Brevet FR2817380A1 — publié le 20020531

L'invention concerne un circuit électrique pour l'acheminement d'informations de type tout ou rien, notamment pour une application dans le domaine ferroviaire. Dans un train, de nombreux signaux de type tout ou rien indiquant l'état d'un paramètre ou d'un équipement sont acheminés par exemple jusqu'à un circuit électronique de commande d'automates ou jusqu'à un tableau de contrôle et de signalisation. Ces signaux sont, par exemple, représentatifs de l'état d'un disjoncteur ou de la position ouverte ou fermée d'une porte d'accès à une voiture et sont destinés à être acheminés avec un degré élevé de sécurité et de disponibilité, ce qui rend inadaptée l'utilisation de liaisons de faible énergie de type informatique. Une solution actuellement utilisée consiste à brancher aux deux bornes d'un accumulateur un circuit électrique en boucle fermée, qui comporte en série au moins un interrupteur lié à l'état de l'organe à contrôler, une résistance, et une liaison à isolation galvanique reliée au dispositif destinataire de l'information contenue dans le signal, par exemple le circuit électronique de commande d'automate ou le tableau de contrôle et de signalisation. La position ouverte ou fermée de l'interrupteur est représentative de l'état d'un paramètre ou d'un équipement. Lorsque l'interrupteur est fermé, un courant, dont l'intensité est limitée par la résistance, circule dans le circuit. Lorsqu'il est ouvert, aucun courant ne passe. La présence ou l'absence de ce courant est transformée par la liaison à isolation galvanique en une information tout ou rien communiquée au circuit électronique. Généralement, un train comporte une pluralité de tels circuits connectés aux bornes d'un même accumulateur. Comme les interrupteurs ont tendance à s'oxyder, une intensité minimale de courant, de l'ordre de quelques dizaines de milliampères, doit traverser chacun de ces interrupteurs pour les nettoyer. Ce courant est consommé à perte dans la résistance. De plus, la puissance dissipée dans la résistance par effet Joule produit de la chaleur, qui doit être évacuée. Une solution connue consiste à utiliser des ventilateurs, cependant, à l'heure actuelle, on évite, voire on s'interdit, d'utiliser de tels ventilateurs comme mode de refroidissement des circuits électroniques embarqués dans les trains pour des raisons de fiabilité, un ventilateur comportant des composants mécaniques susceptibles de se coincer, de se gripper et, de manière générale, de provoquer une panne. La fiabilité des composants électriques et électroniques diminuant fortement lorsque la température ambiante augmente, on cherche à produire le moins de chaleur possible. Par ailleurs, l'accumulateur alimentant généralement plusieurs circuits, et d'autres équipements, la tension qu'il délivre varie dans le temps avec le niveau de la charge à ses bornes. L'intensité du courant dans le circuit varie donc elle aussi, proportionnellement à l'état de charge de l'accumulateur. Par conséquent, pour obtenir l'intensité minimale requise pour le nettoyage des interrupteurs, il faut consentir à consommer un important surcroît de courant et donc de puissance, pendant certaines périodes au cours du fonctionnement du circuit. La production supplémentaire de chaleur qui l'accompagne accroît le problème de l'évacuation de cette chaleur. La quantité de chaleur dissipée augmente avec le nombre d'interrupteurs et d'informations à transmettre. L'invention vise à réduire les inconvénients susmentionnés de l'art antérieur. L'invention a donc pour but de réaliser l'acheminent d'une information de type tout ou rien avec un degré élevé de fiabilité et de disponibilité, tout en réduisant la puissance dissipée par effet Joule. Elle a donc pour objet un circuit électrique de transmission de l'état d'un paramètre ou d'un équipement, destiné à être branché aux bornes d'un accumulateur d'alimentation et comportant : - une liaison à isolation galvanique entre ledit circuit électrique et une sortie pour l'émission d'une information d'état, et - un interrupteur dont la position ouverte ou fermée est représentative de l'information d'état et qui détermine le passage d'un courant dans ledit circuit électrique, le circuit électrique assurant la transmission de l'information d'état de l'interrupteur vers la sortie, par l'intermédiaire de la liaison à isolation galvanique, caractérisé en ce que, pour réguler l'intensité du courant dans l'interrupteur, il comporte des moyens générateurs de tension variable coopérant avec des moyens de commutation pour alimenter sélectivement des éléments constitutifs du circuit électrique en fonction de la tension de sortie des moyens générateurs de tension variable et en ce qu'il comporte des moyens de filtrage selfiques en série avec l'interrupteur et des moyens d'emmagasinage capacitifs qui, en régime établi, forment chacun des moyens de stockage et moyens de restitution d'une partie de l'énergie du circuit électrique, selon la tension de sortie du générateur de tension variable. Suivant d'autres caractéristiques de ce circuit électrique : - les moyens de filtrage selfiques sont disposés à proximité immédiate de l'interrupteur ; - une diode est interposée entre l'interrupteur et les moyens de filtrage selfiques, la diode étant polarisée de manière à interdire l'écoulement du courant des moyens de filtrage selfiques vers l'interrupteur ; - les moyens de filtrage selfiques sont constitués d'une inductance, le circuit électrique comportant en série avec l'interrupteur et l'inductance, des première et deuxième branches en parallèles, et comportant une résistance disposée en parallèle avec l'interrupteur et l'inductance et connectée à un point de la deuxième branche, une capacité étant connectée dans la première branche et les moyens de commutation des connexions comportent une diode connectée dans la deuxième branche entre d'une part, l'une des jonctions des première et deuxième branche, et d'autre part, le point de connexion de la résistance sur la deuxième branche, la deuxième branche comportant également une capacité connectée entre d'une part l'autre de ces jonctions des première et deuxième branches et d'autre part, le point de connexion de la résistance sur la deuxième branche ; - la liaison à isolation galvanique est connectée en série avec les moyens de filtrage selfiques ; - la liaison à isolation galvanique est connectée en série avec la résistance ; - le signal produit par les moyens générateurs de tension est un signal rectangulaire, triangulaire ou sinusoïdal centré ou non sur 0 volt ; - les moyens générateurs de tension variable sont connectés dans la première branche ; - la liaison à isolation galvanique consiste en un opto-coupleur ; - la liaison à isolation galvanique consiste en un transformateur ; - la liaison à isolation galvanique consiste en un transformateur connecté en série avec l'interrupteur et dont le primaire forme également au moins une partie des moyens d'emmagasinage selfiques ; - l'entrée de l'interrupteur est branchée à une borne de l'accumulateur et un écrêteur est disposé entre la sortie de l'interrupteur et l'autre borne de l'accumulateur. L'invention a également pour objet un système électrique destiné à transmette une pluralité d'informations d'état, caractérisé en ce qu'il comporte un accumulateur et une pluralité de circuits électriques, tels que définis ci-dessus, destinés chacun à transmettre une information d'état et branchés en parallèles aux bornes dudit accumulateur. Suivant une autre caractéristique de ce système électrique, celui-ci est embarqué dans un convoi ferroviaire, chaque interrupteur étant associé à un organe ou un équipement du convoi ferroviaire, pour en contrôler l'état ou la position. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un circuit électrique pour la transmission d'une pluralité d'informations tout ou rien selon un mode particulier de réalisation de l' invention, - la figure 2 représente un graphe illustrant la tension de sortie du générateur de tension, - la figure 3 représente un graphe illustrant la valeur théorique du courant en fonction du temps dans la branche du circuit comportant l'interrupteur, la représentation selon l'axe des ordonnées étant grossie de manière à faire apparaître de façon accentuée la variation de courant. - la figure 4 représente une variante de réalisation du circuit électrique de la figure 1. Pour faciliter la lecture des dessins, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. Les mêmes éléments portent les mêmes références d'une figure à l'autre. La figure 1 représente un mode particulier de réalisation d'un circuit de transmission apte à transmettre une information tout ou rien représentative de l'état d'un organe ou d'un équipement à contrôler, notamment un équipement de véhicules ferroviaires. On a isolé sur la figure 1 un circuit élémentaire appartenant à un système électrique plus complet, non représenté, comportant une pluralité de circuits élémentaires similaires connectés en parallèles aux bornes d'un accumulateur et aptes à transmettre une pluralité d'informations tout ou rien à un circuit électronique de commande d'automates. Le circuit électrique de transmission est connecté aux bornes d'un accumulateur 3 et une connexion S récupère en sortie du circuit élémentaire, l'information tout ou rien au moyen d'une liaison qui sera décrite ci-après, pour la transmettre à l'un des ports d'entrée d'un circuit électronique 2. Le circuit électronique 2 comporte également des ports 4 de sortie par exemple pour la commande d'automates (non représentés). Dans l'application principale visée, l'accumulateur 3, le système électrique et le circuit électronique 2 sont destinés à être embarqués dans un train. Il va de soi que le circuit électronique 2 de commande d'automates peut être remplacé par un tableau de contrôle et de signalisation ou par tout dispositif susceptible de recevoir et de traiter une information tout ou rien. Généralement, l'accumulateur 3 est la seule source de tension continue pour tout le train. Aussi, les divers équipements embarqués qui nécessitent une alimentation en courant continu sont alimentés par cet unique accumulateur 3. La tension qu'il délivre est donc susceptible de varier dans le temps, en fonction de la charge à ses bornes, entre 0,6 fois et 1,4 fois sa tension nominale. Les accumulateurs 3 généralement utilisés à l'heure actuelle dans les trains, présentent des tensions nominales de 24 volts, 36 volts, 48 volts, 96 volts et 110 volts. Conformément à la figure 1, le circuit électrique de transmission comporte une boucle B alimentée par l'accumulateur 3 qui comprend, disposés en série, un interrupteur 5, une diode 16, une inductance 6, une liaison à isolation galvanique 7 qui peut par exemple être réalisée au moyen d'un optocoupleur, et deux branches 8 et 9 en parallèles prenant naissance au niveau d'un point A disposé en sortie de la liaison à isolation galvanique 7. La diode 16 est polarisé de manière à interdire la décharge de l'inductance 6 ailleurs qu'au travers de l'optocoupleur 7. Pour des raisons de commodité, la convention suivante est adoptée dans la suite de la description : le sens de circulation d'un courant dans la boucle B de la borne positive vers la borne négative de l'accumulateur 3 définit une orientation positive de cette boucle B. La branche 8 comporte, disposés en série, un condensateur 10 et un générateur de tension variable 1 produisant un signal carré, de demi-période to et d'amplitude crête à crête Vg symétrique tel que représenté sur la figure 2. La valeur de l'amplitude Vg de tension sera choisie inférieure à la tension E aux bornes de l'accumulateur 3 et sera, par exemple, de l'ordre de 15 V. La deuxième branche 9 comporte une diode 12 et un condensateur 13 en série. Une résistance 14 est disposée entre un point P de la deuxième branche 9 localisé entre la diode 12 et le condensateur 13, et la borne positive de l'accumulateur 3. La diode 12 est polarisée de manière à interdire la décharge du condensateur 13 ailleurs que par la résistance 14. Le fonctionnement du circuit électrique va maintenant être décrit. Dans la suite de la description nous appellerons par convention : Vd la chute de tension dans chacune des diodes 10,16, avec Vd de l'ordre de 0.5V, Vled la chute de tension dans la led de l'optocoupleur 7, avec de Vled de l'ordre de 2V, Vc la chute de tension dans le contact d'entré 5, avec Vc Les capacités des condensateurs 10 et 13 seront choisies de façon à ce que C13 C10, la résistance 14 sera choisie faible. L'organe ou l'équipement dont on veut contrôler l'état actionne la fermeture et l'ouverture de l'interrupteur 5. Lorsque l'interrupteur 5 est ouvert, la tension en amont de la diode 16 est nulle et le courant iled au travers de la led de l'optocoupleur 7 est nul, ce dernier ne délivrant alors aucun courant de sortie sur la connexion S. Lorsque l'interrupteur 5 est actionné de sa position ouverte vers sa position fermée, débute alors deux phases distinctes en fonction de la tension de sortie du générateur de tension 1. On suppose le circuit électrique en régime stabilisé. Dans une première phase, la tension aux bornes du générateur 1 passe de - Vg à + Vg/2 au temps t=0. L'inductance 6 de valeur L est alors soumise à la tension délivrée 2 par l'accumulateur 3 au travers de la diode 16 et la diode 12 passe immédiatement à l'état conducteur, la tension VA au point A devenant égale à la tension Vp au point P, soit en considérant la tension dans la deuxième branche 9 et en négligeant la tension aux bornes de la résistance 14 : VA=VP# E+Vd. La diode 12 étant passante, la variation de charge du condensateur 10 de la première branche 8 est transférée instantanément à travers la diode 12 dans le condensateur 13de la deuxième branche 9 en suivant la relation : avec VA(-to D'où #QC10=C10 * (Vg-Vc-2*Vd-Vled). La variation de charge de l'inductance 6 de la première branche est également transférée immédiatement à travers la diode 12 dans le condensateur 13 moyennant une légère augmentation de la tension à ses bornes (car C13 CIO) et les charges sont ensuite dissipées dans la résistance 14. Durant cette première phase, la variation de courant dans l'inductance 6 peut être calculée à partir de la relation UL= L * di/dt avec la tension aux bornes de l'inductance 6 qui est égale à UL= E-Vc-Vd-(E+Vd+Vled), d'où : UL= - (2*Vd+Vled+Vc). Le courant dans l'inductance évolue donc linéairement lors de la première phase, suivant relation Àiied r Vc + 2 * Vd + Vie *dur, l'inductance jouant phase, en suivant la relation Ai)ed (t)= -##########* Aiied t0- - Vc + 2 * Yd + Vled *to qui est très faible. La variation de courant au travers de la led de l'optocoupleur 7 durant la première phase est donc très faible. Dans une seconde phase, la tension aux bornes du générateur passe de ±# à - Vg pour t = to et la diode 12 passe à l'état bloqué. La tension au point A passe alors immédiatement à VA= E+Vd-Vg et varie pour atteindre la valeur VA= E-Vc-Vd-Vled pour t=2*tO correspondant de nouveau au début de la première phase. Durant cette phase le courant traversant l'inductance 6 est bloqué par la diode 12 et est donc transféré intégralement dans le condensateur 10 qui reçoit la charge : AQcio = C10* (Vg-Vc-2*Vd-Vled). Le condensateur 10 retrouve donc la charge qu'il avait perdu durant la première phase. Aux bornes du condensateur 10, 4U(t)= lled * t avec il,d est sensiblement CIO constant du fait que la valeur L de l'inductance 6 est grande. On en déduit donc que la tension évolue sensiblement linéairement dans le temps. On a donc la tension au point A qui évolue suivant la relation : on obtient : La tension aux bornes de l'inductance 6 est déterminée par la relation UL (t) = (E-Vc-Vd-Vled)-VA(t), D'oÙ UL (t) = (E-Vc-Vd-Vled) - (Vg - Vc - Vd - P7ed) - (E + Vd - Vg) * t+E+Vd-Vg to SoitU(t)=-(yg yc-2*yd-Vled)*t+(Vg-Vc-2*Vd-Vled) to Et soit La variation du courant iL dans l'inductance 6 au cours des première et seconde phases est représentée de manière exagérée, afin d'être mieux visible, sur le graphe de la figure 3. Conformément à cette figure, le courant iL dans l'inductance 6 sans être tout à fait constant n'évolue que sur une plage réduite. Sa valeur moyenne peut être ajustée, de manière à obtenir le passage du courant minimal requis pour assurer le nettoyage de l'interrupteur 5, en régulant le rapport cyclique, ici pris égal à a = t0 = 1 et 2*to 2 l'amplitude de la tension Vg produite par le générateur 1. Le courant qui traverse l'inductance 6 s'écoulant également dans l'optocoupleur 7, il s'établit ainsi, lorsque l'interrupteur 5 est fermé, un courant dans l'optocoupleur 7, lequel produit en réponse un signal de sortie sur la connexion S. La position de l'optocoupleur 7 en série avec l'interrupteur 5 est avantageuse puisque le signal qu'il génère en sortie est une image sensiblement fidèle du courant qui traverse l'inducteur 5. Le fonctionnement de l'invention qui vient d'être exposé réduit l'énergie dissipée par effet Joule de deux manières. Premièrement, le générateur de tension 1 entretient le niveau d'énergie dans le circuit, et seule la puissance qu'il libère à cet effet est consommée par effet Joule. Deuxièmement, l'intensité du courant iL injectée dans le circuit est indépendante de la tension E délivrée par l'accumulateur 3. Ainsi, une variation de la tension E délivrée par l'accumulateur 3 n'introduit pas une variation du courant consommé par la résistance 14. La figure 4 représente une variante de réalisation du circuit électrique de la figure 1 dans laquelle un écrêteur 11est disposé entre un point situé entre l'interrupteur 5 et la diode 16 et la borne négative de l'accumulateur 3. Le fonctionnement du circuit électrique demeure le même, l'écrêteur 11 assurant une tenue supplémentaire aux surtensions. Dans une autre variante non représentée, la liaison à isolation galvanique 7 consistera en un couplage magnétique réalisé par un transformateur dont l'enroulement primaire forme également, au moins en partie, celui de l'inductance 6, le secondaire étant, pour sa part, relié à la connexion S. Le fonctionnement du circuit électrique reste inchangé. La variation du courant iL dans l'inductance 6, lorsque l'interrupteur 5 est fermé, produit en sortie une tension et/ou un courant aux bornes du secondaire du transformateur 7 qui constituent le signal de sortie après redressement par un redresseur non représenté. Dans une autre variante de réalisation non représentée, la liaison à isolation galvanique 7 pourra être placée en série avec la résistance 14 de charge, le fonctionnement du circuit élémentaire demeurant le même. L'invention ne se limite pas aux variantes de réalisation qui viennent d'être décrites. Notamment, le générateur de courant pourra fournir d'autres formes d'ondes variables telles que triangulaire ou sinusoïdal centrée ou non sur 0 volt. En effet, il a été choisi dans le mode de réalisation précédemment décrit un générateur de tension variable produisant un signal carré afin simplifier les équations et faciliter l'explication du fonctionnement du circuit électrique, toutefois dans la pratique on choisira avantageusement un générateur de tension produisant un signal triangulaire. L'invention ne se limite pas à une application ferroviaire, mais concerne la transmission, dans tout domaine, d'une information tout ou rien. Parmi les avantages de l'invention, on notera que la présence de l'inductance en amont de l'optocoupleur permet de lisser le courant traversant l'optocoupleur qui présente alors une faible ondulation qui est favorable à une bonne durée de vie de l'optocoupleur. De plus, l'inductance en entrée du circuit électrique permet également de limiter la génération de bruits électromagnétiques susceptibles d'être transmis à d'autres équipements. La présence de condensateurs entre la borne positive et la borne négative de l'accumulateur permet également de garantir, en cas de défaillance d'un des composants actifs du circuit électrique, qu'en aucun cas il n'y a court-circuit aux bornes de l' accumulateur. REVENDICATIONS 1. Circuit électrique de transmission de l'état d'un paramètre ou d'un équipement, destiné à être branché aux bornes d'un accumulateur (3) d'alimentation et comportant : - une liaison à isolation galvanique (7) entre ledit circuit électrique et une sortie S pour l'émission d'une information d'état, et - un interrupteur (5) dont la position ouverte ou fermée est représentative de l'information d'état et qui détermine le passage d'un courant dans ledit circuit électrique, le circuit électrique assurant la transmission de l'information d'état de l'interrupteur (5) vers la sortie S, par l'intermédiaire de la liaison à isolation galvanique (7), caractérisé en ce que, pour réguler l'intensité du courant dans l'interrupteur (5), il comporte des moyens générateurs de tension variable (1) coopérant avec des moyens de commutation (12) pour alimenter sélectivement des éléments constitutifs du circuit électrique en fonction de la tension de sortie desdits moyens générateurs de tension variable (1) et en ce qu'il comporte des moyens de filtrage selfiques (6) en série avec l'interrupteur (5) et des moyens d'emmagasinage capacitifs (13) qui, en régime établi, forment chacun des moyens de stockage et moyens de restitution d'une partie de l'énergie dudit circuit électrique, selon la tension de sortie du générateur de tension variable (1). 2.Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de filtrage selfiques (6) sont disposés à proximité immédiate de l'interrupteur (5). 3. Circuit électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une diode (16) est interposée entre ledit interrupteur (5) et lesdits moyens de filtrage selfiques (6), ladite diode (16) de manière à interdire l'écoulement du courant de l'interrupteur (5) des moyens de filtrage selfiques (6) vers l'interrupteur (5). 4. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de filtrage selfiques sont constitués d'une inductance (6), le circuit électrique comportant en série avec l'interrupteur (5) et l'inductance (6), des première et deuxième branches (8,9) en parallèles, et comportant une résistance (14), en parallèle avec l'interrupteur (5) et l'inductance (6), connectée à un point (P) de la deuxième branche (9), une capacité (10) étant connectée dans la première branche (8), et en ce que les moyens de commutation des connexions comportent une diode (12) connectée dans la deuxième branche (9) entre d'une part, l'une des jonctions des première et deuxième branche (8,9), et d'autre part, le point (P) de connexion de la résistance (14) sur la deuxième branche (9), la deuxième branche (9) comportant également une capacité (13) connectée entre d'une part l'autre de ces jonctions des première et deuxième branches (8,9) et d'autre part, le point (P) de connexion de la résistance (14) sur la deuxième branche (9). 5. Circuit électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison à isolation galvanique (7) est connectée en série avec les moyens de filtrage selfiques (6). 6. Circuit électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison à isolation galvanique (7) est connectée en série avec la résistance (14). 7. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le signal produit par les moyens générateur de tension est un signal rectangulaire, triangulaire ou sinusoïdal centré ou non sur 0 volt. 8. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens générateurs de tension variable sont connectés dans la première branche (8). 9. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la liaison à isolation galvanique (7) consiste en un opto-coupleur. 10. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la liaison à isolation galvanique (7) consiste en un transformateur. 11. Circuit électrique selon la revendication 10, caractérisé en ce que la liaison à isolation galvanique (7) consiste en un transformateur connecté en série avec l'interrupteur (5) et dont le primaire forme également au moins une partie des moyens d'emmagasinage selfiques. 12. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, l'entrée de l'interrupteur (5) étant branchée à une borne de l'accumulateur (3), un écrêteur (11) est disposé entre la sortie dudit interrupteur (5) et l'autre borne de l'accumulateur (3). 13. Système électrique (1) destiné à transmette une pluralité d'informations d'état, caractérisé en ce qu'il comporte un accumulateur (3) et une pluralité de circuits électriques selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, destinés chacun à transmettre une information d'état et branchés en parallèles aux bornes dudit accumulateur (3). 14. Système électrique (1) selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est embarqué dans un convoi ferroviaire, chaque interrupteur (5) étant associé à un organe ou un équipement dudit convoi ferroviaire, pour en contrôler l'état ou la position.