Brevet FR2050464A1 — publié le 19710402

La présente invention est relative à des dispositifs limiteurs d'énergie destinés à assurer que l'énergie électrique qui peut être appliquée à un circuit est limitée à une valeur de sécurité prédéterminée au moyen de diodes Zener et de résistances. Un tel disposi-5 tif limiteur est décrit dans le brevet de Grande-Bretagne N°977.913, dans lequel deux diodes Zener opposées sont connectées en série aux bornes d'un circuit bifilaire et une résistance de limitation de courant est intercalée sur chaque fil pour limiter à une valeur de "sécurité" le courant pouvant circuler dans une partie du circuit. 10 Etant donné que la défaillance d'une diode n'est pas indiquée automatiquement, il a été jugé nécessaire de doubler chaque diode en prévoyant une diode Zener supplémentaire en parallèle. lorsqu'on fait appel à un tel doublement, il devient nécessaire de prévoir un dispositif d'essai permettant d'assurer que les deux 15 diodes sont en place et sont intactes. Ceci peut être réalisé en utilisant des diodes de tensions différentes et/ou en intercalant une résistance sur le fil reliant les deux diodes, l'essai est effectué en appliquant une tension à la diode appropriée, des bornes externes convenables étant prévues sur le dispositif, et en notant 20 le courant obtenu ou vice-versa. Ce doublement des diodes représente une dépense considérable, notamment si le circuit limiteur est enrobé de façon à assurer que ses composants ne peuvent être dérangés ou remplacés par des éléments inappropriés. Si l'un des composants tombe en panne, le dis-25 positif devient inutile. Il est donc apparu souhaitable de fabriquer les dispositifs limiteurs d'énergie en deux moitiés dont chacune contient une résistance chutrice et deux diodes Zener connectées en parallèle. Chacune de ces deux moitiés peut en fait être utilisée lorsqu'il faut un circuit à ligne unique et un retour par la masse, 30 deux de ces moitiés fournissant un circuit à bifilaire sans masse, trois éléments fournissant un circuit à trois fils, etc.. De tels montages ont été certifiés officiellement comme intrinsèquement sûrs, comme par exemple par le British Certificate EX 70032 (B). Dans un certain nombre d'applications de ces dispositifs limi-35 teurs d'énergie de sécurité à des circuits pratiques, il est nécessaire d'utiliser deux ou plusieurs de ces moitiés de dispositif.Par exemple, pour les transducteurs bifilaires il faut ordinairement une moitié pour l'alimentation et une moitié pour les appareils de 70 24115 2 2050464 réception. Bien qu'un tel montage soit approuvé, ceci signifie qu' il faut quatre diodes pour obtenir le redondance nécessaire et par ailleurs le courant de fuite à la terre qui apparaît si les deux fils du circuit sont reliés l'un à l'autre et à la masse est la som-5 me des courants passant par les deux moitiés. Dans le cas d'un circuit en pont ou d'un circuit de mesure à quatre fils, employé par exemple pour effectuer des mesures de température, il devient nécessaire d'utiliser quatre moitiés (ou trois si une ligne est mise à la masse) et le courant de fuite à la masse éventuel est relative-10 ment plus grand que celui du dispositif unique. L'invention envisage un dispositif limiteur d'énergie dans lequel une sécurité et une redondance meilleures des composants nécessaires sont obtenues avec un nombre identique ou plus petit de diodes Zener et dans lequel l'appareillage d'essai est simplifié. 15 £'invention a pour objet un dispositif limiteur d'énergie du type dans lequel deux diodes Zener opposées et connectées en série sont branchées entre deux fils porteurs de courant comportant chacun une résistance chutrice, caractérisé en ce qu'un dispositif de limitation de tension supplémentaire est connecté entre les fils. Un 20 avantage de l'invention est qu'elle fournit un degré élevé de redondance sans qu'il soit nécessaire de doubler chaque diode Zener comme c'est le cas si des moitiés de dispositif sont utilisées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple 25 et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 représente un transducteur bifilaire dans lequel chaque fil est muni d'une moitié de dispositif; la Fig. 2 représente, sous forme modifiée, le circuit de base du dispositif limiteur d'énergie décrit dans le brevet précité et 30 auquel a été ajouté un dispositif limiteur de tension supplémentaire; la Fig. 3 représente un montage limiteur d'énergie similaire à celui de la Fig. 2 mais utilisant une variante du dispositif limiteur de tension supplémentaire qui n'est utilisable que lorsqu'une 35 faible différence de potentiel doit être maintenue entre les deux fils ; la Fig. 4 représente un dispositif limiteur d'énergie conçu spécialement pour permettre de maintenir la résistance chutrice à une valeur minimale;; 70 24115 3 2050464 la Fig. 5 représente un montage de dispositif limiteur d'énergie destiné à assurer un fonctionnement sûr de trois circuits séparés utilisant une masse commune; la Fig. 6 représente un dispositif limiteur d'énergie qui mon-5 tre un nouveau développement des caractéristiques des dispositifs limiteurs d'énergie représentés aux Fig. 3 et 4; la Fig. 7 représente un dispositif limiteur d'énergie qui est une variante de celui représenté à la Fig. 6; la Fig. 8 représente une autre variante des dispositifs limi-10 teurs d'énergie représentés aux Fig. 6 et 7. A la Fig. 1, chaque fil d'un ensemble de transducteur bifilaire est protégé par une moitié de dispositif classique comprenant un fusible, F.j ou une résistance chutrice ou Rg e"t 111:16 diode Zener ou qui sont connectés entre le fil et un point de mise 15 à la masse. Chaque diode Zener Z^et Z^ est doublée pour empêcher la défaillance de la moitié de dispositif si la diode tombe en panne, la seconde diode étant montée en parallèle avec la diode Zener associée Z^ ou Z2« De plus, afin de permettre l'essai de la moitié de dispositif, une résistance d'essai est intercalée entre le point de 20 connexion des deux diodes Zener. La Fig. 2 représente le circuit du brevet précité qui est agencé, pour des raisons de clarté, de telle sorte qu'une diode Zener supplémentaire Z^ est connectée entre les deux lignes. Ce circuit remplit la même fonction que les deux moitiés de dispositif avec 25 les résistances et les diodes doublées de la Fig. 1 mais il présente un certain nombre d'avantages. Chaque ligne est protégée efficacement par deux diodes, étant donné que si l'une des trois diodes tombe en panne, les deux autres prennent la relève et limitent la tension- Chacune des trois diodes peut être essayée très simplement 30 en appliquant un courant entre chaque paire de trois connexions 1, X et la masse, tour à tour et en notant les tensions lorsque chaque diode conduit. Il n'est donc pas nécessaire de disposer d'une résistance pour les essais et la résistance totale du dispositif et la chute de tension qu'elle provoque dans un circuit sont donc ré-35 duites. La sécurité de l'appareil est améliorée dans des applications telles que celles de la Fig. 1 du fait que la tension entre les lignes dans la zone dangereuse est limitée par une diode au lieu de deux en série. Lorsqu'il faut un signal de tension pour faire 24115 4 2050464 fonctionner des enregistreurs ou des dispositifs analogues, la résistance de "réaction" peut être connectée du côté de la zone dangereuse du dispositif limiteur d'énergie. Ceci réduit les courants pouvant circuler dans la zone dangereuse et permet de donner aux ré-5 sistances chutrices, par exemple Rg, une valeur plus importante sans limiter le fonctionnement. Dans certaines applications pour lesquelles il faut protéger deux fils supportant entre eux une faible différence de potentiel, la troisième diode qui est caractéristique de l'invention peut être 10 remplacée par un ou plusieurs éléments redresseurs ordinaires, étant donné qu'ils fonctionnent comme une diode Zener à faible tension ayant une tention d'avalanche de 600 mV environ si la diode est en silicium ou environ 300 mV si elle est en germanium. Par exemple, à la Fig. 3, on peut utiliser deux diodes D^ et D^ de ce type, cette 15 combinaison fournissant l'avantage donné par la troisième diode Zener décrite ci-dessus. Un circuit tel que celui représenté à la Fig. 3 est particulièrement utile pour certaines mesures de température, par exemple lorsqu'un thermocouple est connecté aux bornes 3 et Y. De même, on peut utiliser deux éléments tels que ceux représentés 20 aux Fig. 2 ou 3 pour protéger un pont de résistances ou de jauges de contrainte ou un ensemble de thermomètre à résistance dans lequel le procédé de mesure bien connu à quatre fils doit être employé. Il n'est pas nécessaire que les diodes Zener utilisées présentent la même tension d'avalanche; dans le cas du transducteur à deux 25 fils tel que celui de la Fig. i, l'alimentation est à titre d'exemple de 24 V continus, le signal d'intensité dans la zone dangereuse est compris dans la gamme de 4 à 20 mA continus et les appareils de réception utilisent une tension de 1 à 5 V obtenue en faisant passer le signal d'intensité dans une résistance fixe. La Fig. 4 re-30 présente un mode de réalisation particulier de l'invention qui est un exemple de dispositif limiteur d'énergie conçu spécialement pour convenir à un transducteur bifilaire sous 24 Y et en comparant avec la Fig. 1, on voit les avantages sus-mentionnés. En considérant d'abord la Fig. 2, on choisit pour les diodes 35 des tensions d'avalanche excédant la tension maximale apparaissant en fonctionnement normal d'une valeur de 4 V par exemple, c'est-à-dire que les diodes Z^ et Z^ ont une tension de 24 V +4 V = 28 V et la diode "une tension de5V+4V=9V. D 24115 5 2050464 La résistance est choisie de façon à limiter le courant pouvant circuler dans la zone dangereuse à la plus haute tension possible pouvant apparaître entre les lignes. Cette tension est la tension d'avalanche de la diode plus la chute de tension éven-5 tuelle dans la diode par suite du courant pouvant circuler jusqu'à interruption par le fusible. Dans la pratique, on doit supposer que la tension aux bornes de la diode Z^ peut croître jusqu'à ce qu'elle atteigne la valeur d'avalanche des diodes Z^ et Z^ en série de sorte qu'elles conduisent. On choisit la résistance R^ en supposant que 10 la tension est de 28 + 9 = 37 "V, une valeur convenable étant de 400 ohms. Il est intéressant que la résistance R^ ait une valeur aussi faible que possible du fait qu'elle réduit d'autant la charge disponible du circuit pour les appareils de mesure. Une autre caractéris-15 tique de l'invention est un dispositif permettant de réduire la valeur de la résistance R^ comme suit et comme représenté à la Fig.4. En premier lieu, une petite résistance R^ est intercalée sur une ligne entre les diodes Z^ et Z1 et une diode D^ est connectée entre la jonction des résistances R^.et R^ et la jonction des diodes 20 et Z2. La résistance R^ assure que la diode Z^ ne peut être surchargée. Sa valeur est choisis de façon que, lorsque le courant circulant dans la diode Z^ atteint une fraction de sa valeur nominale, la chute de tension aux bornes de la diode Z^ et de la résistance R^ est égale à la tension d'avalanche des diodes Z^ et Z^. Une nouvelle 25 augmentation du courant passant dans le dispositif circule principalement dans les diodes Z^ et Z2 du fait qu'elles constituent maintenant un parcours à faible impédance". La résistance R^ a par exemple une valeur de 40 ohms de sorte que dans l'exemple ci-dessus, le courant circulant dans la diode Z^ est inférieur à 0,25 A quelle que 30 soit la valeur du fusible éventuel. Il en résulte que si la diode est prévue largement pour cette intensité, on peut choisir la résistance R.j en se basant sur la tension d'avalanche normale de la diode Z^, c'est-à-dire 28 V. Une valeur typique est 240 ohms, ce qui fournit une économie globale de 400 - 270 =130 ohms. Si une sur-35 charge apparaît à l'entrée X, ce qui fait circuler un courant important dans la diode Z^, ce courant est transmis à la diode Z^ par 1' intermédiaire de la diode et de la résistance R^ et dans ce cas la résistance R^ est désavantageuse. On connecte par conséquent une 70 24115 .6 2050464 diode simple , comme représenté à la Fig. 4, de sorte que celle-ci conduit si la tension aux bornes de la diode Z2 dépasse de 700 mV environ celle de la diode Z^. la résistance est choisie légèrement supérieure ou identique à la résistance R1, étant donné que la 5 plus grande tension pouvant apparaître est la tension d'avalanche de la diode Z^ et la chute de tension en sens direct de la diode D.^. Dans la pratique la valeur de la résistance R2n'est pas critique. Etant donné qu'une résistance chutricë R^ peut être intercalée dans la" zone dangereuse entre le point Y et la masse comme repré-10 senté, la résistance entre X et Y est sans importance lorsque des appareils de mesure potentiométriques sont utilisés. Une autre résistance chutrice peut être intercalée le cas échéant entre e"k la jonction entre les diodes Z_ et Z_. C. j l'avantage de l'invention réside dans l'emploi d'un dispositif 1 5 limiteur de tension destiné à doubler ou "soutenir" Inaction de deux ou plusieurs dispositifs similaires, ce qui réduit le coût de la redondance jugée nécessaire pour la sécurité. Cet emploi n'est pas limité nécessairement à des circuits bifilaires, la Fig. 5 représente un mode de réalisation qui assure la sécurité intrinsèque de qua-20 tre fils connectés à un montage en pont de mesure ou le fonctionnement sûr de trois circuits séparés connectés entre les bornes 3A, 3B, 3C et le commun "4". les diodes Zener Z^a, Z^b, Z^c des circuits individuels sont "soutenues" par une diode Zener Z^. Il est commode que toutes les- diodes aient la même tension d'avalanche. Toutefois, 25 la diode commune Z^ est connectée par l'intermédiaire d'une diode simple D^ et une petite résistance R2 est intercalée dans chaque ligne de sorte que la diode Z^ conduit jusqu'à ce que la chute de tension apparaissant dans la résistance excède la chute en sens direct dans la diode D^ de sorte que la diode Z2 commence à conduire. 30 Une grande diode Z2 peut ainsi protéger trois petites diodes , tandis que sans l'invention, il faudrait deux grandes diodes pour chaque circuit. (les diodes D2 ne sont destinées qu'à assurer l'inversion de la polarité de l'alimentation). De plus, si la diode conduit et si le courant est tel que la tension'aux bornes de la ré- . 35 sistance R2 croît d'environ 600 mV, la diode Z2 conduit alors par l'intermédiaire de la diode D^. Il existe ainsi deux parcours redondants dans le cas d'une défaillance de la diode Z^. 0 24115 7 2050464 La valeur des trois dispositifs de sécurité parallèles par rapport à une redondance réside dans le fait qu'un degré inférieur de fiabilité des composants peut assurer le même degré de sécurité. Ceci permet d'utiliser des composants de qualité commerciale au lieu 5 de composants spécialement approuvés. La Fig. 6 représente une variante des circuits des Fig. 3 et 4 qui fournit trois parcours. Si la diode par exemple conduit, la chute de tension dqns la résistance met la diode en service. Une nouvelle augmentation de la tension de 600 mV met l'autre diode Z^ en service. Toutefois, les 10 diodes connectées à la diode Z^ établissent un parcours conducteur entre les lignes si la tension entre ces dernières excède la chute en sens direct des deux diodes. Lorsque c'est un inconvénient, on peut utiliser deux diodes Zener Z^ et Z^ connectées de la manière représentée à la Fig. 7, la tension de Zener étant choisie de façon 15 à correspondre à la tension désirée entre les lignes. Le courant de fuite ne peut circuler dans les diodes Z^ et Z^ que dans le sens direct et dans line autre diode et ces diodes peuvent présenter par conséquent une valeur nominale inférieure à celles des diodes Z^, Z^ et Z^ et/ou selon une variante on peut dire qu'elles ne seront pas 20 les premières à tomber en panne. Lorsque les deux lignes sont à des tensions différentes au-dessus de la masse ou d'une autre référence, l'une des diodes Z^ ou Z^ peut être supprimée comme à la Fig. 8. Ce montage fonctionne comme celui des Fig. 6 et 7 et est supérieur au circuit de la Fig. 2 en ce 25 sens qu'il fournit trois parcours de sécurité entre chaque ligne et la masse en n'utilisant que trois dispositifs de sécurité principaux Z^, Z^, Z^ et un dispositif auxiliaire qui est peu susceptible de tomber en panne en premier. On voit que si l'une auelconcrue des diodes , Z^, Z^ tombe en panne, il existe encore deux parcours de li-30 mitation de la tension sur chaque ligne. Si l'un des deux tombe en panne, chaque ligne est encore protégée. 70 24115 8 2050464 Revendications 1 - Dispositif limiteur d'énergie comprenant deux diodes Zener opposées et connectées en série qui sont branchées entre deux fils de transport de courant comportant chacun une résistance chutrice, 5 caractérisé en ce qu'un dispositif limiteur de tension supplémentaire est connecté entre les fils. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif limiteur supplémentaire est une diode Zener. 3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce 10 que le dispositif limiteur supplémentaire est constitué par deux ou plusieurs diodes normales. 4 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif limiteur supplémentaire comprend en outre au moins une diode normale.