Brevet FR2808631A1 — publié le 20011109

La présente invention s'applique au domaine des automates et calculateurs électroniques, embarqués ou non, dotés d'interfaces d'entrées logiques. Plus particulièrement, cette invention concerne un dispositif d'entrée logique pour automate de genre, qui apporte un avantage significatif dès lors qu'un courant électrique d'intensité importante, notamment supérieure à 5 milliampères, est requis soit pour des raisons d'immunité aux parasites, soit pour des raisons électrotechniques. Un tel dispositif d'entrée logique possède des domaines privilégiés d'application, tels que les automates ferroviaires, embarqués ou au sol, et les systèmes de téléconduite d'énergie. Parmi les solutions actuelles, on connaît des schémas d'entrée classiques à charge résistive, dont le principe est illustré par la figure 1 du dessin schématique annexé. La limitation de l'intensité du courant est faite à travers une résistance 2. Ce schéma, très simple et économique, possède une bonne fiabilité mais dissipe une puissance importante, selon la formule P = U. I , sous forme thermique. De plus, un tel schéma nécessite le changement de valeur de la résistance 2 pour chaque tension. La dissipation thermique reste, pour ce type de schéma d'entrée logique, un obstacle important à une forte intégration. Un autre dispositif connu d'entrée logique d'automate, décrit dans la demande de brevet français même inventeur N 2 782 184, utilise un schéma de conversion d'énergie dit Flyback pour éviter la dissipation thermique et pour ne pas dégrader l'énergie mais plutôt la transférer vers un second étage, chargé de restituer cette énergie à la batterie du train (en considérant une application ferroviaire embarquée). Ce type de convertisseur, illustré sur la figure 2, utilise un premier transformateur 3 en entrée, 1e primaire de ce transformateur 3 appartenant à un circuit d'entrée 4 avec transistor 5 de hachage. Le secondaire du transformateur 3 est relié à un circuit de redressement 6 à diode 7, couplé par l'intermédiaire d'un deuxième transformateur 8 à un circuit 9 constituant l'étage de récupération d'énergie, en relation avec la batterie. Le schéma est complété par divers moyens de filtrage (ici non détaillés), ne laissant sortir à l'extérieur du montage que les composantes continues. Ce schéma possède l'avantage de ne pas chauffer. Toutefois, il reste coûteux en raison de la structure dite Flyback qui nécessite un transformateur capable de stocker l'énergie phase de conduction (la transmission d'énergie se faisant en phase de blocage), un tel transformateur étant nécessairement volumineux. De plus, la commande du transistor de hachage 5 reste délicate et peut créer un mode commun de défaillances puisque, pour des raisons économiques, on peut chercher à le rendre unique pour plusieurs entrées. Enfin, aucun mode d'auto-test n'est prévu dans la demande de brevet précitée. II a encore été proposé, comme schéma d'entrée logique, un montage beaucoup plus simple que le précédent, dit Buck boost , élévateur en tension, qui est illustré sur la figure Ce montage utilise un transistor 10 de hachage, piloté par une horloge (non représentée) fournissant un signal carré . Le circuit accumule de l'énergie dans le self 11, en phase de conduction du transistor 10. En phase de blocage du transistor 10, le self 11 s'oppose à la variation de courant et élève donc la tension dans le condensateur 12, le courant s'écoulant à travers la résistance 13 pour être restitué à la batterie. La détection du niveau logique en entrée est réalisée par un dispositif 14 du type optocoupleur, ou équivalent. Dans ce cas, comme dans le précédent, il s'agit d'un schéma du type alimentation à découpage , constituant un convertisseur d'énergie appliqué à la fonction d'entrée logique. Le circuit de la figure 3 conserve, pour inconvénient, le fait que le transistor de hachage 10 est un point faible de fiabilité ; compte tenu de la présence d'un transistor par entrée, celui-ci ne peut être trop surdimensionné. La commande de ce transistor est soit unique, et dans ce cas constitue un mode de défaillance commun (la destruction d'un isolant de grille étant un phénomène non exceptionnel en termes de mode de panne), soit il existe une commande par étage et, dans ce cas, le coût est important. De plus, aucune fonction d'auto-test n'est prévue, au moins dans la conception initiale de ce montage. La présente invention vise à éviter les inconvénients des schémas d'entrée logique connus, rappelés ci-dessus, en fournissant un dispositif d'entrée logique résolvant de façon plus simple et plus économique le problème posé par le passage d'un courant important sous une tension élevée, sans chauffer, le dispositif proposé devant limiter au maximum les modes communs de défaillance, et ne pas présenter de défaut de premier ordre non détecté conduisant à une réjection d'une tension l'extérieur du montage, le dispositif devant naturellement assurer la détection du passage du courant pour valider l'état logique, et comportant aussi une fonction d'auto-test permettant de vérifier l'intégrité de l'ensemble de ce dispositif. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'entrée logique pour automate, calculateur ou analogue, qui comprend essentiellement deux diodes montées en série, dans le même sens, la première diode étant en relation avec une tension d'entrée et la deuxième diode étant connectée à une branche de circuit incluant une résistance et un détecteur de courant, tel que détecteur du type optocoupleur, tandis qu'un condensateur relie le point intermédiaire entre les deux diodes à un point recevant des signaux d'horloge de forme carrée et d'amplitude de tension équivalente à la tension d'un niveau logique "V' permanent, à laquelle aussi reliée la branche de circuit avec résistance et détecteur. Le dispositif peut encore comprendre un condensateur de filtrage placé devant la première diode, entre celle-ci et la masse, un autre condensateur de filtrage placé derrière la deuxième diode, entre celle- ci et la masse. Avantageusement, le dispositif comprend encore, à son entrée, une diode de type transil montée devant la première diode précitée, entre celle-ci et la masse, qui sert de diode de protection et d'auto-test, notamment pour une procédure d'auto-test consistant à donner, au signal d'horloge appliqué au condensateur relié au point intermédiaire des deux diodes en série, une forme carrée avec alternance de demi-périodes de tension positive et de demi-périodes de tension négative. Le dispositif proposé par l'invention résout ainsi le problème thermique, avec comme différence fondamentale, par rapport aux schémas connus, l'absence de transistor ou autre élément de commutation commandé dans le circuit d'entrée, le schéma ne comportant des composants du genre condensateur, diode et détecteur de courant. Le principe utilisé par le dispositif selon l'invention est celui de la pompe de charge, assurant le débit d'un courant dans la branche de circuit surveillée par le détecteur. Dans l'ensemble, le dispositif d'entrée logique objet de l'invention comporte les avantages suivants - Ce dispositif est d'une structure remarquablement simple et économique, notamment du fait qu'il ne comporte pas de composants actifs du genre transistor. - Le dispositif permet un auto-test, effectué de façon simple à travers diode de type transit qui sert aussi d'élément de protection contre les surtensions venues de l'extérieur. - Ce dispositif est d'un fonctionnement très sûr, car il faut une double défaillance, à savoir celle des deux diodes montées en série pour que la tension de la batterie soit directement reportée sur l'entrée du montage. - En cas de pluralité d'entrées logiques, celles-ci restent totalement indépendantes les unes des autres. L'invention sera de toute façon mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution de ce dispositif d'entrée logique pour automate, et illustrant son fonctionnement Figures 1 à 3 (déjà mentionnées) illustrent des schémas d'entrée logique de l'état de la technique ; Figure 4 est un schéma de principe du dispositif d'entrée logique objet de l'invention ; Figure 5 est un diagramme illustrant les signaux d'horloge du circuit de figure 4, en fonctionnement normal ; Figure 6 est un diagramme illustrant les signaux d'horloge du circuit de figure 4, en mode d'auto-test ; Figure 7 représente un montage complété pour des raisons de compatibilité électromagnétique. Le montage représenté sur la figure 4, et correspondant au dispositif d'entrée logique selon la présente invention, est réalisé selon le principe de la pompe de charge et comprend les composants suivants - une diode de type transit 15 à l'entrée du circuit ; - un premier condensateur 16, en parallèle avec la diode transit 15; - une diode 17, reliée à une borne de la diode 15 et du condensateur 16 ; - une autre diode 18, montée en série avec la diode 17 et dans le même sens ; - un deuxième condensateur 19, en parallèle avec le condensateur 16, mais du côté de la sortie de la diode 18 ; - un troisième condensateur 20, reliant le point intermédiaire 21, entre les diodes 17 et 18, à un point 22 connecté à une horloge (non représentée) ; - une résistance 23 en série avec les diodes 17 et 18 ; - un détecteur de courant 24 de type optocoupleur, en série avec la résistance 23 ; - une diode de protection 25, en parallèle avec le détecteur 24. Les trois branches de circuit, qui comportent respectivement la diode 15 et les condensateurs 16 et 19, sont reliées à la masse, indiquée en 26. En fonctionnement normal, comme illustré par la figure 5, le point 22 reçoit des signaux d'horloge H de fréquence F élevée, qui sont des signaux carrés d'amplitude de tension égale à + Bat (valeur maximale du signal). La tension d'entrée Ve du circuit est égale soit à + Bat, soit à zéro. Pour une tension d'entrée Ve égale à + Bat, le courant d'entrée possède une intensité I supérieure à une valeur préétablie 1o, et l'entrée est au niveau logique 1 . Pour une tension d'entrée Ve nulle, l'intensité I est aussi égale à zéro, et l'entrée est au niveau logique 0 . Pour une tension d'entrée Ve égale à + Bat, et pendant la phase où le signal d'horloge H vaut 0 volt, le condensateur 20 se charge sous la tension + Bat et emmagasine une énergie donnée par la formule W = (1 /2) CVz. Lorsque le signal d'horloge H vaut + Bat, le condensateur 20 est au potentiel 2 x (+ Bat), les condensateurs 16 et 19 assurant le filtrage continu. Le courant s'établit alors dans la résistance 23, et il est détecté par le détecteur de type optocoupleur 24. Comme on peut aisément le constater, il faudrait ici une défaillance simultanée des deux diodes 17 et 18, pour que la tension + Bat de référence soit transmise à l'entrée de tension Ve. De plus, en utilisant un condensateur 20 de classe Y, c'est-à-dire un condensateur dont le mode de défaillance est le circuit ouvert, aucun défaut sur un circuit d'entrée logique ne peut bloquer le fonctionnement des autres entrées, dans le d'entrées multiples. Pour réaliser l'auto-test du circuit, celui-ci est inchangé et il suffit de donner au signal d'horloge H la forme illustrée par la figure 6. Toujours de forme carrée, ce signal comporte des demi-périodes à une tension positive + Bat, qui alternent avec des demi-périodes à une tension négative - Bat. La tension d'entrée Ve étant maintenue à zéro, le condensateur 20 se charge sous la tension + Bat, entre le point 22 à la tension + Bat et le point 21 à tension nulle. Par l'intermédiaire des diodes 15 et 17, un courant s'établit et parcourt aussi la résistance 23, ce courant étant détecté par le détecteur de type optocoupleur 24, ce qui permet de vérifier le bon fonctionnement du montage. La diode de type transit 15 sert ici non seulement de diode d'auto-test, comme il vient d'être décrit, mais aussi de diode de protection contre les surtensions venues de l'extérieur. Comme montré sur la figure 7, le montage précédemment décrit, indiqué ici globalement sous la forme d'un bloc 27, peut être encadré, du coté de son entrée et de sa sortie, pour des raisons de compatibilité électromagnétique, par des filtres 28 et 29, de type LC ou en n ou autres. Le filtre de sortie 29 peut être unique et commun, pour un groupe d'entrées. Le dispositif, précédemment décrit, est applicable notamment à des entrées logiques d'automates ferroviaires, embarqués ou non. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif d'entrée logique pour automate qui a été décrite ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention - en plaçant le détecteur du type optocoupleur 24 directement derrière la diode 18, pour une détection impulsionnelle de courant, permettant une prise synchrone de la valeur d'intensité du courant ; - en ayant recours à tous moyens équivalents de ceux décrits, le détecteur de type optocoupleur 24 étant ainsi remplaçable par tout détecteur de courant équivalent ; - en prévoyant tous moyens ou aménagements visant à procurer une protection encore améliorée, par exemple en calibrant la résistance 23 en puissance pour jouer le rôle de fusible, ce qui sécurise le fonctionnement du montage, ou en rendant redondante la génération des signaux d'horloge H, pour plus de fiabilité ; - en destinant le dispositif à des automates ou calculateurs utilisés dans tous domaines industriels, du moment que ceux-ci sont dotés d'interfaces d'entrées logiques. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'entrée logique pour automate, calculateur ou analogue, caractérisé en ce qu'il comprend deux diodes (17, 18) montées en série, dans le même sens, la première diode (17) étant en relation avec une tension d'entrée (Ve) et la deuxième diode (18) étant connectée à une branche de circuit incluant une résistance (23) et un détecteur de courant, tel que détecteur du type optocoupleur (24), tandis qu'un condensateur (20) relie le point intermédiaire (21) entre les deux diodes (17, 18) à un point (22) recevant des signaux d'horloge (H) de forme carrée et d'amplitude de tension équivalente à la tension d'un niveau logique "1" permanent (+ Bat), laquelle est aussi reliée la branche de circuit avec résistance (23) et détecteur (24). 2 - Dispositif d'entrée logique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance (23) est calibrée en puissance pour jouer le rôle de fusible. 3 - Dispositif d'entrée logique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le détecteur du type optocoupleur (24) est placé directement derrière la deuxième diode (18). 4 - Dispositif d'entrée logique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur de filtrage (16) placé devant la première diode (17), entre celle-ci et la masse (26), et un autre condensateur de filtrage (19) placé derrière la deuxième diode (18), entre celle-ci et la masse (26). 5 - Dispositif d'entrée logique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend, à son entrée, une diode de type transil (15) montée devant la première diode (17), entre celle- ci et la masse (26), qui sert de diode de protection et d'auto-test, notamment pour une procédure d'auto-test consistant à donner, au signal d'horloge (H) appliqué au condensateur (20) relié au point intermédiaire (21) des deux diodes en série (17, 18), une forme carrée avec alternance de demi-périodes de tension positive (+ Bat) et de demi-périodes de tension négative (- Bat). 6 - Dispositif d'entrée logique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le condensateur (20), relié au point intermédiaire des deux diodes en série (17, 18), est un condensateur dont le mode de défaillance est le circuit ouvert.