FR2808631A1

FR2808631A1 - Logical input circuit for a controller in rail vehicles or power transmission, uses two series diodes connecting input to opto-coupler, with clock signal injected at junction of the two diodes

Info

Publication number: FR2808631A1
Application number: FR0005659A
Authority: FR
Inventors: Patrick Piron
Original assignee: Erim S A
Current assignee: Erim S A
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2001-11-09
Anticipated expiration: 2020-05-03
Also published as: FR2808631B1

Abstract

The circuit has two series diodes (17,18) connected in the same sense. The first has its anode connected to the input, and the second has its cathode connected to an opto-coupler (24) through a series resistor (23). A square-wave clock (H) is supplied to the junction of the diodes through a capacitor (20). Filter capacitors (16,19) are connected across input and output of the diode circuit.

Description

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. The present invention applies to the field of electronic and electronic computers, embedded or not, equipped with logic input interfaces. More particularly, this invention relates to a logic input device for gender automaton, which provides a significant advantage when an electric current of high intensity, in particular greater than 5 milliamperes, is required either for reasons of immunity to parasites, either for electrotechnical reasons. Such a logic input device has privileged areas of application, such as rail, on-board or ground automation, and energy telecontrol systems.

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. Among the current solutions, there are known conventional resistive load input schemes, the principle of which is illustrated in FIG. 1 of the appended schematic drawing. The limitation of the intensity of the current is made through a resistor 2. This scheme, very simple and economical, has a good reliability but dissipates a large power, according to the formula P = U.I, in thermal form. In addition, such a scheme requires the value change of the resistor 2 for each voltage. The heat dissipation remains, for this type of logic input scheme, a significant obstacle to a strong integration.

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). Another known device logic input device, described in the same French patent application N 2 782 184, uses a Flyback energy conversion scheme to avoid heat dissipation and not to degrade the energy but rather to transfer it to a second stage, responsible for restoring this energy to the train battery (considering an on-board rail application).

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. This type of converter, illustrated in FIG. 2, uses a first input transformer 3, the primary of this transformer 3 belonging to an input circuit 4 with a hash transistor 5. The secondary of the transformer 3 is connected to a rectifying circuit 6 to diode 7, coupled via a second transformer 8 to a circuit 9 constituting the energy recovery stage, in connection with the battery. The diagram is completed by various filtering means (here not detailed), leaving out of the assembly outside the continuous components.

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. This scheme has the advantage of not heating. However, it remains expensive because of the so-called Flyback structure which requires a transformer capable of storing the conduction phase energy (energy transmission is in blocking phase), such a transformer necessarily being bulky. In addition, the control of the hash transistor 5 remains delicate and can create a common mode of failures since, for economic reasons, it can be sought to make it unique for several inputs. Finally, no self-test mode is provided in the aforementioned patent application.

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. It has also been proposed, as a logic input diagram, a much simpler assembly than the previous one, called Buck boost, voltage booster, which is illustrated in the figure This assembly uses a hash transistor, driven by a clock ( not shown) providing a square signal. The circuit accumulates energy in the inductor 11, in the conduction phase of the transistor 10. In the blocking phase of the transistor 10, the inductor 11 opposes the current variation and therefore raises the voltage in the capacitor 12, the current flowing through the resistor 13 to be returned to the battery. The detection of the logic input level is performed by a device 14 of the optocoupler type, or equivalent.

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. In this case, as in the previous, it is a diagram of the switching power supply type constituting a power converter applied to the logic input function.

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. The circuit of Figure 3 retains, for inconvenience, the fact that the hash transistor 10 is a weak point of reliability; given the presence of a transistor input, it can not be too oversized. The control of this transistor is either unique, and in this case constitutes a common failure mode (the destruction of a gate insulator being a phenomenon that is not exceptional in terms of failure mode), or there is a command per stage and, in this case, the cost is important. In addition, no self-test function is provided, at least in the initial design of this arrangement.

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. The present invention aims to avoid the drawbacks of the known logic input schemes mentioned above, by providing a logic input device that solves more easily and economically the problem posed by the passage of a large current under high voltage, without heating, the proposed device to minimize the common modes of failure, and not have a first-order fault not detected leading to a rejection of a voltage outside the assembly, the device must naturally ensure the detection of the passage of the current to validate the logic state, and also comprising a self-test function making it possible to check the integrity of the whole of this device.

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. For this purpose, the subject of the invention is a logic input device for an automaton, computer or the like, which essentially comprises two diodes connected in series, in the same direction, the first diode being in relation with an input voltage and the second diode being connected to a circuit branch including a resistor and a current detector, such as an optocoupler type detector, while a capacitor connecting the intermediate point between the two diodes to a point receiving shape clock signals square and amplitude of voltage equivalent to the voltage of a logic level "V ' permanent, to which also connected the circuit branch with resistance and detector.

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. The device may further comprise a filter capacitor placed in front of the first diode, between the latter and the ground, another filtering capacitor placed behind the second diode, between the latter and the ground.

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. Advantageously, the device further comprises, at its input, a transil-type diode mounted in front of the aforesaid first diode, between the latter and the ground, which serves as a protection and self-test diode, in particular for a self-test procedure. self-test consisting in giving, to the clock signal applied to the capacitor connected to the intermediate point of the two diodes in series, a square shape with alternating half-periods of positive voltage and half-periods of negative voltage.

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. The device proposed by the invention thus solves the thermal problem, with the fundamental difference, compared to the known diagrams, the absence of transistor or other switching element controlled in the input circuit, the diagram having components of the kind capacitor, diode and current detector. The principle used by the device according to the invention is that of the charge pump, ensuring the flow of a current in the circuit branch monitored by the detector.

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. Overall, the logic input device object of the invention has the following advantages - This device is of a remarkably simple and economical structure, especially since it does not include active components of the transistor type.

- 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. - The device allows a self-test, performed in a simple way through transit-type diode which also serves as a protection element against overvoltages coming from the outside.

- 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. - This device is a very safe operation, because it requires a double failure, namely that of the two diodes connected in series so that the battery voltage is directly transferred to the input of the assembly.

- En cas de pluralité d'entrées logiques, celles-ci restent totalement indépendantes les unes des autres. - In case of a plurality of logic inputs, these remain totally independent of each other.

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. The invention will in any case be better understood with the aid of the description which follows, with reference to the appended schematic drawing representing, by way of example, an embodiment of this logic input device for an automaton, and illustrating its operation Figures 1 to 3 (already mentioned) illustrate logical input patterns of the state of the art; Figure 4 is a block diagram of the logic input device object of the invention; Figure 5 is a diagram illustrating the clock signals of the circuit of Figure 4, in normal operation; Figure 6 is a diagram illustrating the clock signals of the circuit of Figure 4, in self-test mode; Figure 7 shows a completed circuit for reasons of electromagnetic compatibility.

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. The arrangement shown in FIG. 4, and corresponding to the logic input device according to the present invention, is realized according to the principle of the charge pump and comprises the following components - a transit type diode 15 at the input of the circuit; a first capacitor 16, in parallel with the transit diode 15; a diode 17, connected to a terminal of the diode 15 and the capacitor 16; another diode 18, mounted in series with the diode 17 and in the same direction; a second capacitor 19, in parallel with the capacitor 16, but on the output side of the diode 18; a third capacitor 20, connecting the intermediate point 21, between the diodes 17 and 18, to a point 22 connected to a clock (not shown); a resistor 23 in series with the diodes 17 and 18; a current detector 24 of the optocoupler type, in series with the resistor 23; a protection diode 25, in parallel with the detector 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. The three circuit branches, which respectively comprise the diode 15 and the capacitors 16 and 19, are connected to the ground, indicated at 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). In normal operation, as illustrated in FIG. 5, the point 22 receives clock signals H of high frequency F, which are square signals of amplitude of voltage equal to + Bat (maximum value of the 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 . The input voltage Ve of the circuit is equal to either + Bat or zero. For an input voltage Ve equal to + Bat, the input current has an intensity I greater than a preset value 1o, and the input is at logic level 1. For a zero input voltage Ve, the intensity I is also equal to zero, and the input is at logic level 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. For an input voltage Ve equal to + Bat, and during the phase where the clock signal H is 0 volts, the capacitor 20 charges at the voltage + Bat and stores a given energy by the formula W = (1 / 2) CVz. When the clock signal H is + Bat, the capacitor 20 is at the potential 2 x (+ Bat), the capacitors 16 and 19 ensuring the continuous filtering.

Le courant s'établit alors dans la résistance 23, et il est détecté par le détecteur de type optocoupleur 24. The current is then established in the resistor 23, and it is detected by the optocoupler type detector 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. As can easily be seen, it would be necessary here to a simultaneous failure of the two diodes 17 and 18, so that the reference voltage + Bat is transmitted to the voltage input Ve. In addition, by using a class Y capacitor 20, i.e. a capacitor whose failure mode is the open circuit, no fault on a logic input circuit can block the operation of the other inputs, in the multiple entries.

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. To perform the self-test of the circuit, it is unchanged and it suffices to give the clock signal H the form illustrated in FIG. 6. Still of square shape, this signal comprises half-periods at a positive voltage. + Bat, which alternate with half-periods at a negative voltage - 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. The input voltage Ve being kept at zero, the capacitor 20 is charged under the voltage + Bat, between the point 22 at the voltage + Bat and the point 21 at zero voltage. Through the diodes 15 and 17, a current is established and also traverses the resistor 23, this current being detected by the optocoupler-type detector 24, which makes it possible to check the correct operation of the assembly.

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. The transit-type diode 15 serves here not only as a self-test diode, as just described, but also a surge protection diode coming from the outside.

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. As shown in FIG. 7, the previously described assembly, indicated here overall in the form of a block 27, can be framed, on the side of its input and its output, for reasons of electromagnetic compatibility, by filters 28 and 29, LC type or n or others. The output filter 29 may be unique and common, for a group of inputs.

Le dispositif, précédemment décrit, est applicable notamment à des entrées logiques d'automates ferroviaires, embarqués ou non. The device, previously described, is applicable in particular to logic inputs of railway automatons, embedded or not.

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.It goes without saying that the invention is not limited to the sole embodiment of this logic input device for an automaton which has been described above, by way of example; it embraces, on the contrary, all variants of implementation and application respecting the same principle.

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. Thus, in particular, one would not depart from the scope of the invention - by placing the optocoupler-type detector 24 directly behind the diode 18, for pulsed current detection, allowing a synchronous capture of the current intensity value; using all means equivalent to those described, the optocoupler type detector 24 being thus replaceable by any equivalent current detector; by providing any means or arrangements for providing further improved protection, for example by calibrating the resistor 23 in power to act as a fuse, which secures the operation of the assembly, or by redundant generation of clock signals H, for more reliability; - by targeting the device to PLCs or computers used in all industrial domains, as long as they are equipped with logical input interfaces.

Claims

CLAIMS 1 - Logic input device for PLC, computer or the like, characterized in that it comprises two diodes (17, 18) connected in series, in the same direction, the first diode (17 ) being connected to an input voltage (Ve) and the second diode (18) being connected to a circuit branch including a resistor (23) and a current detector, such as an optocoupler type detector (24), while a capacitor (20) connects the intermediate point (21) between the two diodes (17, 18) to a point (22) receiving clock signals (H) of square shape and voltage amplitude equivalent to the voltage of a logic level "1" permanent (+ Bat), which is also connected the circuit branch with resistance (23) and detector (24). 2 - logic input device according to claim 1, characterized in that the resistor (23) is calibrated in power to act as a fuse. 3 - logic input device according to claim 1 or 2, characterized in that the optocoupler type detector (24) is placed directly behind the second diode (18). 4 - Logic input device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a filter capacitor (16) placed in front of the first diode (17), between the latter and the ground (26). ), and another filter capacitor (19) placed behind the second diode (18), between the latter and the ground (26). 5 - A logic input device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises, at its input, a transil type diode (15) mounted in front of the first diode (17), between the ci and the ground (26), which serves as a protective diode and self-test, in particular for a self-test procedure of giving, to the clock signal (H) applied to the capacitor (20) connected to the intermediate point (21) of the two diodes in series (17, 18), a square shape with alternating half-periods of positive voltage (+ Bat) and half-periods of negative voltage (- Bat). 6 - Logic input device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the capacitor (20), connected to the intermediate point of the two series diodes (17, 18), is a capacitor whose mode of failure is the open circuit.