EP0822907B1 - Cellule d'entrees alternatives destinee a des circuits d'acquisition d'informations - Google Patents

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EP0822907B1
EP0822907B1 EP96908937A EP96908937A EP0822907B1 EP 0822907 B1 EP0822907 B1 EP 0822907B1 EP 96908937 A EP96908937 A EP 96908937A EP 96908937 A EP96908937 A EP 96908937A EP 0822907 B1 EP0822907 B1 EP 0822907B1
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or vehicle train, e.g. pedals
    • B61L1/20—Safety arrangements for preventing or indicating malfunction of the device, e.g. by leakage current, by lightning
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
    • G08B29/16—Security signalling or alarm systems, e.g. redundant systems

Definitions

  • the present invention relates essentially to a cell for alternative inputs intended for information acquisition circuits, and more particularly in the rail industry.
  • EP-A-0 183 406 discloses an alternative input cell according to the preamble of claim 1.
  • the present invention aims to provide a cell for alternative inputs intended for circuits of information acquisition, and in particular in the railway sector, which exhibits behavior at least equivalent in terms of security than that of the state technique while keeping its own advantages, which are a smaller footprint, greater ease of maintenance and adaptation as well as longevity superior.
  • the present invention aims to propose a cell where the reading in error is carried out always in the direction of safety.
  • the present invention also aims to detect failures that could occur in different building blocks of the cell.
  • the present invention further aims to minimize influence of variation in characteristics of components used under the influence of an external factor such than a rise in temperature, for example.
  • the present invention relates to a cell for alternative inputs containing the characteristics according to claim 1.
  • the elements constituting each of two detection devices mentioned above are arranged on a branch, the two branches being arranged in parallel.
  • the elements constituting the device of detection for negative alternation are arranged in reverse mounting compared to those constituting the device detection for positive alternation.
  • the two detection devices are arranged in series on the same plugged.
  • the elements constituting the device detection for negative alternation are mounted in reverse mounting compared to those constituting the device detection for positive alternation.
  • each of the optocouplers a resistance in parallel, so as to allow the limitation of the influence of the leakage current of the zener diodes.
  • the device according to the present invention is essentially composed of two branches called branches A and B, which respectively include a device detection of a voltage higher than the reference for positive alternation at the input voltage (branch A) and a device for detecting a voltage higher than the reference for the negative alternation of the input voltage (branch B).
  • the voltage threshold is achieved by measuring the time during which, during a alternation, the input voltage is higher than the voltage reference. If this time is greater than the time limit predefined, then we consider that the input voltage is sufficient; otherwise, it is considered that there is not enough voltage at the input.
  • branches A and B include the same elements, but arranged in a reverse arrangement.
  • Branch A which constitutes the detection device for alternation positive, includes a zener diode DZ1, an optocoupler Ul, a diode D2 and a resistor R1, these elements being arranged in series; while branch B which constitutes the detection device for negative alternation includes a zener diode DZ2, an optocopleur U2, a diode D4 and a resistance R3, also arranged in series but according to a reverse mounting.
  • the main drawback of this arrangement described in FIG. 2 resides in the fact that the zener diodes DZ1 and DZ2 may have a particularly leaky current important which increases with temperature.
  • This provision has the essential advantage to obtain a current threshold.
  • Another advantage of this provision is a gain in volume and a gain in security.
  • Figure 3 depicts a practical example of a device according to the present invention, using the principles described in figure 2.
  • the device described in Figure 3 is a cell 110 volts - 50 Hertz alternative inputs essentially 3 functional blocks arranged in cascade.
  • the first block (block I) essentially allows you to limit overvoltages.
  • the second block (block II) guarantees consumption in power of the input.
  • the third block (block III) achieves the threshold in cell voltage, as well as the galvanic isolation between the input and the output processing chains.
  • Block I consists of a varistor VR1, a resistor R5, diodes and spark gaps to protect the surge cell, while block II which ensures minimum nominal consumption (reactive power) consists of a "4-terminal" C4 capacitor coupling the cell input terminals in block III which provides itself the voltage threshold.
  • Varistor VR1 clips overvoltages appearing during differential discharges, while resistance R5 limits the amplitude of current spikes in the "4 terminal" capacity C4 during discharges, as well as dV / dt.
  • the capacity "4 terminals" C4 must be determined from so as to guarantee a minimum consumption for a voltage input of 50 Hertz given.
  • the device for detecting a higher voltage to the reference for the positive alternation of the voltage input, which is located on branch A, is essentially consisting of the elements described in Figures 1 and 2: the diode zener DZ1, the optocoupler U1, the diode D2 and the resistor R1, while the voltage detection device greater than the reference for the negative alternation of the input voltage, which is located on branch B, is essentially made up of the same elements as those described in FIGS. 1 and 2: the zener diode DZ2, the optocoupler U2, diode D4 and resistor R3.
  • an F1 or F2 fuse is present in each of branches A or B.
  • the main choice criterion for both main optocouplers U1 and U2 is to operate with a LED current as low as possible, to allow dissipate a minimum of power in the series resistors R1 and R3. This also minimizes the contribution of the characteristic of the emission LED in the value of voltage threshold.
  • Measuring the conduction time of optocouplers U1 and U2 is done by sampling 32 times at intervals regular 20 milliseconds (therefore corresponding to a frequency of 50 Hertz), the electrical level supplied to output processing chains and counting the number of samples for which there is a logical state "0".
  • the processing chain A scrutinizes the voltage on the transmitter Q1, while the chain B is connected to the collector of the output transistor of the optocoupler U2. At the end of each scan cycle, A and B exchange for mutual verification their own value on the number of samples taken while U1 or U2 were conductors.
  • the signals useful for leaving the cell are naturally present on the collectors output optocouplers with an output impedance level high for electrical state "1" and an impedance level low for electrical state "0".
  • One precaution is then to use only for the processing chain A, a transistor buffer stage reversing the level of output impedances so that this time we have a low impedance level for electrical state "1” and a high impedance level for electrical state "0".
  • This characteristic presents the risk of being able perform an "OR" function on the two processing chains logical (from the point of view of the state of the inputs) in case of faults consisting of the appearance of a short circuit between the output signals from different cells.
  • This buffer stage is formed by the transistor Q1 and the resistance R6 placed in the treatment chain AT.

Description

Objet de l'invention.
La présente invention se rapporte essentiellement à une cellule pour entrées alternatives destinée à des circuits d'acquisition d'informations, et plus particulièrement en milieu ferroviaire.
Arrière-plan technologique.
Actuellement, les cellules pour entrées alternatives destinées à des circuits d'acquisition d'informations sont essentiellement constituées de relais mécaniques de sécurité qui sont reliés entre eux par de simples câblages.
EP-A-0 183 406 divulgue une cellule d'entrées alternatives selon le préambule de la revendication 1.
Buts de l'invention.
La présente invention vise à proposer une cellule pour entrées alternatives destinées à des circuits d'acquisition d'informations, et en particulier dans le domaine ferroviaire, qui présente un comportement au moins équivalent au point de vue de la sécurité que celui de l'état de la technique tout en gardant des avantages propres, qui sont un encombrement réduit, une plus grande facilité de maintenance et d'adaptation ainsi qu'une longévité supérieure.
Plus particulièrement, la présente invention vise à proposer une cellule où la lecture par erreur s'effectue toujours dans le sens de la sécurité.
La présente invention vise également à détecter des défaillances qui pourraient se produire dans les différents éléments constitutifs de la cellule.
La présente invention vise en outre à minimiser l'influence de la variation des caractéristiques des composants utilisés sous l'effet d'un facteur extérieur telle qu'une hausse de température, par exemple.
Principaux éléments caractéristiques de la présente invention.
La présente invention se rapporte à une cellule pour entrées alternatives contenant les caractéristiques selon la revendication 1.
Selon une première forme d'exécution préférée de la présente invention, les éléments constituant chacun des deux dispositifs de détection mentionnés ci-dessus sont disposés sur une branche, les deux branches étant disposées en parallèle.
Dans ce cas, les éléments constituant le dispositif de détection pour l'alternance négative sont disposés en montage inverse par rapport à ceux constituant le dispositif de détection pour l'alternance positive.
Selon une autre forme d'exécution, les deux dispositifs de détection sont disposés en série sur une même branche. Dans ce cas, les éléments constituant le dispositif de détection pour l'alternance négative sont montés en montage inverse par rapport à ceux constituant le dispositif de détection pour l'alternance positive.
De manière particulièrement avantageuse, on a disposé sur chacun des optocoupleurs une résistance en parallèle, de manière à permettre la limitation de l'influence du courant de fuite des diodes zeners.
Brève description des figures.
La présente invention sera décrite plus en détails à l'aide des figures suivantes :
Les figures 1 et 2
représentent des schémas de principe qui montrent les éléments essentiels constituant un dispositif selon la présente invention.
La figure 3
représente une forme d'exécution mise en pratique du dispositif selon la présente invention en appliquant les principes décrits dans les figures 1 et 2.
Description de plusieurs formes d'exécution préférées de l'invention.
Afin de comprendre les principes qui sous-tendent l'élaboration du dispositif selon la présente invention, on se référera essentiellement aux figures 1 et 2, où sont repris les principaux éléments caractéristiques.
Le dispositif selon la présente invention, appelé communément cellule pour entrées alternatives pour circuits d'acquisition d'informations, tel que représenté à la figure 1, est essentiellement composé de deux branches appelées branches A et B, qui comprennent respectivement un dispositif de détection d'une tension supérieure à la référence pour l'alternance positive à la tension d'entrée (branche A) et un dispositif de détection d'une tension supérieure à la référence pour l'alternance négative de la tension d'entrée (branche B).
De manière générale, le seuil en tension est réalisé en mesurant le temps pendant lequel, au cours d'une alternance, la tension d'entrée est supérieure à la tension de référence. Si ce temps est supérieur au temps limite prédéfini, alors on considère que la tension d'entrée est suffisante; dans le cas contraire, on considère qu'il n'y a pas une tension suffisante à l'entrée.
Les branches A et B comprennent les mêmes éléments, mais disposés selon un montage inverse. La branche A, qui constitue le dispositif de détection pour l'alternance positive, comprend une diode zener DZ1, un optocoupleur Ul, une diode D2 et une résistance R1, ces éléments étant disposés en série; tandis que la branche B qui constitue le dispositif de détection pour l'alternance négative comprend une diode zener DZ2, un optocopleur U2, une diode D4 et une résistance R3, également disposés en série mais selon un montage inverse.
Selon une autre forme d'exécution préférée représentée à la figure 2, il est envisageable de disposer tous les éléments représentés sur les branches A et B à la figure 1, sur une seule branche, les deux séries d'éléments diode zener DZ1, optocoupleur U1 et diode zener DZ2, optocoupleur U2 étant disposés en montage inverse.
Le principal inconvénient de ce montage décrit à la figure 2 réside dans le fait que les diodes zeners DZ1 et DZ2 peuvent présenter un courant de fuite particulièrement important qui augmente avec la température.
Avantageusement, afin de résoudre ce problème, on dispose une résistance R7 ou R13 en parallèle sur les LED des optocoupleurs U1 et U2.
On pourrait également envisager de disposer un autre élément en parallèle avec U1 ou U2 qui aurait la même fonction. Néanmoins, la résistance semble être l'élément de conception le plus sûr et le plus simple.
Cette disposition présente l'avantage essentiel d'obtenir un seuil en courant.
Un autre avantage de cette disposition est un gain en volume et un gain en sécurité.
La figure 3 décrit un exemple pratique d'un dispositif selon la présente invention, utilisant les principes décrits dans la figure 2.
Le dispositif décrit à la figure 3 est une cellule d'entrées alternatives 110 volts - 50 Hertz comprenant essentiellement 3 blocs fonctionnels disposés en cascade.
Le premier bloc (bloc I) permet essentiellement de limiter les surtensions.
Le second bloc (bloc II) garantit la consommation en puissance de l'entrée.
Le troisième bloc (bloc III) réalise le seuil en tension de la cellule, ainsi que l'isolation galvanique entre l'entrée et les chaínes de traitement de sortie.
Le bloc I est constitué par une varistance VR1, une résistance R5, des diodes et des éclateurs en vue de protéger la cellule contre les surtensions, tandis que le bloc II qui assure la consommation nominale minimale (puissance réactive) est constitué par une capacité "4 bornes" C4 couplant les bornes d'entrée de la cellule au bloc III qui assure lui-même le seuil en tension.
La varistance VR1 écrête les surtensions apparaissant lors de décharges en différentiel, tandis que la résistance R5 limite l'amplitude des pointes de courant dans la capacité "4 bornes" C4 lors des décharges, ainsi que les dV/dt.
La capacité "4 bornes" C4 doit être déterminée de façon à garantir une consommation minimale pour une tension d'entrée de 50 Hertz donnée.
Le dispositif de détection d'une tension supérieure à la référence pour l'alternance positive de la tension d'entrée, qui est situé sur la branche A, est essentiellement constitué des éléments décrits aux figures 1 et 2 : la diode zener DZ1, l'optocoupleur U1, la diode D2 et la résistance R1, tandis que le dispositif de détection d'une tension supérieure à la référence pour l'alternance négative de la tension d'entrée, qui est situé sur la branche B, est essentiellement constitué des mêmes éléments que ceux décrits aux figures 1 et 2 : la diode zener DZ2, l'optocoupleur U2, la diode D4 et la résistance R3.
En outre, un fusible F1 ou F2 est présent dans chacune des branches A ou B.
Le critère de choix principal pour les deux optocoupleurs principaux U1 et U2 est de fonctionner avec un courant de LED le plus faible possible, afin de permettre de dissiper un minimum de puissance dans les résistances séries R1 et R3. Cela permet également de minimiser la contribution de la caractéristique de la LED d'émission dans la valeur du seuil en tension.
La mesure du temps de conduction des optocoupleurs U1 et U2 se fait en échantillonnant 32 fois à intervalles réguliers de 20 millisecondes (correspondant donc à une fréquence de 50 Hertz), le niveau électrique fourni aux chaínes de traitement de sortie et en comptabilisant le nombre d'échantillons pour lesquels on a un état logique "0".
La LED d'émission de U1 émet pendant tout le temps où la tension d'entrée est supérieure à la tension de seuil de la branche A. L'émission de cette LED de l'optocoupleur U1 se matérialise par la mise à la masse des résistances R2, R9 et R10 disposées en "Pull Up" sur l'optocoupleur U1, conduisant ainsi au blocage de Q1 et à la lecture d'un niveau logique "0" sur l'entrée du multiplexeur scruté par la chaíne A de traitement (émetteur Q1).
La LED d'émission de U2 émet pendant tout le temps où la tension d'entrée est supérieure à la tension de seuil de la branche B. L'émission de cette LED de l'optocoupleur U2 se matérialise par la mise à la masse des résistances R4, R11 et R12 disposées en "Pull Up" sur l'optocoupleur U2, conduisant ainsi à la lecture d'un niveau logique "0" sur l'entrée du multiplexeur scruté par la chaíne B de traitement (collecteur du transistor de sortie de U2).
Les critères de sécurité garantis pour les cellules d'entrée 110 volts AC sont au nombre de deux :
  • le seuil de détection ne doit pas chuter en-dessous d'une limite pour une tension sinusoïdale de 50 hertz;
  • la puissance consommée sous une tension sinusoïdale de 50 hertz pour une entrée dans l'état logique 1 ne peut chuter sous une seconde valeur limite.
Il convient de noter qu'à l'exception de la capacité 4 bornes, les composants utilisés pour la réalisation d'une cellule d'entrées alternatives ne présentent aucune garantie de sécurité intrinsèque. De ce fait, la sécurité doit reposer sur l'utilisation de la redondance et un contrôle de la cohérence des informations mises à la disposition des chaínes de traitement.
En particulier, la chaíne de traitement A scrute la tension sur l'émetteur Q1, tandis que la chaíne B est connectée au collecteur du transistor de sortie de l'optocoupleur U2. A la fin de chaque cycle de scrutation, A et B échangent à des fins de vérification mutuelle leur propre valeur sur le nombre d'échantillons pris alors que U1 ou U2 étaient conducteurs.
Les signaux utiles à la sortie de la cellule se présentent naturellement sur les collecteurs des optocoupleurs de sorties avec un niveau d'impédance de sortie élevé pour l'état électrique "1" et un niveau d'impédance faible pour l'état électrique "0". Une précaution consiste alors à utiliser uniquement pour la chaíne de traitement A, un étage tampon à transistor inversant le niveau des impédances de sortie de façon telle que l'on a cette fois un niveau d'impédance faible pour l'état électrique "1" et un niveau d'impédance élevé pour l'état électrique "0".
Cette caractéristique présente le risque de pouvoir réaliser sur les deux chaínes de traitement une fonction "OU" logique (du point de vue de l'état des entrées) en cas de défauts consistant en l'apparition de court-circuit entre les signaux de sortie des différentes cellules.
Cet étage tampon est constitué par le transistor Q1 et la résistance R6 placés dans la chaíne de traitement A.
En créant ainsi une dissymétrie entre les deux chaínes, on profite en cas d'apparition de circuits conducteurs parasites multiples, touchant éventuellement les mêmes cellules pour les deux chaínes de traitement, du comportement suivant : l'équivalent d'une fonction OU (au niveau électrique) câblée est réalisée sur les cellules de la chaíne A, tandis que l'équivalent d'un ET (au niveau électrique) câblé est réalisé sur les cellules de la chaíne B.
Ceci conduit à la détection d'une divergence entre chaínes de traitement, dès que les deux cellules concernées par les circuits conducteurs parasites se trouvent dans des états différents.

Claims (5)

  1. Cellule d'entrées alternatives destinée à des circuits d'acquisition d'informations et en particulier en milieu ferroviaire, comprenant au moins deux chaínes (A, B) constituant des moyens de détection d'une tension d'entrée alternative et comprenant des éléments identiques disposés de manière inverse sur les deux chaínes, chaque chaíne comprenant au moins une diode zener (DZ1, DZ2), un optocoupleur (U1, U2) comprenant une diode LED, une diode (D2, D4) et une résistance (R1, R3), chacun de ces éléments étant disposé en série.
  2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux chaínes (A, B) sont disposées en parallèle, les éléments de la première chaíne étant montés selon un montage inverse par rapport aux éléments de la seconde chaíne.
  3. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux chaínes d'éléments (A, B) sont mises en série, les éléments de la première chaíne étant montés selon un montage inverse par rapport aux éléments de la seconde chaíne.
  4. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une résistance (R7, R13) est disposée en parallèle sur la diode LED de chacun des optocoupleurs (U1, U2).
  5. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend sur une seule des chaínes (A) un étage tampon à transistor (Q1, R6) inversant le niveau de l'impédance de sortie, de l'optocoupleur (U1).
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