Brevet FR2517067A1 — publié le 19830527

L'invention s'applique aux circuits électriques sur v 4 hi- cules automobiles Elle concerne en particulir les circuits d'éclai- rage dont la surveillance de bon fonctionnement est un facteur de sécurit 4 de circulation Les risques de court-circuit de ces cir- cuits sont importants du fait de la dispersion géographique des appareils commandés sur le véhicule. Le système proposé permet d'obtenir une sécurité au niveau de la circulation parce que le conducteur est averti immédiatement de tout défaut d'éclairage et au niveau des circuits du véhicule qui ne risquent pas la destruction par incendie en cas de court-cir- cuit De plus, le procédé utilisé ( surveillance par un calculateur) permet la réalisation d'une commande séquentielle dont le principal avantage est de réduire le nombre des commandes au tableau de bord et de simplifier la construction, la réparation et l'utilisation du véhicule. Les applications du dispositif ne se limitent pas au systè- me d'éclairage; au contraire, tous les moteurs électriques auxi- liaires du véhicule peuvent Ltre commandés selon ce procédé qui, par sa détection des courts-circuits et sa limitation du courant maximum, évite la surchauffe des moteurs alimentés lorsque leur ar- bre est mécaniquement bloqué Ceci permet de supprimer les protec- tions électriques habituelles: contacts fin de course ou mécaniques, limiteur de couple. L'invention vise à résoudre les problèmes suivants: conserver la possibilité de commander la mise sous tension ou l'iso- lement d'un circuit quel que soit son état, et ceci sans altéra- tion des composants de l'installation; détecter l'état ducircuit commandé qui peut Stre: normal, coupé, ou court-circuité; signaler l'état du circuit par un moyen simple permettant de dis- cerner: s'il fonctionne normalement, s'il est coupé, s'il est courtcircuité. Ceci peut être obtenu par un voyant à éclairage constant ou clignotant selon des séquences différentes. exercer une action de sécurité consistant à: limiter le courant et à isoler et tester périodiquement le circuit en court-circuit. On évite ainsi: la détérioration du circuit et de ses composants. On ne paralyse pas inutilement un circuit présentant des courts- circuits aléatoireso Dès que le court-circuit disparaît, l'alimen- tation normale est rétablie; en corollaire, nous faisons apparattre la nécessité de limitation du courant maximum, avec les avantages de protection qu'elle ap- porte pour les filaments de lampes à incandescence ( réduction des chocs thermiques) et lesmoteurs électriques sont automatiquement à limitation de couple maximum, d'accélération maximale et d' échauffement induit bloqué; D'autre part, la surveillance permanente des circuits par un processeur nécessaire à ce système va faciliter toutes les appli- cations de commande séquentielle envisageables. Les dispositifs connus à ce jour ne comportent généralement que les caractéristiques suivantes: la commande est obtenue par un interrapteur manoeuvré par l'utili- sateur Cette commande est soit directe, soit indirecte,c'est- à-dire agit par l'intermédiaire d'un relais électromagnétique sur le circuit de puissance; la sécurité est obtenue par des fusibles en série ou par un dis- joncteur thermique a Dans certains cas, aucune sécurité n'est prévue; la signalisation de défauts est obtenue par voyant répétiteur dans certains cas ( indicateurs direction) La vérification des circuits coupés peut aussi Otre obtenue pendant la période de repos de ces circuits en y faisant circuler un très faible courant. Ce problème n'a reçu que des solutions rudimentaires et par- tielles. Ces dispositifs connus présentent les inconvénients suivants: commande: * l'allumage d'une lampe à incandescence dont le filament est froid provoque un appel de courant 50 à 100 fois supérieur au courant nominal Il en résulte une usure intensive des interrupteurs- utilisés; * ces interrupteurs et les circuits associés sont incapables de supporter le courant de court-circuit; * pour faciliter la tâche du conducteur, il est nécessaire de re- grouper cesinterrupteurs sur un combiné ( Comodo) Ces systèmes électromécaniques sont coûteux, fragiles et encombrants; Il este cependant en plus du comodo un grand nombre d'interrup- teurs au tableau de bord, dont les dimensions &teintes ne per- tent pas une disposition ergonomiquement valable; * l'important cblage de liaison de ces interrupteurs est une source de surco Qt initial du produit, de difficultés d'inter- ventions de maintenance et un handicap pour la fiabilité. Ces organes de commande avaient l'avantage d' être jusqu'à ce jour les solutions les plus simples et le plus économiques. Sécurité: * les fusibles, même retardés et dimensionnés pour supporter 1 ' allumage des lampes à incandescence, sont des organes effica- ces de protection des circuits pour le premier court-circuit qui surviendra; * l'expérience montre qu'un utilisateur surpris par un court- circuit sur la route se dépanne en remplaçant le fusible mais sans rechercher l'origine du court-circuit Il épuise rapide- ment son stock de fusibles et en vient aux expédients tels que - papier aluminium enroulé sur le fusible fondu ou tout simple- ment un morceau de métal: clou,vis, trombone,etc On peut remarquer en pratique que, heureusement, la plu- part des courts-circuits sur véhicule disparaissent avec les se- cousses de la route et les cas d'incendie ne sont pas aussi nom- breux que ce qu'ils pourraient Otre. Les disjoncteurs thermiques pourraient Otre une bonne so- lution si leur dimensionnement était adapté au courant de court-cir- cuit qui fait apparaître une puissance de court-circuit 50 à 100 fois grande que la puissance normale commandée. Ses raisons économiques rendent cette solution caduque Diagnostic onu information du conducteur Mis à part les répétiteurs des indicateurs de direction, il n'existe pas de systèmes généralisée indiquant pendant le fonc- tionnement un défaut à un o O gane Cette notion est nouvelle, on peut penser qu'elle retiendra l'intér St des utilisateurs de véhi- cules. La présente invention concerne un dispositif qui groupe les moyens suivants: - système de surveillance permanente: depuis quelques années déjà, il est possible d'utiliser un mi- croprocesseur programmé de telle sorte quail puisse émettre des ordres, en contrôler l'exécution et déclencher en fonction du résultat de l'exécution une procédure adaptée aux circonstances. Ce moyen est indispensable, mais il n'est pas saffisant à la réalisation du procédé -Moyen de commutation-d'un circuit avec limitation du courant: il est possible d'utiliser un transistor bipolaire pour réaliser cet interrupteur Jes problèmes de complexité de circuits et de dissipation d'énergie rendent l'usage d'un tel dispositif incom- patible avec une réalisation économique. La disponibilité récente de transistors dits " MOS de puissance permet d'envisager des réalisations que l'on peut supposer écono- miques dans les cinq années à venir Ces composants ont pour avantages techniques,les points suivants: * faible puissance de commande ( très grand gain de puissance) compatible avec les sorties du calculateur; * limitation en courant par la tension de commande (Vgs); * possibilité demontage en parallèle de plusieurs transistors sans précautions; * très bon comportement aux surtensions; * très bon comportement aux températures élevées. L'association des microprocesseurs, des transistors de putssance MOS et d'un logiciel utilisant rationnellement les possibilités de ces composants-constituent la 'base de l'invention et permettent de résoudre les problèmes énoncés ci-dessus. Le dessin annexé, donné-à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention Figure 1 représente sch 4 matiquemeat les caractéristiques de fonctionnement d'un transistor de puissance du type " MOS ". Figure 2 -représente un circuit sur lequel l'invention per- met de détecter un court-circuit en aval du transistor MOS de puis- sance. Figure 3 illustre un circuit selon l'invention appliqué à la commande, au contrôle, et à la protection d'un éclairage sur véhicule. Figure 4 représente une variante analogue à Figure 3, mais dans laquelle un microprocesseur peut dialoguer avec d'autres cal- culateurs du véhicule. Figure 5 groupe des graphiques expliquant dans le temps le fonctionnement normal du dispositif. Figure 6 est un ensemble de graphiques analogues illustrant le cas d'un court-circuit. Figure 7 est un graphique analogue illustrent le cas d'une coupure du circuit. L'interrupteur est réalisé à l'aide d'un transistor de puis- sance du type MOS La figure 1 illustre les caractéristiques de ce dispositif et montre un schéma de commande d'un circuit compor- tant le transistor MOS, une lampe à incandescence et une batterie d 'accumulateurs. La tension VGS est déterminée pour que la caractéristique du transistor conduisant soit représentée par O AB. Lecourant maximum que peut alors conduire ce transistor est ISAT, correspondant au segment AB La valeur de ISAT a été choisie supérieure à In: courant nominal de la lampe de telle sorte qu'en fonctionnement normal, la chute de tension dans le transistor soit très faible et égale à VDSN provoquant une dissipation de puissance faible P N = IN x VDSN. En cas de court-circuit, le courant conduite par le i=ansis- tor ne peut dépasser ISAT, le circuit aval est donc protégé La puissance dissipée dans le transistor est alors: PC-Is A x AT ce BAT valeur élevée Le transistor doit Otre choisi pour supporter cette puissance sans dommage Un radiateur important serait nécessaire si cette puissance de court-circuit devait être dissipée pendant une longue durée Mais dans le système inventé, nous allons voir que ce n'est pas le cas. Pour la détection de l'état de court-circuit en aval du transistor NOS de puissance, on procède comme indiqué sur la figure Si VGS est différent de zéro, le transistor est conducteur, et la tension VZS doit Stre égale ou inférieure à VSN ( valeur ex- plicitée sur la figure 1) Mans le cas oV Ds est plus grande que VS, par exemple si VDS > AT, il est évident que la résistance d'utilisation alimentée à travers le transistor présente une résis- tance anormalement basse La réunion de: V Gs: O et V Ys > Bv AT est le symptôme d'un court-circuit que notre microprocesseur conve- nablenmt programmé saura reconnattre en testant périodiquement la relation logique À V Gs O T V"s > i VBAT On notera: VGS est un ordre émis par le microprocesseur, et de ce fait, il n'est pas nécessaire de renouveler au microprocesseur l'informa- tion VGS o 0. GS + -VS> i VBA est une mesure mécanique nécessitant peu de précision et ne justifie pas une conversion analogique numérique toujours onereuse en matériel Une entrée logique du microprocesseur asso- ciée à un pont diviseur ou à une diode Mener est suffisante pour obtenir l'information: VDS> i VBAT sur la figure 2, les polarités dela batterie d'accumulateurs n' ont pas été représentées volontairement, parce que le transistor MOS peut être de type P ou de type N et ceci permet 1 S deux mon- tages possibles sur véhicule + ou de la source d'énergie reliée au châssis Partioularité de l'allumage d'une lampe à incandescence: La résistance interne de la lampe lorsque'elle est froide, est très basse, et sans précaution le système décrit détecterait un court-circuit à chaque allumage Lorsque le microprocesseur émet un ordre d'allumage pour un circuit alimentant une lampe à in- candescence, la périodicité du test logique de court-circuit sera allongée pour la seule période successive à l'ordre d'allumage et ceci pour le seul circuit concerné par l'événement d'allumage. Un éventueloeurt-circuit serait détecté à la fin de cette pé- riode allongée. Action du système lors de la détection d'un court-circuit: Lorsqu'n courtcircuit à été détecté, la commande VGS du transistor MOS de puissance est annulée pendant une durée T par le microprocesseur Au bout de T, un ordre d'allumage sera émis de nou- veau( si une consigne d'allumage est toujours présente) Deux cas sont possibles: le court-circuit persiste: ilest détecté et une nouvelle coupure de durée T est lancée Des tentatives d'allumage seront lancées tant que la consigne d'allumage sera présente o Le rapport cyclique de la période de test allongé spécifique à l'allumage avec la durée T est établi en fonction de la puissance moyenne que peut dissipe X nor- malement le transistor MOS de puissance dans le contexte technolo- gique de la réalisation; le court-circuit a disparu: le fonctionnement redevient normal avec test périodique de la présence d'un éventuel court-circuit. Cette disposition permet d'assurer la protection du circuit et de rétablir le fonctionnement correct dès que l'incident dispara t. Il est fréquent qu'un court-circuit soit produit par l'in- tervention d'un réparateur, par le contact fugitif sous l'effet d' un choc d'éléments conducteurs du circuit, par la présence tempo- raire d'un liquide conducteur. La limitation du courant de court-circuit qui est une particu- larité de l'inveoion évite les phénomènes de soudage des pièces en contact, que l'on constate habituellement dans les circuits mai pro*ées La pessibilité du système de tester syématiquement la présence du court-circuit présente l'avantage, compte tenu des con- disions sus-mentionnées, dÀ offrir une plus grande sûreté de con- servation du fonctionnement de l'organe commandé, et par là, d'amé- liorer la sécurité du véhicule. Détection des coupures de circuit, soit de la iigne, soit du récep- teur, par exemple le filament d'une lampe: Le microprocesseur est programmé pour interrompre pendant un temps très court et périodiquement la tension CVGS permettant la con- duction du transistor MOS de puissance ( voir figure 2). Si VGS = O, ont doit avoir Vs = V BAT condition que le drain X du transistor soit relié à la batterie à travers la ligne et le récepteur ( une lampe, dans le cas de la figure 2). Si le récepteur ou la ligne sont coupes, on n'obtiendra pas VS V= BAT Comme dans le cas de détection du court-circuit, il est possi- ble de se contenter de constater que V > à VBAT, mais en s'inté- resvant à l'information complémentaire qui signifiera dans une ap- proximation qui nous est suffisante V S diagnostiqué une coupure du circait. Remarmue: une possibilité existe: elle consiste à mesurer V SN qui est nulle si le circuit est coupé parce que IS = O; si on a VGS #0 ET V"s O, une coupure du circuit existe L'acquisition de Vs O est délicate et nécessite un circuit plus complexe et donc plus onéreux que celui correspondant à l'option décrite Nous si- gnalons cependant ce Stte disposition que l'on adopterait si les para- sites radio-électriques générés par le système décrit devaien%,pour des applications particulières, provoquer des difficultés. Le système décrit s'applique à des récepteurs du type résis- tance pure Dans le cas de charges inductives, le test de coupure du circuit produirait périodiquement des surtensions Il est possi- ble de remédier à cet inconvénient selon plusieurs procédés que 1 ' on branchera entre drain et source du transistor de puissance MOS et en respectant lespolarités imposées par le type de transistor NOS qui peut être P ou N selon le p$le de la batterie relié au commun. Circuit composé d'une résistance et d'un condensateur en série. Diode de barrage Diode de barrage + diode Zener ( cette disposition permet de conserver la rapidité de la décroissance du courant en limitant la surtension à une valeur admissible). Varactor ou dispositif analogue. Le choix de ces dispositifs est un problixe technologique et économique, dont la solution peut évoluer dans le temps. Ces dispositifs n'ont pas-été dessinés sur les figures, par- ce que leur représentation est polarisée pour deux d'entre eux et que nous avons voulu garder une représentation générale couvrant les deux possibilités de montage possible Il est évident pour l'homme de l'art de placer correctement ces dispositifs. Information de l'état de fonionnement des circuits commandés: On a décrit la procédure de étection par le microprocesseur des états suivants: courtcircuit; coupure ducircuit L'état normal du circuit commandé est la réunion des infor- mations NI court-circuit ET NI circuit coupé qu'il est aisé d'obte- nir par programmation adéquate du microprocesseur Ces états peuvent être signalis par un simple voyant fonc- tionnant selon la procédure suivante: voyant éclairé: fonctionnement normal du circuit commandé; voyant clignotant rapidement À circuit commande, mais court-cir- cuit; voyant clignotant lentement: circuit commandé, mais circuit coupé. La conducteur peut Otre ainsi Informé de l'état d'exécu- tion des commandes qu'il a émises Ces informations peuvent évidemment 8 tre exploitées dans tout dispositif installé sur le véhicule. La figure 3 montre le procédé appliqué à la commande, au contr 8 le, et à la protection d'un éclairage sur véhicule. Cette disposition s'applique à une réalisation ne compor- tant qu'un ul calculateur monoships. Le calculateur ou mioroprocesseur complet est constitué: par une mémoire de programme " savoir faire" z O M par une mémoiretemporaire de travail RM par une unité arithmétique et logique ( microprocesseur) UAL par une interface d'entrées parallèles a Ep par une interface de sorties parallèles Sp Pour traiter le cas d'un seul récepteur 9 il est nécessaire de disposer de: deux entrées parallèles: * une entrée consigne =ordre émis par le pilote du véhicule à l'aide d'un interrupteur * une entrée de détection de V S > i VBAT deux sorties parallèles: * une commande pour le transistor MOS: VGGS * une information sur voyant d'état destinée au pilote. Variante: Dans le cas oi N r Acepteurs devraient Stre commandés par le même interrupteur selon une procédure séquentielle; le nombre d'en- trées sorties s'établirait de la manière suivante: entrées: - Ce * deux commandes: progression et régression * N entrées de détection V > 1 VBA soit un total de N + 2 entrées parallèles sorties: deux cas possibles: * informations contr 8 le retour individuelles N contrôle N commande VGS de transistorff S soit 2 N sorties * information contr 8 le retour collective 1 contrôle N commandes VGS de transistor MOS soit ( N + 1) sorties. Pour N récepteurs, le tableau suivant résume les ommande Informations de contrôle Informatio: individuelles colbc n/S: ns de tives contr 81 e. E S E S Individuelle 2 N 2 N 2 N N + 1 Séquentielle N + 2 2 N N + 2 N + 1 On remarque que le calculateur ou microprocesseur monoship nécessaire à la réalisation de l'invention peut gtre mieux utilisé par l'adoption de commandes S 4 quentielles pas à pas toutes les fois que cette disposition estcompatible avec l'application traitée (éclairage du véhicule, essuie-vitres à plusieurs vitesses, ralen-. tisseur électrique, etc) La figure 4 ne diffère de la figure 3 que par le microproces- seur utilisé qui est aussi un monoship, mais possédant an plus une interface d'entrée sortie série,ui permettant de dialoguer avec les autres calculateurs installés sur le véhicule. Le système décrit devient aussi un système ouvert périphérique d'un ensemble plus vaste. Dans ce cas, pour N récepteurs, les entrées et sorties paral- lèles seraient: Récepteur Entrées Sorties N N , Sans le cadre de l'évolution des équipements électroniques de véhicule, on peut passer de la solution de la figure 3 à la solu- tion de la figure 4. Le fonctionnement en cas normal s'effectue comme illustré sur la figure 5, à savoir: Le graphique 5 représente en fonction du temps l'apparition de la consigne d'allumage de la lampe à partir de 'o. Le graphique 5 d représente en fonction du temps la commande du transistor MOS de puissance émise par le microprocesseur On note ' les interruptions de t 2 à t 3 et de t 4 à t 5, séparées par la période de récurrence t 3 à t 4, qui permettent de diagnostiquer les coupures éventuelles du Circuit. Le graphique 5 c représente le courant dans le circuit qui est limité ISATà t o, mise sous tension de la lampe, par la caractéris- tique du transistor MOS de puissance Au bout d'un intervalle de temps de to à t 1, le filament de la lampe ayant pria sa température d'équilibre, le courant se fixe à a valeur nominale: IN pendant la durée t 2 à t 3. On a choisi t -t 2 et t t 3 de sorte que la valeur moyenne du courant soit très peu affectée et qu'aucun clignotement ne puis- se Otre décelé, mime pour la lampe de plus faible inertie thermique. Le graphique 5 _ représente la tension V"S du transistor MOS de puissance. Elle permet les calculs de puissance et énergie dissipée. Elle est le complément de la figure 5 a Le test de court-circuit est effeotué au premier allumage en Tcc, après to, lorsqu'en X: "s On note que Vz SN est une fraction de Volt. Ceci est une particularité du transistor MOS qui est très fa- vorable à la conservation des performances du récepteur et aussi permet de réduire les dimensions des radiateurs nécessités par les transistors commutateurs. Le graphique 5 A représente la tesion aux bornes de la lampe en fonction du temps On remarque: En t VL = ISAT x F, avec R résistance à froid du fila- mtnt de la lampe. De A vers B, le filament de la lampe tend vers sa tempéra- ture d'équilibre de fonctionnement. Les tests de circuit coupé apparaissent comme des annulations de VL quand le circuit n'est pas coupé. Mans le cas d'un court-circuit, le fonctionnement est illus- tré sur la figure 6 On remarque: a pendant la période de test d'allumage, latension VL atteint une valeur faible définie par la résistance du courtcircuit et le courant de saturation du transistor MOS. Au bout du temps Tcc, on a toujours V"s circuit est détecté et on annule VGS et par suite ISAT Au bout d'une veertaine durée et si la consigne d'allumage e est toujours active, on testera à nouveau le circuit. Sans le cas d'une coupure du circuit, le fonctionnement est illustré sur la figure 7. On remarque: a: VL reste nulle b: Vas reste nulle c À o S reste nulle. La coupure du circuit est détectée. * Bien entendu, l'ensemble peut comporter plusieurs circuits de surveillance du genre précité, en t 4 te desquels un sélecteur de commande permet à l'utilisateur de choisir le circuit à tester Sur un véhicule, ces circuits peuvent correspondre: l'un au contr 8 le des phares S un autre au contr 8 le des veilleuses; un autre encore au contr 8 le du circuit de charge de la batterie; etc UEVENDICATIONS I Dispositif de commande, de contr 81 e, et de sécurité pour des appareils délectriques dutilisation, notamment des appa- reils montés à bord d'un véhicule, catactérisé en ce qu'il com- prend au moins un circuit de surveillance, groupant: a) une source de courant continu; b) un transistor de puissance du type MOS 7 monté en série entre la sourcede courant et au moins l'un des appareils électriques d'utilisation, la limitation d'intensité I àS Is A définie par le VGS de ce transistor MOS étant supérieure à la valeur corres- pondant à l'intensité nominale normale d'utilisation du ou des appareils électriques, VGS étant la limitation en courant par la tension de commande; c) un microprocesseur programmé pour tester périodiquement la re- lation logique: VGS + O et "S > i VBAT o: Va S est la chute detension dans le transistor MOS; VBAT est la tension nominale aux bornes de la source de courant, le fait que cette relation logique ne soit pas satisfaite étant considéré comme caractérisant l'absence de court-circuit dans 1 ' installation. 2 Dispositif suivant la& revendication 1, caractérisé en ce que le microprocesseur est programmé pour interrompre périodi- quement et pendant un temps très court, la tension VGS pour annuler la conduction du transistor MOS, étant entendu que si VGS = O, et si Vs> T, le circuit n'est pas coupé. 3 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le microprocesseur est relié à au moins un voyant lumineux dont il déclenche l'éclairement dans les conditions suivantes: voyant éclairé de façon continue: fonctionnement normal du cir- cuit; voyant éclairé et clignotant lentement: présence d'un court-cir- cuit; voyant éclairé et clignotant rapidement:le circuit présente une coupure. 4 Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs circuits de surveillance groupés sous un sélecteur de commande ma- noeuvré par l'utilisataeur pour lui permettre de choisir celui des circuits qu'il désire tester. Dispositif suivant la revendication 4, caracté- risé en ce que le sélecteur assure le choix entre l'un ou l'autre des circuits suivants, à vérifier sur un véhicule: phares; éclairage " Code" veilleuses; repos de l'ensemble de l'éclairage; appel de phare; clignotants de changement de direction; circuit de charge de la batterie.