Brevet FR2725870A1 — publié le 19960419

Clôture électrque solaire à déclenchement par présence Clôture électrique solaire à déclenchement par détection de présence. La présente invention décrit une clôture électrique trés économe en énergie, alimentée par une batterie à recharge solaire et dont les principales innovations résident: d'une part dans la conception du générateur haute tension particuliérement économe en énergie -d'autre part dans le fait que le fil de clôture est normalement isolé de la terre et de la haute tension (constamment présente). II est instantanément connecté à la haute tension seulement lorsque le fil de clôture est relié à la terre par un être ou un objet non isolant. -La consommation moyenne en énergie de la clôture selon l'invention est à peu prés indépendante de la longueur de la clôture et de l'intensité des décharges fournies. -A titre d'exemple, ce système, consommant une vingtaine de milliwats peut fournir des décharges aussi puissantes qu'une clôture conventionnelle qui devrait consommer avec des performances identiques 200 à 300 milliwatts et même plus. La plupart des générateurs haute tension consomment quelques watts pour maintenir une haute tension, même en l'absence de toute charge extérieure. Comme la plupart de ces appareils sont alimentés par le secteur, cela n'a pas d'importance, car pour un secteur, quelques watts est une consommation négligeable. Si maintenant on veut rendre ces appareils portables et/ou autonomes, une telle consommation devient un sérieux handicap. Les plus petites des batteries plomb portables ont une capacité de 0,75 ampéresxheures sous 12 volts, soit une énergie disponible de six à sept wattsxheures, or ce sont de telles batteries que nous nous proposons d'utiliser. Le dispositif générateur haute tension décrit dans la présente invention présente une consommation intrinsèque (c-a-d en l'absence de toute charge extérieure) inférieure à vingt milliwatts et peut fournit une tension de l'ordre de deux à trois kilovolts, tension qui peut ensuite être élevée au moyen d'un multiplieur de tension à diodes. Ce gain de consommation, donc d'autonomie, d'un facteur de l'ordre de cent au départ est appréciable car sans cela, cet appareil peut difficilement être rendu portable et/ou autonome. On va d'abord examiner un générateur de haute tension classique et analyser le pourquoi de sa consommation excessive, ce qui aidera à mieux saisir l'originalité du nouveau système décrit. Un générateur de haute tension classique est constitué comme on peut le voir sur la figure 1, par un transformateur 1 comprenant un enroulement primaire de deux fois N1 spires dont le point milieu est connecté au plus batterie et un enroulement secondaire de N2 spires. Les deux extrémités du primaire sont alternativement reliées à la masse par un interrupteur électronique 2 ce qui induit une tension alternative sur l'enroulement secondaire. La valeur de cette tension secondaire est: Us=Ubx(N2/N1), Ub étant la tension batterie et Us la tension au secondaire. Le condensateur 3 de la figure 1 représente la capacité parasite entre spires qui apparaît au secondaire et que l'on retrouve donc connectée entre les extrémités du secondaire. Pour fixer les idées, si l'on a 12 volts au primaire et que l'on souhaite une tension de 1 kilovolt au secondaire, le rapport de spires N2/N1 est alors voisin de 100, ce qui impose un grand nombre de spires au secondaire et par conséquent une capacité 3 importante. A chaque alternance la tension secondaire charge et décharge le condensateur 3. L'énergie stockée par un condensateur est donné par l'expression: W=1/2 CxV2 où V est la tension maximale qui apparaît aux bornes du condensateur 3. Si F est la fréquence de commutation du switch électronique schématisé en 2, figure 1, alors l'énergie dissipée induite par la présence du condensateur 3 sera proportionnelle à W=FxV2.Si on réduit le nombre de spires, on réduit la capacité mais il faut augmenter la fréquence et par voie de conséquence le nombre de charges et décharges par seconde et inversement si on augmente le nombre de spires on peut réduire la fréquence, mais on augmente la capacité du condensateur parasite 3. On est sorti du dilemme précédent en utilisant l'architecture représentée figure 2. C'est un "Fly back primaire side" qu'on peut traduire par une architecture de type bobine de RUMKORPF à contrôle de tension par le primaire. A titre d'exemple on a représenté figure 2 un doubleur de tension à tension de sortie négative réalisé avec cette technologie. 1 est un circuit intégré spécialisé dédié au pilotage et au contrôle de tels systèmes "Fly-back". 2 est un interrupteur électronique composé d'un assemblage de transistors MOS et BIPOLAIRES de puissance pouvant commuter une tension maximale de 1 Kilovolt, 3 est un transformateur avec entrefer (ou si l'on veut une self avec un primaire et un secondaire couplés par le flux magnétique). Le réseau 4, 5, 6, 7 constitue un diviseur de tension qui renvoie sur bloc moniteur 1 une mesure de la tension primaire, donc une image de la tension secondaire destinée à être comparée avec une tension fixe. On voit ainsi que la tension d'utilisation est régulée. 8, 9, 10, 11 et 12 constituent un doubleur de tension. A titre d'exemple, si nous avons une tension de 600 volts au primaire du transformateur 3 et 2,5 Kvolts au secondaire, le rapport de transformation N2/N1 est cette fois voisin de 4 et le nombre de spires au secondaire est donc au moins 20 fois moins élevé qu'avec le système de la figure précédente (qui demande néanmoins beaucoup moins de savoir-faire pour être mis en oeuvre que le fly-back). On a donc déjà gagné un facteur important sur la consommation par rapport au circuit de la figure 1. On est toutefois limité parce que les circuits intégrés de type 1 consomment au moins une centaine de milliwatts. Un exemple de système comme celui représenté sur la figure 2 peut fournir 4 à 5 watts maximum et consommer environ 150 milliwatts à vide, ce qui est déjà un progrès. Son rendement en fonction de la puissance délivrée a alors l'allure de la courbe représentée figure 3. Si on veut un rendement correct à toutes les puissances, il faut alors bloquer le circuit 1 de la figure 2 à sa puissance maximale et le faire fonctionner en tout ou rien comme sur la figure 4. En augmentant ou réduisant le temps relatif de travail (duty cycle) on pourra moduler la puissance de sortie, le condensateur 12 de la fig 2 servant de réservoir tampon pour fournir le courant consommé par l'utilisation entre deux recharges par le générateur. Cette fois la consommation de l'appareil peut varier de 20 milliwatts à vide à 5 watts en pleine charge. Par ce procédé la clôture électrique consomme environ 20 milliwatts. L'architecture du générateur haute tension appliqué à la clôture est représentée figure 5. On a seulement fait figurer les blocs fonctionnels sans donner le détail du schéma de ces blocs, car pour obtenir ces fonctions on a utilisé des circuits intégrés ou des assemblages de circuits intégrés du commerce. C'est l'enchainement particulier des fonctions qui assure la cohérence, I'originalité et les performances du système, quelle que soit la technologie utilisée pour réaliser ces fonctions. Ces fonctions pourraient même être programmées dans un microcontroleur. Le bloc 15 est un circuit astable qui envoie des impulsions régulières. Sa borne d'entrée 14 est une commande en courant qui permet lorsqu'elle est utilisée d'accélérer la fréquence des impulsions proportionnellement au courant qui lui est injecté. Le circuit 15 se transforme alors en "convertisseur courantfréquence" Cette caractéristique ne sera pas utilisée dans l'application particulière de la clôture. Le circuit 30 est un monostable (qui pourrait d'ailleurs être un bistable) dont l'entrée 18 est la bome (set) ou mise à un et les entrées 19, 20 et 21 sont des (reset) ou remises à zéro. La sortie 23 du circuit 30 commande l'interrupteur électronique 13 qui met sous tension le générateur haute tension lorsque le monostable 30 est en position active (set). Ainsi, le générateur haute tension travaille maintenant en tout ou rien, donc à son rendement optimal conformément à la courbe de la figure 3. L'image de la tension de sortie est recueillie à partir du primaire du transformateur 3 sur le diviseur de tension constitué par les résistances 6, 7, est comparée à une tension de référence fixe 17 par le comparateur 16. Lorsque la tension présente sur la borne 29 du comparateur 16 est supérieure à la tension de référence présente sur la borne 17, la sortie du comparateur bascule, active la borne reset 21 et remet le circuit 30 à zéro. On peut maintenant comprendre ie fonctionnement du générateur haute tension de la figure 5. Ignorons pour l'instant les composants 22, 23, 24, 25, 26, 27 et 28 qui sont spécifiques à la clôture. Chaque seconde, conformément à la norme des clôtures électriques, 'astable 15 émet une impulsion sur 18. Cette impulsion active le circuit 30 qui met sous tension le générateur haute tension qui à son tour recharge le condensateur de stockage de sortie 12. Au fur et à mesure que la tension sur 12 croît, la tension 29 (à l'entrée du comparateur 16) qui en est l'image croît aussi jusqu'à être égale à la tension de référence fixe 17. A ce moment, la sortie 21 du comparateur 16 bascule et désactive le circuit 30 qui ouvre l'interrupteur électronique 13 et met hors tension le générateur haute tension. A l'impulsion suivante de 'stable 15, le cycle reprend. Comme les diodes haute tension ont toujours un léger courant de fuite, à chaque nouveau cycle le générateur haute tension régénere la décharge condensateur 12. Chaque fois que le générateur haute tension est activé, la diode led 26 s'allume pendant la durée de la mise sous tension du circuit 1. C'est une indication-sur le fonctionnement de l'appareil. On peut maintenant aborder le rôle des composants 22, 23, 24, 27 et 28 qui sont spécifiques au fonctionnement de la clôture électrique. Tout d'abord expliquons le rôle primordial de l'éclateur 22: Si le fil de clôture était connecté directement au condensateur 12, ce fil fin d'une grande longueur porté à une tension élevée serait soumis au phénomène physique du "pouvoir des pointes" et l'ionisation qui s'en suivrait déchargerait de façon très sensible le condensateur 12 entre deux impulsions de 'stable 15, ce qui accroîtrait considérablement la consommation globale (on a mesuré un accroissement de consomation d'un facteur 10 au moins). On a donc imaginé un dispositif de commutateur haute tension devant répondre aux critères suivants -Isoler en temps normal le fil de clôture du condensateur 12 chargé à haute tension et ainsi réduire la décharge du condensateur qui serait provoquée par le phénomène d'ionisation de l'air induit par ce fil porté à une haute tension. -Connecter "brutalement" le condensateur 12 à la ligne en cas d'intrusion, de façon à faire "bénéficier l'utilisateur" de l'énergie libérée par la décharge brutale du condensateur 12. L'éclateur 22 de la figure 5 satisfait à ces deux conditions: -En temps normai il isole la ligne du condensateur 12. -En cas de liaison entre la terre et la bome de sortie de 'éclateur, ce dernier "éclate", se transformant brutalement en un court-circuit et "l'utilisateur" est directement branché entre la terre et le condensateur 12 sans rien perdre de l'énergie stockée et fournie par le condensateur. Le courant d"utilisation" se referme à travers la zener 23 avec le condensateur 24 en parallèle. La tension positive ainsi développée sur la zener 23 est réinjectée à la borne reset 22 du circuit 30 et remet à zéro ce dernier empêchant ainsi le générateur haute tension de s'activer à nouveau pour recharger le condensateur 12 avant un nouveau signal donné par le générateur de rythme 15. De cette manière il est impossible de générer une rafale d'impulsions. La diode led 28, (activée par une électronique que l'on n'a pas fait figurer pour simplifier le schéma) donne un éclat au moment de la décharge du condensateur 12 signalant ainsi une "présence" sur la ligne. Cette led peut avantageusement être remplacée ou associée à un buzzer ou tout autre composant fournissant ainsi un signal sonore et/ou lumineux avertissant d'une présence sur la ligne. On choisira avantageusement un éclateur avec une tension de rupture sensiblement inférieure à la tension "normale" du condensateur 12. Supposons que la tension normale du condensateur 12 soit 8 Kvolts et la tension de rupture de l'éclateur 1,5 Kvolts et supposons que l'énergie stockée par le condensateur à 8 Kvolts soit 100 millijoules. C'est l'énergie que recevra un utilisateur "furtif". Si une branche ou tout autre objet non isolant établit un contact permanent avec la terre, à chaque cycle le condensateur 12 se chargera jusqu'à 1,5 kilovolts (tension de rupture de l'éclateur) et se déchargera dans la ligne au moment de la rupture de l'éclateur. L'énergie stockée par un condensateur est donnée par l'expression: W = 0,5xCxV2. Si à 8Kvolts cette énergie est 100 millijoules, à 1,5 Kvolts elle n'est plus que 100x((1,5)21(8)2) = 100x(2,25/64)=3,5 millijoules. Ainsi on voit que l'appareil n'envoie son énergie qu'à "utilisateur" et se met en "veilleuse" soit sur un défaut permanent, soit sur absence de "présence" Quoiqu'il arrive, le dispositif décrit reste toujours en économie d'énergie. Ces quelques chiffres montrent que à puissance "utile" égale on peut diviser par plus de vingt la taille de la batterie nécessaire au fonctionnement d'une clôture classique qui aurait des performances à peu prés identiques a celle décrite dans l'invention. Ce gain de taille autorise la recharge permanente de la batterie avec une photopile de dimensions raisonnables. Dans une réalisation, la photopile a une puissance de 1 watt crête en technologie silicium amorphe, sa taille est 15x15 centimètres. La batterie utilisée est une batterie plomb étanche 12 volts d'une capacité de 0,75 ampèresxheures. La concommation globale est La décharge "utile" a une énergie de 150 millijoules sous 7 kilovolts. Un rapide calcul montre qu'une clôture conventionnelle de bonne qualité et qui aurait des performances identiques en fournissant des impulsions éspacées dans le temps de 1 seconde chacune, consommerait environ 300 milliwatts et nécéssiterait ainsi pour son alimentation une batterie de 20 ampéresxheures et une photopile d'au moins 0,5 mètres carrés. REVENDICATIONS 1) Dispositif conçu pour générer une haute tension avec une faible consommation à vide caractérisé en ce qu'il comporte un multivibrateur astable 15 qui émet des impulsions (18) qui activent un multivibrateur monostable 30 qui commande la mise sous tension d'un générateur haute tension de type "Fly-back" composé d'un circuit de commande (1) et d'un interrupteur électronique 13 qui commande un transformateur à entrefer 3 dont le secondaire active un multiplieur de tension à diodes dont la sortie haute tension 12 est connectée à un éclateur (22) dans le cas d'une clôture électrique. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'astable 15 est muni d'une entrée de courant (1) qui en fait un convertisseur courant-fréquence avec une réponse en fréquence de la forme f = fo+k*i ou i est l'intensité du courant injecté sur la borne 14 d'entrée de 'stable. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le monostable (ou bistable) 30 est activé par la sortie (18) de 'stable 15. 4) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 3 caractérisé en ce que le monostable (ou bistable) 30 est muni d'au moins trois entrées de remise à zéro (reset). 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le monostable ou (bistable) (3) active un contact 13 qui peut être avantageusement un contact statique, c'est à dire à semiconducteurs. 6) Dispositif selon la revendication 1 et la revendication 5 caractérisé en ce que le contact 13, lorsqu'il est activé met sous tension un générateur élévateur de tension qui peut etre avantageusement de type "fly-back", mais la topologie fly-back n'est pas limitative. 7) Dispositif selon les revendication 1 et 6 caractérisé en ce que le contrôle de la tension du générateur est avantageusement de type "primairy side", à savoir, le contrôle de la tension d'utilisation s'effectue à partir de l'information prise sur le primaire du transformateur, rendant le secondaire isolé du primaire. Mais le contrôle de la tension pourrait aussi se faire à partir du secondaire. 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que la tension primaire du transformateur 3 est redressée, filtrée et comparée à une tension fixe de référence 17 par un comparateur 16. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 1 caractérisé en ce que la sortie du comparateur 16 est injectée dans une entrée de remise à zéro du circuit astable (ou monostable) 30. 10) Dispositif selon les revendications 8 ou 9 caractérisé en ce que le secondaire du transformateur 3 est galvaniquement isolé du primaire et de l'électronique. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 10 caractérisé en ce que le secondaire du transformateur 10 alimente un multiplieur de tension à diodes dont la sortie peut être négative. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 1 1 caractérisé en ce que la tension foumie par le multiplieur à diodes est avantageusement négative. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1,10,11 ou 12 caractérisé en ce que la sortie haute tension de l'électronique est séparée et isolée du fil de clôture par un éclateur. 14) Dispositif selon la revendication (13) caractérisé en ce que cet éclateur peut être constitué par un éclateur à gaz, un éclateur statique comme un thyristor ou un triac, une bougie d'automobile, simplement deux extrémités de fil maintenues à une distance adéquate ou tout système normalement isolant et qui se transforme en court circuit non destructif, (dans les conditions d'utilisation), lorsqu'il est soumis à une tension dépassant un certain seuil, et qui revient automatiquement à l'état ouvert lorsque la cause qui l'a mis en osurteircuit a disparu. 15) Dispositif selon la revendication 14 caractérisé en ce la tension d'amorçage de l'éclateur est au moins trois à quatre fois inférieure à la tension nominale de la clôture. 16) Dispositif selon la revendication (14) caractérisé en ce que le courant de terre provoqué par l'éclat de l'éclateur (22) se referme à travers une zener associée à un condensateur en parallèle. 16) Dispositif selon la revendication (16) caractérisé en ce que un circuit électronique commandé par la tension de la zener 23 est utilisé pour signaler de façon visuelle etlou sonore une "présence" sur la ligne. 17) Dispositif selon la revendication (16) caractérisé en ce que le circuit de visualisation de défaut peut être remplacé ou associé à un dispositif sonore.