Brevet FR2908534A1 — publié le 20080516

CIRCUIT D'ALIMENTATION POUR APPAREIL DE SECURITE INTRINSEQUE La présente invention concerne un circuit d'alimentation dont la sortie a des niveaux électriques compatibles avec la sécurité intrinsèque, qui peut alimenter un appareil de sécurité intrinsèque destiné à être installé en atmosphère explosible, typiquement au voisinage de conduites de gaz naturel. La conception d'un tel appareil est soumise aux contraintes ATEX de la Directive européenne 94/9/CE qui offre au concepteur la possibilité de s'appuyer sur différents modes de protection qui sont décrits dans les normes harmonisées de la directive. L'un des modes les plus largement utilisés est la sécurité intrinsèque, qui est décrit dans les normes EN50020 et EN60079-11. La sécurité intrinsèque consiste à n'utiliser que des circuits électriques dans lesquels aucune étincelle ni aucun effet thermique, produit dans des conditions de fonctionnement normal ou de défaut, n'est capable de provoquer l'inflammation d'une atmosphère explosible L'étude des caractéristiques de l'alimentation d'un équipement électronique relatif à la sécurité intrinsèque est une étape importante, car elle doit à la fois : - permettre à l'équipement de fonctionner correctement ; - respecter les cont rai ntes de sécurité intrinsèque. Cr, une alimentation se caractérise fonctionnellement par les paramètres suivants, qui sont fonction de l'équipement alimenté: - sa tension à vide Uo ; - sa tension Un sous le courant nominal ln ; - son courant de court-circuit loc. D'un autre côté, les contraintes de sécurité intrinsèque sont données par : - sa tension maximale Umax ; - son courant transitoire maximal Imax ; 30 - sa puissance maximale délivrable Pmax. 2908534 2 Les natures des caractéristiques fonctionnelles et de sécurité intrinsèque d'une alimentation étant différentes, on comprend que la conception d'un circuit d'alimentation nécessitera de faire le bon 5 compromis fonctionnel/ sécurité intrinsèque. Un circuit classique d'alimentation ayant une sortie dont les niveaux électriques de sortie sont compatibles avec la sécurité intrinsèque est représenté sur la figure 1 . I I comporte une source d'alimentation régulée 1 recevant en entrée un tension continue Ve, et dont la sortie est 10 connectée à l'entrée d'un dispositif 2 de limitation infaillible au sens de la sécurité intrinsèque. Ce dispositif 2 comporte au moins: - des diodes Zener Dl à D3, (ou plus généralement un ou des limiteurs shunt de tension) ; - un ou des limiteurs de courant (par exemple, un fusible F1 et 15 une résistance R1) Dans l'exemple de la figure 1, les composants du dispositif 2 permettent de garantir les grandeurs suivantes pour le circuit d'alimentation: - une tension maximale Umax correspondant à la tension Zener VZ des 20 diodes Zener D1, D2, D3, et fixée par conséquent par ces diodes Zener. - une puissance maximale Pmax fixée par le fusible F1 selon la relation Pmax=1.7*IF1*Vz dans laquelle IF1 est le calibre du fusible F1. - un courant transitoire fixé par la résistance R1 à Imax = VZ / R1 25 Pour mettre en forme la tension d'entrée Ve, la source d'alimentation régulée 1 est classiquement un régulateur de tension du commerce dont la tension de sortie régulée VS est délivrée en entrée du dispositif de sécurité intrinsèque 2. Le dispositif 2 agit donc comme interface avec la charge (non représentée). 2908534 3 En utilisant un régulateur de tension comme source d'alimentation régulée 1, les caractéristiques fonctionnelles vues précédemment du circuit d'alimentation peuvent être par exemple calculées de la manière suivante : 5 - une tension à vide Uo selon la relation Uo = Vs = Vref * R4 + RS = 5V R4 dans laquelle Vref est une tension de référence sur la borne ADJ du montage de la figure 1 ; - un courant nominal In de 40mA ; 10 - une tension nominale Un selon la relation Un = Uoù(In*R1) =4.2V - un courant de court-circuit Icc correspondant au calibre du fusible F1, soit 70mA (protection par fusible). 15 La figure 2 est un exemple de graphique des performances du circuit d'alimentation à régulateur de tension selon la figure 1 illustrant les variations, d'une part, de la tension Zener VZ des diodes D1-D3 en fonction du courant Is de sortie du dispositif de sécurité intrinsèque 2, et d'autre part, de la tension V-S en sortie du dispositif de sécurité intrinsèque 2 en 20 fonction de ce même courant ls. Sur cette figure 2, on voit que la tension Zener VZ des diodes Dl-D3 est constante et égale à 6V. La tension de sortie V-S décroît quant à elle selon une pente due aux chutes de tension dans la résistance R1. Les inconvénients principaux d'un tel circuit résident dans le fait 25 qu'il n'est pas protégé contre les courts-circuits et que la tension de sortie V-S est inférieure à la tension de déclenchement du ou des limiteurs shunt, c'est-à-dire, dans le cas non limitatif où les limiteurs shunt sont des diodes Zener, inférieure à la tension Zener VZ des diodes D1-D3. En effet, tout dépassement d'un certain pourcentage, typiquement 70 /9 du calibre du 2908534 4 fusible F1 risque de le détruire. Il existe donc une zone interdite, représentée en grisé sur la figure 2. Pour éviter tout risque que les diodes Zener Dl à D3 n'entrent en conduction inverse, provoquant un courant de fuite pouvant entraîner la destruction du fusible F1, il est indispensable de 5 prévoir une marge entre la tension à vide Uo de l'alimentation et la tension Zener Vz des diodes, de telle manière que UO = Vz ùVmarge 01 garantit ainsi de se trouver toujours dans la zone de non conduction des diodes. Pour les diodes Zener de puissance, dont les 10 caractéristiques en courant/ tension présentent une zone de coude très marquée, la marge nécessaire peut même atteindre quelques volts. Il en résulte une perte non négligeable sur le plan de la puissance fonctionnelle. 0r, dans certains cas, la puissance fonctionnelle nécessaire oblige à diminuer la marge. On aboutit donc parfois à une incompatibilité entre les 15 exigences fonctionnelles et les contraintes liées à la sécurité intrinsèque. Ceci peut avoir des conséquences lourdes et peut obliger à revoir toute l'architecture d'un équipement. La présente invention a pour but de pallier aux inconvénients précédents en proposant un circuit d'alimentation pour un appareil de 20 sécurité intrinsèque, optimisé en terme de puissance utile. Pour ce faire, la présente invention a pour objet un circuit d'alimentation pour un appareil de sécurité intrinsèque, du type comportant une source d'alimentation régulée dont la sortie est connectée à l'entrée d'un dispositif de limitation comportant au moins un moyen 25 limiteur shunt de tension et au moins un moyen limiteur de courant au sens de la sécurité intrinsèque, caractérisé en ce que ladite source d'alimentation régulée comporte un régulateur de courant délivrant un courant constant sur l'entrée du dispositif de limitation, de sorte que ledit moyen limiteur shunt de tension constitue un régulateur de tension. De préférence, le moyen limiteur de courant comporte un fusible, et le régulateur de courant délivre une valeur de courant constant choisie : 2908534 5 - d'une part, inférieure à un pourcentage prédéterminé, par exemple d'environ 70 /9 du calibre utilisé pour le moyen limiteur de courant ; - d'autre part, supérieure au courant nominal du circuit d'alimentation. 5 Ainsi, le circuit d'alimentation selon l'invention est en outre protégé contre les courts-circuits. L'invention et les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : 10 - la figure 1, déjà décrite, illustre un exemple de circuit d'alimentation pour appareil de sécurité intrinsèque selon l'art antérieur ; - la figure 2, déjà décrite, est un graphique montrant, à titre d'exemple, les performances du circuit d'alimentation de la figure 1 ; - la figure 3 illustre, sous forme de schéma bloc simplifié, le principe 15 d'un circuit d'alimentation pour appareil de sécurité intrinsèque selon un exemple de réalisation possible de l'invention ; - la figure 4 illustre un exemple non limitatif de réalisation d'un régulateur de courant pour le circuit d'alimentation de la figure 3 ; - la figure 5 est un graphique montrant, à titre d'exemple, les 20 performances du circuit d'alimentation des figures 3 et 4. Pour faciliter la compréhension, tous les éléments communs à l'ensemble des figures portent les mêmes références. Le principe de l'invention consiste à utiliser le ou les limiteurs shunt de tension du dispositif 2 imposées par la sécurité intrinsèque comme 25 moyens de régulation de la tension. Pour ce faire, au lieu d'utiliser, en amont du dispositif 2, un régulateur de tension comme source d'alimentation régulée, l'invention préconise, comme schématisé sur la figure 3, l'utilisation d'un régulateur de courant 3 qui délivre, à partir de la tension d'entrée Ve, un courant constant Ir à l'entrée du dispositif de 2. 30 En faisant circuler un courant constant I r judicieusement choisi dans le ou les limiteurs shunt de tension du dispositif 2, constitués dans 2908534 6 l'exemple non limitatif de diodes Zener, on obtient une tension à vide Uo constante égale à la tension Zener V. On s'affranchit donc de la marge précédemment indispensable. Pour la réalisation du régulateur de courant, on tiendra compte de 5 préférence d'un certain nombre de contraintes : - le régulateur de courant 3 doit être insensible aux variations de la tension d'alimentation Ve ; - le régulateur de courant doit présenter une faible tension de déchet ; - la conception doit être la plus simple possible. 10 Plusieurs solutions techniques sont envisageables pour répondre aux contraintes précédentes. L'une de ces solutions est illustrée à titre d'exemple non limitatif sur la figure 4. Elle consiste à utiliser un amplificateur opérationnel U1 pour asservir la tension aux bornes d'une résistance shunt R4. 15 Ce circuit permet d'obtenir une tension fonctionnelle, ou tension à vide Uo, qui n'est plus, comme dans le cas de l' art antérieur, inférieure à la tension de déclenchement du ou des limiteurs shunt de tension, mais égale à cette tension de déclenchement. On dispose ainsi, à protection ATDC identique, de plus de puissance en fonctionnel. 20 Pour obtenir un fonctionnement correct du circuit d'alimentation, le régulateur de courant 3 est de préférence dimensionné pour délivrer un courant Ir constant : - inférieur au courant maximal préconisé par le fabricant du fusible F1 (par exemple 70% de son calibre). De cette manière, le circuit 25 d'alimentation devient protégé contre les courts-circuits. - supérieur au courant nominal ln du circuit d'alimentation, de façon à avoir un courant résiduel dans les Diodes Zener et à ne pas atteindre le coude Zener en fonctionnement normal de l'alimentation. Le courant résiduel est à définir en fonction des diodes Zener utilisées 2908534 7 (généralement compris entre 5 et 20mA pour des Diodes Zener de puissance). Les caractéristiques fonctionnelles du circuit d'alimentation conforme à l'invention illustré sur la figure 4 sont par exemple les 5 suivantes : - tension à vide Uo = VZ = 6v ; - Courant nominal ln = 40mA ; - Tension nominale Un = U0 ù(In*R1) = 5.2V - Courant de court-circuit Icc = Ir = vZD4* R3 + R2 = 50mA, avec VZD4* R4 10 représentant la tension Zener de la diode Zener D4 en entrée du régulateur de courant 3. Les performances d'un tel circuit d'alimentation sont illustrées sur la figure 5 qui montre les variations, d'une part, de la tension Zener VZ des diodes Zener en fonction du courant de sortie ls du dispositif de sécurité 15 intrinsèque 2, correspondant au courant constant Ir, et d'autre part, de la tension V-S en sortie du dispositif de sécurité intrinsèque 2 en fonction de ce même courant: Cn retrouve toujours une décroissance de la tension V-S selon une pente due à la résistance R1. On limite maintenant le courant de court 20 circuit à Ir ce qui permet de protéger le montage contre les courts-circuits. Outre le fait que le circuit d'alimentation selon l'invention présente l'avantage d'offrir une puissance utile optimisée à protection ATDC égale, et une protection contre les courts-circuits par le choix de la valeur du courant I r, il utilise également des composants standards à faible 25 coût. R3 REVENDICATIONS 1. Orcuit d'alimentation pour un appareil de sécurité intrinsèque, du type comportant une source d'alimentation régulée (3) dont la sortie est connectée à l'entrée d'un dispositif (2) de limitation comportant au moins un moyen limiteur shunt de tension (D1-D3) et au moins un moyen limiteur de courant (F1, R1) au sens de la sécurité intrinsèque, caractérisé en ce que ladite source d'alimentation régulée comporte un régulateur de courant (3) délivrant un courant constant (Ir) sur l'entrée du dispositif (2) de limitation, de sorte que ledit moyen limiteur shunt de tension (D1-D3) constitue un régulateur de tension. 2. Orcuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen limiteur shunt de tension est une diode Zener. 3. Circuit d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen limiteur de courant (F1) est un fusible. 4. Circuit d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit régulateur de courant (3) délivre une valeur de courant constant (Ir) choisie : - d'une part, inférieure à un pourcentage prédéterminé, par exemple à environ 70 /9 du calibre utilisé pour le moyen (F1) limiteur de courant ; - d'autre part, supérieure au courant nominal (In) du circuit d'alimentation. 7. Circuit d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de limitation (2) comporte une pluralité de diodesZener (D1-D3) redondantes. 8. Orcuit d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de limitation (2) comporte en outre une résistance (R1) limitant le courant transitoire.