Brevet FR2883664A1 — publié le 20060929

TRANSFORMATEUR PIEZOELECTRIQUE POUR ALIMENTATION ELECTRIQUE ET ALIMENTATION ELECTRIQUE COMPORTANT UN TEL TRANSFORMATEUR DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un transformateur piézoélectrique pour alimentation électrique 10 comportant: - un corps en matériau piézoélectrique, - des moyens de maintien dudit corps en matériau piézoélectrique, - des électrodes d'entrée en contact avec le corps en matériau piézoélectrique pour recevoir au moins une tension électrique d'entrée, et - des électrodes de sortie en contact avec le corps en matériau piézoélectrique pour fournir au moins une tension électrique de sortie d'alimentation, L'invention concerne aussi une alimentation électrique comportant un tel transformateur. 20 ETAT DE LA TECHNIQUE Les alimentations électriques de type connu comportent généralement un transformateur électromagnétique ayant un circuit primaire d'entrée et un circuit secondaire de sortie. Des circuits électroniques d'entrée permettent de convertir une tension électrique basse fréquence d'un réseau en tension électrique haute fréquence d'entrée pour réduire la taille des transformateurs et du circuit magnétique. Ces alimentations sont volumineuses et ne sont pas compatibles avec des alimentations de faible puissance. D'autres alimentations comportent des transformateurs piézoélectriques fonctionnant aussi 30 avec des tensions d'entrée haute fréquence. Ces alimentations permettent d'éviter des transformateurs électromagnétiques mais nécessitent aussi des circuits électroniques de conversion. Le transfert d'énergie maximal dans un matériau piézoélectrique connu se fait naturellement à des fréquences élevées de l'ordre de 100 kHz. La figure 1 représente un schéma bloc d'une alimentation à transformateur piézoélectrique de type connu. L'alimentation 1 comporte un filtre d'entrée 2 recevant une tension d'alimentation V1 d'entrée depuis un réseau. Puis, un dispositif 3 de protection contre des surtensions permet de protéger les circuits électroniques de redressement 4 et de conversion 5. Ainsi, le circuit 5 convertit l'énergie électrique d'entrée en tension haute fréquence pour alimenter des entrées d'un transformateur piézoélectrique 6. Une tension de sortie du transformateur 6 est appliquée par exemple à un redresseur 7 pour alimenter avec une tension V2 une charge électrique de sortie. La figure 2 montre une structure d'un transformateur piézoélectrique 6 connu fonctionnant à faute fréquence pour le transfert d'énergie. Généralement, le transformateur 15' piézoélectrique pour alimentation électrique comporte un corps 10 en matériau piézoélectrique, un dispositif 11 de maintien dudit corps en matériau piézoélectrique, des électrodes 12 d'entrée en contact avec le corps en matériau piézoélectrique pour appliquer la tension d'entrée V1 et des électrodes 13 de sortie en contact électrique avec le corps en matériau piézoélectrique pour fournir une tension électrique de sortie V2. Pour avoir un bon rendement de transfert le circuit de conversion 7 et le transformateur piézoélectrique fonctionnent en haute fréquence. La figure 3 montre une allure d'une courbe 20 pouvant représenter le taux de transfert R en fonction de la fréquence avec des circuits de conversion et des transformateurs connus. Pour des fréquences inférieures à 10kHz le rendement est faible alors que vers 100 kHz le rendement devient élevé. Ainsi, de tels transformateurs piézoélectriques n'ont pas de bonnes performances pour la transformation d'énergie électrique à basse fréquence. Dans les alimentations à transformateurs piézoélectriques de type connu, les circuits électroniques d'entrée sont très fragiles, en particulier les circuits de redressement et les circuits de conversion. De plus, les protections contre les surtensions peuvent se détériorer de manière irréversible si des ondes de chocs sont fréquentes. Un autre inconvénient des alimentations connues concerne le volume et le coût important réservé aux circuits de filtrage, de protection et de conversion surtout pour des alimentations de faible puissance. De telles alimentations sont aussi vulnérables et perméables aux ondes de choc. En effet, puisque les fréquences de résonances du transformateur piézoélectrique sont élevées, le transfert des ondes de choc entre des entrées et des sorties est facilité. Cette caractéristique oblige à ajouter encore des protections volumineuses en entrée de ces alimentations. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour but un transformateur piézoélectrique pour alimentation électrique permettant d'éviter les inconvénients des alimentations de l'état de la technique et une alimentation électrique comportant un tel transformateur piézoélectrique. Dans un transformateur piézoélectrique selon l'invention, le corps en matériau piézoélectrique résonne à une fréquence de résonance principale inférieure à 1000 Hz pour fournir à ladite fréquence de résonance un transfert d'énergie élevé entre les électrodes d'entrée et de sortie. Dans un mode de réalisation préférentiel, le corps en matériau piézoélectrique a une forme allongée ayant une première partie proche d'un premier bout comportant des électrodes et étant maintenue par des moyens de maintien. De préférence, lesdites électrodes de sortie sont à une distance supérieure à 1 millimètre 25 par rapport à des électrodes d'entrée. Avantageusement, les électrodes d'entrée sont disposées à proximité d'une première face du corps en matériau piézoélectrique et que les électrodes de sortie sont disposées à proximité d'une seconde face du corps en matériau piézoélectrique opposée à la première face. Avantageusement, lesdites électrodes d'entrée et/ou lesdites électrodes de sortie comportent plusieurs couches métalliques. De préférence, le corps en matériau piézoélectrique a une longueur supérieure à 30 millimètres. Dans un mode de particulier de réalisation, une masselotte est disposée sur une seconde partie du corps en matériau piézoélectrique près d'un bout à l'opposé des moyens de maintien pour diminuer une fréquence de résonance principale. De préférence, le corps en matériau piézoélectrique a une fréquence de résonance inférieure à 1 KHz pour fournir à cette fréquence de résonance un transfert d'énergie élevé entre les électrodes d'entrée et de sortie, et des fréquences de résonances secondaires supérieures à 10 kHz à transfert d'énergie très faible pour limiter le transfert d'énergie en haute fréquence. De préférence, un rapport entre des amplitudes maximales à fréquences de résonance inférieures à 1 kHz et des amplitudes de fréquence supérieure à 10 kHz est supérieur à 10. Une alimentation électrique comporte des moyens de transformation, des bornes d'entrée connectées audits moyens de transformation et destinée à recevoir une tension électrique alternative d'entrée, et des bornes de sortie connectées audits moyens de transformation et destinées à fournir au moins une tension de sortie, les moyens de transformation comportant au moins un transformateur piézoélectrique tel que défini ci-dessus ayant des électrodes d'entrée connectées audites bornes d'entrée et des électrodes de sorties connectées audites bornes de sortie. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 2 représente un schéma d'une alimentation à transformateur piézoélectrique de l'état de la technique; la figure 3 montre une courbe illustrant l'allure d'un rendement de transfert en fonction de la fréquence d'un transformateur piézoélectrique de l'état de la technique; - les figures 4 et 5 montrent des courbes représentatives de fréquences de résonance et de transfert en fonction de la fréquence d'un transformateur piézoélectrique selon des modes de réalisation de l'invention; - les figures 6 et 7 représentent un premier exemple de structure d'un transformateur piézoélectrique selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 8 représente un second exemple de structure d'un transformateur piézoélectrique selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 9 représente un transformateur selon celui de la figure 8 comportant une masselotte; - les figures 10 et 11 représentent des alimentations comportant des transformateurs piézoélectriques selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PREFERES Un transformateur piézoélectrique selon un mode réalisation de l'invention comporte un corps en matériau piézoélectrique réalisé de manière à fournir une énergie électrique élevée en basse fréquence. Ainsi, le corps en matériau piézoélectrique résonne à une fréquence de résonance principale inférieure à 1000 Hz pour fournir à ladite fréquence de résonance un transfert d'énergie élevé entre les électrodes d'entrée et de sortie. Dans des modes de réalisation préférentiels la fréquence principale de résonance est inférieure à 100 Hz. En ayant un transfert d'énergie élevé en basse fréquence, le transformateur piézoélectrique peut être connecté directement à un réseau de distribution électrique sans utilisation de redresseur et de convertisseur pour l'alimenter en tension haute fréquence. Par conséquent, un transformateur selon un mode de réalisation de l'invention est plus économique et plus fiable. Une première courbe 21 représentée sur la figure 4 illustre des pics 22 de résonance et des creux 23 d'anti-résonance en basse fréquence d'un transformateur selon un mode de réalisation de l'invention. Sur la courbe 21, le pic de résonance le plus élevé a une fréquence F1 de 50 Hz, puis les autres pics de résonance sont décroissants en fonction de la fréquence. Ainsi, pour des fréquences élevées, les pics de résonance permettant un bon transfert d'énergie sont faibles et permettent de couper les tensions de chocs qui sont par nature de fréquence équivalente élevée. Avec de telles caractéristiques, le transformateur agit aussi en tant que filtre haute fréquence et limiteur de surtension. Plusieurs pics basse fréquence peuvent être utilisés. Sur la figure 4, un second pic 22 ayant une fréquence de résonance F2 peut aussi être utilisé pour le transfert d'énergie. Une première courbe 24, représentée sur la figure 5, illustre un pic 25 de résonance à une fréquence F2 de 60 Hz et un creux 26 d'anti-résonance le plus proche d'un transformateur selon un mode de réalisation de l'invention. La fréquence de la tension d'entrée est de préférence proche d'une fréquence de résonance et éloignée d'une fréquence d'antirésonance pour assurer un bon transfert d'énergie. Des pics de résonance peuvent aussi avoir une bande passante large et couvrir par exemple des fréquences de 50 à 60 Hz s'ils sont calés à 55 Hz. Les figures 6 et 7 représentent un premier exemple de structure d'un transformateur piézoélectrique selon un mode de réalisation de l'invention. Sur ces figures données à titre d'exemple, les proportions entre les dimensions ne sont pas respectées afin de permettre une vision correcte des différents éléments du transformateur. Le corps en matériau piézoélectrique a une longueur Dl supérieure à 30 millimètres. De préférence, la longueur Dl sera entre 10 et 60 mm. La largeur du matériau agit moins sur la fréquence de résonance mais elle conditionne la puissance de transfert maximale. Par exemple pour de faible puissance une largeur D2 peut être de 10 mm. L'épaisseur du matériau piézoélectrique dépend de la structure du matériau lui-même. Par exemple, une partie active du corps du matériau piézoélectrique peut être d'environ 0,3 mm. Avantageusement, les électrodes d'entrée 12 sont disposées à proximité d'une première face 15 du corps 10 en matériau piézoélectrique et les électrodes 13 de sortie sont disposées à proximité d'une seconde face 16 du corps en matériau magnétique opposée à la première face 15. De préférence, lesdites électrodes 13 de sortie sont à une distance D4 supérieure à 1 millimètre par rapport à des électrodes 12 d'entrée. Cette disposition permet d'avoir une tenue diélectrique suffisante tout en ayant une épaisseur faible et une fréquence de résonance basse. La figure 8 représente un second exemple de structure d'un transformateur piézoélectrique selon un mode de réalisation de l'invention. Pour permettre une fréquence de résonance basse, le corps en matériau piézoélectrique a de préférence une forme allongée ayant une première partie 30 proche d'un premier bout comportant des électrodes 12 et 13. Ladite première partie est maintenue par un dispositif de maintien 31 en bout du corps pour permettre une oscillation mécanique 50 sur une grande longueur du corps 10. L'oscillation mécanique 50 est dans ce cas sensiblement perpendiculaire à la largeur du corps 10. La figure 9 représente un transformateur du même type que celui de la figure 8 comportant une masselotte permettant de diminuer la fréquence de résonance principale. Dans ce mode de réalisation, une masselotte 32 est disposée sur une seconde partie 33 du corps 10 en matériau piézoélectrique près d'un bout à l'opposé du dispositif de maintien 31 pour ajuster une fréquence de résonance principale F1, F2 ou F3. Sur les modes de réalisation des figures 8 et 9, les électrodes d'entrée et de sortie 12 et 13 sont réalisées en multicouches de manière à augmenter l'efficacité du transfert. De préférence, le corps en matériau piézoélectrique a au moins une fréquence de résonance principale inférieure à 1 kHz pour fournir à cette fréquence de résonance un transfert d'énergie élevé entre les électrodes d'entrée et de sortie et des fréquences de résonances secondaires supérieures à 10 kHz à transfert d'énergie très faible pour limiter le transfert d'énergie en haute fréquence. Avantageusement, un rapport entre des amplitudes de résonance inférieure à 1 kHz et des amplitudes de fréquence supérieure à 10 kHz est supérieur à 10. Les figures 10 et 11 représentent des alimentations 40 et 41 comportant des transformateurs 42 piézoélectriques selon des modes de réalisation de l'invention. Les alimentations électriques comportent des bornes 43 d'entrée connectées aux électrodes d'entrée des transformateurs 42. elles sont destinées à recevoir une tension électrique alternative d'entrée V1. Des bornes de sortie 44 sont connectées aux électrodes 13 de sortie des transformateurs 42 pour fournir au moins une tension V2 de sortie. Avec des bornes 43 et 44 le transformateur de la figure 8 est aussi une alimentation électrique. Sur l'alimentation de la figue 11, un circuit de redressement 45 et connecté entre les sorties du transformateur piézoélectrique et les bornes 44 de sortie pour fournir une tension de sortie V2 redressée. Les modes de réalisation des transformateurs piézoélectriques décris cidessus fonctionnent avec une oscillation et une résonance selon des directions sensiblement perpendiculaires à la longueur du corps du matériau piézoélectrique. Cependant, d'autres types de structures sont possibles. Dans les exemples de courbe montrés, ci-dessus la fréquence maximale de résonance est de préférence considérée comme la fréquence principale d'utilisation. Cependant des fréquences principales d'utilisation peuvent correspondre à d'autres fréquences de résonance d'amplitudes un peu moins élevée mais suffisantes pour un transfert élevé d'énergie. Ce mode de fonctionnement est adapté notamment à l'utilisation du transformateur à plusieurs fréquences d'entrée correspondant à plusieurs fréquences de résonance pouvant avoir des amplitudes de pics différentes. De plus, il est possible de faire fonctionner le transformateur piézoélectrique à des fréquences plus ou moins proches d'un pic de résonance en évitant les creux d'anti-résonance. REVENDICATIONS 1. Transformateur piézoélectrique pour alimentation électrique comportant: - un corps (10) en matériau piézoélectrique, - des moyens (11) de maintien dudit corps en matériau piézoélectrique, - des électrodes (12) d'entrée en contact avec le corps en matériau piézoélectrique pour recevoir au moins une tension électrique (V 1) d'entrée, et - des électrodes (13) de sortie en contact avec le corps en matériau piézoélectrique pour fournir au moins une tension électrique (V2) de sortie d'alimentation, caractérisé en ce que le corps (10) en matériau piézoélectrique résonne à une fréquence (F1, F2, F3) de résonance principale inférieure à 1000 Hz pour fournir à ladite fréquence de résonance un transfert d'énergie élevé entre les électrodes d'entrée et de sortie. 2. Transformateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le corps (10) en matériau piézoélectrique a une forme allongée ayant une première partie (30) proche d'un premier bout comportant des électrodes (12, 13) et étant maintenue par des moyens (31) de maintien. 3. Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites électrodes (12) de sortie sont à une distance supérieure à 1 millimètre par rapport à des électrodes (13) d'entrée. 4. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les électrodes (12) d'entrée sont disposées à proximité d'une première face (15) du corps (10) en matériau piézoélectrique et que les électrodes (13) de sortie sont disposées à proximité d'une seconde face (16) du corps en matériau magnétique opposée à la première face (15). 5. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que lesdites électrodes (12) d'entrée et/ou lesdites électrodes (13) de sortie comportent plusieurs couches métalliques. 6. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le corps en matériau piézoélectrique a une longueur (Dl) supérieure à 30 millimètres. 7. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que une masselotte (32) est disposée sur une seconde partie (33) du corps (10) en matériau piézoélectrique près d'un bout à l'opposé des moyens (31) de maintien pour diminuer une fréquence (FI, F2, F3) de résonance principale. 8. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le corps en matériau piézoélectrique a une fréquence (F1, F2, F3) de résonance inférieure à 1 kHz pour fournir à cette fréquence de résonance un transfert (R) d'énergie élevé entre les électrodes d'entrée et de sortie, et des fréquences de résonances secondaires supérieures à 10 kHz à transfert d'énergie très faible pour limiter le transfert d'énergie en haute fréquence. 9. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'un rapport entre des amplitudes maximales à fréquences (F1, F2, F3) de résonance inférieures à 1 kHz et des amplitudes de fréquence supérieure à 10 kHz est supérieur à 10. 10. Alimentation électrique comportant des moyens de transformation, des bornes d'entrée (43) connectées audits moyens de transformation et destinée à recevoir une tension électrique (V1) alternative d'entrée, et des bornes (44) de sortie connectées audits moyens de transformation et destinées à fournir au moins une tension (V2) de sortie, caractérisée en ce que les moyens de transformation comportent au moins un transformateur piézoélectrique (42) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ayant des électrodes (12) d'entrée connectées audites bornes (43) d'entrée et des électrodes de sorties (13) connectées audites bornes (44) de sortie.