Brevet FR2695274A1 — publié le 19940304

i CIRCUIT ET LOGIQUE A DEUX ENTREES, A SECURITE INTRINSEQUE La présente invention concerne les circuits ET logiques à sécurité intrinsèque, c'est-à-dire qui ne sont pas susceptibles de panne conduisant à un niveau logique 1 en sortie lorsqu'une des entrées est à un niveau logique O (un tel niveau O étant matérialisé par le fait qu'une tension d'entrée est inférieure à un seuil déterminé). Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les installations ferroviaires qui peuvent être conçues de façon que la présence d'un tel niveau O corresponde à une restriction de la circulation de véhicules sur des voies de guidage. On connaît déjà des circuits ET comportant, en cascade, un oscillateur à seuil, fournissant un signal de sortie uniquement si la tension sur une entrée d'alimenta- tion (constituant une première entrée du circuit ET) dépasse un seuil déterminé et un amplificateur écrêteur qui ne peut fournir un signal de sortie dépassant une valeur donnée que si la tension sur son entrée d'alimentation (constituant la seconde entrée du circuit ET) dépasse un autre seuil, ledit amplificateur étant prévu de façon à ne pouvoir entrer en oscillation propre. Souvent le circuit est complété par un redresseur destiné à transformer le signal de sortie alternatif qui représente le niveau 1 en sortie de l'amplificateur écrêteur en un signal continu permettant d'attaquer un autre circuit ET. De plus, un amplificateur adaptateur d'impédance est généralement placé en aval de l'amplificateur écrêteur et en amont du redresseur éventuel. On voit que de tels circuits fonctionnent en courant alternatif, ce qui écarte le risque de réalimentation directe de la sortie à partir de l'entrée qui existerait en cas de fonctionnement en courant continu En règle générale, on utilise des transformateurs de couplage entre les compo- sants, car, moyennant un isolement convenable, ces transfor- mateurs interdisent complètement le passage de signaux continus A ces transformateurs peuvent être associées des impédances d'autres natures (condensateur et/ou résistance) permettant de réaliser un circuit résonnant La résistance éventuelle d'amortissement est impérativement placée en série pour qu'en cas de coupure de connexion il ne puisse pas y avoir d'augmentation du signal de sortie. Les circuits ET logiques existants du type ci-dessus défini présentent un certain nombre d'inconvénients et de limitations En particulier, ils sont coûteux, du fait qu'ils exigent un grand nombre de composants et qu'ils exigent un boîtier métallique de blindage de protection contre les parasites électromagnétiques; ils sont sensibles aux signaux d'entrée alternatifs en mode commun qui risquent d'induire un signal de sortie en l'absence d'un noeud de masse auquel sont raccordés tous les composants Le boîtier de blindage a un effet d'antenne. La présente invention vise particulièrement à fournir un circuit ET logique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique Elle vise notamment à fournir un circuit ayant une faible sensibilité aux signaux d'entrée alternatifs en mode commun, permettant une utilisation en "mode flottant", et une faible sensibilité aux parasites électromagnétiques, permettant d'éviter la nécessité d'un boîtier métallique de blindage. Dans ce but, l'invention propose notamment un circuit ET du type cidessus défini, caractérisé en ce que l'oscillateur, du type à variation d'impédance dynamique d'émetteur de transistor, comprend un transistor unique dont les circuits d'émetteur et de collecteur contiennent les deux primaires d'un transformateur dont le secondaire constitue un circuit accordé avec un condensateur à quatre pattes et dont la base est polarisée à partir de la première entrée par l'intermédiaire d'une cellule de filtrage ayant un condensateur en parallèle à quatre pattes, monté de façon que le courant d'entrée traverse les armatures du condensa- teur, et en ce que l'amplificateur écrêteur comporte un seul transistor relié à la seconde entrée par une cellule de filtrage ayant un condensateur en parallèle à quatre pattes, dont l'un des circuits d'émetteur et de collecteur contient le primaire d'un transformateur dont le secondaire contient un circuit résonnant à condensateur parallèle à quatre pattes aux bornes duquel est prélevé le signal de sortie alternatif. On voit que les circuits accordés résonnants ont une impédance qu'on peut qualifier de contrôlée, en ce sens que le rapport entre la tension de sortie et le courant d'entrée parcourant le primaire ne peut augmenter en cas de panne; ce caractère contrôlé de l'impédance donne également à l'amplificateur un gain contrôlé, faisant disparaître tout risque d'oscillation spontanée de l'amplificateur écrêteur. Les cellules de filtrage interposées sur les deux entrées présentent également une sécurité intrinsèque, puisqu'une coupure sur un conducteur ne peut provoquer une augmentation du signal de sortie Au contraire, une telle augmentation serait à craindre en cas d'ouverture de la capacité avec un condensateur classique. En général, on utilisera un amplificateur écrêteur à transistor bipolaire, à émetteur commun permettant d'obtenir un gain en tension plus élevé qu'un montage en collecteur commun Il est toutefois possible d'utiliser ce second montage, notamment lorsque l'amplificateur écrêteur est suivi d'un amplificateur abaisseur d'impédance, ce qui est un cas fréquent. L'amplificateur de sortie sera notamment nécessaire lorsque l'on souhaite alimenter une nouvelle porte ET car il faut alors réduire l'impédance de sortie du circuit à une valeur beaucoup plus faible que celle de l'amplificateur écrêteur On lui donnera généralement un gain proche de 1, de façon à le rendre apériodique. Enfin, le redresseur ou les redresseurs nécessaires pour reconstituer un signal continu, à partir de la sortie alternative, comporte un condensateur de filtrage à quatre pattes, de façon à le rendre sécuritaire Il peut avoir une constitution classique mais il sera cependant généralement avantageux d'adopter le montage à deux diodes dit "pompe à diodes", qui permet un doublement de tension. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un circuit constituant un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accom- pagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de la partie amont du circuit ET; la figure 2 est un schéma de la partie aval du circuit ET, le raccordement s'effectuant au niveau des bornes A, B et C des figures 1 et 2; la figure 3 montre un gabarit type à respecter par un circuit ET sécuritaire et la caractéristique de réponse du circuit des figures 1 et 2 aux signaux d'entrée appliqués sur la première entrée (courbe en trait plein), et sur la seconde entrée (courbe en tirets), à une température de + 250 C et pour la tension nominale représentant 1 sur l'autre entrée. Le circuit qui sera maintenant décrit, utilise des transistors bipolaires de type PNP Mais, il serait tout aussi possible d'utiliser des transistors NPN, voire même des transistors MOS (sauf pour l'étage oscillateur). Il peut être regardé comme comprenant, montés en cascade, un oscillateur à seuil, un amplificateur écrêteur, un amplificateur abaisseur d'impédance et un jeu de redres- seurs permettant d'attaquer de nouvelles portes ET. Ces composants seront successivement décrits. Oscillateur à seuil L'oscillateur à seuil 10 est constitué par un montage à un seul transistor 12, conçu de façon à ne pouvoir entrer en oscillation aussi longtemps que la tension continue d'alimentation El appliquée sur les bornes d'entrée 1 et 2 est inférieure à une tension de seuil et à fournir un signal alternatif à une haute fréquence déterminée (souvent 50 ou 100 k Hz) lorsque El dépasse la tension de seuil. Le phénomène physique utilisé pour garantir l'ab- sence de mise en oscillation aux faibles valeurs de la tension d'entrée El est la variation de l'impédance dynami- que de l'émetteur du transistor 12 en fonction du courant d'émetteur. Cette impédance est égale à re = k T 1 q le o re est l'impédence dynamique de l'émetteur, k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue, q est la charge de l'électron Ie est le courant émetteur. Le courant d'émetteur Ie étant rendu proportionnel à la tension d'alimentation El par la résistance d'entrée et le montage de l'oscillateur étant tel que le gain de boucle soit proportionnel à l'impédance dynamique re, le seuil de mise en oscillation est franc et reste garanti dans tous les cas de pannes. L'oscillateur à seuil 10 montré à titre d'exemple en figure 1 comporte un filtre passe-bas d'entrée, destiné à atténuer les signaux alternatifs résiduels éventuels au niveau de l'entrée, comprenant un condensateur 14 en parallèle et des résistances 16 et 18 qui fixent également le gain en fonction de la tension d'entrée Le condensateur 14 est à quatre pattes, de façon que le filtre ait une constitution sécuritaire Le filtre est complété par des réseaux RC supplémentaires de constitution classique Une résistance série 19, placée immédiatement avant la base du transistor 12, ayant une valeur très inférieure à celle des résistances 16 et 18, atténue les instabilités éventuelles à haute fréquence. Le circuit résonnant qui fixe notamment la fréquence d'oscillation est disposé directement à l'entrée de l'ampli- f icateur écrêteur 20 Cette disposition permet d'accepter une alimentation flottante, du fait qu'elle garantit une impédance très faible sur l'entrée dynamique de l'amplifica- teur écrêteur 20 même en cas de défaillance Le circuit résonnant est constitué par le secondaire 22 du transforma- teur de couplage 21, une résistance d'entrée d'atténuation 24 et un condensateur 26 Le transformateur 21 comporte deux primaires 28 et 30 respectivement placés dans les circuits de collecteur et d'émetteur du transistor 12, de façon à fixer le gain de boucle Le coefficient de surtension du circuit accordé est de faible valeur pour diminuer la sensibilité aux contacts intermittents. Amplificateur écrêteur L'amplificateur écrêteur 20 montré en figure 1 utilise un montage à transistor unique et à émetteur commun, de façon à obtenir un gain élevé Le signal alternatif d'attaque du préamplificateur est prélevé aux bornes du condensateur 26, à quatre pattes pour éviter qu'une coupure d'une jonction du condensateur ne mette celui-ci hors circuit et ne provoque l'apparition d'une impédence d'entrée élevée. La tension prélevée aux bornes du condensateur 26 attaque le transistor unique 32 de l'amplificateur 20 par l'intermédiaire d'une résistance de base 34 de valeur beaucoup plus élevée (environ 100 fois) que la résistance 24, pour éviter tout risque d'oscillation par effet Miller avec le circuit résonnant de 1 'oscillateur, constitué par les éléments 22 et 26 Une diode 36 est avantageusement insérée dans le circuit de polarisation de base pour assurer une compensation en température. Sur la seconde entrée de la porte ET, constituée par les bornes 3 et 4, est interposé un filtre constitué d'une résistance 38 et d'un condensateur à quatre pattes 40, comparables à la résistance 16 et au condensateur 14 sur la première entrée La valeur de la résistance 38 et de la capacité 40 sont choisies de façon à avoir un temps de descente court, diminuant la sensibilité aux contacts intermittents. Le transistor 32 attaque un circuit de sortie résonnant placé au secondaire d'un transformateur de couplage 42, de façon à permettre l'utilisation en mode flottant de la seconde entrée du circuit ET, en garantissant une impédance contrôlée en sécurité sur l'entrée dynamique de l'amplificateur de sortie (le terme "contrôle en sécuri- té" devant être interprété dans le sens indiqué plus haut). Ce circuit résonnant comporte le secondaire 44 du transfor- mateur, un condensateur 45 à quatre pattes et une résistance d'amortissement 46: il est donc comparable à celui de l'oscillateur Mais, toujours dans un but de contrôle en sécurité, son impédance est relativement faible, de l'ordre de dix fois la résistance d'émetteur du transistor 32. Amplificateur de sortie L'amplificateur 48 a une constitution générale classique Celui qui est représenté à titre d'exemple sur la figure 2 comprend deux transistors 50 et 52 La tension d'alimentation continue est appliquée sur les entrées 5 et 6, par l'intermédiaire d'un circuit de filtrage 54 compara- ble à celui de l'oscillateur et de l'amplificateur écrêteur. L'alimentation est effectuée par l'intermédiaire d'un condensateur à quatre pattes 55 de façon à s'effectuer en sécurité L'amplificateur de sortie, démuni de polarisation de façon à augmenter la tolérance sur la seconde entrée du circuit en créant un seuil supplémentaire par les jonctions base-émetteur des transistors 50 et 52, attaque les redres- seurs de sortie par l'intermédiaire d'un transformateur 56. La porte illustrée sur la figure 2 comporte trois circuits de sortie, associés chacun à un secondaire particu- lier du transformateur 56 Chaque redresseur comporte un condensateur, par exemple 58, diminuant la sensibilité aux contacts intermittents, et deux diodes 60 pouvant être placées dans un montage du genre dit "pompe à diodes" qui double la tension La liaison aux bornes de sortie peut s'effectuer par l'intermédiaire d'un condensateur 62 à quatre pattes dans un but de sécurité. La figure 3 montre, à titre d'exemple, les caracté- ristiques de réponse à 250 C que l'on peut obtenir, comparées aux gabarits classiquement requis La courbe en trait plein donne la tension de sortie Vs en fonction de la tension d'entrée El, lorsque la seconde entrée est à E 2 = 8 Volts. La courbe en tirets indique la caractéristique de réponse à la même température, pour une tension El de 15 volts Les circuits conservent des caractéristiques conformes aux gabarits dans une plage de température allant de -350 C à + 85 OC, pour des charges très variables et une sortance (fan out) allant jusqu'à 3. REVENDICATIONS 1 Circuit ET logique comportant, en cascade, un oscillateur à seuil ( 10) fournissant un signal de sortie uniquement si la tension (El) sur une première entrée dépasse un seuil déterminé et un amplificateur écrêteur ( 12) qui fournit un signal de sortie dépassant une valeur donnée que si la tension (E 2) sur une seconde entrée du circuit ET dépasse un autre seuil, ledit amplificateur écrêteur étant prévu de façon à ne pouvoir entrer en oscillation propre, caractérisé en ce que l'oscillateur ( 10), du type à varia- tion d'impédance dynamique d'émetteur de transistor, comprend un transistor unique ( 12) dont les circuits d'émetteur et de collecteur contiennent les deux primaires ( 28, 30) d'un transformateur ( 21) dont le secondaire ( 22) constitue un circuit accordé avec un condensateur ( 26) à quatre pattes et dont la base est polarisée, à partir de la première entrée, par l'intermédiaire d'une cellule de filtrage ayant un condensateur ( 14) en parallèle à quatre pattes, monté de façon que le courant d'entrée traverse ses armatures, et en ce que l'amplificateur écrêteur ( 20) comporte un seul transistor ( 32) relié à la seconde entrée par une cellule de filtrage ayant un condensateur en parallèle ( 26) à quatre pattes, et dont l'un des circuits d'émetteur et de collecteur contient le primaire d'un transformateur ( 42) dont le secondaire ( 44) appartient à un circuit résonnant à condensateur parallèle ( 45) à quatre pattes aux bornes duquel est prélevé le signal de sortie alternatif. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur écrêteur comporte un transistor bipolaire ( 32) monté en émetteur commun. 3 Circuit selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce qu'il comporte de plus un amplificateur de sortie ( 48) abaisseur d'impédance, ayant un gain proche de l'unité. 4 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'amplificateur de sortie ( 48) attaque au moins un redresseur ayant un condensateur de filtrage à quatre pattes de sécurisation.