Brevet FR2793090A1 — publié le 20001103

DISPOSITIF DE CONTROLE D'ENERGIE A PREPAIEMENT COMPORTANT UN RELAIS DE TYPE MONOSTABLE L'invention concerne un dispositif de contrôle d'énergie à prépaiement comportant un ensemble électronique de traitement connecté à des conducteurs d'un réseau électrique, calculant la quantité d'énergie consommée et commandant l'ouverture du contact d'un relais lorsque la quantité d'énergie consommée atteint une valeur prédéterminée prépayée. Ce type de dispositif doit tre conçu de manière à éviter au maximum les possibilités de fraude. L'invention a pour but un dispositif de contrôle d'énergie à prépaiement dont la sûreté de fonctionnement est améliorée par rapport à celle des dispositifs antérieurs. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le relais est un relais du type à contact normalement ouvert, l'ensemble de traitement comportant une unité centrale produisant des signaux binaires de commande de fermeture du relais de fréquence supérieure ou égale à une fréquence prédéterminée, une interface de conversion fréquence/tension étant connectée entre l'unité centrale et le relais. Ceci permet une première amélioration du niveau de sûreté du dispositif par rapport aux dispositifs antérieurs, notamment aux dispositifs à relais bistable. Selon un développement de l'invention, la sûreté est encore améliorée par l'utilisation d'un couple de matériaux de contact robuste pour le contact du relais et par l'utilisation d'un circuit magnétique de compensation destiné à augmenter la pression entre des éléments de contact fixe et mobile du contact lorsque le courant traversant le contact est élevé. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de modes particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 illustre, sous forme de schéma-bloc, un dispositif selon l'invention. La figure 2 représente un mode particulier de réalisation du circuit de traitement du dispositif selon la figure 1. La figure 3 représente un mode particulier de réalisation de l'interface du circuit selon la figure 2. Les figures 4 à 4c représentent les formes d'onde des signaux en divers emplacements de l'interface selon la figure 3. La figure 5 représente un mode particulier de réalisation du relais d'un dispositif selon la figure 1. Les figures 6 et 7 représentent deux variantes de réalisation d'un circuit magnétique de compensation du relais selon la figure 5. Le dispositif 1 de contrôle d'énergie à prépaiement représenté à la figure 1 est connecté par deux bornes de raccordement 2 et 3 à un conducteur de phase P d'un réseau électrique. Il est également connecté par deux bornes de raccordement 4 et 5 à un conducteur de neutre N du réseau. Un shunt électrique de mesure 6 est connecté en série avec un contact 7 d'un relais entre les bornes de raccordement 2 et 3. Le contact 7 est commandé par un électroaimant, ou bobine 8 du relais. Un ensemble électronique de traitement 9 est connecté aux bornes 2 et 4, de manière à recevoir des signaux représentatifs de la tension U entre les conducteurs de phase P et de neutre N. Il est également connecté à deux bornes de mesure 10 et 11 du shunt. La tension présente entre les bornes de mesure 10 et 11 est représentative du courant I circulant dans le conducteur de phase P. La tension U est également appliquée à des entrées d'un circuit d'alimentation 12 qui fournit au dispositif 1 des tensions d'alimentation Vccl et Vcc2 appropriées sur des bornes d'alimentation. L'ensemble électronique de traitement 9 comporte un circuit de traitement 13, de préférence à microprocesseur, alimenté par la tension Vcc et recevant les signaux U et I. Le circuit de traitement 13 calcule, de manière classique, la quantité d'énergie consommée par un utilisateur connecté au réseau. Il est de plus connecté à un lecteur de carte 14, de type classique. Une carte électronique 15 peut tre introduite dans une fente d'entrée du lecteur de carte. Dans un mode de réalisation préférentiel la carte électronique 15 est une carte à puce à mémoire, de type jetable, dans laquelle est mémorisé le montant d'un crédit d'énergie prédéterminé, par exemple 100 kWh. Le montant de ce crédit est lu par le lecteur de carte après introduction de la carte 15 dans la fente. Le circuit de traitement 13 provoque, par l'intermédiaire de la bobine 8, l'ouverture du contact 7 et l'interruption de la fourniture d'énergie à l'utilisateur lorsque la totalité du crédit d'énergie a été consommée. Dans les dispositifs antérieurs, le relais est constitué par un relais de type bistable. Un tel relais comporte une bobine qui n'est alimentée que lorsqu'un chargement d'état de l'interrupteur est souhaité, c'est-à-dire soit pour passer d'un état fermé à un état ouvert ou inversement. Un tel relais a une consommation réduite. Cependant, en cas de défaillance de l'ensemble électronique de traitement 9 qui le contrôle ou en cas de défaillance de la bobine du relais, le contact 7 du relais peut rester dans n'importe laquelle des ses deux positions stables. Ceci peut faciliter les fraudes, si l'on arrive à bloquer le contact en position de fermeture. Selon l'invention, le relais est un relais de type monostable avec un contact normalement ouvert, c'est-à-dire contrôlant la fermeture du contact 7 lorsque la bobine 8 est alimentée et son ouverture lorsqu'elle n'est pas alimentée. Ainsi, en cas de défaillance de l'ensemble électronique de traitement 9 ou de la bobine 8 du relais, que cette défaillance soit due à une panne, à une tentative de fraude ou à toute autre cause, par défaut, le contact 7 est ouvert et reste ouvert tant qu'un fonctionnement correct du dispositif 1 n'a pas été rétabli. La bobine 8 du relais est connectée en série avec un interrupteur électronique aux bornes de la tension d'alimentation. En fonctionnement normal, tant que le crédit d'énergie n'est pas nul, le circuit de traitement commande la conduction de l'interrupteur électronique et, en conséquence, l'alimentation de la bobine 8 du relais. Le niveau de sécurité est accru par l'utilisation d'une commande en fréquence. Comme représenté à la figure 2, le circuit de traitement 13 comporte un circuit de mesure d'énergie 16, recevant les signaux de tension U et de courant I. De manière classique, le circuit de mesure d'énergie fournit à une unité centrale 17, à microprocesseur, des impulsions de comptage lorsqu'une quantité prédéterminée d'énergie a été consommée, par exemple à chaque kWh consommé. L'unité centrale 17, qui a préalablement mis en mémoire le montant du crédit lu par le lecteur de carte 14, décrément le contenu de cette mémoire en fonction des impulsions de comptage reçues. Tant que le crédit n'est pas épuisé, l'unité centrale 17 fournit à une interface 18 des signaux A, binaires, de fréquence (période T, figure 4a) supérieure ou égale à une fréquence prédéterminée. L'interface 18, connectée entre l'unité centrale 17 et la bobine 8 du relais, est une interface de conversion de fréquence en tension (F/V). Ainsi une tension continue est appliquée aux bornes de la bobine 8 du relais tant que des signaux de fréquence suffisante, constituant des signaux de commande de fermeture du relais, sont émis. Si la fréquence des signaux A de sortie de l'unité centrale 17 est trop faible, notamment dans le cas de signaux continus, stables, de niveau logique 0 ou 1, la tension appliquée aux bornes de la bobine 8 du relais s'annule. La bobine 8 du relais n'étant plus alimentée, le relais passe dans son unique position stable correspondant à l'ouverture du contact 7. Il est ainsi possible de faire passer le relais en position d'ouverture mme si la défaillance de l'ensemble de traitement conduit à un blocage des signaux A de sortir de l'unité de contrôle au niveau logique 1. Un mode particulier de réalisation de l'interface 18 est représenté à la figure 3. L'interface 18 comporte deux entrées d'alimentation (Vcc2 et la masse) connectées aux bornes d'alimentation du circuit d'alimentation 12 et une entrée de commande recevant les signaux A de l'unité centrale 17. L'entrée de commande est connectée, par l'intermédiaire d'une résistance R1 de limitation de courant, en série avec un premier condensateur Cl et une première diode Dl, à la base d'un premier transistor T1, de type NPN. Un second condensateur C2 est connecté entre la base du transistor T1 et la masse, elle-meme connectée à l'émetteur du transistor T1. Le collecteur du transistor T1 est connecté à la base d'un second transistor T2, de type PNP, dont le collecteur est connecté à la masse. Une résistance R2, de polarisation, est connectée entre le collecteur du transistor Tl et l'émetteur du transistor T2. La bobine 8 du relais est connectée aux bornes de sortie de l'interface 18, qui sont connectées d'une part à l'émetteur du transistor T2 et d'autre part à la borne d'alimentation Vcc2. Les transistors Tl et T2 constituent un interrupteur électronique connecté en série avec la bobine 8 du relais entre les bornes d'alimentation et dont la base du transistor T1 constitue l'électrode de commande. Le fonctionnement de l'interface 8 va tre décrite en référence aux figures 4a, 4b et 4c qui représentent respectivement les formes d'onde des signaux A, de signaux de tension B aux bornes du condensateur C2, et de signaux C de tension à l'émetteur du transistor T2. En fonctionnement normal, le crédit d'énergie n'étant pas épuisé, l'unité centrale 17 produit des signaux A, binaires, de période T. Ils maintiennent, par l'intermédiaire de la résistance Rl, du condensateur Cl et de la diode Dl, la tension de charge B aux bornes du condensateur C2 à une valeur supérieure à un seuil S prédéterminé, supérieur à la tension base/émetteur du transistor T1. Le transistor T1 est donc conducteur, provoquant la conduction du transistor T2. La tension C à l'émetteur du transistor T2 est alors voisine de 0 (figure 4c) et une tension voisine de la tension d'alimentation Vcc2 est appliquée en permanence aux bornes de la bobine 8 du relais, maintenant le contact 7 fermé. Lorsque le crédit d'énergie prépayé est épuisé, les signaux A de sortie de l'unité centrale 17 passent au niveau logique 0. Un signal continu n'étant pas transmis par le condensateur C1, la charge du condensateur C2 est interrompue. Celui se décharge alors lentement à travers la jonction base-émetteur du transistor T1. Il est à noter que sur la figure 4b, l'amplitude de la charge et de la décharge du condensateur est très amplifiée. En fait, la tension B n'oscille que très faiblement autour de la tension normale de charge du condensateur C2, au-dessus du seuil S. Dès que la tension B passe au-dessous du seuil S, le transistor T1 se bloque (instant tl), provoquant également le blocage du transistor T2 et le passage de la tension C à la tension d'alimentation Vcc2. La tension aux bornes de la bobine 8 du relais s'annule et le contact 7 passe dans sa position stable, à savoir sa position d'ouverture. Une diode D2, de roue libre, classiquement connectée aux bornes de la bobine 8, laisse passer le courant pendant une période transitoire lors du blocage du transistor T2. Une diode D3, connectée entre la masse et le point commun au condensateur Cl et à la diode D1, est destinée à écrter les signaux négatifs. Le fonctionnement de l'interface est identique si les signaux A de sortie de l'unité centrale 17 sont bloqués au niveau logique 1, le condensateur Cl interdisant leur transmission. Toute défaillance d'un élément du circuit de traitement ou de l'interface interrompt la production et la transmission des signaux A de fréquence appropriée et provoque le passage du contact 7 du relais dans sa position sûre, d'ouverture. La sûreté de fonctionnement du dispositif peut, de plus, tre améliorée par l'utilisation, pour le contact 7, d'un couple de matériaux de contact robuste. Dans un mode de réalisation préférentiel l'un des éléments de contact 19a, fixe, est constitué par un alliage à base d'argent et de graphite, et l'autre élément de contact 19b, mobile, est en cuivre argenté. Pour réduire au maximum tout risque de soudure des contacts jusqu'à un niveau de courant prédéterminé, il peut tre prévu un circuit magnétique de compensation 20 (figure 5) destiné à augmenter la pression s'exerçant entre les éléments de contact fixe et mobile (19a, 19b), lorsque le courant est élevé, notamment dans le cas d'un courant de défaut. Le circuit magnétique de compensation 20 entoure l'élément de contact mobile (19b). Il comporte un élément en matériau magnétique, de préférence en forme de U, comme représenté aux figures 6 et 7. Cet élément en forme de U peut tre complété par une palette 21, en matériau magnétique, solidaire de l'élément de contact mobile 19b, permettant d'augmenter la tenue du relais aux courants de court-circuit. Comme représenté à la figure 7, il existe un entrefer prédéfini entre la palette 21 et l'élément en forme de U du circuit magnétique de compensation 20. L'utilisation du circuit magnétique de compensation permet à la fois de diminuer le risque de soudure des contacts en cas de court-circuit et d'utiliser un relais dont la bobine 8 est calibrée uniquement pour le fonctionnement à un courant normal d'utilisation. Cette dernière propriété est d'autant plus intéressante que le relais, de type monostable consomme de l'énergie en permanence, contrairement aux relais de type bistable. La combinaison de l'utilisation d'un relais monostable, d'une commande en fréquence, d'un couple de matériaux de contact robuste et d'un circuit magnétique de compensation permet de garantir un niveau de sûreté optimal, nettement supérieur à celui des dispositifs connus. REVENDICATIONS 1.-Dispositif de contrôle d'énergie à prépaiement (1) comportant un ensemble électronique de traitement (9) connecté à des conducteurs (N, P) d'un réseau électrique, calculant la quantité d'énergie consommée et commandant l'ouverture du contact (7) d'un relais (7,8) lorsque la quantité d'énergie consommée atteint une valeur prédéterminée prépayée, dispositif caractérisé en ce que le relais est un relais du type monostable à contact (7) normalement ouvert, 1'ensemble de traitement comportant une unité centrale (17) produisant des signaux (A) binaires de commande de fermeture du relais de fréquence supérieure ou égale à une fréquence prédéterminée, une interface (18) de conversion fréquence/tension étant connectée entre l'unité centrale (17) et le relais. 2.-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface (18) comporte un interrupteur électronique (T1, T2) connecté en série avec le relais entre des bornes d'alimentation. 3.-Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'interface (18) comporte un premier condensateur (Cl), connecté entre une entrée de commande de l'interface et use électrode de commande de l'interrupteur électronique (Tl, T2), et un second condensateur (C2) connecté entre ladite électrode de commande et une des bornes d'alimentation, de manière à commander la conduction de l'interrupteur électronique (T1, T2) lorsque la tension (B) aux bornes du second condensateur (C2) dépasse une valeur prédéterminée (S). 4.-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le contact (7) comporte une premier élément de contact (19a) constitué par un alliage à base d'argent et de graphite et un second élément de contact (19b) en cuivre argenté. 5.-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique de compensation (20) destiné à augmenter la pression entre des éléments de contact fixe et mobile (19,19b) du contact (7) lorsque le courant traversant le contact est élevé. 6.-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit magnétique de compensation (20) comporte un élément en matériau magnétique, en forme de U, entourant l'élément de contact mobile (19b). 7.-Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit magnétique de compensation comporte une palette (21) en matériau magnétique solidaire de l'élément de contact mobile (19b).