductïons du triac 80. Ces moyens comportent
un premier transistor suiveur Q3 connecté par sa base d'une part, à la
première sortie logique S1 à travers une résistance de base R7, et d'autre
part au potentiel Vo de référence à travers une résistance R4, l'émetteur du
premier transistor suiveur Q3 étant connecté au potentiel Vo de référence et
le collecteur à une entrée 110 d'un générateur de courant de gâchette 112,
une sortie 114 du générateur de courant de gâchette 112 étant connecté à
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la gàchette G du triac 80 au potentiel de la première voïe V1 du côté de la
source de tension Ue ;
- une deuxième sortie logique S2 foumit un signal de fermeture du
contact (état haut sur S2), en réponse à l'établissement sur l'entrée El du
premier signal de commande, et un signal d'ouverture du contact (état bas
sur S2), en réponse à l'établissement du second signal de commande sur
l'entrée El. La sortie S2 attaque une entrée des moyens d'alimentation
d'une bobine 72 actionnant le contact 70 à déplacement mécanique. Ces
moyens comportent un second transistor suiveur 04 connecté par sa base
d'une part, à la deuxième sortie logique S2 à travers une résistance de base
R8, et d'autre part au potentiel Vo de référence à travers une résistance R6,
1'émetteur du second transistor suiveur 04 étant connecté au potentiel Vo de
référence, et le collecteur, à travers une diode électroluminescente D8, à
une première borne d'alimentation 118 de la bobine 72, une seconde bôme
d'alimentation 120 de la bobine 72 étant connectée à la première ligne L1, à
la tension d'alimentation VL.
Le relais hybride 60 comporte une entrée de commande ayant deux
bomes de commande GN et IN sur lesquelles on applique une tension dont
le niveau sert à établir les signaux de commande sur l'entrée El du
microcontr8leur. Entre les bomes GN et IN se trouve connectée une
résistance R15 en série avec une photodiode D5 couplée optiquement à un
phototransistor Q5 d'un premier photocoupleur U9. Le premier
photocoupleur U1 assure un isolement galvanique entre l'entrée de
commande du relais hybride et ses éléments sous la tension Ue du circuit
électrique.
Le phototransistor 05 est connecté par son collecteur à la troisième
ligne L3 à la tension régulée VC, et par son émetteur, d'une part par
l'intermédiaire d'une résistance R14 à la deuxième ligne L2 au potentiel Vo
de référence, et d'autre part à la première entrée logique El du
microcontrôleur 100, cette première entrée logique El recevant l'information
de commande d'ouverture ou de fermeture du relais hybride.
Une tension de commande Tc appliquée entre les deux bomes GN et
IN de commande du relais hybride produit un courant Ic dans la photodiode
D5 suffisant pour l'allumer et saturer le phototransistor Q5.
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La saturation du phototransistor Q5 fait passer son émetteur et la
première entrée logique El du microcontrôleur du potentiel Vo de référence,
au potentiel régulé VC, correspondant à un changement d'état logique de la
première entrée El qui passe de l'état 0 à l'état 1. Ce changement d'état de
la première entrée El est pris en compte par le microcontrôleur qui
décienche une séquence de fermeture du relais hybride 60.
Un deuxième photocoupleur U2 faisant partie du circuit de détection
102 assure la génération des impulsions IP. de niveau logique appliqués à la
deuxième entrée logique E2 du microcontrôleur 100. Ces impulsions de
nïveau logique permettent au microcontrôleur de déterminer d'une part, le
changement de polarité de la tension Ue du circuit électrique (passage par
une tension Ue proche de 0 volts) et d'autre part l'état de l'ensemble
constitué par le contact 70 en parallèle avec le triac 80.
A cet effet le photocoupleur U2 comporte la paire des photodiodes D6
et D7 montées en parallèle téte-bâche couplées optiquement au
phototransistor Q6, un côté de la paire de photodiodes étant connecté à
travers une capacité C6 sur la première voie V1, du côté de la première
bome de sortie CA du relais hybride, l'autre côté de la paire étant connecté
à travers une résistance R17 à la première voie V1 du côté de la première
bome d'entrée SA du relais hybride . Une tension V apparaissant aux
bomes de l'ensemble constitué par le contact 70 en parallèle avec le triac 80
se trouve appliquée au circuit de détection 102.
Le phototransistor Q6 est commandé d'une part par une des
photodiodes de la paire des photodiodes D6 et D7, lors d'une des deux
altemances de la tension V et d'autre part par l'autre photodiode de ladite
paire D6 et D7, lors de l'autre altemance de la tension V.
Le phototransistor 06 est connecté par son collecteur à la troisième
ligne L3 sous la tension régulée VC, et par son émetteur, d'une part à la
deuxième ligne L2 au potentiel Vo de référence par l'intermédiaire d'une
résistance R16, et d'autre part à la deuxième entrée logique E2 du
microcontrôleur 100.
Lorsque le phototransistor Q6 est saturé, la tension appliquée à la
deuxième entrée E2 est sensiblement égale à la tension régulée VC (état 1)
et lorsque le phototransistor 06 est bloqué, elle est sensiblement égale au
potentiel Vo de référence (état 0).
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Lorsque le relais hybride est au repos le contact 70 est ouvert et le
triac 80 est à l'état bloqué. La première voie V1 du circuit électrique étant
interrompue par le relais hybride, la tension V est sensiblement égale à la
tension Ue du circuit électrique, produisant un courant Id dans le circuit de
détection 102. Le courant Id allume les photodiodes D6 et D7
respectivement lors de l'une et de l'autre altemance de la tension V sauf
pendant une courte période de temps correspondant au passage par un
maximum de tension Vm. En effet le courant dans la capacité C6 devient nul
lorsque la dérivée de la tension V passe par 0, soit lorsque la tension V
cesse de croître en passant par une tension maximum Vm pour diminuer.
Pendant un court instant au passage par la tension maximum Vm, les
deux photodiodes D6 et D7 sont éteintes et le phototransistor Q6 se bloque
produisant une impulsion Im sur la seconde entrée logique E2. du
microcontrôleur dont la tension passe d'une tension sensiblement égale à la
tension régulée VC à une tension proche du potentiel Vo de référence, pour
revenir à la tension régulée VC et ceci à chaque altemance tant que le relais
hybride est ouvert.
Lors d'une demande de fenneture du relais hybride à un instant to, le
microcontrôleur 100, calcule à partir du temps to, d'un temps tm auquel s'est
produit la dernière impulsion Im, et de la période T de la tension Ue du
circuit électrique, le temps nécessaire à attendre pour effectuer la mise à
l'état saturé du triac 80, à un moment où la tension Ue se trouve proche de 0
volts, évitant ainsi l'apparition de fronts raides de commutation dans le
circuit électrique.
Lorsque le triac 80 est dans l'état passant, le contact 70 étant encore
ouvert, des variations de la tension V apparaissent au moment du
changement d'alternance d'une amplitude égale à la tension de saturation
ul du triac 80, de l'ordre de 1,5 volts.
Ces variations de tensions V sont transmises par la capacité C6, du
circuit de détection 102, allumant respectivement l'une et l'autre des
photodiodes de la paire des photodiodes D6 et D7, cette fois, lors du
changement d'alternance. L'émetteur du phototransistor Q6 transmet ces
impulsions à la seconde logique E2 du microcontrôleur 100 qui seront
utilisées par le micxocontrbleur 100 pour déterminer l'état du contact 70.
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Lorsque le contact 70 est fermé, aucune impulsion sera détectée par
le deuxième photocoupleur U2, la tension V étant pratiquement égale à 0
volts. Le phototransistor Q6 est à l'état bloqué et la tension sur la seconde
entrée logique E2 reste constante et environ égale à la tension Vo de
référence.
Nous allons par la suite, décrire le fonctionnement du relais hybride
60 de la figure 2 en référence aux figures 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f et 3g
représentant des diagrammes d'état et des tensions en fonction d'un temps
#, de différents éléments du relais hybride de puissance.
Le relais hybride est utilisé dans un circuit électrique de tension Ue
altemative à la fréquence de 50 Hertz. La période T de l'altemance. est
dans cet exemple de 20 millisecondes.
Le diagramme de la figure 3a montre la tension Ue appliquée aux
bornes d'entrées SA et SB du relais entre les deux voies V1 et V2, en
fonction du temps t et autour d'une valeur proche de 0 volts, lors du
changement de polarité de la tension Ue
Le diagramme de la figure 3b montre la tension V aux bomes de
l'ensemble constitué par le contact 70 en parallèle avec le triac 80, inséré
dans la première voie V1, entre la première borne d'entrée SA et la première
borne de sortie SB.
Avant un instant initial to :
- le relais hybride est au repos et à l'état ouvert, toute la tension Ue
du circuit électrique se trouve appliquée aux bornes du contact 70 et du triac
80, la tension V est sensiblement égale à la tension Ue ;
- le courant lc dans la photodiode D5 est nul, aucune tension de
commande étant appliquée entre les bomes de commande GN et IN du
relais hybride ;
- la première entrée logique El du microcontrôleur 100 est à l'état 0
(voir figure 3c), la première sortie logique S1 et la seconde sortie logique
S2
du microcontrôleur 100 sont à l'état 0.
A un instant to initial, on souhaite dans une première phase, fermer le
relais hybride 60 en appliquant la tension de commande Tc entre les bornes
de commande GN et IN du relais hybride. Le courant de commande Ic
traverse la photodiode D5 qui s'allume, saturant le phototransistor Q5 du
premier photocoupleur U1. Pratiquement à cet instant to, en faisant
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abstraction du temps de réponse du photocoupieur U1, la première entrée
logique El du microcontrôleur passe de l'état 0 à l'état 1, se traduisant par
l'apparition d'un potentiel de niveau logique (environ la tension régulée VC)
appliqué à cette première entrée logique El (voir figure 3c).
s Le micxocontrbleur 100 est programmé, dans cette réalisation du
relais hybride 60, pour commander le passage du triac 80 à l'état passant,
lors d'une commande de fermeture du relais hybride, que lorsque la tension
Ue du circuit électrique passe par un niveau proche de 0 volts. Soit t1
l'instant ou s'effectue le premier passage par 0 volts de la tension Ue (voir
figure 3a), après l'instant to commandant la fermeture du relais.
A cet instant t1 le microcontrôleur 100 fait passer la première sortie
logique S1 de l'état 0 à l'état 1(voir la figure 3d) et la seconde sortie
logique
S2 de l'état 0 à l'état 1(voir figure 3e).
Le passage à l'instant t1, de la première sortie logique S1 à l'état 1,
~ 5 applique un potentiel de niveau logique haut à la base du premier
transistor
suiveur Q3 à travers la résistance de base R7.
A l'instant t1 le premier transistor suiveur Q3 se sature mettant
l'entrée 110 du générateur de courant 112 au potentiel Vo de référence
faisant passer par la sortie 114 du générateur de courant, un courant !g
dans la gàchette du triac 80.
A cet instant t1, le triac sous la tension Ue, s'amorce. Cet amorçage
est représenté par le diagramme de la figure 3f montrant le passage du triac
80 d'un état 0, ou état bloqué (avant t1) à un état 1, ou état passant à
l'instant t1.
Au m8me instant t1, la seconde sortie logique S2 passant à l'état 1
applique un potentiel de niveau logique haut à travers la résistance de base
R8, à la base du second transistor suiveur Q4 qui se sature, faisant passer
un courant lb dans la bobine 72, les bomes d'alimentation 118 et 120 de la
bobine étant connectées respectivement à la tension d'alimentation VL et au
potentiel Vo de référence.
Le diagramme de la figure 3e représente l'état de la seconde sortie
logique S2 ainsi que l'état de l'alimentation de la bobine 72. Avant l'instant
t1 le courant lb dans la bobine 72 est sensiblement nul, correspondant à un
état 0 sur le diagramme de la figure 3e et à l'instant t1, le courant lb
traverse
la bobine 70, correspondant à un état 1.
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La bobine 72 étant alimentée, produit la fermeture du contact 70
après un délai ti1, correspondant à un temps de réponse à la fermeture du
contact 70. En général ce retard T1 est de l'ordre de 5 ms pour les relais de
série. La fermeture du contact s'effectue au temps t2 égal t1 + ti1.
La fermeture du contact 70 à l'instant t2 est représentée par
diagramme de la figure 3g dans lequel un contact ouvert correspond à un
état 0 et un contact fermé à un état 1.
La fermeture du contact 72 à l'instant t2 court-circuité le triac 80 qui
se trouve alors désamorcé pratiquement au même instant t2, et il n'est plus
traversé par le courant du circuit électrique. Sur le diagramme de la figure
3f, le triac 80 est représenté passant de l'état 1 à l'état 0 au temps t2.
Il est a remarquer que la fermeture du contact 70 ou temps t2 s'est
effectuée alors que le courant dans le circuit électrique est déjà établi: (au
temps t1) à travers le triac 80, donc sans arc pour le contact 70.
Le microcontrôleur maintient la commande du courant Ig de gàchette
du thyristor (première sortie logique S1 à l'état 1) pendant un délai de
sécurité (quelques millisecondes) jusqu'à un temps t3 auquel la première
sortie logique S1 passe de l'état 1 à l'état 0 interrompant le courant Ig de
gdchette du triac 80 et empèchant ainsi un éventuel amorçage du triac 80,
dans le cas d'apparition d'une tension permanente entre ses bornes comme
par exemple une tension résiduelle due au charbonnage du contact 70.
La commande de mise en conduction du triac 80 s'est effectuée
pendant un premier laps de temps commençant avant la fermeture du
contact 70, au temps t1 et se terminant après sa fermeture, ou temps M.
Le diagramme de- la figure 3b montre les variations de la tension V
aux bomes du triac 80 en parallèle avec le contact 72, pendant cette
première phase de fermeture du relais hybride 60.
Entre les temps to et t1 toute la tension Ue se trouve appliquée aux
bornes du triac 80, entre les temps t1 et t2 le triac étant à l'état passant
et le
contact ouvert la tension V est sensiblement égale à la tension résiduelle -
ul de conduction du triac soit environ -1,5 volts et à partir du temps t3, le
contact 70 court-circuitant la triac 80, la tension V devient très faible
égale à
une tension résiduelle u2 due au passage du courant dans le contact 70.
Cette tension résiduelle est pour la plupart des contacts à déplacement
mécanique inférieure à quelques millivolts.
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A un instant t4, dans une seconde phase, on souhaite effectuer
l'ouverture du relais hybride 60. A cet instant t4, la tension de commande Tc
n'est plus appliquée aux bomes de commande GN et IN du relais hybride, le
courant Ic devenant nul, la photodiode D5 s'éteint bloquant le
5 phototransistor 05 qui fait passer la première entrée logique El du
microcontrôleur à l'état 0(voir figure 3c).
Le microcontrôleur 100 fait passer à l'instant t4 la première sortie
logique 81 à l'état 1 qui entraîne l'application par le générateur de courant
112 du courant Ig à la gâchette du triac 80. Le triac 80 reste désamorcé par
10 le fait qu'il est court-circuité par le contact 70 encore fermé.
Au même-instant t4 le microcontrôleur 100 fait basculer la seconde
sortie logique S2 à l'état 0 interrompant l'alimentation de la bobine 72 et
après un délai ti2 lié au temps de réponse à l'ouverture du contact 70,. de
l'ordre de 10 ms pour un relais de série, ce demier s'ouvre à l'instant t5
égal
15 à t4 + T2, amorçant le triac 80 à l'état passant. (figure 3f).
Le courant dans la première voie VI passe à l'instant t5 par le triac 80
amorcé, supprimant la quasi totalité de l'arc aux bornes du contact 70.
Le microcontrôleur maintien la commande du courant lg de gâchette
du triac 80 (première sortie S1 à l'état 1) pendant un nouveau délai de
sécurité (quelques millisecondes) jusqu'à un temps t6 auquel la première
sortie logique S1 passe de l'état 1 à l'état 0 interrompant le courant Ig de
gàchette du triac 80.
i4 un instant t7 suivant, correspondant à la première inversion de
polarité de la tension Ue après le temps t6, le triac 80 se désamorce par le
passage par environ 0 volt de la tension V à ses bomes. Le triac 80 reste
par la suite à l'état bloqué, n'étant plus commandé et mettant le relais
hybride à l'état ouvèrt tel qu'il était avant l'instant tO.
La commande de mise en conduction du triac 80 s'est effectuée
pendant un second laps de temps commençant avant l'ouverture du contact
70, ou temps t4 et se terminant après sont ouverture ou temps t6.
Le diagramme de la figure 3b montre la tension V aux bomes du triac
pendant cette seconde phase d'ouverture du relais hybride 60.
Avant l'instant t5, le relais hybride étant à l'état fermé, le contact 70
court-circuite le triac 80 la tension V est égal à la tension résiduelle u2 du
contact 70.
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Après le temps t5 jusqu'au temps t7, le contact 70 étant ouvert et le
triac 80 à l'état passant, la tension V est égal à la tension résiduelle ul
aux
bomes du triac soit environ 1,5 volts. Après le temps t7 le contact étant
ouvert et le triac à l'état bloque la tension V est sensiblement égale à la
tension Ue du circuit électrique.
Le microcontrôleur 100 assure à l'aide du circuit de détection 102 une
fonctionnalité supplémentaire de sécurité du relais hybride.
En effet lorsque le contact 70 est à l'état fermé, aucune impulsion est
appliquée à la seconde entre logique E2 du microcontrôleur, le contact 70
court-circuitant le thyristor 80 qui est désamorcé et n'est pas commandé.
Une ouverture intempestive et transitoire du contact de relais, par exemple
due à un choc ou à une action manuelle sur le contact, fait apparaitre toute
la tension du circuit électrique aux bomes du contact 70 au moment de son
ouverture produisant un arc électrique, avec les dégradations connues sùr le
contact. Cette variation brusque de tension aux bornes du contact 70 est
transformée en une variation de courant dans la capacité C6 du circuit de
détection 102 produisant par l'intermédiaire du photocoupleur U2 une
impulsion de niveau logique sur la seconde entrée logique E2 du
microcontrôleur 100. Le micxocontr8leur considère cétte impulsion et fait
passer la première sortie logique S1 à l'état 1 pendant un court instant de
temps pendant lequel le contact est ouvert, appliquant pendant ce même
court instant le courant Ig dans la gâchette du triac 80 et la mise a l'état
passant du triac, ce qui à comme avantage de supprimer l'arc se produisant
sur le contact 70.
Cette sécurité supplémentaire assure une meilleure fiabilité et une
plus longue durée de vie du relais dans les cas d'utilisation dans un
environnement perturbé.
Le relais hybride 60 de puissance est équipé de diodes
électroluminescentes indiquant son état.
La diode électroluminescente D8 (verte) indique lorsqu'elle se trouve
éclairé, la fermeture du relais hybride.
Une diode électroluminescente rouge D10 commandée par une
troisième sortie logique S3 du microcontrôleur 100 indique un
fonctionnement anormai du relais hybride, l'information de fonctionnement
anormal est transmise à l'extérieur du relais par une bome de contrôle OUT
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isolée galvaniquement des éléments sous tension Ue du relais hybride par
un troisième photocoupleur U3.
La réalisation du relais hybride 60 de puissance n'est pas limitative et
d'autres versions plus simples peuvent ôtre réalisées, utilisant par exemple
exclusivement des composants discrets ou des logiques cfiblées, un
système à microcontrôleur permettant de tenir compte de nombreux
paramètres liés au relais hybride ou du type de circuit électrique dans lequel
il se trouve inséré.
Dans d'autres réalisations du relais hybride, le contact à déplacement
mécanique et la bobine sont contenus dans un boitier étanche rempli d'un
liquide à haut pouvoir diélectrique. Le contact et la bobine plongés dans le
liquide, présente l'avantage de diminuer le bruit acoustique de commutation,
d'augmenter considérablement le nombre de manoeuvres en charge du
relais hybride passant en moyenne de 100 000 à 10 millions de manoeuvres
et augmenter les performances du relais sur le plan du pouvoir de coupure.
