FR2819656A1 - Limiteur de tension pour circuit interface d'un bus de communication - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de limitation d'une tension d'alimentation continue (VBUS ) d'un bus de communication (5), alimentant un circuit interface (20) d'un constituant d'automatisme (1). Le bus de communication (5) comporte deux conducteurs métalliques véhiculant simultanément la tension d'alimentation pour le circuit interface (20) et les trames de communication du bus (5). Le dispositif de limitation (10) comprend un circuit limiteur (30) destiné à réguler la tension d'alimentation du bus de communication (5) à une valeur de fonctionnement (VIN ) inférieure à (VBUS ) et un circuit de symétrisation d'impédance (40) qui est monté en série avec le circuit limiteur (30), le circuit interface (20) et un circuit de protection (50) entre des bornes d'entrée (11, 12) du dispositif de limitation (10). Le bus de communication (5) est par exemple le bus AS-i.
Description
Dans un bus de communication véhiculant sur deux conducteurs des trames de
communication ainsi qu'une tension d'alimentation pour des constituants d'automatisme connectés à ce bus de communication, la présente invention concerne un dispositif de limitation de la tension d'alimentation du circuit interface d'un constituant d'automatisme. L'invention concerne aussi un constituant d'automatisme
comportant un tel dispositif de limitation.
Pour faciliter la mise en oeuvre de certains constituants d'automatisme susceptibles de s'y connecter, il existe des bus de communication, particulièrement des bus de terrain dans le monde des automatismes industriels et des automatismes du bâtiment, qui véhiculent, simultanément avec leurs trames de communication, une tension d'alimentation continue. Cette tension d'alimentation permet d'alimenter notamment les circuits électroniques, appelés "circuit interface", qui gèrent la communication avec le bus à l'intérieur des constituants d'automatisme. Le bus de
terrain AS-i (Actuator Sensor Interface) répond par exemple à ces caractéristiques.
Grâce à cela, tout constituant d'automatisme, par exemple du type capteur ou actionneur, peut se connecter au bus sans avoir à recourir à une alimentation spécifique, ce qui évite des surcoûts et des encombrements qui pourraient être
rédhibitoires pour la mise en oeuvre de petits constituants.
Cependant, les constituants d'automatisme connectables à un tel bus de communication sont souvent de volume très réduit et sont amenés à travailler à des températures ambiantes élevées. Il peut donc être difficile de dissiper les calories générées par le(ou les) circuit(s) électronique(s) gérant la communication. C'est le cas par exemple du circuit interface A2Si (Advanced AS-i) qui est un composant électronique chargé de la gestion du bus AS-i. Si la tension d'alimentation du bus et la température ambiante sont trop élevées, alors l'échauffement du circuit interface peut devenir trop important et amener un dysfonctionnement. Etant donné que la consommation du circuit interface est constante quelle que soit la valeur de la tension d'alimentation, une solution au problème posé consisterait alors à diminuer et à réguler
la valeur de la tension d'alimentation continue provenant du bus de communication.
Toutefois cette diminution ne devra évidemment pas affecter les trames de communication du bus qui circulent en même temps que la tension d'alimentation et c'est pourquoi une solution classique de limitation de tension ne peut pas s'appliquer
dans ce cas.
L'invention a donc pour but de proposer une solution pour abaisser et réguler la tension d'alimentation continue d'un bus de communication tout en garantissant en même temps le bon acheminement des trames de communication aussi bien en
émission qu'en réception.
Pour cela, I'invention décrit un dispositif de limitation d'une tension d'alimentation continue VBUS d'un bus de communication alimentant, entre une borne positive et une borne négative, un circuit interface d'un constituant d'automatisme, le bus de communication comportant deux conducteurs véhiculant simultanément la tension d'alimentation pour le circuit interface ainsi que les trames de communication du bus. Le dispositif de limitation comprend un circuit limiteur destiné à réguler la tension d'alimentation du bus de communication à une valeur de fonctionnement VIN inférieure à VBUS, et un circuit de symétrisation d'impédance monté en série avec le circuit limiteur et le circuit interface entre une borne d'entrée positive et une borne
d'entrée négative du dispositif de limitation.
Le dispositif de limitation comprend également un circuit de protection du
circuit interface monté en série avec le circuit de symétrisation d'impédance.
L'invention concerne également un constituant d'automatisme raccordé à un bus de communication et comportant un tel dispositif de limitation de la tension d'alimentation.
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description
détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une architecture d'un constituant d'automatisme connecté à un bus de communication, par l'intermédiaire d'un circuit interface et d'un dispositif de limitation de tension conforme à l'invention, - la figure 2 montre la structure interne d'un dispositif de limitation de tension, - la figure 3 donne un schéma de réalisation préféré montrant les différents constituants du dispositif de limitation,
- la figure 4 détaille un exemple de réalisation d'un amplificateur de courant.
La figure 1 représente un constituant d'automatisme 1 connecté sur un bus de communication 5. Le bus de communication 5 est supporté par deux conducteurs 6a,6b qui véhiculent simultanément d'une part les trames de communication circulant sur le bus 5 et d'autre part une tension d'alimentation continue de valeur VBUS destinée à alimenter les différents constituants connectés au bus 5. Le constituant d'automatisme 1 comporte au moins un circuit application 2 qui communique avec le bus de communication 5 par l'intermédiaire d'un circuit interface 20. Le rôle du circuit interface 20 du constituant d'automatisme 1 est de transformer les trames reçues en provenance du bus de communication 5 en ordres/commandes 3 à destination du circuit application 2 du constituant 1 et de transformer les informations de retour 3 envoyées par le circuit application 2 en trames émises sur le bus de communication 5. De plus, le circuit interface 20 est chargé de fournir une tension d'alimentation VOUT pour le circuit application 2 à partir de la tension d'alimentation VBUS. Le bus de communication 5 peut être par exemple un bus de
terrain de type AS-i et le circuit interface 20 un circuit intégré tel qu'un composant A2Si.
Ce bus est flottant par rapport à la terre (PE).
Selon l'invention, le circuit interface 20 est alimenté à partir de la tension d'alimentation présente sur les conducteurs 6a,6b du bus 5 par l'intermédiaire d'un dispositif de limitation de tension 10. En référence aux figures 1 et 2, la borne d'entrée positive 11 et la borne d'entrée négative 12 du dispositif de limitation 10 sont donc raccordées respectivement aux conducteurs 6a,6b du bus de communication 5, par exemple au moyen de conducteurs de dérivation respectivement 7a,7b. De l'autre côté, le dispositif de limitation 10 est raccordé à des bornes d'entrées positive 21 et
négative 22 du circuit interface 20 par des conducteurs respectivement 8a, 8b.
Le but de l'invention est de diminuer et de réguler la valeur VBUS de la tension d'alimentation aux bornes d'entrées 11,12 du dispositif de limitation 10 jusqu'à une valeur de fonctionnement régulée VIN aux bornes d'entrées 21,22 du circuit interface , tout en laissant passer sans altération les trames de communication émises et reçues par le circuit interface 20 sur ces mêmes conducteurs 7a,7b,8a,8b. Ces trames de communication sont acheminées par des signaux à moyennes fréquences,
typiquement de l'ordre de 167 KHz dans le cas du bus AS-i.
Pour cela, d'après la figure 2, le dispositif de limitation 10 comporte un circuit limiteur 30 disposé entre la borne positive 11 du dispositif de limitation 10 et la borne positive 21 du circuit interface 20 et un circuit de symétrisation d'impédance 40 disposé entre la borne négative 12 du dispositif de limitation 10 et la borne négative 22 du circuit interface 20. De plus, le dispositif de limitation 10 comporte un circuit de protection 50 qui est monté en série avec le circuit de symétrisation 40 entre les bornes négatives 12 et 22: dans l'exemple de la figure 2, le circuit de protection 50 est relié entre la borne négative 12 du dispositif de limitation 10 et le circuit de symétrisation 40. Le circuit limiteur 30 est chargé de réguler la tension continue VBus à une tension continue VIN inférieure à VBUS. Le circuit de protection 50 est chargé de protéger le circuit interface 20 contre un mauvais raccordement, comme un raccordement inversé entre les conducteurs 6a,6b et 7a,7b, qui serait susceptible
d'endommager le circuit interface 20.
Le circuit de symétrisation 40 est chargé de symétriser l'impédance d'entrée du dispositif de limitation 10, en compensant le couplage capacitif parasite généré par
la présence du circuit limiteur 30, par rapport à la terre (PE).
Selon un mode de réalisation préféré représenté en figure 3, le circuit limiteur comporte une diode Zener Z1, deux résistances R1 et R2, un amplificateur de courant 35 et deux capacités de couplage des trames Cl et C2. La diode Zener Zl et la première résistance R1 sont branchées en série entre la borne d'entrée positive 11 et la borne d'entrée négative 12 du dispositif de limitation 10. La diode Zener Z1 doit être choisie pour avoir un courant de polarisation très faible. La première résistance RI1 doit avoir une valeur importante (par exemple supérieure à 100k) de façon à ne pas perturber l'impédance du dispositif 10 et de façon à ne dériver par le chemin de courant 11,R1,Zl,12 qu'une infime proportion du courant traversant le circuit limiteur (par exemple, la proportion du courant dérivé est typiquement inférieure à 1%0 en courant continu). Ainsi, il est possible de considérer que le circuit limiteur 30, le circuit interface 20, le circuit de symétrisation 40 et le circuit de protection 50 sont montés en série entre les bornes d'entrées positive 11 et négative 12, puisque la quasi-totalité du courant arrivant sur la borne d'entrée positive 11 traverse le circuit limiteur 30, puis le circuit interface 20 et ressort vers la borne d'entrée négative 12 en traversant le circuit
de symétrisation 40 et le circuit de protection 50.
L'amplificateur de courant 35 comporte une entrée base 36, une entrée collecteur 37 et une sortie émetteur 38. L'entrée base 36 est connectée à la borne d'entrée positive 11 par l'intermédiaire de la première capacité de couplage C1, l'entrée collecteur 37 est connectée directement à la borne d'entrée positive 11 et la sortie émetteur 38 est connectée à la borne positive 21 du circuit interface 20 par le conducteur 8a. Le rôle de l'amplificateur de courant 35 est d'une part d'amplifier le courant continu alimentant le circuit interface 20, mais aussi de réguler la tension d'alimentation du circuit interface 20 et d'être capable de transmettre les trames de communication du bus 5 arrivant au circuit interface 20. Selon un mode de réalisation avantageux détaillé en figure 4, I'amplificateur de courant 35 est constitué de deux
transistors T1 et T2 disposés entre eux dans un montage de type Darlington.
L'émetteur du transistor T1 est relié à la base du transistor T2, la base du transistor T1 est reliée à l'entrée base 36, les collecteurs des deux transistors T1 et T2 sont reliés à
I'entrée collecteur 37 et l'émetteur du transistor T2 est relié à la sortie émetteur 38.
Cette disposition permet d'amplifier fortement le courant de polarisation entrant dans la base du transistor T1. De façon équivalente, d'autres variantes pourraient être envisagées pour l'amplificateur de courant 35: notamment celui-ci ne pourrait être constitué que d'un transistor unique possédant un gain en courant très élevé, par
exemple un gain HFE > 30000.
La seconde résistance R2, d'une valeur proche de celle de la première résistance R1, a une extrémité connectée entre la diode Z1 et la première résistance R1 et l'autre extrémité raccordée avec l'entrée base 36 de l'amplificateur de courant 35. Cette seconde résistance R2 bloque les trames de communication mais permet de
polariser sous très faible courant la base du transistor T1.
La première capacité de couplage C1 est placée entre l'entrée base 36 de l'amplificateur de courant 35 et la borne positive 11, de façon à laisser passer vers la base du transistor T1 les trames de communication en provenance du bus 5. Elle peut
être choisie par exemple de l'ordre de 220 pF.
La deuxième capacité de couplage C2 est raccordée directement entre la borne positive 21 du circuit interface 20 et la borne d'entrée positive 11 du dispositif de limitation 10. Son rôle est de laisser passer les trames de communication émises par le circuit interface 20 en direction du bus de communication 5. Avantageusement, la valeur de C2 est choisie de l'ordre de 2 F. Dans l'exemple de la figure 3, le circuit de protection 50 est constitué d'une diode D1 montée de façon à ce que, en cas d'inversion de polarité aux bornes d'entrée 11 et 12 (par exemple, en cas de branchement inverse des conducteurs 6a avec 7b et 6b avec 7a, entraînant un raccordement du + sur la borne 12 et raccordement du - sur
la borne 11), le circuit interface 20 soit protégé par le blocage de la diode D1.
Le circuit interface 20 fonctionne donc avec une tension VIN régulée par la valeur du seuil (= Vz) de la diode Zener Z1 diminuée principalement par les chutes de tension dans l'amplificateur de courant 35 et dans la diode D1 (= VD). Ainsi, avec l'utilisation du montage Darlington, la valeur Vz de la diode Zener Z1 fixe la tension régulée VIN selon la règle suivante: VIN = VZ - 2*VBE - VD, dans lequel VBE représente les chutes de tension dans les jonctions Base/Emetteur des transistors T1 et T2. Dans le cas du bus AS-i, la valeur VBUS de la tension d'alimentation peut varier entre 18,5V et 31,6V suivant la topologie du bus de communication 5 et la position du constituant d'automatisme 1 sur le bus. Si la diode Zener Z1 est choisie avec un seuil de 19V par exemple, la valeur VIN de la tension d'alimentation du circuit interface 20 sera alors régulée à une valeur de l'ordre de 17V. Ceci permet donc de fortement diminuer la puissance électrique dissipée par le circuit interface notamment par rapport au cas o celui-ci serait alimenté avec une tension VBus maximum. On limite ainsi
avantageusement l'élévation de température dans le constituant d'automatisme 1.
La mise en place du circuit limiteur 30 génère toutefois une dissymétrie d'impédance par rapport à la terre, ce qui par conséquent perturbe la communication sur le bus 5. C'est pourquoi il est nécessaire de symétriser l'impédance d'entrée du circuit de limitation 10 par rapport à la terre, afin de ne pas dégrader significativement les trames de communication au niveau des bornes 21,22 du circuit interface 20. Pour cela, on ajoute le circuit de symétrisation 40 lequel est constitué d'une capacité de symétrisation C3 et d'une résistance de symétrisation R3 montées en parallèle. Pour améliorer la symétrie de l'impédance d'entrée, la valeur de la capacité de symétrisation C3 est choisie sensiblement égale à la valeur de la deuxième capacité de couplage C2 et la valeur de la résistance de symétrisation R3 est choisie égale à quelques Ohms (par exemple de l'ordre de 1,2 Ohms) de façon à autoriser le passage du courant continu sans présenter une chute de tension importante à ses bornes. Ainsi, le circuit de symétrisation 40 permet de symétriser les couplages capacitifs parasites par
rapport à la terre et donc l'impédance d'entrée du circuit de limitation 10.
Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de
moyens équivalents.
Claims (12)
1. Dispositif de limitation d'une tension d'alimentation continue (VBUS) d'un bus de communication (5) alimentant, entre une borne positive (21) et une borne négative (22), un circuit interface (20) d'un constituant d'automatisme (1), le bus de communication (5) comportant deux conducteurs métalliques (6a,6b) qui véhiculent simultanément la tension d'alimentation pour le circuit interface (20) et les trames de communication du bus (5), caractérisé par le fait que le dispositif de limitation (10) comprend un circuit limiteur (30) destiné à réguler la tension d'alimentation du bus de communication (5) à une valeur de fonctionnement (VIN) inférieure à (VBus), et un circuit de symétrisation d'impédance (40) monté en série avec le circuit limiteur (30) et le circuit interface (20) entre une borne d'entrée
positive (11) et une borne d'entrée négative (12) du dispositif de limitation (10).
2. Dispositif de limitation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif de limitation (10) comporte également un circuit de protection (50) du circuit interface (20) monté en série avec le circuit de symétrisation (40) entre la borne négative (12) du dispositif de limitation (10) et la borne négative (22) du
circuit interface (20).
3. Dispositif de limitation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit limiteur (30) comporte un amplificateur de courant (35) comportant une
entrée base (36), une entrée collecteur (37) et une sortie émetteur (38).
4. Dispositif de limitation selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'amplificateur de courant (35) est constitué par deux transistors (T1,T2) disposés
dans un montage de type Darlington.
5. Dispositif de limitation selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le circuit limiteur (30) comporte une deuxième capacité de couplage (C2) raccordée directement entre la borne positive (21) du circuit interface (20) et la
borne d'entrée positive (11) du dispositif de limitation (10).
6. Dispositif de limitation selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le circuit limiteur (30) comporte une première résistance (R1) et une seconde résistance (R2), de valeur sensiblement égale, montées en série entre la borne d'entrée positive (11) du dispositif de limitation (10) et l'entrée base (36) de
l'amplificateur de courant (35).
7. Dispositif de limitation selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le circuit limiteur (30) comporte une diode Zener (Z1) montée en série avec la première résistance (R1) entre la borne d'entrée positive (11) et la borne d'entrée
négative (12) du dispositif de limitation (10).
8. Dispositif de limitation selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le circuit limiteur (30) comporte une première capacité de couplage (Cl) connectée entre la borne d'entrée positive (11) du dispositif de limitation (10) et
I'entrée base (36) de l'amplificateur de courant (35).
9. Dispositif de limitation selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le circuit de symétrisation (40) est constitué d'une résistance de symétrisation (R3) et d'une capacité de symétrisation (C3) montées en parallèle, permettant de
symétriser l'impédance d'entrée du circuit de limitation (10) par rapport à la terre.
10. Dispositif de limitation selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la valeur de la capacité de symétrisation (C3) est sensiblement égale à la valeur
de la deuxième capacité de couplage (C2).
11. Dispositif de limitation selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé par le fait que le bus de communication (5) est le bus AS-i (Actuator
Sensor Interface).
12. Constituant d'automatisme raccordé à un bus de communication (5) comportant deux conducteurs (6a,6b) qui véhiculent simultanément une tension d'alimentation continue et les trames de communication du bus (5), caractérisé par le fait que le constituant d'automatisme comporte un dispositif de limitation (10) de
la tension d'alimentation selon l'une des revendications précédentes.
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