Brevet FR2932622A1 — publié le 20091218

TRANSFORMATEUR PIEZOELECTRIQUE D'ISOLEMENT La présente invention porte sur un transformateur piézoélectrique, en particulier sur un transformateur piézoélectrique d'isolement, dans lequel la partie non polarisée du substrat, qui possède toujours les propriétés d'une céramique, est utilisée pour isoler le secondaire du primaire. Les transformateurs d'isolement sont appelés de manière générique transformateurs suppresseurs de bruit. Avant d'entrer dans un dispositif électronique, une puissance de source sera traitée par un transformateur de puissance de source. Toutefois, du bruit haute fréquence peut encore atteindre le secondaire et entrer dans le dispositif électronique par effet capacitif, couplage magnétique ou rayonnement électromagnétique entre le primaire et le secondaire. Une puissance de source doit atteindre le dispositif. Un petit transformateur d'isolement est suffisant pour un dispositif de faible puissance. Un dispositif de forte puissance peut nécessiter un transformateur gigantesque. C'est pour cette raison que la masse d'un transformateur d'isolement industriel va parfois jusqu'à dépasser cent kilogrammes. Pour suivre la tendance à la fabrication de produits minces, légers et compacts, des modules de rétroéclairage d'écran à cristaux liquides (LCD) ont récemment largement adopté des transformateurs piézoélectriques pour attaquer leur lampe fluorescente à cathode froide (CCFL), en particulier dans des ordinateurs bloc-notes. Le transformateur piézoélectrique peut réaliser une conversion entre énergie mécanique et énergie électrique. Lorsqu'une tension alternative sinusoïdale ayant une fréquence proche de la fréquence de résonance est appliquée à l'extrémité d'entrée (le côté d'activation) d'un dispositif piézoélectrique, l'effet piézoélectrique inverse fait résonner l'élément piézoélectrique. Ensuite, l'effet piézoélectrique direct transforme l'énergie mécanique de résonance en énergie électrique, et l'énergie électrique est délivrée par l'extrémité de sortie (le côté conversion d'énergie). Une conversion de puissance est ainsi réalisée. Le transformateur piézoélectrique offre les avantages suivants: haute densité de puissance (supérieure à 40 W/cm3), haut rendement de conversion d'énergie (97%), coefficient piézoélectrique élevé, haute fiabilité, faible épaisseur, faibles dimensions, légèreté, moins de chaleur dégagée, haute qualité d'isolement, incombustibilité, faible prix, aucun enroulement, aucun noyau magnétique, structure d'une seule pièce, production automatique, et aucune interférence électromagnétique. Le transformateur piézoélectrique conventionnel ne peut pas satisfaire le règlement de sécurité en courant continu à moins d'utiliser un transformateur traditionnel pour isoler le secondaire du primaire. Cela réduit toutefois son rendement. Un brevet taiwanais n° 492204 a divulgué un transformateur piézoélectrique stratifié de forte puissance, qui atteint une forte puissance avec une oscillation lente pour ainsi dégager moins de chaleur. Le transformateur piézoélectrique de l'art antérieur adopte un matériau composite multicouche, dans lequel la couche isolante et d'autres couches sont faites de matériaux différents. En conséquence, le transformateur piézoélectrique de l'art antérieur a une forte perte de puissance. Lorsqu'une tension élevée est appliquée en entrée, le matériau stratifié vibre si violemment que le matériau stratifié est susceptible de casser ou se fracturer. Comme l'énergie conduite dans des matériaux différents ne peut pas être couplée, le transformateur piézoélectrique de l'art antérieur ne peut pas satisfaire l'exigence du règlement de sécurité selon laquelle le secondaire doit être isolé du primaire. En conséquence, le transformateur piézoélectrique de l'art antérieur ne peut pas fonctionner comme un transformateur piézoélectrique d'isolement. L'objectif principal de la présente invention est de proposer un transformateur piézoélectrique d'isolement qui puisse isoler le secondaire du primaire et puisse donc résoudre les problèmes conventionnels. Pour atteindre l'objectif mentionné plus haut, la présente invention propose un transformateur piézoélectrique d'isolement qui comprend un substrat, une première électrode supérieure, une première électrode inférieure, une seconde électrode supérieure et une seconde électrode inférieure. Le substrat est fait d'un matériau céramique et présente une surface supérieure et une surface inférieure. Les première et seconde électrodes supérieures sont formées sur la surface supérieure du substrat mais ne se touchent pas. Les première et seconde électrodes inférieures sont formées sur la surface inférieure du substrat mais ne se touchent pas. Les premières électrodes supérieure et inférieure sont symétriques l'une de l'autre et forment le primaire. Les secondes électrodes supérieure et inférieure sont symétriques l'une de l'autre et forment le secondaire. Une tension continue élevée est appliquée au primaire et au secondaire afin de polariser le substrat entre les électrodes supérieures et inférieures, mais la partie centrale non polarisée du substrat conserve encore les propriétés d'un matériau céramique. Quand l'entrée est une tension sans fréquence, la partie centrale non polarisée du substrat peut fonctionner comme un isolateur des côtés primaire et secondaire. Contrairement aux transformateurs piézoélectriques conventionnels qui utilisent un matériau composite, la présente invention adopte une conception monocouche et est exempte du risque de fracture sous tension élevée. En outre, quand l'entrée est une tension continue, le substrat entre le primaire et le secondaire conserve les propriétés d'un matériau céramique ayant un état d'isolation réelle haute impédance. La présente invention a donc pour objet un transformateur piézoélectrique d'isolement, caractérisé par le fait qu'il comprend : un substrat fait d'un matériau céramique et ayant une surface supérieure et une surface inférieure ; une première électrode supérieure formée sur ladite surface supérieure dudit substrat ; une première électrode inférieure formée sur ladite surface inférieure dudit substrat et symétrique de ladite première électrode supérieure, où l'application d'une tension à ladite première électrode supérieure et ladite première électrode inférieure polarise une partie dudit substrat entre ladite première électrode supérieure et ladite première électrode inférieure et permet à ladite première électrode supérieure et ladite première électrode inférieure de fonctionner comme primaire ; - une seconde électrode supérieure formée sur ladite surface supérieure dudit substrat et ne touchant pas ladite première électrode supérieure ; - une seconde électrode inférieure formée sur ladite surface inférieure dudit substrat et symétrique de ladite seconde électrode supérieure, où l'application d'une tension à ladite seconde électrode supérieure et ladite seconde électrode inférieure polarise une partie dudit substrat entre ladite seconde électrode supérieure et ladite seconde électrode inférieure et permet à ladite seconde électrode supérieure et ladite seconde électrode inférieure de fonctionner comme secondaire, et dans lequel une partie dudit substrat que ne couvre aucune de ladite première électrode supérieure, ladite première électrode inférieure, ladite seconde électrode supérieure et ladite seconde électrode inférieure n'est pas polarisée et conserve les propriétés d'un matériau céramique. Ledit primaire et ledit secondaire peuvent être polarisés simultanément. Ledit primaire et ledit secondaire peuvent être polarisés séparément. Ledit substrat peut présenter la forme d'un cercle ou d'un rectangle. Ladite première électrode supérieure et ladite seconde électrode supérieure peuvent être d'une forme identique. Chacune de ladite première électrode supérieure et ladite seconde électrode supérieure peut présenter la forme d'un arc ou d'un rectangle. Ladite première électrode supérieure et ladite seconde électrode supérieure peuvent être symétriques par rapport à un axe central ou un diamètre dudit substrat. Ladite première électrode supérieure, ladite première électrode inférieure, ladite seconde électrode supérieure et ladite seconde électrode inférieure peuvent être faites de nickel, d'argent ou de cuivre. Quand ledit primaire reçoit une tension d'entrée sans fréquence, ladite partie dudit substrat que ne couvre aucune de ladite première électrode supérieure, ladite première électrode inférieure, ladite seconde électrode supérieure et ladite seconde électrode inférieure peut être dans un état d'isolation. La présente invention est décrite en détail ci-après en référence aux dessins pour faciliter la compréhension des objectifs, caractéristiques et fonctions de la présente invention. Sur les dessins : - la Figure 1A est un schéma représentant un transformateur piézoélectrique d'isolement selon une forme de réalisation de la présente invention la Figure 1B est une vue de dessus d'un transformateur piézoélectrique d'isolement selon la même forme de réalisation de la présente invention la Figure 2 est un schéma représentant la polarisation d'un transformateur piézoélectrique d'isolement selon une forme de réalisation de la présente invention ; et les Figures 3A et 3B sont des schémas représentant la polarisation d'un transformateur piézoélectrique d'isolement selon une autre forme de réalisation de la présente invention. On se rapportera à la Figure 1A qui est un schéma représentant un transformateur piézoélectrique d'isolement selon une forme de réalisation de la présente invention. Dans cette forme de réalisation, le transformateur piézoélectrique d'isolement de la présente invention comprend un substrat 10, une première électrode supérieure 21, une première électrode inférieure 22, une seconde électrode supérieure 31 et une seconde électrode inférieure 32. On se rapportera à la Figure 1B qui est une vue de dessus d'un transformateur piézoélectrique d'isolement selon la même forme de réalisation de la présente invention. Le substrat 10 apparaît sous la forme d'un cercle sur la vue de dessus et présente une surface supérieure 11 et une surface inférieure 12 correspondant l'une à l'autre. Le substrat 10 peut être fabriqué par frittage d'un matériau céramique. La première électrode supérieure 21 est formée sur la surface supérieure 11 du substrat 10 et présente la forme d'un arc. En d'autres termes, la première électrode supérieure 21 est définie par un arc de cercle et une corde, comme représenté sur la Figure 1B. La première électrode inférieure 22 est formée sur la surface inférieure 12 du substrat 10 et est symétrique de la première électrode supérieure 21. En d'autres termes, les premières électrodes supérieure et inférieure 21 et 22 sont formées respectivement sur les surfaces supérieure et inférieure 11 et 12 du substrat 10 et ont à peu près la même forme. La seconde électrode supérieure 31 est aussi formée sur la surface supérieure 11 du substrat 10 et présente aussi la forme d'un arc. La seconde électrode inférieure 32 est formée sur la surface inférieure 12 du substrat 10 et est symétrique de la seconde électrode supérieure 31. En d'autres termes, les secondes électrodes supérieure et inférieure 31 et 32 sont formées respectivement sur les surfaces supérieure et inférieure 11 et 12 du substrat 10 et ont à peu près la même forme. Selon une autre possibilité, le substrat 10 peut être conçu pour présenter la forme d'un rectangle ou une autre forme géométrique symétrique. Les premières électrodes supérieure et inférieure 21 et 22 épousent toujours la forme du substrat 10 et restent symétriques l'une de l'autre, et les secondes électrodes supérieure et inférieure 31 et 32 épousent aussi toujours la forme du substrat 10 et restent symétriques l'une de l'autre. La première électrode supérieure 21 ne touche pas la seconde électrode supérieure 31, et la première électrode inférieure 22 ne touche pas non plus la seconde électrode inférieure 32. Les électrodes mentionnées plus haut, incluant les premières électrodes supérieure et inférieure 21 et 22 et les secondes électrodes supérieure et inférieure 31 et 32, sont faites de nickel, argent ou cuivre, et sont formées par un procédé de revêtement. On se rapportera à la Figure 2 qui est un schéma représentant la polarisation d'un transformateur piézoélectrique d'isolement selon une forme de réalisation de la présente invention. Le substrat 10 entre les premières électrodes supérieure et inférieure 21 et 22 est polarisé par application d'une tension continue élevée, telle qu'un champ électrique ayant une intensité de 30 kV/cm, aux premières électrodes supérieure et inférieure 21 et 22. Le substrat 10 entre les secondes électrodes supérieure et inférieure 31 et 32 est aussi polarisé par application d'une tension continue élevée aux secondes électrodes supérieure et inférieure 31 et 32. Le substrat 10 non couvert par la première électrode supérieure 21, la première électrode inférieure 22, la seconde électrode supérieure 31 et la seconde électrode inférieure 32 reste non polarisé et conserve les propriétés physiques d'une céramique. Ainsi, les premières électrodes supérieure et inférieure 21 et 22 peuvent fonctionner comme primaire d'un transformateur, et les secondes électrodes supérieure et inférieure 31 et 32 peuvent fonctionner comme secondaire du transformateur. On se rapportera aux Figures 3A et 3B qui sont des schémas représentant la polarisation d'un transformateur piézoélectrique d'isolement selon une autre forme de réalisation de la présente invention. Dans cette forme de réalisation, les polarisations du primaire et du secondaire sont réalisées séparément. Comme représenté sur la Figure 3A, le côté où se trouvent les premières électrodes supérieure et inférieure 21 et 22 est polarisé en premier. Ensuite, comme représenté sur la Figure 3B, le côté où se trouvent les secondes électrodes supérieure et inférieure 31 et 32 est aussi polarisé. Dans la présente invention, le sens de polarisation est arbitraire et non limité à celui représenté sur les schémas. L'impédance de la zone non polarisée dépend du processus de polarisation et des propriétés physiques du matériau. Les polarisations séparées donnent une plus haute impédance à la zone non polarisée. Lorsqu'une onde carrée est appliquée au primaire, le secondaire délivre une onde sinusoïdale. De façon générale, le transformateur aura la plus haute puissance de sortie lorsqu'il travaille à la fréquence de résonance. A partir d'expériences, on sait que l'impédance de la zone centrale 13 non polarisée, qui conserve les propriétés d'un matériau céramique, croît quand la fréquence d'entrée décroît, et que l'impédance atteint sa valeur minimale au niveau de la fréquence de résonance. Quand l'entrée est une tension sans fréquence, l'impédance atteint jusqu'à 101°- 1011 ohms. Le transformateur peut donc fonctionner comme un transformateur d'isolement. Lorsqu'un dysfonctionnement (tel qu'un cas de protection contre les surtensions (OVP) ou un cas de protection contre les surintensités (OCP)) est détecté côté charge, le circuit de protection contre les conditions anormales à rétroaction envoie un signal à la logique de commande (unité centrale). La logique de commande envoie alors une tension continue pour former un état haute impédance entre le primaire et le secondaire (isolation réelle). Dans la présente invention, les électrodes du primaire et du secondaire ont une grande superficie et ont donc une capacité importante. En conséquence, le transformateur piézoélectrique d'isolement de la présente invention peut fonctionner comme un transformateur d'isolement haute puissance. La première électrode supérieure 21 et la seconde électrode supérieure 22 sont de préférence de forme identique et symétriques par rapport à l'axe central ou diamètre du substrat 10. Le transformateur piézoélectrique d'isolement de la présente invention peut s'appliquer à des dispositifs d'éclairage à DEL, des unités de rétroéclairage, des lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL), des onduleurs de module de rétroéclairage, des ballasts de lampe fluorescente à plat externe (EFFL), des ordinateurs bloc-notes, des ordinateurs de bureau, des assistants numériques personnels (ANP), etc. La présente invention est un transformateur d'isolement monocouche; en conséquence, la présente invention s'adapte à une entrée de 400V en courant continu à correction du facteur de puissance (PFC). Comme la présente invention n'a besoin ni d'un abaisseur 400V continu ni d'un élévateur 12-24V continu dans ce cas, son rendement de sortie est meilleur. Les formes de réalisation décrites plus haut servent seulement à exemplifier la présente invention et non à limiter la portée de la présente invention. En conséquence, toute modification ou variation équivalente conforme à l'esprit de la présente invention doit aussi être incluse dans la portée de la présente invention. REVENDICATIONS1 - Transformateur piézoélectrique d'isolement, caractérisé par le fait qu'il comprend : un substrat (10) fait d'un matériau céramique et ayant une surface supérieure (11) et une surface inférieure (12) ; une première électrode supérieure (21) formée sur ladite surface supérieure (11) dudit substrat (10) ; une première électrode inférieure (22) formée sur ladite surface inférieure (12) dudit substrat (10) et symétrique de ladite première électrode supérieure (21), où l'application d'une tension à ladite première électrode supérieure (21) et ladite première électrode inférieure (22) polarise une partie dudit substrat (10) entre ladite première électrode supérieure (21) et ladite première électrode inférieure (22) et permet à ladite première électrode supérieure (21) et ladite première électrode inférieure (22) de fonctionner comme primaire ; une seconde électrode supérieure (31) formée sur ladite surface supérieure (11) dudit substrat (10) et ne touchant pas ladite première électrode supérieure (21) ; une seconde électrode inférieure (32) formée sur ladite surface inférieure (12) dudit substrat (10) et symétrique de ladite seconde électrode supérieure (31), où l'application d'une tension à ladite seconde électrode supérieure (31) et ladite seconde électrode inférieure (32) polarise une partie dudit substrat (10) entre ladite seconde électrode supérieure (31) et ladite seconde électrode inférieure (32) et permet à ladite seconde électrode supérieure (31) et ladite seconde électrode inférieure (32) de fonctionner comme secondaire, et dans lequel une partie dudit substrat (10) que ne couvre aucune de ladite première électrode supérieure (21), ladite première électrode inférieure (22), ladite seconde électrode supérieure (31) et ladite seconde électrode inférieure (32) n'est pas polarisée et conserve les propriétés d'un matériau céramique. 2 - Transformateur piézoélectrique d'isolement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit primaire et ledit secondaire sont polarisés simultanément. 3 - Transformateur piézoélectrique d'isolement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit primaire et ledit secondaire sont polarisés séparément. 4 - Transformateur piézoélectrique d'isolement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit substrat (10) présente la forme d'un cercle ou d'un rectangle. 5 - Transformateur piézoélectrique d'isolement selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite première électrode supérieure (21) et ladite seconde électrode supérieure (31) sont d'une forme identique. 6 - Transformateur piézoélectrique d'isolement selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chacune de ladite première électrode supérieure (21) et ladite seconde électrode supérieure (31) présente la forme d'un arc ou d'un rectangle. 7 - Transformateur piézoélectrique d'isolement selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite première électrode supérieure (21) et ladite seconde électrode supérieure (31) sont symétriques par rapport à un axe central ou un diamètre dudit substrat (10). 8 - Transformateur piézoélectrique d'isolement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite première électrode supérieure (21), ladite première électrode inférieure (22), ladite seconde électrode supérieure (31) et ladite seconde électrode inférieure (32) sont faites de nickel, d'argent ou de cuivre. 9 - Transformateur piézoélectrique d'isolement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que quand ledit primaire reçoit une tension d'entrée sans fréquence, ladite partie dudit substrat (10) que ne couvre aucune de ladite première électrode supérieure (21), ladite première électrode inférieure (22), ladite seconde électrode supérieure (31) et ladite seconde électrode inférieure (32) est dans un état d'isolation.