Brevet FR2458817A1 — publié le 19810102

La présente invention a trait à la surveillance de l'état instantané d'un circuit électrique qui est susceptible de fonctionner dans une plage limitée à deux états, à savoir: un état nominal qui correspond au passage dans un conducteur déterminé d'une intensité sensiblement nominale et un état critique, ou de seuil, correspondant au passage dans ledit conducteur d'une intensité électrique dite de seuil. Elle s'applique plus particulièrement au cas o l'intensité de seuil est nulle et correspond à la coupure du conducteur. Dans ce cas particulier, le procédé objet de l'invention, se comporte alors comme un procédé de détection et de signalisation de la rupture d'un circuit électrique alimenté en courant continu ou alternatif. Une application particulièrement intéressante d'un procédé de ce genre réside dans la détection de rupture des filaments de lampes électriques situées à bord d'un véhicule automobile. Dans la suite du présent texte, on fera surtout référence à cette application qui est l'une des principales de l'invention, étant bien entendu que ceci n'est pas limitatif et que beaucoup d'autres circuits peuvent être surveillés de la même façon. On a déjà utilisé dans la technique automobile différents systèmes pour déceler le plus rapidement possible la défaillance de l'une des lampes électriques constituant l'équipement d'un véhicule. Les systèmes actuellement connus consistent à mesurer soit les variations de la tension électrique aux bornes d'une résistance insérée en série dans le circuit d'alimentation d'une lampe à surveiller, soit la variation de la perméabilité d'un matériau magnétique sous l'effet du champ magnétique créé par le courant élec- trique parcourant l'un des conducteurs du circuit précédent. Le premier système nécessite l'insertion dans le circuit d'une ou plusieurs résistances de valeur parfaitement contrôlée, suffisamment faible pour ne pas dissiper trop de puissance et suffisamment élevée pour donner néanmoins un signal utilisable. Les systèmes de ce type ont généralement pour inconvénient majeur de ne pas supporter les courtcircuits de l'organe à surveiller, la résistance insérée jouant alors le rôle de fusible. Ceci est un inconvénient grave, car à chaque fois qu'apparaît une surcharge en intensité du circuit surveillé, il faut envisager, en plus du changement de l'organe responsable de la surcharge, le changement des résistances de surveillance qui du fait de leur grande précision requise ne peuvent être des produits standard de faible prix de revient. Le système reposant sur la variation de la perméa- bilité magnétique d'une sonde présente quant à lui, l'incon- vénient de nécessiter un signal d'excitation en courant alternatif qu'il faut donc engendrer spécialement car un tel courant n'existe pas nécessairement sur toutes les voitures automobiles. Ces sytèmes sont de plus constitués généralement d'un matériau magnétique massif, auquel on a donné la forme d'un tore ayant une courbe d'aimantation bien contrôlée et sur laquelle on réalise un ou plusieurs bobinages. Ils sont donc relativement encombrants, et assez rapidement coûteux surtout dans le cas o il y a de nombreux organes à contrôler comme cela se produit sur un véhicule automobile o i-l existe facilement une dizaine de lampes électriques au total. La présente invention a pour objet un procédé de surveillance de l'état instantané d'un circuit électrique qui résout de façon simple et peu coûteuse les problèmes précédents. r Ce procédé, qui permet la surveillance d'un circuit électrique devant fonctionner dans une plage limitée à deux états, à savoir un état nominal correspondant au passage dans un conducteur d'une intensité nominale et un état critique ou de seuil correspondant au passage dans ledit conducteur d'une intensité de seuil, se caractérise en ce que l'on dispose une partie du trajet dudit conducteur au voisinage d'une couche ferro-magnétique mince orientée et que l'on détecte à chaque instant les variations éventuelles 245881? de la résistance de ladite couche ferro-magnétique sous l'influence du champ magnétique dû à l'intensité du courant électrique circulant dans ledit conducteur. Lorsque le courant qui circule dans un conducteur proche de la couche magnétique mince orientée passe bruta- lement pour une raison quelconque de sa valeur nominale à sa valeur de seuil, qu'il s'agit de ne pas atteindre pour des raisons de sécurité par exemple, il en résulte une variation de la magnétorésistance de cette couche magnétique suffisante, comme on le verra plus loin, pour créer à ses bornes, si elle est parcourue par un courant, une variation de tension électrique susceptible de déclencher un circuit comparateur dont le basculement peut commander une alarme. Selon l'invention, l'état de seuil qu'il s'agit de détecter, peut être par exemple le courant correspondant à la mise en court-circuit dudit circuit à surveiller, ou encore la rupture de ce circuit correspondant alors à une valeur nulle pour le courant qui le parcourt. Selon l'invention, la façon la plus commode de détecter les variations de la résistance d'une couche mince magnétique est de mesurer les variations de sa tension aux bornes lorsqu'elle est parcourue par un courant électrique. Les considérations suivantes montreront que les ordres de grandeur des phénomènes en cause permettent effectivement l'utilisation d'un tel procédé. Le procédé selon l'invention utilise par exemple la magnétorésistance de couches minces de Fe Ni déposées sous vide. De telles couches, évaporées en présence d'un champ magnétique de quelques Oersteds présentent ensuite, de façon permanente, une direction dite de facile aiman- tation, parallèle à ce champ. Ceci signifie qu'en l'absence de tout champ extérieur, l'aimantation de la couche est parallèle à cette direction. Si au contraire l'on applique à cette couche un champ extérieur Ha perpendiculairement à cette direction, l'aimantation tourne-d'un angle O tel que sin 9 = Ha/Hk si Ha o Hk est le champ dit d'anisotropie. h Selon les conditions de préparation, Hk peut varier couramment de 1,5 à 5 0e ou plus. Pour les applications courantes du procédé, objet de l'invention, le champ Hk est de préférence choisi égal à 2 Oe. Le phénomène physique intéressant pour l'invention est que tette rotation del'aimantation s'accompagne d'une variation Ap de la résistivité p du matériau selon la loi ap tpmax cos2 p étant maximal pour Ha = 0. Pour une couche de FeNi on aura typiquement p Si l'on place une telle couche mince à 1 mm du centre d'un conducteur parcouru par un courant d'intensité I mesurée an Ampères, le champ magnétique appliqué Ha sera d'environ 2 Oe/A. On obtient donc ApzApmax pour un courant de IA environ, ordre de grandeur intéressant pour de nombreuses applications. Si la magnéto résistance fait par exemple 100 2 (valeur très facile à obtenir), on obtient pour un courant de polarisation de 20 mA (puissance dissipée 40mW) un QVmax = I. ARZ 60 mV. Une telle -valeur est très supérieure au minimum nécessaire pour commander un circuit comparateur, même à très bas prix. Le procédé de surveillance, objet de l'invention, possède par rapport au procédé antérieurement connu, un certain nombre d'avantages parmi lesquels on peut citer le fait qu'il ne nécessite pas d'interruption du circuit électrique à surveiller pour y insérer le détecteur, puisque celui-ci, par définition, est une couche magnétique mince orientée simplement située très près du conducteur de façon à être soumise aux variations de champ magnétique engendré par le passage du courant dansle conducteur; par ailleurs, le procédé peut être mis en oeuvre de façon à ne pas être limité par des valeurs supérieures de l'inten- sité de courant circulant dans le circuit, c'est-à-dire qu'il peut, dans certains cas, tolérer les court-circuits sur l'organe alimenté. Enfin,et ceci est très important, si on utilise une structure différentielle, il est également insensible aux variations de température et de champ ma- gnétique ambiant et sa réalisation peut être très économique. Selon l'invention, il est également très avan- tageux de mettre en oeuvre le procédé de surveillance en détectant les variations de magnétorésistance d'au moins deux couches magnétiques distinctes et voisines à%l'aide d'une mesure différentielle. L'une des deux couches subit dans ce cas le champ magnétique engendré par le circuit que l'on désire surveiller et l'autre est soumise au champ magnétique d'un courant de référence ou de pola- risation, normalementconstant, ou n'est soumise à aucun champ magnétique artificiel de valeur sensible. Cette façon de pratiquer la détection par mesure différentielle est très intéressante car elle permet de s'affranchir des variations de la magnétorésistance qui pourrait être due aux variations ambiantes de la température et/ou du champ magnétique. Dans le cas particulier o différentes couches minces sont ainsi utilisées pour la mise en oeuvre du procédé, on peut également les affecter chacune à la surveillance d'un circuit particulier, ce qui permet tout en conservant les avantages des mesures différentielles, d'effectuer simultanément la surveillance de deux ou d'un nombre pair de circuits. Un cas particulièrement intéressant d'applications de cette variante du procédé consiste à utiliser quatre couches minces magnétiques orientées, disposées selon les quatre branches d'un pont de Wheatstone, chacune desdites quatre branches assurant alors la surveillance d'un circuit électrique particulier. Les éléments constitutifs et d'alimentation du pont de Wheatstone sont alors réglés pour que le pont soit équi- libré lorsque les circuits à surveiller sont parcourus par leur intensité nominale, et le passage dans l'un des circuits quelconques de cette intensité nominale à une intensité de seuil, pouvant être nulle dans le cas ou l'on souhaite repérer une rupture, provoque un déséquilibre du pont qu'il suffit de détecter. Pour ce faire, on peut employer toute méthode connue à la portée de l'Homme de l'Art; il est toutefois avantageux d'utiliser selon l'invention, deux comparateurs à sortie logique dont chacun a l'une de ses entrées reliées aux sorties à surveiller du pont de Wheatstone, les deux sorties desdits comparateurs alimentant l'entrée d'un circuit "OU" qui délivre lui-même un signal en sortie si, par suite du déséquilibre du pont, l'un des comparateurs délivre un signal en sortie. Une application très intéressante du procédé objet de l'invention est la détection des ruptures des circuits d'alimentation des lampes de véhicules automobiles. Si l'on remarque en effet, que sur un tel véhicule, les lampes fonctionnent presque toujours par groupes de deux, alors qu'elles ne défaillent que par une à la fois, on peut, grâce à une seule mesure différentielle à l'aide d'un pont de Wheatstone, contrôler deux ou quatre lampes à la fois, voire même six ou huit lampes. La structure en pont de Wheatstone présente d'autre part l'avantage de compenser automatiquement toute variation de p due à la température et/ou au champ magnétique ambiant, puisque les magnétorésistances réalisées eh même temps sur le même substrat, varient de la même façon. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de surveillance de l'état d'un circuit, description qui sera faite en se référant à la figure unique, laquelle représente un schéma de montage électrique possible pour la mise en oeuvre du procédé en vue de la surveillance de l'état de coupure éventuelle des circuits d'alimentation des lampes électriques d'une voiture automobile. Le pont de Wheatstone portant sur le dessin la référence générale 1, comporte quatre magnétorésistances M1, M2, M3 et M4 égales deux à deux, c'est-à-dire pour lesquelles M1 = M2 et M3 = M4 ou plus généralement telles que M1 M3 = M2M4. Ce pont de Wheatstone est alimenté entre l'anode 2 portée à la tension +V et le sol 3. L'état d'équilibre ou de déséquilibre du pont est donc, de façon classique, mesuré entre les conducteurs de sortie 4 et 5 aboutissant à la diagonale opposée du pont de Wheatstone. Sur la figure unique, on a représenté quatre lampes L1, L2, L3 et L4 appartenant au même véhicule automobile et qui sont alimentées chacune séparément entre le conducteur 2 porté au potentiel +V et le sol 3. Sur un véhicule auto- mobile courant, les lampes électriques sont généralement réparties par paires de lampes identiques correspondant l'une au côté droit et l'autre au côté gauche du véhicule. Il en résulte par conséquent qu'il est relativement facile d'équilibrer un tel pont de Wheatstone en groupant les lampes L1 et L4 correspondant au côté gauche et L2 et L3 correspondant au côté droit du véhicule symétriquement par rapport aux quatre branches du pont. Quoi qu'il en soit, quatre résistances R1, R2, R3 et R4 permettent d'assurer une polarisation convenable des deux entrées négatives des comparateurs logiques C1 et C2 de façon a ce que ceux-ci, dont la borne positive est alimentée par l'un des conducteurs 4 ou 5 en provenance du pont de Wheatstone, délivrent en sortie un signal nul lorsque le pont est à l'équilibre. A cet effet, la résistance R4 est située sur le conducteur 6 qui relie l'entrée négative du comparateur C1 à la borne 2 et la résistance R2 est située sur le conducteur 7 qui relie l'entrée négative du comparateur C2 à la même borne 2. Une résistance R3 relie les conducteurs 4 et 6 et une résistance R1 relie les conducteurs 5 et 7. La sortie 8 du comparateur C1 et la sortie 9 du comparateur C2 sont reliées respectivement à l'entrée 10 et à l'entrée 11 du circuit "OU" 12. La sortie 13 de ce circuit "OU" est donc à zéro si aucun signal logique n'apparaît sur les sorties 8 et 9 des comparateurs C1 et C2; elle délivre au contraire un signal 1 si l'une des deux voies 8 ou 9 délivre elle-même un signal égal à 1. Conformément à la présente invention, chacun des conducteurs 14, 15, 16 et 17 des circuits d'ali- mentation de lampes L1, L2, L3 et L4 est situé au voisinage immédiat de l'une des quatre magnéto-résistances, à savoir ici M1, M2, M3 et M4, de façon que celles-ci puissent être continuellement sous la dépendance du champ magnétique créé par le courant qui circule dans chacune de ces lampes. Le pont 1 est réglé pour être à l'équilibre en l'absence de tout courant dans les lampes L1, L2, L3 et L4. Lorsque les lampes L1 et L2 et/ou L3 et L4 sont allumées, le pont reste à l'équilibre puisqu'on conserve l'égalité M1M3 = M3M4, soit parce que les courants sont égaux dans L1 et L2 et/ou dans L et L4, soit parce qu'ils sont inégaux, mais suffisants pour donner Ha > Hk. En revanche, si l'une quelconque des lampes est hors d'usage, le pont t est déséquilibré, la sortie de C1 ou C2 passe à l'état "1", et l'alarme est déclenchée. Le système a été décrit pour deux ou quatre lampes, mais de nombreuses combinaisons permettent de passer à six ou huit ou même plus. On peut ainsi, soit diviser chaque magnétorésistance en deux magnéto- résistances en parallèle ou en série, soit faire passer deux conducteurs devant la même magnétorésistance. Dans ce dernier cas, on s'arrange avantageu- sement pour que la somme des champs créés par les deux courants, si possible voisins, donne a - 900 ou mieux O Z O' avec deux courants égaux et opposés. On peut également jouer sur-la largeur de la magnétorésistance et donc le champ démagnétisant s'opposant au champ appliqué pour ajuster la valeur du champ donnant ARMA La description précédente a été faite pour un circuit à courant continu, mais le dispositif peut également très bien être utilisé en cas de besoin dans le cas de courants alternatifs; on obtient alors à la sortie des comparateurs C1 et C2, en cas de rupture d'un des conducteurs 14, 15, 16 et 17, un signal alternatif qui peut alimenter un voyant par exemple. On voit donc qu'avec un système extrêmement simple, constitué d'une couche mince et d'un circuit 9 2458817 intégré du commerce parmi les plus répandus, on réalise un détecteur assurant la surveillance de huit appareils à la fois.Ce dispositif peut, de plus, être installé sur un circuit déjà en service. Dans une réalisation pratique du détecteur, on peut par exemple rapporter directement sur la couche mince la puce du circuit intégré de détection différentielle. REVENDICATIONS 1. Procédé de surveillance de l'état instantané d'un circuit électrique davant fonctionner dans une plage limitée à deux états, à savoir un état normal correspondant au-passage dans un conducteur d'une intensité nominale et un état critique ou de seuil correspondant au passage dans ledit conducteur d'une intensité de seuil, caractérisé en ce que l'on dispose une partie du trajet dudit con- ducteur au voisinage d'une couche magnétique mince orientée et que l'on détecte à chaque instant les variations éventuelles de la résistance de ladite couche magnétique ou "magnétorésistance" sous l'influence du champ magnétique dû à l'intensité du courant électrique circulant dans ledit conducteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'état de seuil correspond au courant de court- circuit du circuit. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'état de seuil correspond à la coupure du conducteur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3,-caractérisé en ce que la détection est effectuée à l'aide d'une mesure différentielle de la magnétorésistance d'au moins-deux couches magnétiques -distinctes et voisines dont l'une subit le champ du circuit à surveiller et l'autre le champ d'un courant- de référence, de.façon à s'affranchir des variations de magnétorésistance dues aux variations ambiantes de tem- pérature et/ou de champ magnétique. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les différentes couches minces utilisées sont affectées chacune à la surveillance d'un circuit particulier. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la mesure différentielle est effectuée à l'aide d'un pont de Wheatstone dont chacune des autres branches constituée d'une couche magnétique mince orientée, assure la surveillance d'un circuit électrique particulier. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux sorties à surveiller du pont de Wheatstone sont reliées chacune à un comparateur à sortie logique, les deux sorties desdits comparateurs alimentant l'entrée d.'un circuit "OU" qui délivre lui-même un signal en sortie lorsque le pont est déséquilibré. 8. Procédé selon l'une au moins des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins l'une des couches minces est associée à au moins deux conducteurs à surveiller. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits conducteurs à surveiller sont tels que le champ matnétique total créé sur la couche mince est nul lorsque les courants véhiculés sont nominaux. 10. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, à la surveillance de l'état de coupure éventuel des circuits d'alimentation des lampes électriques d'une voiture automobile, caractérisé en ce - que lesdits circuits comportent des portions de conduc- teur électrique groupés symétriquement au voisinage immédiat de quatre couches magnétiques minces orientées et placées selon les quatre branches d'un pont de Wheatstone équilibré en fonctionnement normal. il