Brevet FR2582411A1 — publié le 19861128

Détecteur différentiel à fonctionnement vérifiable quelle que soit la position de la cible. L'invention concerne un détecteur différentiel à fonctionnement vérifiable quelle que soit la position de la cible, et plus particulièrement, un détecteur différentiel de la position d'une cible par rapport à une cible de référence, dont le fonctionnement est vérifiable par des moyens simples quelle sue soit la position de la cible, éloignée ou rapprochée. Un but de l'invention est de réaliser un tel détecteur différentiel, alimenté en alternance par deux voies distinctes, avec visualisation de la voie d'alimentation en service. Un autre but de l'invention est de proposer pour chacune de ces voies d'alimentation une protection contre les surintensités et contre les surtensions. L'invention a pour objet un détecteur différentiel à fonctionnement vérifiable quelle que soit la position de la cible, du type comportant un capteur à cible de référence et un capteur à cible de mesure, et au moins un circuit d'alimentation des capteurs à travers une charge, caractérisé en ce que ledit circuit est controlé par un transistor MOS dont la grille est sous le contrôle d'un circuit de protection contre les surintensités. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le circuit d'alimentation des capteurs comprend, en outre, un élément série destiné à assurer une chute de tension, un circuit de signalisation fournissant un signal seulement lorsque le courant passe, et un circuit d'alimentation à forte résistance et transistor en parallèle de façon à assurer, par la résistance une chute de tension pour alimenter les capteurs sous faible courant, et par le transistor une alimentation des capteurs sous courant plus fort - l'élément série est une série de diodes, et le circuit de signalisation est constitué par une diode électroluminescente et une résistance en série - le détecteur comprend des comparateurs pour suivre le niveau de sortie des capteurs et un comparateur de phase dont la sortie est appliquée au circuit de contrôle du transistor MOS. - l'entrée de chacun des comparateurs est reliée à une sortie du comparateur de phase par une résistance afin d'introduire une hystérésis. D'autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description qui suit faite avec référence au dessin annexé sur lequel on peut voir - Figure 1 - un schéma symbolique d'un détecteur différentiel selon l'invention à deux voies d'alimentation - Figure 2 - un schéma symbolique plus détaillé correspondant à l'un des circuits d'alimentation et de sortie du détecteur de la figure 1 ; - Figure 3 - un schéma symbolique détaillé d'un mode de réalisation du circuit électronique de détection de la figure 1. L'ensemble du détecteur différentiel selon l'invention se compose de trois parties (Figure 1) : un premier circuit 1 d'alimentation et de sortie correspondant à la première voie d'alimentation ; un deuxième circuit 2, identique au premier dans sa structure, correspondant à la deuxième voie d'alimentation, et le circuit 3 de détection différentielle. L'ensemble est relié à l'extérieur par les deux conducteurs d'alimentation positive 11 et 21, correspondant chacun à l'une des voies, et portant chacun une charge, respectivement 10 et 20, entre la source d'alimentation positive + et le circuit correspondant 1, 2,et par le conducteur 31 de retour, considéré comme négatif -. Les circuits 1 et 2 étant identiques seul le circuit 1 va être décrit. Il comprend essentiellement : un semi-conducteur 12 de commutation de la voie d'alimentation, avec son circuit de commande 13 ; un élément série 14 avec un circuit de signalisation 15 et un circuit 16 d'alimentation du circuit de détection ; un circuit 17 de protection contre les surintensités et un circuit 18 de protection contre les surtensions. Entre l'élément série 14 et le semi-conducteur 12 est disposée une diode t9 de protection contre les inversions de polarité. Enfin, une diode 22 est prévue entre le circuit d'alimentation et le conducteur 23 d'alimentation du circuit de détection pour protéger le circuit d'alimentation 16 contre les inversions de polarité, et pour éviter la décharge de la tension d'alimentation lorsque la première voie n'est pas alimentée. Le circuit de détection 3 comprend essentiellement un capteur de référence 32, un capteur de mesure 33, un commutateur statique 34 pour l'alimentation des capteurs 32, 33 sur commande d'une horloge 35, et un comparateur de phase 36. Chacun des deux capteurs 32, 33 comporte une inductance 37 et une capacité 38. L'inductance est munie d'un circuit magnétique ouvert 39 pour surveiller la cible 40. Dans le capteur de référence 32, la cible est fixe. Dans chacun des capteurs 32, 33 la capacité 38 est reliée au conducteur négatif 31, et l'inductance 37 au point commun 41 du commutateur statique 34. Ce point commun 41 est relié, sur commande de l'horloge 35, soit au conducteur 23 d'alimentation positive, soit au conducteur 31 de retour. Le point milieu de chacun des capteurs 32, 33, est relié à la première entrée d'un comparateur, 42, 43, respecti- vement, dont la seconde entrée est reliée au conducteur de retour 31. Une diode 44 est montée entre le point commun 41 du commutateur statique 34 et un conducteur 45. Entre ce conducteur 45 et le conducteur 23 d'alimentation du circuit de détection, est disposé un condensateur 46. Cette disposition permet la récupération de l'énergie contenue dans les circuits oscillants des capteurs pour augmenter la tension du conducteur 45 par rapport à celle du conducteur 23. Entre la première entrée de chacun des comparateurs 42, 43, et une sortie du comparateur de phase 36 (respectivement Q et Q) est disposée une résistance, 47, 48, assurant une certaine hystérésis au basculement des comparateurs. Le comparateur de phase 36 ainsi que l'horloge 35 sont alimentés par le conducteur 23. La sortie du comparateur 43, correspondant au capteur de mesure 33, est reliée à l'entrée D du comparateur de phase 36 qui est en pratique une bascule de type D. La sortie du comparateur 42, correspondant au capteur de référence 32, est reliée d'une part à l'horloge 35, d'autre part à l'entrée C du comparateur de phase 36, et d'autre part encore à l'entrée C de chacun des circuits 13 de commande des semi-conducteurs 12 de chacune des deux voies d'alimentation. Les circuits de commande 13 sont alimentés par le conducteur 45, sous une tension supérieure d'environ 0,7 V à celle du conducteur 23 d'alimentation des capteurs 32, 33. Ils reçoivent sur leur entrée D le signal de sortie du comparateur de phase 36, respectivement Q et Q.Enfin, ils re çoivent sur leur entrée R le signal de sortie du circuit 17 de protection contre les surintensités, qui provoque le rebasculement du circuit 13 et le blocage du semi-conducteur 12. Pour faciliter le repérage des conducteurs, des références ont été portées sur la ligne de séparation des circuits 1 et 3 (Figure 1), respectivement 50.pour la sortie du comparateur 42, 51 et 52 pour les sorties Q et Q du comparateur de phase 36. Ces références se retrouvent sur les figures 2 et 3. Sur la figure 2, l'élément série 14 est constitué d'une série de diodes 54 destinées à assurer une chute de tension sensiblement constante. Le circuit de signalisation 15 comprend une diode électroluminescente 55 pour assurer une visualisation et une résistance 56 en série, montées en parallèle sur la série de diodes 54. La signalisation par la diode électroluminescente 55 est ainsi liée au passage effectif du courant. Le circuit 18 de protection contre les surtensions est constitué d'une ou deux diodes Zener de puissance, montées ici en opposition. En série avec l'élément 14 et la diode 19, le semiconducteur 12 est un transistor MOS. Le circuit 17 de protection contre les surintensités est constitué d'un transistor 57 dont la base est polarisée par une résistance 58 montée en série avec le transistor MOS 12, et protégée par une résistance 59. L'émetteur de ce transistor 57 est relié au conducteur de retour 31. Son collecteur est relié d'une part au conducteur d'alimentation 23 par l'intermédiaire d'une résistance 60, d'autre part, par l'intermédiaire d'un inverseur 61, à l'entrée R d'une bascule 62 de type D, qui constitue la partie essentielle du circuit de commande 13. La sortie Q de cette bascule 62 est appliquée, par l'intermédiaire d'une résistance 63 série et d'une capacité 64 parallèle, à la grille du transistor MOS 12. Ce circuit RC a pour rôle de ralentir la mise en conduction du transistor MOS afin de laisser le temps d'agir au circuit 17 de protection contre les surintensités. En effet, en cas de surcourant dans le transistor 12, la résistance 58 provoque une chute de tension, ce qui ouvre le transistor 57 dont le collecteur tombe à un potentiel voisin de celui du conducteur de retour 31. L'inverseur 61 applique donc un signal à l'entrée R de la bascule 62, ce qui provoque le blocage du transistpr 12 et assure donc la protection du circuit contre les surintensités. Une diode 65 en parallèle sur la résistance 63 permet de faire retomber le courant tres vite lors du blocage du transistor 12. Le circuit d'alimentation 16 comporte un transistor 66 dont la base est polarisée par deux résistances 67, 68, et en parallèle sur le transistor 66, une résistance 69 de forte valeur. Le point commun au collecteur du transistor 66 et à la résistance 69 est relié au conducteur 23 d'alimentation du circuit de détection par l'intermédiaire d'une résistance 70 de faible valeur. Lorsque le transistor 12 est bloqué, il n'y a pas de chute de tension dans l'élément série 14, le transistor 66 est bloque et l'alimentation du détecteur 3 se fait à travers la forte résistance 69. De la sorte, alors que la tension de la source + peut varier de 15 à 60 V environ, l'alimentation du détecteur 3 est assurée sous 5 V environ.Lorsque le transistor 12 est passant, il y a une chute de tension aux bornes de l'élément série 14, la diode électroluminescente 55 s'allume, le transistor 66 conduit et court-circuite la forte résistance 69, et l'alimentation du détecteur 3 est assurée à travers la faible résistance 70, sous une tension d'environ 3 à 5V. Si la deuxième voie d'alimentation est utilisée, et que sans alimentation en 11 le transistor 12 soit à l'état passant, la diode 22 empêche l'alimentation venant de la deuxième voie de se décharger dans le transistor 12. Dans ce cas également, il n'y a pas de chute de tension dans l'élément série 14 et la diode électroluminescente ne consomme pas : son fonctionnement est lié à la réalité du passage du courant et non pas à l'état d'une commande. Cependant, en cas de surintensité due par exemple à un court-circuit de la charge 10, le courant ne peut traverser le transistor 12 que pendant 1 ps environ, temps nécessaire au circuit de protection 17 pour assurer le blocage du transistor 12. Dans cet intervalle de temps, la diode électroluminescente n'a pas le temps de s'allumer. Le fonctionnement du détecteur différentiel de la figure 1 s'analyse de la manière suivante, en supposant que la cible mobile 40 n'est pas rigoureusement aussi éloignée de son circuit magnétique 39 que la cible de référence. A un instant donné, l'horloge 35 commande la commutation vers le bas du commutateur 34, c'est-à-dire que le point commun 41 du commutateur 34 est relié au conducteur de retour 31. Les deux circuits oscillants des capteurs 32 et 33 se déchargent alors, avec des périodes respectives qui dépendent de la position des cibles. Lorsque la tension aux bornes de la capacité passe par la valeur 0, le comparateur correspondant, 42 ou 43, change d'état de sortie. En général, les deux comparateurs 42 et 43 basculent avec un décalage dans le temps. Lorsque le comparateur de référence 42 bascule, il agit sur l'entrée C du comparateur de phase 36, ce qui transmet un signal, correspondant à celui de l'entrée D du comparateur de phase 36, à l'entrée D du circuit de commande 13 de la deuxième voie d'alimentation, et le signal complémentaire à celle du circuit de commande de la première voie d'alimentation. Cela entraîne le blocage du semi-conducteur 12 de l'une des voies et la conduction de celui de l'autre voie. Le transistor 12 qui conduit autorise alors l'alimentation, par le circuit 16, du détecteur 3 et des capteurs eux-mêmes. Lorsque le comparateur de référence bascule, il assure simultanément la commutation de l'horloge elle-même qui commande le retour à l'état initial du commutateur 34 dont le point commun 41 revient vers le conducteur 23. Cette commutation intervient au moment où la tension est pratiquement nulle au point milieu du circuit LC du capteur, c'est-à-dire au moment où l'intensité dans ce circuit est maximale. La surtension de coupure due à l'inductance des capteurs charge la capacité 46 à travers la diode 44, et ainsi le conducteur 45 se trouve à une tension supérieure d'environ 0,7V à celle du conducteur 23. Cette tension surélevée est utilisée pour l'alimentation des circuits de commande 13 des semi-conducteurs 12. En effet, la tension appliquée à la grille du transistor MOS 12 est égale à la tension d'alimentation de la bascule 62.Si le transistor 12 doit devenir passant, il faut une tension minimale de grille pour l'ouvrir. En utilisant cette tension surélevée pour commander l'ouverture du transistor 12, on peut accepter une diminution correspondante de la tension normale d'alimentation pour que le fonctionnement soit correct. Le transistor fonctionne en zone linéaire de sa caractéristique et on a ainsi une stabilisation automatique de la tension d'alimentation minimale. Sur la figure 1 les deux résistances 47 et 48 modifient la décharge oscillante des circuits LC des capteurs 32 et 33, en fonction de l'état des sorties Q et Q du comparateur de phase 36. Si le niveau d'une sortie est haut, la décharge du circuit est retardée. On voit que la décharge est affectée par l'état antérieur et que cet état antérieur a tendance à être renforcé. Il en résulte une stabilité plus grand de la détectison, qui s' analyse comme une sorte d'hystérésis. Dans les sys tèmes d'hystérésis connus, on procède par réglage de seuils. Dans le cas présent, on agit sur la décharge des capacités 38, en accélérant ou en ralentissant cette décharge. Dans l'exemple de realisation de la Figure 3, le détecteur 3 comprend tous les éléments mentionnés à la figure 1. Les comparateurs 42, 43 sont constitués chacun de deux transistors en opposition, 71, 72 et 73, 74, dont les bases sont reliées au conducteur de retour 31, et dont les émetteurs sont reliés par paires. Le collecteur du transistor -71 est relié au point milieu du circuit LC du capteur 32 ; le collecteur du transistor 72 est relié, par l'intermédiaire d'une résistance 75, au conducteur d'alimentation 23. Il en est de même pour le comparateur 43 par rapport au capteur 33 et à la résistance 76. Le commutateur statique 34 comprend, entre le conducteur d'alimentation 23 et le conducteur de retour 31, un premier transistor 77 et un deuxième trans-istor 78, leur point commun étant relié au point commun 41. La base du premier transistor 77 est polarisée par une résistance 79 et reliée à un troisième transistor 80 qui sert de transistor auxiliaire dans un amplificateur de Darlington dont le deuxième transistor 78 est le transistor principal. La base du troisième transistor 80 est reliée à l'horloge 35 par l'intermédiaire d'une résistance 81 et, d'une porte 82. Le point commun aux deux transistors 77 et 78 est relié à la base du transistor 77 par l'intermédiaire d'une diode 83. L'horloge 35 comprend un circuit RC à résistances 84,85 et capacité 86. La résistance 84 sert notamment à polariser l'entrée de la porte 82. En parallèle sur la résistance 85 est prévue une capacité 87.En parallèle sur la capacité 86 est disposé un transistor 88 dont la base est reliée à la sortie d'une bascule à deux portes en série 89 et 90, par l'intermédiaire d'une r'e-sistne 91. En~par l-Sele sur la bascule est disposée une capacité 92. L'une des-entrées de la porte 89 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance 93 au point commun à la capacité 86, à la résistance 85, au transistor 88 et à la capacité 87. Cette entrée est reliée à la capacité 92.La deuxième entrée de la porte 89 reçoit le signal de sortie du comparateur 42, en provenance du point commun au transistor 72 et à la résistance 75. La sortie de la porte 89 est reliée à l'entrée C du comparateur de phase 36 et au conducteur 50. Lorsque le signal est bas sur la base du troisième transistor 80, les transistors 78 et 80 sont bloqués. Cependant, le très faible courant qui passe à travers la résistance 79 ouvre le transistor 77, ce qui permet la charge des capacités des circuits LC des capteurs 32, 33. Si le signal devient haut sur la base du transistor 80, les deux transistors 80 et 78 conduisent, le potentiel de la base du transistor 77 descend et le transistor 77 se bloque. Les capacités des capteurs 32, 33 se déchargent alors simultanément par le transistor 78, et par la diode 83 et le transistor 80, ce qui assure l'ouverture de l'amplificateur de Darlington même pour un courant de polarisation initiale très faible. La décharge se poursuit jusqu'à ce que la tension au collecteur du transistor 71 passe par la valeur 0.Le signal de sortie du comparateur 42, appliqué à l'entrée de la porte 89 de l'horloge2 provoque un changement d'état qui est transmis au conducteur 50 et à l'entrée C du comparateur de phase 36. L'horloge 35 fonctionne en oscillateur de type RC qui peut être déclenché (synchronisé) par des impulsions arrivant à l'entrée 94 de la porte 89. Tant que le transistor 88 est bloqué, la capacité 86 se charge. Si une impulsion arrive à l'entrée 94, une impulsion est émise en sortie de la porte 9O, alors le transistor 88 est débloqué et la capacité 86 se décharge. La fréquence de l'horloge est de l'ordre de 100 à 200 Hz, et la période d'oscillation de l'horloge est nettement supérieure à la durée de charge des capacités des capteurs 32, 33. De ce fait, les capacités des capteurs se chargent à une tension proche de la tension d'alimentation. De son côté, la capacité 86 se charge à environ la moitié de cette tension d'alimentation. Il en résulte que la consommation d système augmente avec la tension d'alimentation. Lorsque le transistor 12 est bloqué, le détecteur est alimenté à travers la résistance de forte valeur 69. Dans ce cas, la variation de la consommation du circuit de détection en fonction de la tension a un effet de stabilisation sur la tension d'alimentation interne disponible sur le conducteur 23. Par exemple, pour une tension d'alimentation générale (de la charge) variant de 20 à 60V, la tension d'alimentation interne peut varier de 3 à 7 V. Une capacité 95 de forte valeur assure le filtrage de la tension d'alimentation interne. Le détecteur selon l'invention peut travailler en fonction simple, par exemple en interrupteur normalement ouvert ou normalement fermé, ou en inverseur assurant la commutation entre deux voies. Sur l'une de ses deux voies, par exemple, à l'état non passant pour le transistor 12, la consommation de courant est très faible et inférieure à 0,5mA. A l'état passant du transistor 12, pour une tension de l'ordre de 5V, l'intensité peut être d'environ 200 mA et aller jusqu'à des pointes de 1 à 2 A. Il faut remarquer que le détecteur est protégé contre les courtscircuits de la charge et contre les surintensités, contre les inversions de polarité et contre les surtensions transitoires. En outre, il est muni d'un circuit de signalisation du passage du courant dans la charge, au moyen d'une diode électroluminescente, qui ne consomme rien en l'absence de courant dans la charge, et qui visualise le passage du courant. Le détecteur selon l'invention ne travaille pas en courants de Foucault mais en variation d'inductance, c'est pourquoi on peut tester facilement son fonctionnement. Lorsque la cible est éloignée, il suffit d'approcher une pièce en fer pour simuler l'approche d'une cible. Lorsque la cible est rapprochée, on peut intercaler une feuille d'aluminium entre ta cible et le capteur pour simuler l'absence de cible. Etant non magnétique et très bon conducteur, l'aluminium se comporte comte une spire en court-circuit couplée à la bobine de mesure et provoque une diminution de son inductance. On peut ainsi tester le fonctionnement du détecteur sans toucher à la cible ou au capteur dans toute position de la cible, et en simulant la position opposée de la cible. De plus, ce détecteur est pratiquement insensible aux variations de température, aux perturbations magnétiques, et aux conditions d'environnement. Crache à sa signalisation liée non pas à la détection de la cible mais au passage du courant, le détecteur permet de vérifier tout le circuit au cours du contrôle de position de la cible. En utilisant le passage du courant, on commande une alimentation simple qui peut utiliser une tension entrée, en amont de la charge, variant dans de grandes proportions, par exemple de 5 à 60V. Cette alimentation est commandée par l'intensité qui traverse la charge ; elle est non proportionnelle, mais à deux états. Lorsque la cible est éloignée, le transistor 12 est par exemple bloqué, la tension d'alimentation est élevée, et c'est la forte résistance 69 qui assure un courant faible dans les capteurs. Lorsque la cible est proche, le transistor 12 conduit, la tension d'alimentation est faible, et c'est le transistor 66 qui assure un courant plus fort dans les capteurs. Dans ce cas, le transistor 12 étant de type MOS, il assure une autorégulation de la tension minimale d'alimentation, en utilisant la récupération d'énergie des circuits oscillants des capteurs pour disposer d'une tension surélevée d'ouverture du transistor 12. Dans l'exemple de réalisation décrit, on a représenté deux voies d'alimentation 1 et 2. Comme ces voies sont totalement indépendantes; elles peuvent travailler en opposition comme ci-dessus, mais elles peuvent aussi travailler en parallèle, toutes deux reliées à la même sortie Q ou Q du compadrateur de phase 36. On peut également sans difficulté re lert si nécessaire, plusieurs voies à chaque sortie du compa rat-eur de phase 36. R E V E N D I C A T I O N S 1. - Détecteur différentiel à fonctionnement vérifiable quelle que soit la position de la cible, du type comportant un capteur à cible de référence et un capteur à cible de mesure, et au moins un circuit d'alimentation des capteurs à travers une charge, caractérisé en ce que ledit circuit (1) est controlé par un transistor MOS (12) dont la grille est sous le contrôle d'un circuit (1. de protection contre les; surintensités. 2. - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (1) d'alimentation des capteurs comprend, en outre, un élément série (14) destiné à assurer une chute de tension, un circuit de signalisation (15) fournissant un signal seulement lorsque le courant passe, et un circuit (16) d'alimentation à forte résistance (69) et transistor (66) en parallèle de façon à assurer,par par la résistance (69) une chute de tension pour alimenter les capteurs sous faible courant, et par le transistor (66) une alimentation des capteurs sous courant plus fort. 3. - Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément série (14) est une série de diodes (54), et le circuit de signalisation (15) est constitué par une diode électroluminescente (55) et une résistance (56) en série. 4. - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (3) comprend des comparateurs (42, 43) pour suivre le niveau de sortie des capteurs (32, 33) et un comparateur de phase (36) dont la sortie est appliquée au circuit de contrôle du transistor MOS (12). 5. - Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'entrée de chacun des comparateurs (42, 43) est reliée à une sortie du comparateur de phase (36) par une résistance (47, 48) afin d'introduire une hystérésis. 6. - Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un commutateur statique (34) est prévu, sous le contrôle d'une horloge (35) pour assurer périodiquement la charge et la décharge des capacités des capteurs (32, 33). 7. - Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le point commun (41) du commutateur statique (34) est relié à une diode (44) reliée elle-même à un conducteur (45) d'alimentation surélevée. 8. - Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le conducteur (45) d'alimentation surélevée est prévu pour alimenter les circuits de commande (13) des transistors MOS (12). 9. - Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une capacité (46) est disposée entre le conducteur (45) d'alimentation surélevée et le conducteur (23) d'alimentation des capteurs (32, 33). 10. - Détecteur selon la revendication 1, caractérise en ce que pour la vérification du fonctionnement du détecteur, lorsque la cible (40) est éloignée, on approche du capteur de mesure (33) une pièce en fer, et lorsque la cible est rap prochée, on insère entre la cible et le capteur une feuille d'aluminium.