Brevet FR2951313A1 — publié le 20110415

Dispositif actif de lecture de contact sec sous haute tension La présente invention se rapporte à un dispositif à dissipation réduite comportant un premier circuit électrique connectant en série aux bornes d'un enroulement secondaire d'un transformateur comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, un contacteur d'actionnement et au moins une résistance. Un tel dispositif est pour la présente invention appliqué à un dispositif de lecture de l'état d'un contact sec sous haute tension. Un contact sec est un dispositif mécanique permettant de fermer un circuit électrique. Son insensibilité aux variations de tension et aux différentes perturbations affectant les circuits électriques les ont popularisé dans le monde industriel et dans le monde de l'électronique embarquée. Ils sont couramment exploités pour transmettre une information binaire via des dispositifs électromécaniques comme les boutons poussoirs, les sorties de relais, les interrupteurs, les bilames, etc. Ils sont réalisés de manière connue à partir de surfaces métalliques conductrices qui sont mises en contact (position fermée) ou non (position ouverte). Ces surfaces métalliques peuvent s'oxyder et présenter un contact dégradé ou inexistant en position fermée lorsque la couche d'oxyde est suffisamment épaisse pour être isolante. Pour éviter ce défaut, il est nécessaire d'appliquer, lors de la fermeture du contact, une tension aux bornes du contact capable de provoquer le claquage de la couche d'oxyde et de faire passer, lorsque le contact est fermé, un courant électrique suffisant (un minimum de 5 mA à 20 mA suivant la tension) pour maintenir une température de contact apte à empêcher la condensation et donc l'oxydation des surfaces en contact. L'état de l'art enseigne d'utiliser une résistance dans le dispositif de détection du contact sec servant à maintenir ce courant minimum lorsque le contact sec est fermé. En cas de fortes tensions - comme dans le ferroviaire ou la distribution d'énergie, par exemple - la puissance dissipée dans la résistance peut devenir importante et nécessiter des moyens d'évacuation thermique conséquents quand il y a concentration de ce type de dispositif, comme dans le cas d'automates ou de calculateurs. Des solutions ont été avancées pour pallier ce problème. Le brevet français FR2782184, déposé le 4 août 1998, propose un dispositif à échauffement réduit et à récupération d'énergie électrique, pour éviter la dissipation thermique et plutôt - 2 que de dégrader l'énergie, la transférer vers un second étage chargé de restituer l'énergie à l'alimentation du dispositif de détection. Un tel dispositif comporte plusieurs transformateurs, transistor de hachage et diode qui augmentent d'autant le coût du dispositif. Dans le brevet français FR2831893 déposé le 7 novembre 2001 par la société LEROY Automatique Industrielle, le courant dans le contact sec est indépendant du circuit de mesure car maintenu à l'aide d'une alimentation secondaire continue dont la faible tension réduit fortement la dissipation thermique du dispositif. La présente invention se propose d'en améliorer les principes pour apporter d'autres avantages, notamment en terme de fiabilité, d'immunité électromagnétique et d'isolement électrique. D'une manière générale, elle consiste à remplacer l'alimentation secondaire continue par une alimentation alternative isolée par un transformateur et de détecter le changement d'état du contact sec par la variation de fréquence induits sur le primaire de ce transformateur. Plus précisément, l'invention consiste en un dispositif actif à dissipation réduite comportant un premier circuit électrique connectant en série aux bornes d'un enroulement secondaire d'un transformateur comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, un contacteur d'actionnement et au moins une résistance, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en outre : • Un deuxième circuit électrique connectant au moins un condensateur aux bornes d'au moins un desdits deux enroulements primaire et secondaire dudit transformateur, • Un troisième circuit électrique connectant en série à une fraction dudit enroulement primaire du transformateur, un premier pont diviseur, une borne de référencement à la masse électrique du dispositif et au moins une résistance de limitation du courant, • Un quatrième circuit électrique connectant en série aux bornes dudit enroulement primaire du transformateur un deuxième pont diviseur, ladite borne de référencement à la masse électrique du dispositif et lesdites résistances de limitation du courant, • Un cinquième circuit électrique raccordant les deux entrées 'e-' et 'e+' d'un - 3 amplificateur opérationnel respectivement aux points milieux desdits premier et deuxième ponts diviseurs et la sortie dudit amplificateur opérationnel à ladite fraction du primaire dudit transformateur, • Des moyens d'alimentation dudit amplificateur opérationnel, • Des moyens de mesure permettant la mesure de la fréquence des oscillations dudit transformateur et sa comparaison à deux plages prédéterminées définissant respectivement les deux états dudit contacteur d'actionnement. Dans la présente invention, la résistance du premier circuit électrique représente par exemple la résistance de câblage dudit contacteur d'actionnement dans les installations industrielles et le ou les condensateurs du deuxième circuit électrique ont pour rôle d'accorder ledit transformateur afin que ce dernier soit résonnant pour transmettre de façon optimale l'énergie apportée par la sortie dudit amplificateur opérationnel. Le montage dudit amplificateur opérationnel selon le principe de l'Oscillateur de Hartley permet au transformateur de auto-osciller et la fréquence de cette oscillation varie selon que le contacteur d'actionnement est ouvert ou fermé. La mesure de cette fréquence par lesdits moyens de mesure et sa comparaison à des seuils appropriés donnent une image binaire de la position dudit contacteur. Le raccordement de la sortie de l'amplificateur opérationnel à une fraction de l'enroulement du primaire du transformateur a pour fonction de réduire l'amortissement de la résonance dudit transformateur, amortissement dû à la faible impédance de ce type d'oscillateur. À l'instar du brevet FR2831893, le dispositif selon l'invention est actif, c'est- à-dire qu'il fournit l'énergie nécessaire à l'obtention du courant de maintien dans ledit contacteur d'actionnement lorsque celui-ci est fermé. La tension aux bornes de l'enroulement du secondaire du transformateur chargé est alors faible et la puissance thermique dissipée fortement réduite. Lorsque le contacteur d'actionnement est ouvert, ledit transformateur, étant à vide, fournit une tension suffisante aux bornes dudit contacteur pour provoquer le claquage de la couche d'oxyde des contacts de ce dernier lorsqu'il se referme. Le dispositif selon l'invention permet de mesurer l'état dudit contacteur d'actionnement quel que soit le potentiel auquel peut être raccordée l'une de ses bornes. Du fait de la présence du transformateur, les moyens de mesure placés sur -4 tout ou partie de l'enroulement du primaire du transformateur et les moyens d'alimentation sont isolés par rapport au dit contacteur d'actionnement, supprimant le recours aux protections et aux dispositifs d'isolement, autorisant ainsi des isolements très élevés. Selon une caractéristique avantageuse, ledit deuxième circuit comprend un premier et un deuxième dits condensateurs, respectivement connectés sur les enroulements secondaire et primaire dudit transformateur, avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant. Selon une alternative à la caractéristique précédente, ledit deuxième circuit comprend au moins un condensateur connecté aux bornes de l'enroulement secondaire dudit transformateur, avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant et à condition que le circuit magnétique dudit transformateur soit sans entrefer, aucun condensateur n'étant connecté aux bornes de l'enroulement primaire dudit transformateur. Selon une alternative aux deux caractéristiques précédentes, ledit deuxième circuit comprend au moins un condensateur connecté aux bornes de l'enroulement primaire dudit transformateur, avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant, aucun condensateur n'étant connecté aux bornes de l'enroulement secondaire dudit transformateur. Selon une caractéristique avantageuse, lesdits moyens de mesure sont connectés aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur ou aux bornes de ladite fraction de l'enroulement primaire du transformateur. Selon une caractéristique avantageuse, ladite fraction du primaire dudit transformateur est comprise entre 10 et 35 % de la totalité de l'enroulement primaire dudit transformateur. Selon une caractéristique avantageuse, lesdits moyens de mesure, permettant la mesure de la fréquence des oscillations dudit transformateur et sa comparaison à deux plages prédéterminées définissant respectivement les deux états dudit contacteur d'actionnement, comprennent un circuit logique de type FPGA. Selon une caractéristique avantageuse, lesdits moyens d'alimentation de l'amplificateur opérationnel fournissent à ce dernier une tension Vcc+ et une tension Vcc- symétriques dont le point milieu est raccordé à ladite masse électrique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à -5 la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation d'un dispositif actif à dissipation réduite selon l'invention, accompagnée de dessins annexés, exemple donné à titre illustratif non limitatif. La figure 1 représente un schéma électrique de l'art antérieur d'un dispositif permettant d'éviter l'oxydation des contacteurs. La figure 2 représente un schéma électrique de l'art antérieur correspondant à un dispositif actif à dissipation réduite selon le brevet français FR2831893. La figure 3 représente un premier exemple de réalisation d'un dispositif actif à dissipation réduite et à fort isolement utilisant, selon la présente invention, l'auto- oscillation d'un transformateur comme détecteur de la position dudit contacteur d'actionnement. Sur la figure 1, le dispositif représenté s'applique notamment à un circuit d'interface d'entrée logique 6 d'automate ou de calculateur industriel (non représenté). La batterie 2 alimente l'entrée logique 6 de l'automate via un contacteur 1 et des résistances 4 et 5 constituant le pont de mesure du signal d'entrée. Une résistance 3 placée en dérivation après le contacteur permet d'assurer le passage dans ce dernier d'un courant égal à la tension de la batterie 2 divisée par la valeur de la résistance 3. Dans la branche du circuit comportant les résistances 4 et 5, le courant qui les traverse est petit devant le courant traversant la résistance 3 et ne suffirait pas à empêcher les contacts du contacteur de s'oxyder. La résistance 3 permet, par le choix de sa valeur appropriée, d'ajuster le courant nécessaire sous la tension de la batterie 2. Ce montage est répété autant de fois qu'il y a d'entrées d'information dans le dispositif électronique. Sur la figure 2, le dispositif actif à dissipation réduite s'applique à un circuit 18 d'interface de l'entrée logique 14 d'un automate ou d'un calculateur industriel (non représenté). La batterie 11 alimente l'entrée logique 14 via un contacteur 10 et des résistances 12 et 13 constituent le pont de mesure du signal d'entrée et calibré de façon que le courant qui y passe soit faible. Le circuit de maintien 19 est connecté aux bornes du contacteur 10 et comprend une batterie 17 et une résistance 15 calibrée de façon que le courant qui y circule soit suffisant pour empêcher les contacts du contacteur 10 de s'oxyder. En choisissant une tension de batterie 17 dix fois inférieure à celle de la batterie 11, la dissipation thermique du dispositif est divisée par dix. Une diode 16 isole les batteries 11 et 17 lorsque le contacteur 10 est ouvert. Lorsque, pour des raisons de coût, la batterie 17 est mutualisée dans les circuits de plusieurs entrées, celles-ci cessent d'être isolées et une différence de tension entre les différentes batteries 11 peut amener une dégradation du dispositif. Sur la figure 3, l'exemple de mode de réalisation représenté du dispositif selon la présente invention se propose d'utiliser un principe similaire à celui qui est illustré sur la figure 2, mais en rendant le dispositif totalement indépendant de la tension éventuellement présente aux bornes du contacteur d'actionnement 21. Un premier 40 circuit électrique met en série le contacteur d'actionnement 21, la résistance 22 (représentant par exemple la résistance dudit premier circuit électrique dans les installations industrielles) et l'enroulement secondaire du transformateur 24. Un premier condensateur 23 est avantageusement connecté aux bornes de l'enroulement secondaire 36 du transformateur 24 et un deuxième condensateur 25 est avantageusement connecté aux bornes de l'enroulement primaire 37, formant ainsi avantageusement un deuxième 41 circuit électrique. Les premiers 23 et deuxième 25 condensateurs, formant avantageusement le deuxième 41 circuit électrique comme représenté sur la figure 3, ont pour fonction d'accorder le transformateur 24 selon un mode résonant. De manière alternative (non représentée), le deuxième 41 circuit électrique comprend avantageusement un condensateur 23, de préférence unique, connecté aux bornes de l'enroulement secondaire 36 du transformateur 24, avec des valeurs telles que le transformateur 24 soit résonant et à condition que le circuit magnétique du transformateur 24 soit sans entrefer, aucun condensateur n'étant connecté aux bornes de l'enroulement primaire 37 du transformateur 24. De manière alternative (non représentée), le deuxième 41 circuit électrique comprend avantageusement un condensateur 25, de préférence unique, connecté aux bornes de l'enroulement primaire 37 du transformateur 24, avec des valeurs telles que le transformateur 24 soit résonant, aucun condensateur n'étant connecté aux bornes de l'enroulement secondaire 36 du transformateur 24. Un troisième circuit électrique 43 met en série, aux bornes 29 et 31 d'une fraction de l'enroulement primaire 37 du transformateur 24, deux résistances 33 et 34 formant un premier pont diviseur, une borne de référencement 30 à la masse électrique du dispositif et une résistance 26 de limitation du courant. Cette fraction 38 de l'enroulement primaire 37 du transformateur 24, prise pour l'exemple entre l'extrémité 29 et un point intermédiaire 31 du bobinage de cet enroulement primaire du transformateur 24, est calculée de façon à réduire au maximum l'amortissement dû à la faible impédance d'un amplificateur opérationnel 27 qui -6 sera décrit plus loin. Un quatrième circuit électrique 44 met en série aux bornes 28 et 29 de l'enroulement primaire 37 du transformateur 24 deux résistances 32 et 35 formant un deuxième pont diviseur, ladite borne de référencement 30 à la masse électrique du dispositif et ladite résistance de limitation du courant 26. Un cinquième circuit électrique 45 connecte l'entrée 'e-' de l'amplificateur opérationnel 27 au point milieu dudit premier pont diviseur constitué par les résistances 33 et 34 du troisième circuit 43, l'entrée 'e+' au point milieu dudit deuxième pont diviseur constitué par les résistances 32 et 35 du quatrième circuit 44, la sortie dudit amplificateur opérationnel 27 à la borne 31 de la fraction de l'enroulement primaire 37 du transformateur 24. L'amplificateur opérationnel 27 est avantageusement alimenté par deux tensions symétriques Vcc+ et Vcc- dont le point milieu est raccordé à ladite masse électrique, ces dernières n'étant pas représentées ici pour plus de commodité. Ledit amplificateur opérationnel 27 entretient les oscillations du transformateur 24 en fournissant un courant passant par les bornes 29 et 31 de la fraction 38 de l'enroulement primaire du transformateur 24 et par la résistance de limitation du courant 26. La réaction nécessaire à l'oscillation est ramenée à l'entrée e+ de l'amplificateur opérationnel 27 par le pont diviseur constitué par les résistances 32 et 35. Une limitation de l'amplitude de sortie est réalisée par la contre-réaction en rebouclant le signal de sortie sur le pont diviseur constitué par les résistances 33 et 34. La résistance 26 limite le courant de sortie de l'amplificateur opérationnel 27 lors des phases transitoires telles que le démarrage des oscillations. En application du montage de Hartley, la fréquence des oscillations du transformateur 24 est basse lorsque le contacteur d'actionnement 21 est ouvert et haute lorsque ce dernier est fermé. Les moyens de mesure 46 comparent la tension entre les bornes 29 et 31 de la fraction 38 de l'enroulement primaire du transformateur 24 à une référence de tension appropriée pour obtenir l'image de ces oscillations sous la forme d'un train d'impulsions logiques de fréquence identique à la fréquence des oscillations du transformateur 24. Le comptage de ces impulsions par unité de temps donne la valeur de la fréquence des oscillations du transformateur 24. Lorsque ladite fréquence des oscillations est inférieure à une première valeur prédéterminée, ledit contacteur d'actionnement 21 est lu en position ouverte, lorsque ladite fréquence des oscillations est supérieure à une deuxième valeur prédéterminée, ledit contacteur d'actionnement 21 est lu en position fermée. -7 -8 Bien que non détaillés dans la figure 3, lesdits moyens de mesure 46 comprennent un comparateur pour comparer ladite tension entre les bornes 29 et 31 à une référence de tension appropriée et un FPGA pour effectuer le comptage par unité de temps des impulsions logiques qui en résultent et comparer le résultat aux dites valeurs prédéterminées. En utilisant pour l'exemple un transformateur 24 constitué de deux bobines de 200 spires chacune et d'un noyau ferrite approprié et une tension d'alimentation de l'amplificateur opérationnel 27 de ± 8V, on obtient lorsque le contacteur d'actionnement 21 est ouvert une tension de claquage de 16 V et une fréquence d'oscillation du transformateur de 86 Khz qui, comparée à la valeur prédéterminée 90 Khz, donne la confirmation de la position ouverte du contacteur. Lorsque le contacteur est fermé, on obtient un courant de maintien de 36 mA et une fréquence d'oscillation du transformateur de 132 Khz qui, comparée à la valeur prédéterminée 120 Khz, donne la confirmation de la position fermée du contacteur.15 REVENDICATIONS1. Dispositif actif à dissipation réduite comportant un premier (40) circuit électrique connectant en série aux bornes d'un enroulement (36) secondaire d'un transformateur (24) comportant un enroulement primaire (37) et un enroulement secondaire (36), un contacteur d'actionnement (21) et au moins une résistance (22), caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en outre : • Un deuxième (41) circuit électrique connectant au moins un condensateur (23, 25) aux bornes d'au moins un desdits deux enroulements primaire (36) et secondaire (37) dudit transformateur (24), • Un troisième circuit électrique (43) connectant en série à une fraction (38) dudit enroulement primaire du transformateur (24), un premier pont diviseur (33, 34), une borne (30) de référencement à la masse électrique du dispositif et au moins une résistance (26) de limitation du courant, • Un quatrième circuit électrique (44) connectant en série aux bornes dudit enroulement primaire du transformateur un deuxième pont diviseur (32,35), ladite borne (30) de référencement à la masse électrique du dispositif et lesdites résistances (26) de limitation du courant, • Un cinquième circuit électrique (45) raccordant les deux entrées 'e-' et 'e+' d'un amplificateur opérationnel (27) respectivement aux points milieux desdits premier (33, 34) et deuxième (32, 35) ponts diviseurs et la sortie dudit amplificateur opérationnel à ladite fraction (38) de l'enroulement primaire dudit transformateur (24), • Des moyens d'alimentation dudit amplificateur opérationnel (27), • Des moyens de mesure (46) permettant la mesure de la fréquence des oscillations dudit transformateur (24) et sa comparaison à deux plages prédéterminées définissant respectivement les deux états dudit contacteur d'actionnement (21). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième (41) circuit électrique comprend au moins un premier (23) et au moins un deuxième (25) dits condensateurs, respectivement connectés sur les enroulements secondaire (36) et primaire (37) dudit transformateur (24), avec des valeurs telles30- 10 - que ledit transformateur soit résonant. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième (41) circuit électrique comprend au moins un condensateur (23) connecté aux bornes de l'enroulement secondaire (36) dudit transformateur (24), avec des valeurs telles que ledit transformateur (24) soit résonant et à condition que le circuit magnétique dudit transformateur (24) soit sans entrefer, aucun condensateur n'étant connecté aux bornes de l'enroulement primaire (37) dudit transformateur (24). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième (41) circuit électrique comprend au moins un condensateur (25) connecté aux bornes de l'enroulement primaire (37) dudit transformateur (24), avec des valeurs telles que ledit transformateur soit résonant, aucun condensateur n'étant connecté aux bornes de l'enroulement secondaire (36) dudit transformateur (24). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (46) sont connectés aux bornes dudit enroulement primaire (37) ou aux bornes de ladite fraction (38) de l'enroulement primaire du transformateur (24). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite fraction (38) de l'enroulement primaire du transformateur (24) est comprise entre 10 et 35 % de la totalité de l'enroulement primaire (37) dudit transformateur (24). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation de l'amplificateur opérationnel (27) fournissent à ce dernier une tension Vcc+ et une tension Vcc- symétriques dont le point milieu est raccordé à ladite masse électrique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (46), permettant la mesure de la fréquence- 11 - des oscillations dudit transformateur et sa comparaison à deux plages prédéterminées définissant respectivement les deux états dudit contacteur d'actionnement, comprennent un circuit logique de type FPGA.