Brevet FR2553605A1 — publié le 19850419

CIRCUIT LOGIQUE A SEUIL ET A SECURITE INTRINSEQUE La présente invention concerne un circuit logique à seuil et à sécurité intrinsèque, possédant au moins une entrée et une sortie et tel que d'aucune panne ou modification des caractéristiques du circuit ne peut résulter un signal de sortie si le seuil n'est pas atteint. De tels circuits de sécurité sont utilisés en particulier dans la signalisation ferroviaire dans des détecteurs de passage d'un véhicule sur une voie ferrée, ce qui leur impose de satisfaire à des normes de sécurité severes. On connaît de tels circuits logiques de sécurité Par exemple, dans le brevet français 2 510 845, est décrit un circuit à deux entrées et une sortie, alimenté entre une tension continue Vcc non nulle et la masse, comportant en combinaison une pompe à diodes, un sous-ensemble intermédiaire et en sortie un transistor monté en émetteur commun En cours 15 de fonctionnement, dans certaines conditions, ce circuit peut ne présenter aucune sécurité Dans un premier cas, si une coupure de la résistance située entre le conducteur d'alimentation à la tension Vcc et la base du transistor de sortie se combine à des fuites entre le collecteur et la base de ce même transistor, le circuit peut continuer à présenter 20 un signal en sortie dont l'amplitude est telle qu'elle ne permet pas de détecter la panne du dispositif ce qui est contraire à la sécurité Dans un deuxième cas, une fuite entre la base et l'émetteur du même transistor de sortie a tendance à s'opposer à la polarisation réalisée par la résistance mentionnée ci-dessus, ce qui diminue la valeur du seuil, et donc altère 25 la sécurité du dispositif. Un but de l'invention est d'obvier à ces inconvénients et de réaliser un circuit logique tel que toute défaillance dans ce circuit doit conduire à une augmentation du seuil et donc à un état de sécurité supérieur à celui qui existait avant l'incident. Un autre but de l'invention est de réaliser de façon modulaire, à partir du même circuit logique de base correspondant à un circuit logique "OUI", des circuits logiques réalisant d'autres fonctions logiques classiques. 2 -255605 -2 2553605 Selon la présente invention, le circuit logique à seuil et à sécurité intrinsèque comprend un comparateur à l'une des entrées duquel est appliquée une tension continue de référence tandis que l'autre entrée est connectée au point de jonction d'une première et d'une deuxième résistances, une première tension continue de valeur relative basse étant appliquée à l'autre extrémité de la première résistance et une deuxième tension continue de valeur relative élevée étant appliquée à l'autre extrémité de la deuxième résistance par l'intermédiaire d'une troisième résistance. On applique au point de jonction des deuxième et troisième résistances laà une troisième tension continue de valeur relative intermédiaire par l'intermédiaire d'une quatrième résistance en série avec un commutateur de hachage Le comparateur est de préférence constitué par un transistor monté en base commune, à la base duquel on applique la troisième tension continue; l'emetteur est relié au point de jonction de la première et de 15 la deuxième résistances tandis que le collecteur, auquel est appliqué la deuxième tension continue par l'intermédiaire d'une cinquième résistance, constitue la sortie du comparateur De préférence ce transistor est du type npn, la première tension étant négative, la deuxième tension ayant une valeur positive tandis que la troisième est nulle On peut toute20 fois inverser les diverses polarisations en utilisant un transistor pnp. Pour mettre en oeuvre ce circuit avec un signal alternatif, on dispose une première pompe à diodes à l'entrée de manière à transformer ce signal alternatif en la première tension continue. Ce circuit inclut de préférence, un dispositif de compensation en tempé25 rature comprenant une pluralité de diodes connectées de telle manière qu'elles soient dans le sens passant et en série entre le point de jonction des troisième et quatrième résistances et la deuxième résistance. Le circuit logique décrit ci-dessus permet de réaliser d'autres circuits logiques de sécurité réalisant notamment les fonctions logiques "ET" 30 et "OU". Un circuit logique "ET" pour deux signaux alternatifs est réalisé en pilotant le commutateur du circuit logique "OUI" par un signal alternatif, l'autre étant appliqué à la pompe à diodes précitée. Un circuit logique "OU" pour plusieurs signaux alternatifs est obtenu 35 en branchant plusieurs pompes à diodes en parallèle avec la première pompe à diodes du circuit logique "OUI". -3 Un circuit logique "ET" pour plusieurs signaux alternatifs est obtenu en branchant plusieurs pompes à diodes en série avec la première pompe à diodes du circuit logique "OUI" et en augmentant en conséquence la valeur du seuil du circuit. Pour l'un quelconque des circuits logiques décrits, le collecteur du transistor est de préférence relié à un amplificateur de courant constitué par deux transistors montés en collecteur commun et de types complémentaires, dont la réunion des bases en constitue l'entrée et celle des émetteurs la sortie tandis qu'à leurs collecteurs sont respectivement appliquées 10 les deuxième et troisième tensions continues. La présente invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, description à laquelle trois planches de dessins sont annexées. La Figure la est le schéma électronique d'un circuit logique de base selon l'invention et la figure lb est un diagramme de temps de certains signaux apparaissant dans le circuit, servant à expliciter son fonctionnement. La Figure 2 est le schéma électronique du circuit logique représenté 20 Figure la o un transistor monté en base commune a été substitué au comparateur. La Figure 3 est le schéma électronique du circuit logique précédent auquel est adjointe une pompe à diodes sur -l'entrée du circuit à laquelle est appliqué un signal alternatif. La Figure 4 est le schéma électronique du circuit logique selon la figure 2 perfectionné par un dispositif de compensation en température. La figure 5 est le schéma électronique d'un circuit logique "OU" pour deux signaux alternatifs selon l'invention. La figure 6 est le schéma électronique d'un circuit logique "ET" pour 30 deux signaux alternatifs selon l'invention. La figure 7 montre une interface possible du circuit logique représenté figure 2 avec d'autres circuits, cette interface réalisant une amplification en courant. En référence maintenant à la figure la qui représente un mode de réalisation du circuit logique selon l'invention, la tension continue de valeur relative basse est choisie négative (V 1), celle de valeur relative élevée est choisie positive (V 2) et celle de valeur intermédiaire est choisie nulle (V 3). Le commutateur 6 est relié d'une part directement à la masse (V 3) et d'autre part par l'intermédiaire des deux résistances 3 et 4 à la tension V 2 Le commutateur hache le courant dans ces deux résistances et crée au point de jonction A de ces deux résistances 3 et 4 un signal en forme 10 de créneau de tensions extrêmes V 2 et KV 2, K étant fonction des valeurs des résistances 3 et 4 et inférieur à 1. Si le commutateur 6 reste ouvert, la tension VA croît et aucun signal en forme de créneau n'est transmis au comparateur 7 qui délivre alors en sortie un signal continu Il en est de même si la résistance 4 est cou15 pée Si la résistance 3 est coupée, la tension VA chute et le signal en forme de créneau ne présente plus une amplitude suffisante pour faire commuter le comparateur 7 Si la résistance 2 est coupée, bien évidemment aucun signal n'est transmis au comparateur 7. On constate donc que ce circuit présente bien la sécurité intrinsèque 20 requise notamment parce que le signal utile appliqué au comparateur 7 doit être la somme d'un signal en forme de créneau et d'une tension continue et doit présenter une amplitude déterminée comprise entre deux bornes pour que le comparateur 7 puisse assurer sa fonction. Un comparateur 7 est disposé de manière qu'à l'une de ses entrées soit 25 appliquée une tension de référence V R tandis que son autre entrée est reliée au point de jonction B de deux résistances 1 et 2 A l'autre extrémité E de la résistance 1 est appliquée la tension négative VI tandis que l'autre extrémité de la résistance 2 est reliée au point A précité. Le comparateur 7 comporte une sortie S qui constitue la sortie du circuit 30 logique. Ce signal en forme de créneau est alors transmis du point A au point B par la résistance 2 La tension négative V I appliquée au point E est transmise au point B par la résistance I Il apparaît donc au point B un signal créneau de tensions extrêmes U et V, U et V étant fonctions 35 des tensions VI, V 2 et des résistances 1,2,3, et 4. -5 A la figure lb sont représentées en fonction du temps et de la tension appliquée au point E les tensions aux points A et B, et en sortie de manière à expliciter le fonctionnement du dispositif. On constate sur la partie gauche de ce diagramme, que si la tension 5 appliquée en E n'est pas suffisamment négative,la tension au point B n'approche pas suffisamment la tension de référence VR pour permettre au commutateur 7 de commuter comme dans la partie centrale de cette figure o l'on voit que la tension de sortie VS n'affecte la forme de créneau que si la tension VB coupe la tension de référence VR De même, 10 à droite de la figure, on voit que si la tension VE est trop négative, le commutateur 7 ne commute plus. Sur les figures 2, 3, 4, 5, 6 et 7, les mêmes références désignent les mêmes éléments que sur la figure la avec les mêmes fonctions. En référence à la figure 2 qui représente le circuit logique selon l'inven15 tion tel que représenté figure la, le comparateur a été réalisé à l'aide d'un transistor 7 monté en base commune, et le commutateur 6 réalisé au moyen d'un transistor représenté schématiquement, par exemple piloté par une horloge. La tension base-émetteur du transistor 7 correspond à la tension de réfé20 rence VR appliquée à une entrée du comparateur de la figure la. Le point B est relié à l'émetteur du transistor 7 Le signal de sortie est prélevé au point S sur le collecteur de ce transistor, relié à la tension V 2 par l'intermédiaire de la résistance 5. On constate aisément que le transistor 7 contribue à la sécurité intrin25 sèque du circuit En effet, de toute fuite entre ses collecteur et emetteur résulte une augmentation de la tension au point B entrainant une absence de signal en sortie du circuit Il en est de même, mais avec un effet moindre, en cas de fuite base-émetteur Enfin une fuite collecteur base entraine une diminution de l'amplitide du signal de sortie et par suite 30 l'absence de créneaux dans ce signal. La figure 3 représente le circuit logique représenté à la figure 2 auquel est adjointe une pompe à diodes Un signal alternatif est appliqué au point E 1 qui est une entrée du circuit La pompe à diodes est constituée par un condensateur 10 en série avec une diode 12 dont la cathode est 6 2553605 reliée à la masse Cette diode 12 est shuntée par une branche comprenant un condensateur 11 en série avec une diode 13 connectée de manière que la cathode de cette dernière soit reliée à l'anode de la diode 12. De manière connue, la pompe transforme ce signal alternatif en une tension négative V 1 appliquée au point E Le point E est relié au point de jonction du condensateur 11 et de l'anode de la diode 13 Le condensateur tampon 11 relie le point E à la masse (V 3) La pompe à diodes fonctionne de manière connue Le condensateur 10 se charge d'abord à travers la diode 12 puiq se décharge dans le condensateur i 1 à travers la diode 13 tant que la charge de ce dernier n'est pas suffisante pour que la diode 13 reste bloquée, ce qui est atteint au bout de quelques périodes De ce fait, la tension au point E devient de plus en plus négative à chaque période du signal alternatif d'entrée appliqué en E 1 jusqu'à ce qu'elle se stabilise à une valeur négative sensiblement constante VI. 15 Cette tension continue appliquée au point E contribue à la sécurité du circuit parce qu'elle est négative En effet, tout incident survenant dans la pompe à diodes ramène cette tension vers la masse. Le commutateur 6 peut être piloté soit par une horloge soit par un autre signal alternatif, le circuit logique constituant alors un circuit logique 20 "ET" pour deux signaux alternatifs. En référence à la figure 4, un dispositif de compensation en fonction de la tension d'alimentation V 2 et de la température est adjoint au circuit logique représenté à la figure 2. Un tel dispositif est nécessaire car on cherche à conserver le même rapport entre la tension de seuil du circuit et la tension d'alimentation 25 V 2 dans certaines conditions de tension d'alimentation et de température. Or on constate que ce rapport augmente, respectivement diminue, si V 2 ou la température diminuent, respectivement augmentent Cette variation est due au fait que la tension de seuil du circuit dépend de la tension 30 base-émetteur du transistor et des pertes de tension dans les diodes si au moins une pompe à diodes est utilisée, diodes dont les caractéristiques varient en fonction de la température. Le dispositif de compensation de sécurité proposé ici consiste en trois diodes connectées en série et dans le sens passant entre le point de jonc35 tion des résistances 3 et 4 et la résistance 2 5 i la température augmente la tension base-émetteur diminue, la tension au point E augmente en -7 valeur absolue si au moins une pompe à diodes est utilisée, et sous l'effet des trois diodes, la tension au point A augmente Donc globalement, la tension de seuil du circuit ne diminue pas De même si la température diminue, la tension base-émetteur augmente, la tension au point E diminue en valeur absolue si au moins une pompe à diodes est utilisée et sous l'effet des trois diodes 'la tension au point A diminue Finalement la tension de seuil du circuit n'augmente pas. Ce dispositif de compensation contribue également à la sécurité du dispositif car si un incident survient au niveau des diodes, soit la chute de 10 tension aux bornes de ces diodes diminue et la tension de seuil du circuit augmente, soit aucun signal alternatif n'est transmis au point B. En référence à la figure 5, un circuit logique "CU" pour deux signaux alternatifs est obtenu à partir du circuit logique représenté à la figure la en branchant deux pompes à diodes en parallèle sur l'entrée du circuit. 15 La première pompe à diodes est constituée des condensateurs 10 et 11 et des diodes 12 et 13, la deuxième pompe à diodes étant constituée des condensateurs 20 et 11 et des diodes 22 et 23, le condensateur 11 est commun aux deux pompes à diodes. Chaque pompe à diodes transforme le signal alternatif appliqué à une 20 entrée du circuit (El, E 2) en une tension négative La tension VI, appliquée au point E correspond à la plus grande de ces deux tensipns négatives, comparées en valeur absolue La tension de seuil du circuit correspond à celle choisie par un circuit ne comportant qu'une seule pompe à diodes. Il suffit qu'un signal alternatif soit appliqué à une des entrées El, E 2 du circuit pour que la tension au point B permette qu'un signal apparaisse au point S, sortie du circuit. En référence à la figure 6, un circuit logique "ET" pour deux signaux alternatifs est obtenu à partir du circuit logique représenté à la figure 30 la en branchant deux pompes à diodes en série sur l'entrée du circuit. La première pompe à diodes est constituée de deux condensateurs 10 et 1 1 et de deux diodes 12 et 13 La deuxième est constituée de deux condensateurs 20 et 21 et de deux diodes 22 et 23. Chaque pompe à diodes transforme le signal alternatif appliqué à une entrée du circuit (El, E 2) en une tension négative E La tension VI, appliquée au point E est la somme de ces deux tensions Pour assurer un bon fonctionnement du dispositif, la tension de seuil du circuit est augmentée en conséquence en modifiant le rapport des valeurs des résistances 1 et 2. Il faut qu'un signal alternatif soit appliqué à chaque entrée El, E 2 du circuit pour que la tension au point B permette qu'un signal apparaisse au point S, sortie du circuit. En référence à la figure 7, au circuit logique représenté à la figure 2 est adjoint un dispositif d'amplification de courant En effet un tel dispositif est souvent nécessaire car les circuits logiques précédemment décrits peuvent être reliés les uns aux autres dans une chaîne logique Or le transistor 7 d'un tel circuit logique étant monté en base commune, il 15 réalise un gain en courant qui est insuffisant pour que ce circuit logique puisse être relié à un autre circuit logique. Le dispositif d'amplification de courant qui est représenté ici est constitué de deux transistors 31, 32, montés en collecteur commun et de types complémentaires Leurs bases respectives sont reliées entre elles au 20 point S qui constitue l'entrée du dispositif à laquelle est appliquée le signal provenant du circuit logique précédent Leurs émetteurs respectifs sont reliés au point D qui constitue la sortie du dispositif, tandis que leurs collecteurs sont reliés respectivement à là tension d'alimentation V 2 et à la masse. Bien que seuls certains modes de réalisation aient été décrits, il est évident que toute modification apportée par l'Homme de l'Art dans le même esprit ne sortirait pas du cadre de la présente invention Par exempie, on peut modifier la plage de fonctionnement du circuit en ajoutant en série avec la résistance 1, une résistance active, un transistor à effet 30 de champs par exemple commandé directement par le signal de sortie du circuit de manière à réaliser une auto-régulation On peut également inclure en parallèle une porte "NON" en disposant un transistor à la base duquel on applique la tension VE, son émetteur étant relié au point de jonction de deux résistances constituant un pont entre la masse et la 35 tension d'alimentation V 2, le commutateur de hachage étant alors disposé _ 9 en série avec l'une des résistances du pont entre la tension d'alimentation et l'emetteur du transistor Toutefois, bien qu'une porte "NON" ne soit jamais à sécurité intrinsèque, elle peut favorablement être combinée à une porte "OUI" pour accroître encore le niveau de sécurité intrinsèque de l'ensemble. REVENDICATIONS 1 Circuit logique à seuil et à sécurité intrinsèque tel que de toute modification des caractéristiques de l'un de ses composants résulte une augmentation relative de la valeur du seuil et comprenant un comparateur ( 7) à l'une des entrées duquel est appliquée une tension continue de référence (VR) tandis que l'autre entrée est connectée au point de jonction d'une première et d'une deuxième résistances ( 1,2), une première tension continue (VI 1) de valeur relative basse étant appliquée à l'autre extrémité de ladite première résistance 10 ( 1), et une deuxième tension continue (V 2) de valeur relative élevée étant appliquée à l'autre extrémité de ladite deuxième résistance ( 2) par l'intermédiaire d'une troisième résistance ( 3), caractérisé en ce qu'on applique au point de jonction (A) desdites deuxième et troisième résistances ( 2,3) une troisième tension continue (V 3) 15 de valeur relative intermédiaire par l'intermédiaire d'une quatrième résistance ( 4) en série avec un commutateur ( 6) de hachage. 2 Circuit logique selon la revendication I caractérisé en ce que ledit comparateur est constitué par un transistor ( 7) monté en base commune à la base duquel on applique à ladite troisième tension continue 2 O (V 3), l'entrée dudit comparateur étant constituée par l'émetteur qui est relié au point de jonction des dites première et deuxième résistances ( 1,2), tandis que le collecteur, auquel est appliquée ladite deuxième tension continue (V 2) par l'intermédiaire d'une cinquième résistance ( 5), constitue la sortie dudit comparateur. 25 3 Circuit logique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte lorsqu'est appliqué un signal alternatif à une entrée du circuit (El), une première pompe à diodes ( 10, 11, 12, 13) connectée de manière à transformer ce signal alternatif en la première tension (VI) ayant alors une valeur négative. 4 Circuit logique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de compensation en fonction de la tension d'alimentation et de la température consistant en une pluralité de diodes connectées de telle manière qu'elles soient dans le sens passant et en série entre le point de jonction desdites troi- sième et quatrième résistances ( 3,4) et de ladite deuxième résistance ( 2). Circuit logique selon la revendication I caractérisé en ce qu'un second signal alternatif pilote ledit commutateur de hachage, ledit circuit logique constituant alors une porte ET. 6 Circuit logique selon la revendication 3 caractérisé en ce que plusieurs pompes à diodes ( 10, 11, 12, 13, 22, 23) sont connectées en parallèle avec ladite première pompe, le circuit logique constituant alors une porte "OU" pour plusieurs signaux alternatifs. 7 Circuit logique selon la revendication 3 caractérisé en ce que plusieurs pompes à diodes ( 20, 21, 22, 23) sont connectées en série avec ladite première pompe ( 10, 11, 12, 13), ledit circuit logique constituant alors une porte ET pour plusieurs signaux alternatifs en augmentant en conséquence la valeur du seuil du circuit. 8 Circuit logique selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que le collecteur dudit transistor ( 7) est relié à l'entrée d'un amplificateur de courant. 9 Circuit logique selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit amplificateur de courant est constitué de deux transistors ( 31, 32) 20 montés en collecteur commun et de types complémentaires dont la réunion des bases constitue l'entrée dudit amplificateur et celle des émetteurs la sortie tandis qu'à leurs collecteurs sont respectivement appliquées lesdites deuxième et troisième tensions continues (V 2, V 3). 10 Circuit logique selon l'une quelconque des revendications 2 à 9 caractérisé en ce qu'on dispose, en série avec ladite première résistance ( 1), un transistor à effet de champs commandé par le signal de sortie dudit comparateur ( 7) Il Circuit logique selon l'une quelconque des renvendications précédentes 30 caractérisé en ce qu'il inclut en outre un transistor à la base duquel est appliquée ladite première tension (V 1), et dont l'émetteur est relié au point de jonction de deux résistances constituant un pont aux bornes duquel on applique respectivement lesdites deuxième et troisième tensions (V 2, V 3), un commutateur de hachage étant 35 disposé en série avec l'une desdites résistances dudit pont entre ladite deuxième tension et l'émetteur dudit transistor.