Brevet FR2773654A1 — publié le 19990716

La présente invention concerne un dispositif auto-alimenté, pour la soustraction linéaire et dégressive ou non dégressive de courants, pour le traitement automatique de signaux analogiques. On connaît déjà des convertisseurs analogiques traitant, dans la Commande de Processus Industriels, des courants généralement proportionnels à des grandeurs physiques. Ils comprennent des moyens permettant de transformer un courant d'entrée, Ie, en un courant de sortie Is à titre d'exemple, un courant Ie, variant de 4 mA à 20 mA, est transformé en un courant de sortie Is, variant de zéro à 20 mA ; l'équation représentative de cette transformation est de la forme: Imax Is = (Ie - K ; la figure 1 illustre deux modes de fonctionnement I max - K donnés à titre d'exemples non limitatifs, en faisant K = 4 et K = 10, avec I max égal à 20 mA, mettant en évidence la convergence des deux droites représentatives des deux conversions : 4 à 20 mA > 0 à 20 mA et 10 à 20 mA = > 0 à 20 mA. De façon plus particulière, ces dispositifs connus de conversion analogique incorporent une conversion courant/tension absorbant le courant Ie, un soustracteur minorant la tension obtenue, un amplificateur récréant le courant de sortie Is. Les ensembles ainsi réalisés sont alimentés par un ou plusieurs générateurs auxiliaires. De tels dispositifs fonctionnent de façon satisfaisante pour l'utilisateur. Toutefois, en pratique, la nécessité de recréer le courant de sortie exige une énergie supplémentaire ; ce système de conversion est relativement coûteux et encombrant dans la mesure où il exige une ou plusieurs sources d'énergie auxiliaires. La présente invention a précisément pour objet de fournir un convertisseur analogique de courant économe en énergie, ayant une constitution simple, pouvant être réalisé sous forme d'un circuit intégré à application spécifique (ASIC), fonctionnant sans alimentation auxiliaire, grâce à sa faculté d'auto-alimentation, et réalisant des conversions représentées par les deux équations suivantes, ou leur combinaison: I max Equation (1): Is = (Ie - K) I max - K pour les soustractions dégressives de courant, avec Ie quelconque, (I max étant la valeur maximale des courants d'entrée et de sortie, Ie et Is), K étant la valeur minimale de Ie, la valeur K pouvant être choisie entre zéro et I max, Is étant le courant de sortie. Equation (2) : Is = Ie - K, pour les soustractions d'un courant constant, le courant d'entrée Ie étant quelconque, K étant une valeur de courant pouvant être choisie entre zéro et Ie, Is étant le courant de sortie. On connaît par ailleurs d'autres dispositifs auto-alimentés utilisés dans le traitement des signaux analogiques, appelés Séparateurs galvaniques passifs, ou Modules séparateurs passifs, ou Convertisseurs courant/courant auto-alimentés. Ces dispositifs connus reçoivent sur leur entrée un courant analogique Ie et restituent en sortie un courant Is galvaniquement isolé de l'entrée. L'équation représentative de ce transfert est de la forme : Is = Ie (exemples : 0 à 20 mA o 0 à 20 mA, ou 4 à 20 mA o 4 à 20 mA); Is pouvant être multiplié par un coefficient Q différent de 1. Toutefois, ces Séparateurs galvaniques auto-alimentés par une fraction de l'énergie contenue dans le courant analogique qu'ils reçoivent, n'effectuent pas de soustraction de courant, ni dégressive, ni constante. A titre d'exemples chiffrés non limitatifs, ces séparateurs connus ne peuvent réaliser les 5 conversions suivantes: 4 à 20 mA o 0 à 20 mA ou 4 à 20 mA o 0 à 16 mA ou 12 à 20 'TA -+ 0 à 20 'TA ou 12 à 20 mA 0 à 8 mA ou 4 à 20 mA o3 à 20 mA. L'invention a aussi pour objet, associée aux Séparateurs galvaniques passifs, de fournir des convertisseurs analogiques de courant galvaniquement isolés, fonctionnant selon les équations (1) et (2) ou leur combinaison, économes en énergie, ayant une constitution simple et fonctionnant sans alimentation auxiliaire grâce à leur faculté d'autoalimentation. L'invention à encore pour objet, associée à une résistance Rs, intégrée en sortie du montage ou montée par l'utilisateur, de convertir les courants de sortie Is en tensions correspondantes Us, selon l'équation n"3 suivante : Us = Is x Rs, Rs étant une résistance de valeur au choix, comprise entre zéro ohm et une valeur maximale compatible avec le fonctionnement du dispositif, traversée par le courant de sortie Is, de manière à réaliser des conversions courant o tension, auto-alimentées. Dans ce but, avec un amplificateur opérationnel, une référence de tension, 4 résistances et une diode zener, ou un transistor à effet de champ, l'invention propose une solution particulièrement simple (voir figure 2) de mesure des courants, caractérisée par des moyens de génération de tensions analogiques de mesure, URI et UR4, respectivement proportionnelles au courant soustrait Isous, et au courant de sortie Is, injecté dans la charge CH cette génération des tensions UR1 et UR4 est réalisée par la présence avantageuse de deux résistances Ri et R4 . L'invention est aussi caractérisée par la faculté d'additionner les tensions représentatives, UR1 et UR2, grâce à la présence d'un sommateur avantageusement constitué par deux résistances R2 et R3 identiques, de forte valeur. L'invention est aussi caractérisée par la détermination simple des seuils de courants choisis, grâce à la présence avantageuse d'une tension de référence Vréf et au choix des valeurs de deux résistances Ri et R4 dont les actions conjuguées déterminent: . le courant maximum soustrait, égal à la division de deux Uréf parRi . le maximum du courant dégressif, égal à la division de deux Uréf par R4. le courant maximum soustrait, non dégressif, égal à la division de deux Uréf par Ri, en faisant R4 = 0 L'invention est encore caractérisée par la présence d'une barrière de potentiel permettant au dispositif de fonctionner avec une charge de faible valeur ohmique, ou même égale à 0 ohm, avantageusement constituée d'une diode zener Z de faible valeur, que l'on peut monter indifféremment (voir figures n" 2 et 3) en amont ou en aval de la charge. L'invention est enfin caractérisée, voir figure n"4, par la présence d'une barrière de potentiel simple à valeur décroissante (en remplacement de la barrière de potentiel précédemment réalisée avec une diode zener en amont ou en aval de la charge) avantageusement constituée par un transistor à effet de champ, "économiseur de tension", chutant une tension pratiquement nulle lorsque la tension générée aux bornes de la charge devient suffisante. Si le transistor F est placé en aval de la charge, comme sur la figure 4, il sera à canal N, si le transistor est placé en amont de la charge, comme la zener sur la figure 2, il sera à canal P et sa grille sera reliée à 5. L'invention sera mieux comprise à la lecture des explications qui suivent, avec les schémas 1,2, 3, 4 Le dispositif est constitué d'un quadripôle, (entrées en 1 et 6, sorties en 3 et 4), à l'entrée duquel le générateur externe G injecte entre 1 et 6 un courant monopolaire Ie, la borne t ayant le n0 1. L'amplificateur opérationnel A, à haute impédance d'entrée et monté en comparateur, est capable de fonctionner avec une tension d'alimentation minimale voisine de 1 volt , sa consommation propre est extrêmement faible, inférieure à 50 microampères selon sa technologie. Il supporte par ailleurs des tensions compatibles avec la tension générée sur la charge CH. L'entrée inverseuse de A, n" 10, est reliée à un générateur T de tension de référence Uréf de faible valeur, obtenue avec un circuit spécialisé à très faible consommation, inférieure à 20 micro A, monté entre 6 et 1 et relié à 10. Sur les schémas, la tension de référence est symbolisée par le générateur de tension T. Les connexions du circuit générateur de Uréf ne sont pas représentées. Pour la commodité des calculs, on négligera les courants infimes absorbés par R2, R3 et la barrière de potentiel, zener ou transistor à effet de champ, convenablement choisie. Grâce à la barrière de potentiel créée par Z (ou F), "l'amplificateur comparateur" A absorbera par 7 et 8 la totalité du courant Ie injecté, tant que son entrée non inverseuse 9 n'aura pas atteint une tension égale à celle de la référence de tension, 0,2V par exemple. Lorsque le courant absorbé sortant en 11 détermine UR1 = 2Uréf, le point 12, donc l'entrée 9 du comparateur, atteint son seuil d'équilibre; à ce moment, I absorbé = Ie Dès que le est supérieur à 1 absorbé, la majoration correspondante de la tension entre les bornes 5 et 2, (la borne 2 étant positive par rapport à 5) détermine un courant Is traversant à la fois la charge CH et R4, ainsi que l'élément Z ou F, pour se refermer en 6. La tension UR4 (5 étant positive par rapport à 6) s'ajoute en 12, à URi , UR1, comme le courant absorbé qui la génère, diminuera d'autant plus que UR4 croîtra, comme le courant Is qui la génère. Lorsque UR4 = 2 Uréf, le courant absorbé par la borne 7 devient nul. On négligera les très faibles courants de consommation propre de l'amplificateur et de la source de tension de référence. Dans ces conditions, si Ie continue à croître, Is demeure égal à Ie. Il suffira donc de choisir les valeurs de R1 et de R4 adéquates, pour déterminer le courant maximum absorbé et le seuil de fin de dégressivité à partir duquel Is = Ie, en divisant 2 Uréf par le seuil de courant recherché. A titre d'exemple, avec Ri = 100 Q et R4 = 20 Q, Uréf = 0,2V, on obtiendra: . I max absorbé = 4 mA . I max de forme dégressive : 20 mA par contre, si R4 = O, la faculté d'absorption du courant sera constante et égale à4mA. Par ailleurs, il importe de saisir l'importance d'une barrière de potentiel de niveau variable, créée avec un transistor F à effet de champ, même avec CH = O F ne commence à conduire qu'à l'instant où le courant absorbé atteint et dépasse sa valeur maximale, détenninant entre 2 et 5 une tension rendant F d'autant plus conducteur que Ie dépasse I soustrait. Dés que la tension grille de F est suffisante, la perte de tension occasionnée par F est quasiment nulle, puisque égale au produit de Rdson par Is. On réalisera très facilement la conversion courant o tension en remplaçant CH par une résistance Rs incorporée entre 3 et 4 ; à titre d'exemple Is = 20 mA déterminera Us = 10V, si Rs = 500 Q. Revendications 1. Dispositif soustracteur de courants électriques, auto-alimenté, pour le traitement automatique de signaux analogiques, comprenant des moyens pour fournir deux tensions de mesure, la première proportionnelle au courant soustrait, l'autre proportionnelle à l'intensité du courant qui traverse la charge, et un circuit autorisant la délivrance d'un courant minoré linéairement, de manière dégressive ou non dégressive, représentatif du traitement analogique des dites tensions de mesure, caractérisé en ce que le circuit comprend un convertisseur analogique (Rl) courant-tension convertissant le courant soustrait, un convertisseur analogique (R4) courant-tension convertissant le courant de sortie absorbé par la charge externe (CH), un sommateur (R2) et (R3) des deux tensions image des courants, un amplificateur opérationnel (A), une référence de tension (T) et un composant créant une barrière de potentiel (Z) ou (F). 2. Soustracteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux convertisseurs courant-tension, (Rl) et (R4), sont des résistances de valeur proportionnelle aux courants traités. 3. Soustracteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sommateur générant la tension représentative de la somme du courant soustrait et du courant de sortie, est constitué par deux résistances égales, (R2) et (R3). 4. Soustracteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comparateur (A) reçoit en (9) la tension représentative de la somme des courants, et en (10) une tension de référence (T). 5. Soustracteur de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mode de soustraction, dégressive ou non dégressive, dépend de la présence ou de la valeur nulle d'une résistance (R4) ; soustraction dégressive pour R4 > 0, soustraction non dégressive pour R4 = 0. 6. Soustracteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que une barrière de potentiel autorise le fonctionnement du soustracteur, même avec la charge en court-circuit, cette barrière étant constituée par une diode zener (Z) ou autre, montée indifféremment en amont (2-3) ou en aval (4-5) de la charge (CH). 7. Soustracteur de courant selon la revendication 6, caractérisé par une barrière de potentiel de niveau variable, en remplacement de la diode zener (Z), constitué par un transistor à effet de champ (F) à canal N ou canal P, selon qu'il est monté en aval ou en amont de la charge (CH), réduisant les pertes en tension dans le soustracteur dès que la tension générée aux bornes de la charge (CH) devient suffisante. 8. Soustracteur de courant selon la revendication 1, caractérisé par la possibilité de convertir le courant de sortie en tension, grâce à une résistance de valeur adéquate montée à la place de la charge (CH) Figures 2-3-4