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CA 02363200 2001-11-21
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CIRCUIT ÉLECTRIQUE POUR LA TRANSMISSION D'UNE INFORMATION
D'ÉTAT, NOTAMMENT D'UN ORGANE MATÉRIEL FERROVIAIRE ROULANT,
ET SYSTEME ÉLECTRIQUE INCORPORANT UN TEL CIRCUIT
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
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la
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.
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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
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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.
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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.
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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.
5 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
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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 < E,
VA la tension au point A et Vp la tension au point P.
Les capacités des condensateurs 10 et 13 seront choisies de façon à ce que C13
CIo, 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 iid 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 -~g
à + ~g au temps t=0. L'inductance 6 de valeur L est alors soumise à la tension
délivrée
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.
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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 13 de la deuxième branche 9 en suivant la relation :
,AQcIo= CIo * AU = Cio* (VA(-to<t<0) - ( - 2g )- (VA(O<t<to) - 2g ))
avec VA(-tO<t<O) _ E-Vc-Vd-Vled et VA(O<t<tO) = E+Vd.
D'où OQcIo=Cio * (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 Clo) 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, en suivant la relationDii,.d (t)= Vc + 2 * Vd + Vled L *dz,
l'inductance 6 jouant
alors le rôle de générateur de courant. La valeur L de l'inductance étant
grande, on a donc
Vc+2*Vd+Vled
Diied (to)= - L *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 + Vg à
2
- 2g 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 :
OQcio = CIo* (Vg-Vc-2*Vd-Vled).
Le condensateur 10 retrouve donc la charge qu'il avait perdu durant la
première phase.
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Aux bornes du condensateur 10, DU(t)= L''' * t avec iied 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 :
Vt = 2tn - Vt = tn
VA(t)= * t + Vt = ro
to
on obtient :
VA(t) = (Vg-Vc-Vd -Vled)-(E+Vd -Vg) *t+E+Vd -Vg,
to
_ Vg-Vc-2*Vd -Vled
Soit VA(t) - *t+E+Vd -Vg,
to
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 - Vled) - (E + Vd - Vg) t + E +
Vd - Vg
to
(Vg - Vc - 2 * Vd - Vled) SoitU~(t)=- * t + (Vg - Vc - 2 * Vd - Vled)
to
Et
1 (Vg-Vc-2*Vd -Vled)
DiL(t)=- J *z+(Vg-Vc-2*Vd-Vled) dz
L o to
soit
OiL(t) - Vg - Vc - 2* Vd - Vled * (t - t2 )
L 2*to
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
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l'interrupteur 5, en régulant le rapport cyclique, ici pris égal à a= to = 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 11 est 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 etlou 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.
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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
5 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.
10 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.
