Brevet FR2694991A1 — publié le 19940225

La présente invention est du domaine de l'électronique et elle a pour objet des moyens de transmission de signaux, notamment de signaux binaires, ou logiques, en créneaux. Le but de l'invention est de recopier fidèlement un signal logique à travers une haute isolation galvanique, pour assurer par exemple une sécurité à l'égard des surtensions entre une partie I hors danger d'une installation et une partie Il sous atmosphère dangereuse, les dites parties d'installation ayant chacune leur propre référence de masse. On connaît, pour isoler électriquement deux parties d'un circuit, les deux parties ayant chacune leur masse (potentiel de référence) propre, la technique du couplage opto-électronique ; cependant cette technique est consommatrice d'énergie (environ cinq à dix fois plus que les moyens de l'invention) avec un coût du coupleur relativement élevé (environ vingt fois plus),c'est donc un autre but de l'invention que de remplacer le couplage opto-électronique par un couplage inductif mettant en oeuvre des composants classiques ayant un moindre coût et une plus faible consommation énergétique. L'idée de base qui a conduit à la présente invention a été d'utiliser l'impression de bobines d'inductance sur la plaque même sur laquelle sont imprimés les circuits, technique connue en elle-même, pour isoler les deux parties d'installation susvisées, et de concevoir, autour de ces bobines, les circuits électroniques propres à transmettre à travers elles un signal logique pouvant être de fréquence élevée. Ainsi et selon l'invention, une méthode pour effectuer la recopie fidèle d'un signal logique à fréquence élevée (qui peut atteindre quelques MHz) avec une haute isolation galvanique, de l'ordre d'au moins 1500 v, et avec un courant d'alimentation faible, de l'ordre de 250 VA, est caractérisée dans sa plus grande géneralité en ce qu'elle consiste à dissocier le front montant du signal logique de son front descendant pour faire transiter séparément ces fronts à travers, chacun, un couplage inductif, puis à recomposer le signal logique au moyen d'une bascule de type RESET-SET (RS) à deux entrées, les inductances de chaque couplage étant imprimées en regard l'une de l'autre sur la plaque sur laquelle sont imprimés les circuits de dissociation d'une part et de recomposition d'autre part. La présente invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaîtront, à la description qui va être faite de la méthode et d'un exemple de moyens de sa mise en oeuvre, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles: - la fig.l est un diagramme des étapes de la méthode, - la fig.2 est une représentation en perpective d'une bobine d'inductance imprimée sur plaque, - la fig.3 est un plan partiel de plaque de circuit imprimé double-face (3a,3b) comportant des bobines de la figure précédente, et - la fig.4 est un schéma d'un circuit électronique mettant en oeuvre les étapes de la méthode illustée à la fig.l. Sur la fig.l, la méthode de l'invention destinée à effectuer la recopie fidèle, depuis une partie I d'une installation vers une partie Il, d'un signal logique à fréquence élevée (qui peut atteindre quelques MHz) avec une haute isolation galvanique, de l'ordre d'au moins 1500 v, et avec un courant d'alimentation faible, de l'ordre de 250 tA, consiste à dissocier le front montant lm du signal logique 1 de son front descendant ld pour faire transiter séparément ces fronts chacun à travers un couplage inductif, chaque couplage étant constitué par un transformateur 5,6, puis à recomposer le signal logique au moyen d'une bascule 7 de type RESET-SET à deux entrées, les inductances de chaque couplage étant imprimées en regard l'une de l'autre sur la plaque 9 sur laquelle sont imprimés les circuits de dissociation 2 et de recomposition 3. Plus précisément la méthode comprend les étapes consistant à inverser au moyen d'un premier inverseur 12 la polarité du signal logique d'entrée 1 pour obtenir un signal logique inversé 13, puis a: d'une part, -appliquer le dit signal logique inversé 13 à un second inverseur 14 pour obtenir un signal logique dit rétabli 15, puis à -appliquer le dit signal rétabli à un premier circuit diffé rentiateur 16 pour transformer les fronts montant 17 et descendant 18 du signal rétabli, en des premières impul sions respectivement positive 19 et négative 20, puis à -appliquer les dites impulsions à des premiers moyens sélec teurs-amplificateurs 21 pour ne laisser transiter et ampli fier que la seule impulsion positive et produire une première impulsion positive amplifiée 22, puis à -appliquer la dite première impulsion positive amplifiée à une première inductance 23 imprimée sur plaque et formant le primaire d'un premier transformateur 5, puis à -recueillir sur le secondaire du dit premier transformateur, constitué par une seconde inductance 24 imprimée sur l'autre face de la plaque en vis à vis de la première inductance, une première impulsion transformée 25, de même sens, puis à -appliquer la dite première impulsion transformée, à des premiers moyens 26 dits de Mise à Niveau Logique (MNL) à deux niveaux: haut et bas, puis à -appliquer la sortie 27 des dits premiers moyens MNL à l'entrée SET 28 de la bascule RS 7; d'autre part, -appliquer le dit signal inversé 13 à un second circuit différentiateur 30 pour transformer les fronts descendant 31 et montant 32 du signal inversé 13, en des secondes impulsions respectivement négative 33 et positive 34, puis à -appliquer les dites secondes impulsions à des seconds moyens sélecteurs-amplificateurs 35 pour ne laisser tran siter et amplifier que la seule impulsion positive 34, et produire une seconde impulsion positive amplifiée 36 correspondant au front descendant ld du signal d'entrée l,puis à -appliquer la dite seconde impulsion positive amplifiée à une troisième inductance 37 imprimée sur la première face de la plaque 9 et formant le primaire d'un second transformateur 6, puis à -recueillir sur une quatrième inductance 38 formant le secondaire du dit second transformateur, la dite seconde inductance étant elle-aussi imprimée sur l'autre face de la plaque 9 en vis à vis du primaire, une seconde impul sion transformée 39, de même sens, puis à -appliquer la dite seconde impulsion transformée, qui est positive, à des seconds moyens 40 de Mise à Niveau Logi que MNL à deux niveaux logiques : haut et bas, puis à -appliquer la sortie des dits seconds moyens MNL à l'entrée RESET 42 de la dite bascule RS. On notera qu'à partir des moyens MNL 26 et 40 ce ne sont plus des impulsions, ou signaux, qui transitent, puisque ces impulsions deviennent virtu elles et n'apparalssent que dans leurs effets que sont les changements d'état des composants (transistors et portes comme cela sera décrit plus loin). I1 résulte de cette façon d'opé rer, que le signal 10 de sortie est l'image logique quasi instantanée du signal logique 1 d'entrée, avec, grâce aux liaisons inductives opérées à travers la plaque, une isolation galvanique extrêmement importante entre les circuits d'entrée et de sortie. Sur la fig.2, une bobine d'inductance telle que 23 des figures suivantes est constituée par une spirale formée de segments rectilignes raccordés à 900; cette spirale est imprimée sur l'une des faces de la plaque 9 des circuits, tandis qu'une spirale analogue 24 est imprimée sur l'autre face de la plaque en regard de la première sprirale. Il est clair que le nombre des spires (deux à trois dans le cas du dessin) est determiné par la valeur de self-inductance éxigé par la nature, particulièrement la fréquence, du signal à transmettre, mais on notera que dans la présente application cette valeur peut être très faible. On notera que les spires pourraient tout aussi bien être curvilignes à la manière d'une spirale de Cornu. Sur la fig.3 on a représenté à une échelle qui peut être jusqu'à dix fois plus grande que la réalité, des spirales de la figure précédente, telles qu'elles peuvent apparaître sur les plaques de de circuits imprimés; la largeur de ces spirales peut être d'une dizaine de millimetres jusqu'à plusieurs centimetres. Sur la fig.4, les circuits différentiateurs 16,30 de la fig.l recevant les signaux retabli 15 et inversé 13 sont constitués chacun par une capacité 50 et par une résistance 51 reliée à une masse 60; les moyens sélecteurs-amplificateurs 21 et 35 de la fig.1, sont constitués chacun par un transistor saturable 52 dont la base 53 est reliée à la capacité 50, dont l'émetteur 54 est relié à la dite masse 60 et dont le collecteur 55 est relié à l'une des extrémités d'une des dites inductances primaires, à savoir : première 23 ou troisième 37, dont l'autre extrémité est reliée à une borne + à travers une résistance 56, et à une capacité 57 reliée à la masse 60. Sur la fig.4 encore, il apparaît que les dits premiers et seconds moyens de Mise à Niveau Logique qui avec la bascule RS forment ensemble les moyens de recomposition 3 de la fig.l, sont constitués par un couple de portes NON-ET 72,73 et par un couple de transistors bipolaires 74,75 dont, pour chacun d'eux, la base 76,77 est reliée à l'inductance secondaire de l'un des dits transformateurs imprimés, l'émetteur 78,79 est relié à une masse 80, et le collecteur 81,82 est relié d'une part à une entrée 83,84 d'une des deux portes NON-ET 72,73, et d'autre partr à travers une résistance 85,86, à l'autre entrée 87,88 de la mêmeporte 72,73 et à la sortie 89,90 de l'autre porte NON-ET 72,73. Il résulte de cette disposition constructive que la consommation de courant est interrompue très rapidement après la mise en conduction des transistors grâce à quoi les résistances (61,62) peuvent être faibles et, de ce fait, la rapidité de réponse de la bascule accrue sans augmentation de la consommation de courant. Bien que l'on ait décrit et représenté des formes particulières d'application de la méthode, il doit être compris que la portée de l'invention n'est pas limitée à ces formes mais qu'elle s'étend aux définitionx les plus générales données plus haut. REVENDICATIONS 1.- Méthode pour effectuer la recopie fidèle d'un signal logique à fréquence élevée (qui peut atteindre quelques MHz) avec une haute isolation galvanique, de l'ordre d'au moins 1500 v, et avec un courant d'alimentation faible, de l'ordre de 250 tA, depuis une première partie I d'une installation vers une partie Il sous atmosphère dangereuse, caractérisée:: en ce qu'elle consiste à dis socier le front montant (lm) du signal logique (1) de son front descendant (ld) pour faire transiter séparément ces fronts chacun à travers un couplage inductif, chaque couplage étant constitué par un transformateur (5,6), puis à recomposer le signal logique au moyen d'une bascule (7) de type RESET-SET (RS) à deux entrées, les inductances de chaque couplage étant imprimées en regard l'une de l'autre sur la plaque (9) sur laquelle sont imprimés les circuits de dissociation (2) et de recomposition (3); 2.- méthode selon la -revendication 1, caratérisée: en ce qu'elle comprend les étapes consistant à inverser au moyen d'un premier inverseur (12) la polarité du signal logique (1) d'en trée pour obtenir un signal logique inversé (13), puis a: d'une part, -appliquer le dit signal logique inversé (13) à un second inverseur (14) pour obtenir un signal logique dit rétabli (15), puis à -appliquer le dit signal rétabli à un premier circuit différentiateur (16) pour transformer les fronts mon tant (17) et descendant (18) du signal rétabli, en des premières impulsions respectivement positive (19) et négative (20), puis à -appliquer les dites impulsions à des premiers moyens sélecteurs-amplificateurs (21) pour ne laisser transi ter amplifier que la seule impulsion positive et pro duire une première impulsion positive amplifiée (22), puis à -appliquer la dite première impulsion positive amplifiée à une premiere inductance (23) imprimée sur plaque et formant le primaire du premier transformateur (5), puis à -recueillir sur le secondaire du dit premier trans formateur, constitué par une seconde inductance (24) imprimée sur l'autre face de la plaque en vis à vis de la première inductance, une première impulsion transformée (25), de même sens, puis à -appliquer la dite première impulsion transformée, à des premiers moyens (26) dits de Mise à Niveau Logique (MNL) à deux niveaux: haut et bas, puis à -appliquer la sortie (27) des dits premiers moyens MNL à l'entrée SET (28) de la bascule RS (7); d'autre part, -appliquer le dit signal inversé (13) à un second cir cuit différentiateur (30) pour transformer les fronts descendants (31) et montants (32) du signal inversé (13), en des secondes impulsions respectivement néga tive (33) et positive (34), puis à -appliquer les dites secondes impulsions à des seconds moyens sélecteurs-amplificateurs (35) pour ne laisser transiter et amplifier que la seule impulsion positive (34) et produire une seconde impulsion négative ampli fiée (36), puis à -appliquer la dite seconde impulsion négative amplifiée à une troisième inductance (37) imprimée sur plaque et formant le primaire du second transformateur, puis à -recueillir sur une quatrième inductance (38) formant le secondaire du dit second transformateur, la dite seconde inductance étant elle-aussi imprimée sur plaque en vis à vis du primaire, une seconde impulsion trans formée (39), de même sens, puis à -appliquer la dite seconde impulsion transformée qui est positive à des seconds moyens (40) de Mise à Niveau Logique à deux niveaux logiques : haut et bas, puis à -appliquer la sortie des dits seconds moyens MNL à l'entrée RESET (42) de la dite bascule RS, d'où il résulte que le signal (10) de sortie est l'image logique quasi-instantanée du signal logique (1) d'entrée, avec, grace aux liai sons inductives opérées à travers la plaque, une isola tion galvanique extrêmement importante entre les cir cuits d'entrée et de sortie; 3.- Méthode selon la revendication 2, caractérisée: en ce que les dits premiers et seconds moyens de MNL sont constitués par un couple de portes NON-ET (52,53) et par un couple de transistors bipo laires (54,55) dont, pour chacun d'eux, la base (56,57) est reliée à l'inductance secondaire (24,38) de l'un des dits transformateurs imprimés, l'émetteur (56,57) est relié à une masse (58), et le collecteur (61,60) est relié d'une part à une entrée (63,64) d'une porte NON-ET (52,53), et d'autre part, à travers une résisis tance (65,66), à l'autre entrée (67,68) de la même porte et à la sortie (69,70) de l'autre porte NON-ET (52,53), d'où il résulte que la consomma tion de courant est interrompue très rapidement après la mise en conduction des transistors grace à quoi les résistances (61,62) peuvent être faibles et, de ce fait, la rapidité de réponse de la bascule accrue sans augmentation de la consommation de courant.