Brevet FR2183936A1 — publié le 19731221

La présente invention est relative à des circuits d'interface conçus pour établir une isolation électrique entre des lignes à haute tension et des circuits logiques à basse tension. Les systèmes industriels de commande nécessitent fréquemnent la mise en action de circuits logiques à faible niveau de signal en réponse à la mise en et hors circuit de tensions alternatives de ligne. Le but principal est de fournir un interface qui assure une protection contre des transitoires indésirables, lesquelles engendreraient des signaux parasites et pourraient, en outre, éventuellement provoquer la destruction des circuits logiques à faible niveau de signal. L'état actuel de la technique permet de résoudre ce problème, le seul désidérata étant le dilemme posé par les paramètres suivants: dimensions, poids et prix. La présente invention propose d'utiliser une technique d'isolation connue, c' est-à- dire une liaison optique, d'une nouvelle manière afin de réaliser un moyen d'interface léger, compact et peu coûteux. flans la mise en oeuvre de la présente invention, on a prévu un circuit d' interface couplé optiquement, disposé entre une source à haut niveau de tension et un circuit logique à bas niveau de tension, le circuit d'interface ayant une sortie logique, c'est-à-dire une sortie UN ou ZERO. Une photodiode est couplée à la source à haute tension, ltëtat de conduction de la dite photodiode étant fonction de l'état d'une information qui doit être connue avec certitude. Un phototransistor, comprenant une base, un collecteur et un émetteur, est disposé à proximité de la photodiode pour recevoir la lumière rayonnée, émise quand la dite photodiode est conductrice.Une capacitance est raccordée entre la base et 1' émetteur pour détourner de la base les courants transitoires nuisibles et les composantes alternatives indésirables de la source à haute tension redressée. Un moyen de rétroaction positif est raccordé entre le collecteur et la dite sortie pour accélérer la montée et la chute de la tension du potentiel de sortie et pour donner des caractéristiques d'hystérésis pour encore améliorer l'insensibilité aux parasites. Des tampons logiques sont interposés entre le collecteur et la sortie pour délivrer respectivement un UN logique et un ZERO logique à la dite sortie en fonction de l'information. Plus particulièrement, une photodiode couplée à la source à haute tension est agencée de manière que l'état de conduction soit fonction de cette information. Un phototransistor ayant une base, un collecteur et un émetteur, est disposé à proximité pour recevoir la lumière émise quand la photodiode est conductrice. Un condensateur est raccord entre la base et l'émetteur pour détourner de la base les courants transitoires nuisibles. Un trajet de rétroaction positive est prevu entre le collecteur et la sortie pour accélérer la montée et la chute de la tension de sortie et pour fournir des caractéristiques d'hystérésis pour encore améliorer l'insensibilité aux parasites électriques.Un tampon logique est interposé entre le collecteur et la sortie pour fournir un gain élevé et ainsi augmenter la vitesse de commutation entre les états logiques, c1est-à-dire entre UN et ZERO. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés. Sur ces dessins: - La figure I est un schéma électrique du circuit d'interface couplé optiquement, conçu suivant les principes de la présente invention. - Les figures 2A à 2C sont des diagrammes utilisés lors de l'explication du fonctionnement du circuit donné à la figure 1 et - La figure 3 est un schéma électrique montrant plus particulièrement le tampon logique utilisé dans le circuit de la figure 1. Comme indiqué à la figure 1, une source de tension classique, par exemple une source à 115 volts-60 Hz ou toute autre source classique standard, est prévue aux bornes 10 et 12. Un redresseur en pont, portant la référence générale 14, est raccord à travers des résistances de charge de même valeur 16 et 18, à une source à 115 volts pour délivrer à des bornes 20 et 22, une sortie redressée à double alternance. L'interruption de circuit est réalisée par un interrupteur 24 raccordé en série entre la borne 10 et la résistance 16. Le redresseur en pont 14 est conçu suivant les principes établis et comprend quatre diodes 26, 28, 30 et 32 dont les polarités sont celles indiquées au schéma. Un dispositif de couplage ou de liaison optique portant la référence générale 34 comprend une diode émettrice de lumière 36 et un phototransistor 38. Un condensateur 40 est raccordé entre la base du phototransistor 38 et la borne 42 qui est au potentiel de référence identifié par la mention "TERRE 2". Le collecteur du phototransistor 38 est raccordé à la borne 44, qui est une des bornes d' entrée de l'unité numérique logique portant la référence 46, et utilisé comne tampon et pour la mise en forme des ondes. L'unité numérique logique 46 comprend deux inverseurs 48 et 50 raccordés en cascade. La sortie de l'unité 46 apparaît aux bornes de sortie 52 et 54, cette dernière borne étant au potentiel appelé "TERRE 2". Une résistance de rétroaction positive 56 est raccordée entre la borne 52 et la borne 44 (c'est-à-dire le collecteur du phototransistor 38).Dans la réalisation préferée, on utilise deux inverseurs DTL (diode transistor logic). Les détails des inverseurs DTL sont donnés en détail à la figure 3. Du fait que ce circuit est une unité vendue dans le commerce, ce circuit ne sera pas décrit plus en détail. Comme indiqué précédemment, l'invention trouve son utilité comme moyen d'interface, quand il est souhaitable de connaître avec certitude l'état d'un interrupteur qui coupe une ligne à haute tension si tuée dans un environnement de parasites électriques de niveau relativement élevé, et de traduire correctement ce signal d'înforriation dans l'environnement à relativement basse tension d'un circuit logique pour un traitement ultérieur. A titre de premier exemple (voir la figure 2A), considérons une installation d'un laminoir où l'opérateur est installé devant un pupitre 58 permettant la commande sur place du laminoir.Dans ce cas, l'opérateur a devant lui un grand nombre d'interrupteurs, de boutons-poussoirs etc..., dont il manoeuvre manuellement certains d'entre eux et dont d'autres sont actionnés à distance. Habituellement, l'unité 60 (moteurs, disjoncteurs etc...) devant être actionnée, est située à une grande distance du pupitre 58, ce qui fait que des câbles comportant de nombreux fils doivent être tirés vers l'unité 60. De manière à éviter ces inconvénients, l'état des nombreux interrupteurs est déterminé et agencé logiquement par un multiplexeur 62, puis envoyé sur une ligne de liaison unique 64 à données multiplexées vers un ou plusieurs démultiplexeurs 66, où les signaux sont décodés et envoyés par la suite vers les éléments appropriés de l'unité 60, qui sont alors alimentés ou coupés comme demandé par le signal de commande. Le fonctionnement du moyen d'interface suivant l'invention sera maintenant pris en considération d'une façon plus particulière. Quand un interrupteur est fermé, il peut y avoir une couche isolante d'oxyde sur les contacts, laquelle doit être franchie, ce qui nécessite une tension minimum de 48 volts. En outre, une certaine quantité de courant est nécessaire pour décaper les contacts. Les besoins minima pour la source d'énergie sont donc imposés par ces paramètres.Un des avantages de cette invention réside dans le fait qu'il peut y avoir des échanges avec la source alternative à 115 volts omniprésente, ou avec toute autre source de tension classique, par exemple à 220V-50 périodes ou 400 périodes, ou avec toute source de tension continue supérieure à 48 volts, ce qui fait que 1' utilisateur n a pas a avoir recours à des sources d'énergie spécialement construites. Un autre problème inhérent à la coupure d'une ligne est celui du rebondissement, c'est-à-dire que les contacts continuent à passer de l'état fermé à l'état ouvert pendant un court intervalle de temps, avant d'atteindre un état stable d'ouverture ou de fermeture, définitif. La durée du rebondissement est fonction de la qualité de l'interrupteur, c' est-à-dire qu'un interrupteur de bonne qualité ne rebondit pas beaucoup tandis qu'un interrupteur de mauvaise qualité va osciller entre l'état de fermeture et l'état d'ouverture pendant un intervalle de temps pouvant aller jusqu'à 5 millisecondes (voir figure 2C). Si on laissait la possibilité au rebondissement d'affecter la sortie de l'interface, il pourrait perturber le circuit logique du multiplexeur pendant la période d' instabilité. Lorsque l'interrupteur 24 est fermé, un courant de sortie redressé à double alternance apparaît aux bornes de sortie 20 et 22 du redresseur en pont 14. La diode 36 émettrice de lumière reçoit le courant redressé et émet des impulsions lumineuses qui, aboutissant à la jonction base-émetteur du phototransistor 38, provoquent la mise en conduction de celui-ci. Le rebondissement de l'interrupteur et les ondulations qui résultent de la tension de ligne redressée à double alternance produisent des transitoires indésirables qui doivent être éliminées. L'impédance base à émetteur du phototransistor 38 est élevée et de ce fait une capacitance relativement faible- est suffisante pour éliminer ces transitoires à la "TERRE 2". Donc, seule la moyenne de la tension continue équivalente de l'ex- citation, résultant de la lumière tombant sur la jonction base-émetteur du phototransistor 38, a un effet appréciable sur son état de conduction. Le collecteur du phototransistor à l'état de non conduction est à un certain potentiel positif. Quand le phototransistor 38 commence à conduire, le potentiel du collecteur se rapproche doucement du potentiel de "TERRE 2". La diminution du potentiel du collecteur amène la sortie de l'inverseur 48 à passer de l'état ZERO à l'état UN, et celle de l'inverseur 50 à passer de l'état UN à l'é- tat ZERO. Du fait que le condensateur 40, placé entre la base et l'émetteur du phototransistor 38, ralentit aussi l'établissement de l'état de conduction, le passage de la sortie des inverseurs d'un état à l'autre aurait également tendance à être ralenti .La rétroaction positive à travers la résistance 56 qui intervient quand le phototransistor 38 atteint un certain niveau de conduction et qui s'accompagne d'une chute de tension plus importante à la borne 44 du collecteur, se traduit par un changement d'état des sorties des inverseurs 48 et 50 à plus grande vitesse. La sortie de l'inverseur 50 est à l'état ZERO quand le contact de l'interrupteur est fermé et est à l'état UN quand le contact s'ouvre. Une autre caractéristique de la rétroaction positive est qu'on introduit dans le système une caractéristique de "non linéarité du type Hystérésis", c 'est -dire que le phototransistor doit laisser passer plus de courant pour provoquer à la sortie le passage de l'état UN à l'état ZERO que pour provoquer à cette même sortie le passage de l'état ZERO à l'état UN. Ceci constitue une caractéristique desirable parce que la caractéristique de non linéarité du type hystérésis procure un effet de filtrage, c'est-à-dire qu'elle augmente l'insensibilité aux parasites. Il existe un certain retard dans la prise de connaissance du changement d' état de l'interrupteur (de l'ordre de 10 x 10 6 sec.), mais quand la sortie logique change, elle le fait pratiquement instantanément, c'est-à-dire en moins de 1 x 10 6 seconde. La plus grande vitesse de changement à la sortie de l'inverseur 50, provoquée par la rétroaction positive, rend le circuit à interface de l'interrupteur apte à commander toute unité appartenant à la classique famille TTL (transistor-transistor logic) des ensembles logiques à circuits intégrés, qui nécessite de manière spécifique que le temps de transition entre les états logiques soit inférieur à 1 x 10-6 seconde. Pour être complet, les inverseurs 48 et 50, raccordés en cascade, sont représentés avec plus de détails à la figure 3. C'est un circuit logique standard et n'est de ce fait pas décrit de façon plus approfondie. L'interrupteur 24 peut être situé à une grande distance de l'interface, ce qui fait qu'il est nécessaire de prévoir une protection contre les transitoires classiques qui pourraient endommager le circuit logique. Ces transitoires peuvent être provoquées par la tension induite par les champs parasites dans le câble entre l'interrupteur 24 et l'interface. Le circuit représenté à la figure I est capable de résister à des tensions classiques de l'ordre de 1,5 x 103 à 2,5 3 x 103 V. REVENDICATIONS. 1. Circuit dtinterface couplé optiquement entre des sources à haute et basse tension, ayant une sortie logique, caractérise en ce qu'il comprend: une photodiode couplée à la dite source à haute tension, l'état de conduction de la dite photodiode étant fonction d'une information qui doit être connue avec certitude, un phototransistor comprenant une base, un collecteur et un émetteur disposé à proximité de la dite diode, pour recevoir la lumière émise quand la photodiode est conductrice, une capacitance raccordee entre la dite base et le dit émetteur, un moyen de rétroaction positive raccordé -entre le dit collecteur et la dite sortie pour accélérer la montée et la chute du potentiel du collecteur et pour donner des caractéristiques d'hystérésis pour améliorer l'insensibilité aux parasites électriques et un moyen de tampon logique raccordé à la source basse tension qui est interposé entre le dit collecteur et la dite sortie pour respectivement delivrer un UN logique et un ZERO logique à la dite sortie en fonction de la dite information. 2. Circuit d'interface couplé optiquement suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de coupure ayant des positions d'ouverture et de fermeture, couplé à la dite diode, le dit moyen de coupure étant en position de fermeture pour envoyer un courant continu à travers la dite photodiode. 3. Circuit d'interface couplé optiquement suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un interrupteur et un redresseur à double alternance ayant des bornes d'entrée et de sortie, le dit interrupteur étant raccordé avec la dite source à haute tension de manière qu'au moment de sa fermeture un potentiel soit appliqué aux bornes d'entrée du dit redresseur à double alternance, la dite photodiode étant raccordée entre les dites bornes de sortie. 4. Circuit d'interface couplé optiquement suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le dit tampon logique comprend un premier et un second inverseur, raccordés en cascade entre le dit collecteur et la dite sortie. 5. Circuit d'interface couplé optiquement suivant l'une des revendications pré édentes, caractérisé en ce que le dit moyen de rétroaction positive comprend une résistance. 6. Circuit d'interface couplé optiquement suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dit tampon logique comprend un premier et un second inverseur DTL raccordés en cascade entre le dit collecteur et la dite sortie. 7. Circuit d'interface couplé optiquement suivant l'une des revendications pré cédentes, caractérisé en ce qu'un moyen de tampon et de mise en forme d'onde est raccordé avec la dite source à basse tension et comprend un premier et un second inverseur raccordés en cascade entre le dit collecteur et la sortie, le niveau de potentiel de ceux-ci déterminant respectivement un UN logique et un ZERO logique.