Brevet FR2478905A1 — publié le 19810925

La présente invention concerne un circuit d'interface de commande et, notamment un circuit destiné à fonctionner entre un dispositif de commande et un dispositif commandé avec des coupleurs optiques pour envoyer sélectivement des signaux d'initiation de fonctionnement au dispositif commandé et des signaux indicateurs d'état du dispositif commandé vers le dispositif de commande. L'invention s'applique en particulier à un dispositif de commande de puissance réalisé en technique état solide. Comme cela est connu de façon générale, les dispositifs de commande de puissance en technique état solide servent pour commander l'état de conduction d'un circuit de charge entre une source d'alimentation et une charge en fonction des signaux de commande d'un niveau à partir d'un endroit qui peut être éloigné du circuit de charge. Par exemple, dans les circuits de puissance des avions, les dispositifs de commande de puissance proches de leurs charges peuvent se commander à partir de la cabine de pilotage, à l'aide d'un dispositif de commande tel qu'un système multiplexe commandé par un ordinateur. Parmi les possi- bilités de fonctionnement exigées de tels appareils, il y a celle de l'isolation électrique entre le dispositif commandé et le dispositif de commande pour les deux types de signaux à savoir ceux qui initient les fonctions dans le dispositif commandé ainsi que les signaux indiquant l'état du dispositif commandé et qui sont générés dans celui-ci pour être retournés au dispositif de commande. On utilise un circuit d'interface de commande pour assurer ces diverses fonctions. En pratique, on a utilisé des coupleurs optiques pour isoler les dispositifs dans les circuits d'interface de commande. Un coupleur optique se compose d'un élément photo- émetteur tel qu'une diode photo-émissive qui émet un rayonnement visible ou invisible et qui est couplé à un élément photo-sensible tel qu'une photo-diode ou un photo-transistor. On peut réaliser une multitude de fonctions nécessaires en ayant dans le circuit d'interface un coupleur optique pour appliquer les signaux d'initiation de fonction au dispositif commandé et un ou plusieurs coupleurs optiques pour traduire en retour les signaux d'indication d'état à destination du dispositif de commande. Lorsque les cou- pleurs optiques sont utilisés en grand nombre, à savoir un coupleur principal et des coupleurs additionnels, et qu'ils sont associés avec des impédances en série sur le coupleur optique primaire, la conduction des coupleurs optiques additionnels modifie l'impédance du circuit entre les bornes de commande et modifie ainsi la tension aux bornes de commande. Les exigences de vitesse jouent un r8le important dans la réalisation d'un circuit d'interface efficace. A l'entrée du dispositif commandé, l'élément photo-sensible est normalement combiné à un circuit de retard de façon que le dispositif commandé réponde en changeant d'état de conduction lors de l'application d'un signal d'entrée de commande qui a au moins une durée donnée. Cela est intéressant car cela permet un montage dans lequel le dispositif commandé répond seulement à un signal d'entrée permanent alors que les signaux indicateurs d'état du dispositif commandé tels que ceux qui traduisent un état faux dans le circuit de charge, appliqués en retour au dispositif de commande, peuvent se traduire par l'application d'impulsions d'échantillonnage qui sont seulement courtes, et ne suffisent pas pour mettre en oeuvre le dispositif commandé. En général, le circuit d'interface de commande doit indiquer de façon rapide et précise la valeur de la résistance réelle entre ces bornes car le dispositif de commande mesure la tension résultante et détermine ainsi l'état du dispositif à distance. On a constaté que les réalisations disponibles en général pour de tels circuits d'interface de commande présentent des temps de réponse qui sont trop lents et n'assurent pas un fonctionnement correct pour des signaux de commande à durée d'échantillonnage courte, tels que par exemple 50 microsecondes. Or, il est intéressant d'avoir des impulsions d'échantillonnage, courtes car les systèmes multiplexes commandés par ordinateur sont généralement associés à différents dispositifs de commande de puissance en temps partagé. L'arrière plan technologique général des systèmes multiplexes pour commander des dispositifs de commande de puissance est donné dans le brevet US 3 842 249. Les circuits d'interface de commande, connus, utilisant des coupleurs optiques sont décrits dans le document Perkins "Power Controller Breadboard and Development Requirements", rapport 2-57110/4R-3195 de U.S. Department of the Navy, Mars 1975 et dans Billings "Aerospace Technology Development of Solid Stage Remote Power Controllers..." rapport No NASA (USA) CR-135199 pour National Aeronautics and Space Administration, Juin 1977. On a trouvé que les temps de réponse des circuits d'interface de commande peuvent s'améliorer considérablement grâce à la présente invention. Le. perfectionnement réside. dans le fait que la cause principale d'une réponse lente est la capacité parasite du dispositif d'isolation optique de l'art' antérieur. Cette capacité crée un retard d'établissement si bien que lorsqu'on applique une impulsion d'échantillonnage, le cou- rant traverse la capacité parasite du transistor de commutation correspondant et le fait commuter partiellement; jusqu'à ce que la capacité soit pratiquement complètement chargée, le circuit n'indique pas la résistance appropriée sur ses bornes de commande. On a constaté que pour des composants du commerce et pour une plage de températureschoisies comprises entre - 550C et + 1250C, le temps de réponse peut représenter jusqu'à un multiple de la période d'échantillonnage voulue qui est d'environ 50 micro- secondes. La présente invention concerne de façon générale un circuit d'interface de commande assurant l'isolation électrique entre une source de signaux de commande et un dispositif commandé pour appliquer au dispositif commandé un signal initialisant un fonctionnement selon lequel la source de signaux de commande donne soit un courant continu, soit de courtes impulsions pour un courant de commande, le circuit se composant de bornes d'entrée de commande pour le branchement de la source de signaux de commande qui est utilisée; un coupleur optique pour relier le circuit d'interface de commande et le dispositif commandé et qui se compose d'un premier élément photo-émetteur relié aux bornes d'entrée de commande et à un élément photo-sensible prévu dans le dispositif commandé, une série de faisceaux de plusieurs éléments d'impédance branchés en série sur l'élément photo-émetteur entre les bornes d'entrée de commande - un moyen de commutation branché entre les différents éléments d'impédance pour court-circuiter sélectivement un ou plusieurs éléments d'impédance et réduire la valeur réelle de l'impédance en série sur l'élément photo-émetteur; un moyen de commande de conduction pour régler la conduction du moyen de commutation, ce moyen de commande se composant d'un second coupleur optique ayant un second élément photo-émetteur relié aux bornes d'entrée de commande secondaires et un second élément photosensible relié sur le moyen de commutation, l'élément photo-sensible ayant un caractère.déterminé. Le mode de réalisation de l'invention constitue un montage adéquat pour un coupleur optique associé à un faisceau d'éléments d'impédance en série sur le circuit d'interface de commande, et dont les éléments d'impédance sont commutés sélec- tivement (branchés ou mis hors circuit) entre les bornes de commande par des transistors de commutation qui sont commandés par des coupleurs optiques de façon à être associés aux bornes d'entrée de commande pour que leur tension de travail soit fournie par les bornes d'entrée de commande tout en étant associés au moyen qui limite la tension de fonctionnement à une amplitude qui donne une charge complète sur la capacité parasite des coupleurs optiques en un temps qui est court par rapport à la durée de l'impulsion d'échantillonnage du dispositif de commande. On a constaté que les circuits pouvaient être montés pour travailler dans une période approximativement comprise entre 2 et 15 microsecondes, ce qui permet de façon appropriée le fonctionnement du système avec des impulsions d'échantillonnage d'environ 50 microsecondes. La présente invention sera décrite plus en détails à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma bloc d'un type d'appareil auquel peut s'appliquer la présente invention; - les figures 2A, 2B, 2C sont des sh6mas de circuit d'interface de commande selon l'art antérieur - la figure 3 est un schéma électronique d'un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre un dispositif commandé 10 tel qu'un dispositif de commande d'alimentation réalisé en technique état solide (qui peut être un dispositif électro- mécanique soit un dispositif réalisé en technique état solide, à courant alternatif ou continu) pour commander l'échange d'énergie entre une source d'alimentation 12 et une charge 14 en étant associé à un dispositif de commande 16 tel qu'un système multiplexe à ordinateur et terminal. Entre le dispositif de commande 16 et le dispositif commandé 10 il est prévu un circuit d'interface de commande 18 dont les bornes d'entrée 20 sont reliées au dispositif de commande. Le circuit d'interface de commande 18 coopère avec le dispositif commandé 10 par l'intermédiaire de chemins de signaux optiques 22, 23, 24. Un chemin principal 22 entre le circuit d'in- terface de commande 18 et le dispositif commandé 10 fournit les signaux au dispositif commandé pour initier et maintenir l'état passant et l'état bloqué du dispositif commandé. En outre, les chemins optiques 23 et 24 du dispositif commandé 10 vers le circuit d'interface de commande 18 fournissent des signaux indicateurs d'état provenant du dispositif commandé 10. Dans le cas d'un dispositif de commande d'alimentation en technique état solide, il peut s'agir de signaux sur les chemins 23 et 24 lorsque le dispositif de commande est déclenché et qu'il y a un incident dans le circuit de charge. Le circuit d'interface de commande 18 est tel que son impédance varie en fonction de l'envoi de signaux de déclenchement d'erreur pour modifier la tension apparaissant aux bornes d'entrée et de commande 10 qui permet au dispositif de commande 16 de modifier les signaux marche-arrêt (état conducteur-état bloqué) en fonction des signaux indicateurs d'état. Par exemple, il faut normalement que le dispositif de commande d'alimentation ne puisse être conducteur ou rester conducteur lors d'un incident. Ainsi, lors d'un tel signal d'incident ou d'un changement d'impédance du circuit d'interface de commande pour modifier la tension aux bornes d'entrée de commande, si bien que l'unité de multiplexage change l'état du chemin de commande marche/arrêt pour passer à l'arrêt et rester dans cet état au moins pendant une durée prédéterminée après l'envoi d'un signal'larche", que l'on peut appliquer pour vérifier que l'incident existe toujours. Les figures 2A, 2B, 2C montrent des types de circuits d'interface de commande connus, utilisés jusqu'à présent. Dans chaque cas, on a un coupleur optique OCI dont l'élément photo-émetteur qui se trouve dans le circuit d'inter- face de commande est branché en série sur plusieurs impédances résistantes RI, R2, R3 dans un ou plusieurs chemins du circuit reliés aux bornes d'entrée de commande 20. Les impédances sont associées aux commutateurs à transistor Qi, Q2 pour couper sélectivement une ou plusieurs résistances du chemin conducteur; ces commutateurs sont associés aux éléments photo-sensibles des coupleurs optiques OCI, 0C2 qui reçoivent la lumière des éléments photo-émetteurs du dispositif commandé. Bien que les montages précis puissent être changés, le principe de base du fonctionnement est commun aux trois circuits ci-dessus. Par exemple, à la figure 2A divers éléments d'impédance Ri, R2, R3 se trouvent dans le chemin effectif branché sur l'élément photo-émetteur du coupleur OCI en fonction de l'état conducteur des transistors Q1, Q2. Si Qi et Q2 sont tous deux bloqués, la tension aux bornes d'entrée de commande 20 dépend des trois résistances RI, R2, R3î. Si le transistor Q1 est conducteur et le transistor Q2 bloqué, la résistance Ri est la seule qui influence la tension aux bornes d'entrée. Si le transistor Q1 est bloqué et le transistor Q2 conducteur, le chemin conducteur passe par les résistances RI, R2; si les transistors QI et Q2 sont tous deux conducteurs, le chemin conducteur passe par la résistance Ri. On voit que les autres circuits des figures 2B, 2C travaillent de la m8me façon et que le nombre des éléments d'impédance et leur grandeur ainsi que le nombre des transistors de commutation, correspondants peut être changé pour arriver à n'importe quel niveau d'impédance de commande aux bornes d'entrée 20. Il est souhaitable de pouvoir dériver du dispositif de commande 16, soit un courant constant permanent, soit un courant interrompu formé d'impulsions d'échantillonnage. L'utilisation d'impulsions d'échantillonnage pose le problème de la capacité parasite propre au photo-transistor ou à d'autres éléments à jonction qui constituent l'élément photo-sensible des coupleurs optiques OC2, OC3. Il faut que ces condensateurs soient complètement chargés pour maintenir un état permanent des transistors de commutation Qi ou Q2 auxquels ils sont associés. Si le temps de charge est supérieur à la durée de l'impulsion d'échantillonnage, la réponse ne sera pas appropriée et c'est pourquoi il faut que l'impulsion d'échantillonnage soit plus longue car sinon on ne peut arriver au résultat voulu. La figure 3 montre un exemple de réalisation de l'invention qui correspond à un circuit d'interface de commande ayant des temps de réponse de l'ordre de 2 à 15 micro- secondes pour des températures comprises entre - 55 et + 1250C pour des composants du commerce avec un photo-coupleur de type 4N22. Le circuit représenté à la figure 3 donne trois niveaux d'impédance étaet toutefois entendu que l'on peut réaliser des circuits avec plus ou moins de niveaux d'impédance en procédant de façon analogue. Les éléments d'impédance Ri, R2, R3 sont branchés en série sur l'élément photo-émetteur 30 d'un coupleur optique OC1 entre les bornes de commande 20. Le transistor de commutation Qi est branché aux bornes des résistances R2 et R31 le transistor de commutation Q2 est branché aux bornes de la résistance R3. Ainsi, l'impédance que voient les bornes d'entrée de commande donne une tension VAB qui est la plus élevée lorsque les deux transistors Q1 et Q2 sont bloqués; le second niveau de tension correspond au blocage du transistor QI et-à l'état conduc- teur du transistor Q2; le niveau le plus bas correspond à l'état conducteur du transistor QI quel que soit par ailleurs l'état du transistor Q2. Les coupleurs optiques OC2, OC3, reçoivent leurs signaux de borne de signaux de déclenchement et de signaux d'erreur appliqués au dispositif de commande d'alimentation 10. La tension de fonctionnement des coupleurs optiques OC2, OC3, est fournie par les résistances respectives R5, R6, branchées en commun sur la résistance R4; cette tension est réglée en limitant la tension aux bornes des résistances avec dans le mode de réalisation représenté des diodes CRI, CR2, qui dônnent 17ne chute de tension maximale aux bornes des coupleurs optiques. En fonctionnement, lorsqu'un signal de commande tel qu'un courant constant de 10 milliampères est appliqué par le chemin OCI, RI, R2 et en supposant qu'il n'y a pas d'incident, le transistor Q2 reste dans ce mode de fonctionnement et est intégré au chemin de passage du courant. Le semiconducteur photo-sensible du coupleur optique OCI est conducteur et fonctionne comme dispositif commandé. Dans ces conditions, la tension V AB aux bornes 20, dépend principalement de la valeur des résistances Ri, R2. Lors de la détention d'un incident par le dispositif commandé, l'alimentation du coupleur OC3 est coupée (le signal d'incident est en fait l'absence de signal dans la diode photo- émissive du coupleur optique OC3) le transistor Q2 se bloque et la tension VAB dépend des résistances Rl, R2, R3. Si un déclenchement se produit dans le dispositif commandé, le photo- coupleur ÈC2 est coupé de l'alimentation, le transistor Qi devient conducteur et la tension V dépend de la résistance RI. AB Ainsi la tension d'interface VAB traduit de façon précise l'état du circuit commandé. En mode d'interrogation d'échantillonnage, de courtes impulsions ( de façon caractéristique 50 microsecondes) du courant de commande sont appliquées au circuit d'interface pour permettre de déterminer l'état sans être obligé de bran- cher le dispositif commandé car la durée de ces impulsions est inférieure au temps fixé par le dispositif de retard 11 du dispositif de commande d'alimentation 10. En mode d'échantil- lonnage, il faut que le circuit atteigne rapidement le fonc- tionnement stable. Dans le circuit représenté, on obtient une réponse rapide en limitant l'.amplitude de la tension appliquée aux bornes des semi-conducteurs photosensibles (les photo- transistors 32) des coupleurs optiques OC2, OC3. Cette tension est dans ce cas limitée par les diodes CR1, CR2 approximative- ment à 1,25 volts. La partie du courant de commande utilisé dans chaque coupleur optique est déterminée par les valeurs de R4, R5, et R6 avec R5 ou R6 qui partagent les courants entre les coupleurs OC2 et OC3. Le tableau donné ci-après à titre d'exemple correspond à un circuit tel que celui de la figure 3 qui donne des temps de réponse de 3 à 15 microsecondes par comparaison avec un temps de réponse de 400 microsecondes nécessaire pour un circuit classique tel que celui des figures 2A, 2B, 2C. Coupleurs optiques OC1, OC2, OC3 4N22 Transistors Ql et Q2 2N2222 Diodes CR1 et CR2 1N914 Résistance Rl 340 ohms Résistance R2 460 ohms RésistanceR3 931 ohms Résistance R4 2000 ohms Résistances R5 et R6 1000 ohms chacune La présente invention permet de réaliser les multiples fonctions d'un circuit d'interface de commande en utilisant des coupleurs optiques du commerce tout en évitant les retards liés à la capacité parasite de ces dispositifs. Les exemples donnés ci-dessus correspondent à des réalisations préférentielles. a R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) circuit d'interface de commande pour assurer l'isolation électrique entre une source de signal de commande et un dispositif commandé et pour appliquer sélective- ment au circuit commandé, un signal pour y initialiser un fonctionnement, la source de signal de commande pouvant fournir soit un courant constant, soit un courant de commande formé de courtes impulsions, circuit caractérisé en ce qu'il se com- pose de bornes d'entrée (20) pour brancher la source de signal de commande, un coupleur optique (OC1, OC2, OC3) couplant le circuit d'interface de commande et le dispositif commandé, et se composant d'un premier élément photo-émetteur (OCl) relié aux bornes d'entrée ainsi qu'un élément photosensible prévu sur le dispositif commandé (10), un montage en série de plu- sieurs éléments d'impédance (Rl, R2, R3) branchés en série sur l'élément photo-émetteur (30), l'ensemble étant relié aux bornes d'entrée (20), un moyen de commutation (Ql, Q2) branché aux bornes des éléments d'impédance pour court-circuiter sélective- ment un ou plusieurs éléments d'impédance et réduire la valeur réelle de l'impédance en série sur l'élément photo-émetteur (30), un moyen de commande de conduction mander la conduction des moyens de commutation, ce moyen de commande se composant d'un second coupleur optique (OC2), avec un second élément photo-émetteur relié aux bornes d'entrée de commande secondaire et un second élément photosensible (32) branché sur le moyen de commutation (Ql), l'élément photosen- sible ayant une capacité parasite qui doit être totalement chargée avant de fournir une sortie stabilisée, un moyen don- nant une tension de travail aux bornes du second élément photo- sensible, ce moyen se composant d'une impédance branchée aux bornes de l'entrée de commande, et un moyen pour limiter la tension de travail à une amplitude prédéterminée pour charger complétement la capacité parasite de l'élément photosensible en un temps plus court que la durée d'une impulsion du signal de commande émis par la source de signal de commande. ) Circuit d'interface de commande selon la revendication 1, caractérisé par plusieurs éléments d'impédance constitués par au moins trois résistances, un moyen de commuta- tion formé d'un premier transistor (Ql) branché aux bornes de deux résistances (R2, R3), un moyen de commutation supplémen- taire (Q2) constitué par un seconde transistor branché aux bornes d'un certain nombre de résistances, (R3) inférieur au nombre de résistances aux bornes desquelles est branché le premier transistor (Qi), le second transistor (Q2) étant également associé à un moyen de commande de conduction formé par un troisième coupleur optique (OC3) ayant un élément photo- émetteur branché sur les bornes d'entrée de commande supplémen- taires et un élément photosensible (32) relié au commutateur supplémentaire, l'élément photosensible ayant une capacité parasite déterminée, nécessitant une pleine charge avant de donner une sortie stabilisée, et le moyen qui donne la tension de travail ainsi que le moyen qui limite la tension de travail sont associés en commun aux second et troisième coupleurs opti- ques (OC2, OC3). 30) Circuit d'interface de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen qui limite la tension de fonctionnement se compose de plusieurs diodes (CR1, CR2) branchées en série dans une partie du circuit entre les bornes d'entrée (20). 4 ) Circuit selon la revendication 1, destiné à coopérer avec un dispositif de commande d'alimentation, ce dispositif de commande d'alimentation ayant une entrée de signal de commande et un circuit de retard au branchement pour faire le branchement du dispositif de commande d'alimentation seulement lors de l'application d'un signal de commande prédé- terminé à l'entrée pendant au moins une durée prédéterminée, ce dispositif de commande d'alimentation comprenant.une première et une seconde sorties de signaux indicateurs d'état pour indiquer un incident dans le circuit de charge du dispositif de 30. commande et si le dispositif de commande a déclenché- un dis- positif de commande et d'indication d'état pour donner des signaux de commande destinés au dispositif de commande d'ali- mentation et pour recevoir des signaux indicateurs d'état du dispositif de commande d'alimentation, le dispositif de com- mande pouvant fournir un signal de courant continu pendant une durée qui est longue par rapport au temps de branchement du circuit de retard du dispositif de commande d'alimentation, le dispositif de commande pouvant également donner un courant de commande sous forme d'impulsions d'échantillonnage de courte durée par rapport au temps de retard de branchement du circuit il de retard lorsque le dispositif de commande d'alimentation doit rester coupé. ) Circuit selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le second coupleur optique comporte un élément photoémetteur relié à la sortie du signal de déclenchement du dispositif de commande d'alimentation de façon que lorsque le dispositif de commande d'alimentation est déclenché, l'état conducteur du premier transistor de commutation bascule et modifie l'impédance du chemin conducteur entre les bornes d'entrée et de commande et donne au niveau des bornes une pre- mière tension qui indique le déclenchement du dispositif de commande et du dispositif indicateur d'état, le troisième coupleur optique ayant un élément photo-émetteur relié à la sortie du signal d'incident du dispositif de commande d'alimen- tation, si bien qu'à l'arrivée d'un incident dans le circuit de charge, l'état conducteur du second transistor commute et change l'impédance du second second conducteur entre les bornes d'entrée et de commande pour donner une seconde tension diffé- rente de la première indiquant un incident pour le dispositif de commande et d'indication d'état, la première et la seconde tensions étant différentes de celle qui apparalt sur les bornes lorsque le dispositif de commande d'alimentation est branché et qu'il n'y a pas d'incident dans le circuit de charge.