Brevet FR2719172A1 — publié le 19951027

L'invention se rapporte à un dispositif de circuit pour la génération de tensions de service pour des modules d'entrée et/ou de sortie d'appareils d'automatisation qui sont reliés en particulier à un module central. Des modules d'entrée et de sortie d'appareils d'automatisa- tion à mémoire programmable sont reliés, par l'intermédiaire de lignes, à des appareils externes et à des unités, tels que des interrupteurs de fin de course, des contacteurs, des relais, des vannes magnétiques etc. se trouvant dans une installation technique. Les modules d'entrée et de sortie saisissent des signaux provenant d'unités faisant partie d'un processus et délivrent des signaux de commande à des unités de ce processus qui est contrôlé, régulé et/ou commandé par l'appareil d'automatisation respectif à mémoire programmable. Les modules d'entrée et de sortie sont fortement décentrali- sés et sont reliés, au moyen d'une interface, à d'autres appa- reils d'automatisation, par exemple à un module ou à une uni- té centrale qui comprend au moins un processeur, une mémoire ou autres composants nécessaires ou appropriés à la commande ou à la régulation du processus. On connaît un convertisseur à courant continu qui comprend un convertisseur de courant continu en courant alternatif relié, côté sortie, par l'intermédiaire d'un circuit filtrant se com- posant de bobines de réactance et de condensateurs, à un cir- cuit redresseur. Dans ce convertisseur à courant continu, il n'y a pas de transformateur pour la séparation ohmique (JP 2-123 967 (A) dans Patents Abstracts of Japan, Sect. E, 1990, Vol. 14 N' 354 (E-958)). Dans un circuit de changeur de fréquence connu, la tension de la fréquence de réseau est redressée et est convertie en une tension alternative à haute fréquence qui est amenée, par des condensateurs, à un second circuit de redresseur auquel est raccordé un convertisseur de tension continue en tension alternative (EP O 398 722 A2). Un régulateur de tension continue connu comprend une source de courant constant et un transistor qui est monté en paral- lèle à une charge et qui régule la tension de sortie (US, 3,524,124). On connaiît également un régulateur sériel de tension continue comprenant en plus un régulateur parallèle (Electronics, 2 Août 1973, Vol. 46, Cahier 16, p 91 à 94). Dans les modules d'entrée et de sortie, il est prévu des com- posants électroniques tels que des mémoires pour les signaux d'entrée et les signaux de sortie, et des circuits logiques pour la commande des mémoires et des procédures de transmis- sion entre les modules respectifs d'entrée et de sortie et d'autres modules, tels que des unités centrales. Ces compo- sants nécessitent des tensions de service. Ici intervient l'invention qui a pour but de perfectionner, pour les modules d'entrée et/ou de sortie, un circuit le plus simple possible en vue de la génération d'au moins deux tensions de service dont au moins une est stabilisée et l'autre est à potentiel séparé. Le but de l'invention est atteint par un dispositif de cir- cuit du type cité en introduction, conformément à l'inven- tion, par le fait qu'entre les pôles d'une source de tension continue sont montés un onduleur à sortie découplée et un régulateur de tension générant une tension inférieure à la tension de la source de tension continue. De préférence, sont montés en série, entre les poles d'une source de tension con- tinue, un onduleur à sortie découplée de manière ohmique, une source de courant constant et un régulateur de tension géné- rant, par stabilisation paralièle, une tension continue qui est inférieure à la tension de la source de tension continue. Le courant de la source de courant constant détermine, pour les circuits logiques et les composants des interfaces de transmission des modules d'entrée et/ou de sortie respectifs, le courant maximal disponible qui est la base de la puissance fournie par l'onduleur et le régulateur de tension. Le dispo- sitif en série implique un courant de charge moindre pour la source de tension continue. Ceci est particulièrement impor- tant du fait de la dissipation de puissance plus faible qui entraîne une diminution de l'échauffement des modules. De par l'onduleur, dont la sortie est découplée ohmiquement, une ten- sion à potentiel séparé est disponible dans les modules d'en- trée et de sortie et est particulièrement appropriée pour l'alimentation des points de couplage des bus. Le but de l'invention est également atteint par un dispositif de circuit du type décrit en introduction par le fait qu'entre les poles d'une source de tension continue sont montés en parallèle un onduleur avec une sortie découplée de manière capacitive et un régulateur de tension qui génère une tension qui est inférieure à la tension de la source de tension conti- nue. L'onduleur, dont la sortie est découplée capacitivement et dont la tension de sortie est réglée, n'a qu'une très fai- ble dissipation de puissance et procure une tension séparée ohmiquement qui est particulièrement appropriée aux circuits d'une interface de transfert. L'autre régulateur de tension peut également faire office d'onduleur pour générer un taux de disponibilité élevé pour une faible dissipation de puis- sance. De faibles dissipations de puissance diminuent les températures dans les modules d'entrée et/ou de sortie qui, la plupart du temps, ne sont pas refroidis par aération forcée. Dans une autre forme de réalisation préférée, il est prévu que le redresseur comprend un circuit en pont avec des éléments de circuit sans contact et que la diagonale de pont est raccordée par des condensateurs aux entrées d'un redres- seur à pont, entrées qui sont montées après l'élément de lissage. Avec ce dispositif présentant un caractère inventif propre, il est généré, à partir d'un courant continu, une tension con- tinue découplée ohmiquement au moyen de condensateurs, donc sans composant transformateur. En évitant l'intervention d'un transformateur, l'encombrement du circuit est moindre. De plus, la fabrication du circuit est particulièrement économi- que et le taux de disponibilité élevé. Il est approprié qu'aux éléments de lissage soient raccordées les connexions de tension de service d'éléments émetteurs et/ou récepteurs pour un canal de transmission. Ce canal de transmission assure l'échange d'informations avec d'autres modules, par exemple, l'unité centrale. Pour ce canal de transmission, il peut s'agir d'un bus et notamment de préfé- rence d'un bus sériel. En particulier, la source de courant constant comprend l'ondu- leur monté en série avec une résistance et la tension à la résistance est appliquée, en tant que valeur effective de la grandeur réglée, à un convertisseur de tension en fréquence qui est relié, côté sortie, à un circuit pour générer deux tensions rectangulaires déphasées de 180' qui sont appliquées chacune à une paire de transistors du circuit en pont de l'on- duleur. Ce dispositif génère un courant constant s'écoulant par la résistance, des chutes de tension diverses survenant, en fonction de la hauteur de la tension d'entrée, au niveau de l'onduleur avec le redresseur placé après. Il est particulièrement avantageux que la tension continue de sortie aux éléments de lissage soit appliquée, en tant que valeur effective de la grandeur réglée à un convertisseur de tension en fréquence dont la fréquence modifie la durée de mise en circuit des éléments de circuit sans contact des ondu- leurs dans le sens d'une réduction de déviation de réglage. La fréquence de circuit des éléments de circuit sans contact est destinée, dans cette forme de réalisation, à réguler la tension continue de sortie. La modification de la fréquence de circuit se manifeste dans une modification de la résistan- ce aveugle des condensateurs alimentés par les éléments de circuit c'est-à-dire la chute de tension, survenant aux con- densateurs, varie avec la fréquence de circuit. Ainsi, la régulation de la tension continue de sortie s'effectue avec des moyens simples. Ce type de régulation dispose en particu- lier d'un taux de disponibilité élevé. Le régulateur de tension avec l'embranchement parallèle stabi- lisateur génère en particulier la tension de service pour les mémoires et d'autres composants, par exemple pour la commande de transmission et de mémorisation dans les modules d'entrée et de sortie. Etant donné que leur consommation en courant ne varie que très peu dans les différents états de fonction- nement, la dissipation de puissance, survenant dans l'organe stabilisateur parallèle, est relativement faible. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est repré- sentée, à titre d'exemple non limitatif, aux dessins annexés. La fig. 1 est un bloc-diagramme d'un dispositif de circuit pour la génération de tensions de service pour des modules d'entrée et/ou de sortie d'appareils d'automatisation. La fig. 2 est un diagramme d'un onduleur faisant partie du dispositif de circuit d'après la fig. 1 dont le redresseur est placé après. La fig. 3 est un diagramme d'un circuit à courant constant faisant partie du dispositif de circuit d'après la fig. 1 avec un régulateur de tension monté en série. La fig. 4 est un diagramme d'une autre forme de réalisation d'un onduleur avec un courant d'entrée appliqué. La fig. 5 est un diagramme d'un onduleur dont la tension continue de sortie est régulée et la tension d'entrée ne l'est pas. Un module d'entrée et de sortie 1 représenté schématiquement à la fig. 1, par exemple d'une commande à mémoire program- mable, est relié par des lignes 2, 3 aux sorties d'un appareil de réseau qui délivre une tension continue de sortie non régu- lée par exemple de 24 V. L'appareil de réseau non représenté génère, par exemple à partir de la tension de réseau de 220 ou 110 V, une tension continue à l'aide d'un transformateur précédant un redresseur à pont respectivement pleine onde. Les lignes 10, 11 font partie par exemple d'un bus reliant les modules d'entrée et/ou de sortie entre eux et avec un module central qui n'est également pas représenté. Aux sorties de l'appareil de réseau est raccordé, par les lignes 2, 3, le dispositif en série d'un onduleur 4, d'une source de courant constant 5 et d'un régulateur de tension 6 qui génère, par stabilisation parallèle, une tension continue de sortie. L'onduleur 4 génère une tension alternative de cir- cuit séparée ohmiquement du circuit par les lignes 2, 3, qui est ensuite convertie en une tension continue. L'onduleur 4 forme une partie de la résistance de charge du régulateur de courant constant 5. Le courant constant s'écoule depuis le régulateur de courant constant 5, dans le régulateur de ten- sion 6 qui génère par exemple une tension régulée de 5 V. L'onduleur 4 génère, par l'intermédiaire d'un redresseur sur lequel on reviendra plus en détail ultérieurement, une ten- sion continue de sortie par exemple de 5 V. Des circuits de traitement de données sont montés dans le module d'entrée et de sortie 1. Il s'agit par exemple de mémoires pour les signaux d'entrée et de sortie d'un ou de plusieurs processeurs qui commandent la sortie et l'entrée de données sur un bus et de circuits qui commandent les trans- missions de données à un bus. A la fig. 1, sont représentés les circuits nécessaires à la transmission de données à un bus, donc des composants émetteurs et récepteurs, qui sont désignés dans leur ensemble par 7. Les composants récepteurs et émetteurs 7 sont raccordés, par leurs entrées de tension de service, aux sorties 8, 9 du redresseur placé après l'onduleur 4. Des lignes 10, 11 d'un canal de transmission sont reliées aux sorties respectivement aux entrées des composants récepteurs et émetteurs 7, ce canal de transmission étant constitué en particulier par un bus sériel. Le régulateur de tension 6 délivre, aux sorties 12, 13, la tension continue régulée. Aux sorties 12, 13 sont raccordés des circuits de traitement de données qui portent la référen- ce 14 à la fig. 1. Les circuits de traitement de données 14 comprennent les mémoires, éventuellement un processeur ou un autre élément de commande pour les mémoires et sont alimentés en tensions de service par le régulateur de tension 6. Aux circuits 14 sont raccordées, par exemple par l'intermédiaire de bornes 15 du module 1, des lignes externes 16 menant à des unités d'une unité technique. Pour ces unités, il s'agit par exemple d'interrupteurs de fin de course, d'initiateurs, de relais, de contacteurs, de vannes magnétiques etc. servant à la commande respectivement à la régulation d'un processus. Entre les circuits 14 et les éléments émetteurs-récepteurs 7, des signaux sont séparés ohmiquement par exemple par l'inter- médiaire d'un optocoupleur. Les éléments émetteurs-récepteurs 7 font partie par exemple d'une interface RS 485. L'onduleur 4, représenté de manière détaillée à la fig. 2, comprend quatre éléments de circuit sans contact 17, 18, 19, disposés en pont. Les éléments de circuit sans contact 17 à 20 sont des transistors bipolaires, les éléments de cir- cuits 17, 18 étant des transistors npn et les éléments de circuits 19, 20 des transistors pnp. Les éléments de circuit 17 à 20 seront désignés dans ce qui suit par transistors. Les transistors 17, 19 sont montés en série dans la première moitié de pont et les transistors 18, 20 sont montés en série dans la seconde moitié de pont. Les collecteurs des transis- tors 17, 18 sont reliés à la ligne 2. Les émetteurs des tran- sistors 17, 18 sont reliés respectivement aux émetteurs des transistors 19, 20. Les collecteurs des transistors 19, 20 sont reliés à la source de courant constant 5. Les temps de mise en circuit et hors circuit des transistors 17 à 20 sont commandés par un oscillateur 21 qui délivre deux répétitions d'impulsions déphasées de 180 , dont l'une s'ap- plique aux zones de base des transistors 17, 18 et l'autre aux zones de base des transistors 18, 20. Un premier condensateur 22 muni d'une électrode est raccordé aux émetteurs des transistors 17, 18. L'autre électrode du condensateur 22 est reliée à l'une des entrées 23 d'un cir- cuit en pont de redresseur 24. Un second condensateur 25 est placé entre les émetteurs des transistors 18, 19 et l'autre entrée 26 du circuit en pont de redresseur 24. Un condensa- teur de lissage 29 est monté parallèlement aux sorties 27, 28 du circuit en pont de redresseur 24 respectivement du redres- seur pleine onde. Les sorties 27, 28 précèdent respectivement une bobine de réactance antiparasite 30, 31. Les connexions des bobines de réactance antiparasite 30, 31, détournées du circuit en pont de redresseur 24, sont reliées à une diode Zener 32 qui est également reliée aux sorties 8, 9. La sépara- tion ohmique entre les transistors 17 à 20 et le circuit en pont de redresseur 24 est provoquée par les condensateurs 22, 25. Un transformateur de transmission n'est plus nécessaire pour la séparation ohmique. Le redresseur 4 constitue, avec le circuit en pont de redres- seur 24, un convertisseur de courant continu séparé ohmique- ment sans transformateur. Du fait de la suppression du trans- formateur, l'encombrement du convertisseur de courant continu est considérablement réduit. Les composants du convertisseur de courant continu peuvent donc être disposés avec les compo- sants des éléments de circuit 7 et les circuits 14 sur une plaquette commune de circuit imprimé. De plus, la fabrication du convertisseur de courant continu est plus avantageuse car les condensateurs sont moins onéreux que les transformateurs. D'après la fig. 3, les collecteurs des transistors 19, 20 sont reliés à l'électrode Drain d'un transistor à effet de champ 33 qui est l'organe de réglage de la source de courant constant 5. L'électrode source du transistor à effet de champ 33 est reliée, par une résistance 34, à la connexion de cou- rant de service du régulateur de tension 6. A la connexion de courant de service est raccordée une con- nexion de tension de service 35 d'un amplificateur opération- nel, dont l'autre connexion de tension de service non évoquée est reliée à la ligne 3. La sortie 12 est également connectée à la connexion de courant de service du régulateur de tension 6. Une entrée de l'amplificateur opérationnel 36 est raccor- dée à une connexion commune de deux résistances 37, 38 for- mant un diviseur de tension et montées en série entre l'élec- trode de source du transistor à effet de champ 33 et la ligne 3. La sortie de l'amplificateur opérationnel 36 précède l'émetteur d'un transistor 39 dont le collecteur est relié à l'électrode de commande du transistor à effet de champ 33 et à une résistance 40 qui est en outre appliquée à la ligne 2. La zone de base du transistor 39 est toujours raccordée à une ligne de la sortie 12. Les résistances 34, 37, 38, l'amplifi- cateur opérationnel 36, le transistor 39, la résistance 40 et le transistor 33 font partie de la source de courant constant 5. La seconde entrée de l'amplificateur opérationnel 36 est pla- cée à une source de tension de référence appelée bloc 42 et délivrant une tension de référence constante tout en surveil- lant sa propre tension de service. La connexion de courant de service du régulateur de tension 6 est également reliée à la sortie de tension 12 à laquelle est raccordé un diviseur de tension se composant de deux résis- tances 43, 44 montées en série et reliées à la ligne 3. Le point de connexion commun des résistances 43, 44 est relié à une entrée d'un autre amplificateur opérationnel 45 dont l'autre entrée subit la tension de référence qui est délivrée par le bloc 42. L'amplificateur opérationnel 45 est alimenté en tension de service par la connexion de tension de service et la ligne 3. La sortie de l'amplificateur opérationnel est reliée à la zone de base d'un transistor bipolaire 46 dont le collecteur est raccordé à la sortie 12 et son émet- il teur à la résistance 47 reliée aussi à la ligne 3. Le bloc 42 est disposé entre la sortie 12 et la ligne 3 en présentant ses connexions de tension de service. L'amplificateur opérationnel 36 commande, par l'intermédiaire du transistor 39, le transistor à effet de champ 33 de maniè- re qu'un courant constant s'écoule par l'onduleur 4 et la résistance 34 dans la connexion de courant de service du régulateur de tension 6. Le régulateur de tension 6 délivre, aux sorties 12, 13, une tension constante. Les circuits raccordés aux sorties 12, 13 sont alimentés par des courants nécessaires à leurs divers états de service, ces courants s'orientant en fonction des différentes exigences du proces- sus et de la commande. Une partie du courant de la source de courant constant 5, dont les circuits n'ont pas besoin, s'écoule par le transis- tor 46. La puissance délivrée par l'appareil de réseau au module 1 se partage entre l'onduleur 4 et le régulateur 6 respectivement entre les différents postes de consommation, placés à la suite, décrits ci-dessus. La tension alternative de service survenant à la diagonale de pont entre les deux moitiés de circuit en pont de transistor est appliquée, par l'intermédiaire des condensateurs 22, 25, à l'entrée du circuit en pont de redresseur 24 qui redresse la tension. La tension redressée est lissée par le condensa- teur 29 et les bobines de réactance antiparasite 30, 31 et est stabilisée par la diode Zener 32. Les composants émet- teurs et récepteurs 7 raccordés aux lignes 10, 11, bénéfi- cient de ce fait d'une tension continue stabilisée. La figure 4 montre une autre forme de réalisation d'un ondu- leur, les mêmes éléments entre les formes de réalisation représentées aux fig. 2 et 4 étant dotés des mêmes référen- ces. Une correspondance entre les onduleurs d'après les fig. 2 et 4 se retrouve dans la disposition des ponts de transistor, des condensateurs 22, 25, du circuit en pont de redresseur 24, du condensateur et des bobines de réactance antiparasite 30, 31 ainsi que de la diode Zener 32. Dans la représentation de la fig. 4, le transistor 33 de la source de courant constant 5 est supprimé. A la place du transistor 33, la tension est prise au niveau de la résis- tance 34 et est appliquée à un convertisseur de tension en fréquence 41 qui génère ainsi une fréquence qui est fonction de la chute de tension de la résistance 34. La tension de commande présentant cette fréquence commande un circuit 46 qui génère deux répétitions de tension triangulai- res déphasées de 180 qui sont respectivement appliquées aux bases des transistors 17, 19 respectivement 18, 20. Du fait de la chute de tension à la résistance 34, les courants sont dirigés par les condensateurs 22, 25 permettant d'atteindre un taux élevé de disponibilité de l'onduleur 4. La valeur effective de la grandeur mesurée est donc la tension à la résistance 34. Si la tension augmente à la résistance 34, la fréquence est diminuée, c'est-à-dire en cas de tension plus élevée de l'appareil de réseau, la modification de la réac- tance a pour conséquence l'écoulement d'un courant constant. L'onduleur 4 est donc une partie de la source de courant continu qui varie dans la réactance afin d'assurer le courant constant en cas de tension d'entrée variable. La figure 5 montre un autre exemple de réalisation d'un onduleur 48 régulant la tension continue de sortie. L'ondu- leur comprend également, comme l'onduleur représenté à la fig. 4, les transistors 17, 18, 19, 20 de dispositif identi- que et les condensateurs 22, 25 auxquels est raccordé le circuit en pont de redresseur 24. La valeur effective de la grandeur mesurée est la tension continue relevée aux con- nexions 8, 9 et envoyée à un convertisseur de tension en fréquence 47 délivrant une tension de commande au circuit 46. La tension de commande a une fréquence qui est fonction de la tension continue aux sorties 8, 9. A une certaine tension continue de sortie par exemple de 5 V, qui doit être régulée, correspond une certaine fréquence du convertisseur de tension continue en fréquence 47. En cas d'écarts de la tension continue de sortie effective par rapport à la tension continue de sortie théorique, la fréquence est modifiée. Le convertisseur de tension continue en fréquence 47 précède le circuit 46 qui génère les deux répétitions de tension déphasées de 180 pour le circuit en pont de transistor. Si la tension continue de sortie régresse, la fréquence augmente de manière que la tension continue de sortie revien- ne à la valeur de consigne. Le circuit en pont de transistor est monté en parallèle avec une diode Zener 48 qui, en fonction de la charge, absorbe le courant. Le courant constant est adapté à la puissance absorbée au maximum par les éléments émetteurs et récepteurs et par le circuit 14, celle-ci ne se différenciant qu'à peine de la puissance minimale. Dans la disposition représentée à la fig. 5, le circuit en pont de transistor est placé entre les lignes 2, 3. Au cas o une tension continue supplémentaire est nécessaire dans les modules respectifs, celle-ci devant être séparée du potentiel de la première tension continue, il y a lieu de prévoir un autre régulateur de tension qui peut également être un ondu- leur. Ainsi, les dissipations de puissance se basant sur la génération des tensions continues régulées peuvent être fortement réduites, ces dissipations de puissance représen- tant l'essentiel des sollicitations thermiques auxquelles sont soumis les modules d'entrée et de sortie dans les autres parties du circuit. REVENDICATIONS: 1. Dispositif de circuit pour la génération de tensions de service pour des modules d'éléments d'entrée et/ou de sortie d'appareils d'automatisation qui sont reliés en particulier à un module central, caractérisé en ce qu'entre les pôles d'une source de tension continue sont montés un onduleur (4, 48) à sortie découplée et un régulateur de tension générant une ten- sion inférieure à la tension de la source de tension conti- nue. 2. Dispositif de circuit pour la génération de tensions de service pour des modules d'éléments d'entrée et/ou de sortie d'appareils d'automatisation qui sont reliés en particulier à un module central selon la revendication 1, caractérisé en ce que entre les poles d'une source de tension continue sont montés en série un onduleur (4) à sortie découplée de manière ohmique, une source de courant constant (5) et un régulateur de tension (6) générant, par stabilisation parallèle, une tension continue qui est inférieure à la tension de la source de tension continue. 3. Dispositif de circuit pour la génération de tensions de service pour des grouges d'éléments d'entrée et/ou de sortie d'appareils d'automatisation qui sont reliés en particulier à un module central selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre les poles d'une source de tension continue sont montés en parallèle un onduleur (48) avec une sortie décou- plée de manière capacitive et un régulateur de tension qui génère une tension qui est inférieure à la tension de la source de tension continue. 4. Dispositif de circuit selon les revendications 1 et 2 ou 3, caractérisé en ce que le redresseur (48) comprend un circuit en pont avec des éléments de circuit sans contact (17, 18, 19, 20) et en ce que la diagonale de pont est raccordée par des condensateurs (22, 25) aux entrées (23, 26) d'un redres- seur à pont (24) qui sont montées après l'élément de lissage. 5. Dispositif de circuit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'aux éléments de lissage sont raccordées les connexions de tension de service d'éléments émetteurs et/ou récepteurs (7) pour un canal de transmission. 6. Dispositif de circuit selon les revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que la source de courant constant (5) comprend l'onduleur (4) monté en série avec une résistance (34) et en ce que la tension à la résistance (34) est appli- quée, en tant que valeur effective de la grandeur réglée, à un convertisseur de tension en fréquence (41) qui est relié, côté sortie, à un circuit (46) pour générer deux tensions rectangulaires déphasées de 180' qui sont appliquées chacune à une paire de transistors (17, 19; 18, 20) du circuit en pont de l'onduleur (4). 7. Dispositif de circuit selon les revendications 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que la tension continue de sortie aux éléments de lissage est appliquée, en tant que valeur effec- tive de la grandeur réglée, à un convertisseur de tension en fréquence (47) dont la fréquence modifie la durée de mise en circuit des éléments de circuit sans contact (17, 18, 19, 20) des onduleurs (48) dans le sens d'une réduction de déviation de réglage.