Brevet FR2984031A1 — publié le 20130614

L'invention concerne un appareil électronique équipé de moyens de protection contre une surtension due à la foudre. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Des appareils électroniques de type « passerelle résidentielle » ou « modem », ou plus généralement, des appareils électroniques permettant de transférer des données entre une ligne téléphonique et un terminal quelconque comme un ordinateur, doivent être protégés contre des impacts de foudre pouvant survenir sur des éléments conducteurs de la ligne téléphonique. Dans ce cadre, les recommandations ITU-T K.21 définissent des formes d'onde de référence représentatives d'impacts de foudre. Ces formes d'onde sont des impulsions d'amplitude maximale 1,5 kilovolt (kV) en mode commun pour l'onde dite « K.21 normal level », ou 6,0 kilovolt (kV) pour l'onde dite « K.21 enhanced level ». La conception d'une protection contre la foudre consiste ainsi à prévoir des moyens permettant à l'appareil 20 de supporter l'une ou l'autre de ces formes d'onde sans dommage. En pratique, la conception d'une telle protection contre la foudre est compliquée dans le cas d'une passerelle destinée à être installée chez un particulier. 25 En effet, pour être efficace, une protection contre la foudre nécessite que la passerelle soit reliée à la terre. Hors, il n'est pas possible d'avoir l'assurance que l'utilisateur final va de façon effective connecter son appareil à la terre. En outre, la qualité de sa terre 30 représente un aléa supplémentaire qui ne peut pas non plus être maîtrisé. Une passerelle résidentielle est alimentée électriquement par un bloc secteur, lui-même connecté à un réseau électrique de type 230 Volt ou bien 110 Volt, et 35 elle est par ailleurs connectée à une ligne DSL comportant typiquement deux éléments conducteurs. Cette passerelle comporte notamment des composants internes dits frontaux (par exemple des composants de type AFE - Analog Front End) couplés à la ligne DSL et qui doivent être protégés de la foudre. Lorsque la passerelle n'est pas reliée à la terre ou que la connexion est mauvaise, et qu'un impact de foudre survient, la masse électrique peut-être portée sensiblement au même potentiel que les éléments conducteurs de la ligne DSL, c'est-à-dire à un potentiel proche de celui de la surtension, soit, dans le cas d'une forme d'onde K.21 enhanced, à 6,0 kV. Dans cette situation, les autres composants de la passerelle qui sont reliés à la masse sont soumis à un potentiel sensiblement égal à 6,0 kV. C'est notamment le 15 cas des composants du port Ethernet d'une telle passerelle. A l'heure actuelle, les composants d'un port Ethernet sont dimensionnés pour résister à des impulsions d'amplitude maximale 1,5 kV en mode commun (K.21 normal level). Ainsi, la surtension de 6,0 kV qui est imposée à la 20 masse en cas de foudre, permet de protéger les composants frontaux de la passerelle, mais elle provoque malgré tout l'endommagement du port Ethernet si la passerelle n'est pas reliée à la terre. OBJET DE L'INVENTION 25 Le but de l'invention est de proposer une architecture permettant de protéger efficacement les composants d'un tel appareil des effets d'un impact de foudre sur la ligne à laquelle un tel appareil est connecté, y compris lorsque cet appareil n'est pas connecté à la terre. 30 RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un appareil électronique alimenté par un bloc d'alimentation connecté à un réseau électrique de type secteur, destiné à être connecté à une ligne de transmission comprenant deux 35 éléments conducteurs et à un terminal pour transférer des données entre la ligne et le terminal, cet appareil comprenant : - un composant frontal couplé à la ligne au travers d'un transformateur d'isolement; - différents composants additionnels reliés à une masse électrique de l'appareil; - un composant d'évacuation tel qu'un éclateur à gaz tripolaire, connecté aux éléments conducteurs de la ligne et qui devient passant en cas de surtension due à un foudroiement de la ligne, pour annuler cette surtension par établissement d'un courant circulant depuis la ligne vers la masse de manière à protéger les composants situés en aval de cette protection tels que le transformateur ou le composant frontal; - un composant diviseur de type capacitif et/ou résistif interposé entre le composant d'évacuation et la masse électrique, pour constituer, avec le bloc d'alimentation et/ou un ou plusieurs des composants additionnels, un pont diviseur grâce auquel la tension imposée à la masse de l'appareil en cas de foudre est inférieure à la surtension subie par les éléments conducteurs de la ligne de manière à protéger également les composants additionnels. Ainsi, lorsqu'un impact de foudre survient, les composants en aval sont protégés par l'éclateur tripolaire. Dans le cas où l'appareil électronique est relié à une terre électrique, le courant est évacué vers cette terre électrique. Dans le cas contraire, le composant diviseur constitue avec le bloc d'alimentation et/ou les composants additionnels un pont diviseur de tension qui permet de limiter la tension imposée à la masse électrique et donc aux bornes des composants additionnels de l'appareil qui sont exposés à la foudre par le fait qu'ils sont reliés à la masse électrique de l'appareil. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux figures des dessins annexés, parmi lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement un circuit électrique d'une passerelle résidentielle de l'invention ; - les figures 2a et 2b représentent des schémas électriques équivalents capacitifs rapportés à un point commun C du circuit électrique de la passerelle de l'invention ; - la figure 3 représente un schéma électrique équivalent capacitif rapporté au point commun C du circuit électrique de la passerelle de l'invention, lorsque la terre n'est pas connectée à la passerelle ; - la figure 4 représente schématiquement un circuit électrique d'une passerelle résidentielle de l'invention qui comporte en outre deux capteurs de courant et une photodiode. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'idée à la base de l'invention est de contrôler le niveau de tension subi par la masse électrique de l'équipement lors d'un impact de foudre par l'adjonction d'un composant diviseur sans compromis sur les performances de l'équipement en fonctionnement nominal. Ce composant diviseur permet de pondérer la répartition d'énergie, d'une part entre la ligne téléphonique et la masse électrique de l'équipement, et d'autre part, entre la masse de l'équipement et la terre. Concrètement, on prévoit un point commun relié la masse électrique dans un pont diviseur dont les extrémités sont une électrode de terre d'un éclateur tripolaire et des composants électriques d'interface d'un bloc d'alimentation et de liaisons Ethernet. Le potentiel subi par la masse électrique correspond alors à la surtension générée par la foudre divisée par un certain facteur. Une passerelle résidentielle 1 de l'invention, visible 35 à la figure 1, comporte un circuit électrique 2 de l'invention, qui est connecté via une ligne DSL 3 et une prise téléphonique 4 à une ligne téléphonique 5. La ligne DSL 3 comporte deux éléments conducteurs 6, 7 transportant les données numériques. La passerelle résidentielle 1 est aussi connectée à un 5 boîtier décodeur 9, coopérant avec la passerelle résidentielle 1 par une ligne Ethernet 16. Pour isoler galvaniquement la passerelle 1 et assurer les communications avec la ligne téléphonique 5 et la ligne Ethernet 16 en filtrant des bruits parasites, la passerelle 10 1 comprend : - un transformateur d'isolement 8 et des condensateurs Cia et Clb ; - un transformateur d'isolement 30 et un condensateur C2. 15 De même, pour isoler galvaniquement le boîtier décodeur 9 et assurer les communications avec la ligne Ethernet 16, le boîtier décodeur 9 comprend un transformateur d'isolement 33 et un condensateur C3. Le circuit électrique 2 de la passerelle résidentielle 20 1 est alimenté électriquement par un bloc secteur 10, lui-même connecté à un réseau de type 230 Volt ou bien 110 Volt. Un câble d'alimentation 21 relie la passerelle 1 et le bloc secteur 10. Ce câble d'alimentation comporte un élément conducteur d'alimentation 22 portant une tension 25 d'alimentation, ici 12 V, et un élément conducteur de référence 23 portant une tension de OV. Un éclateur tripolaire 11, comportant deux électrodes de phase 12, 13 chacune connectée à un élément conducteur 6, 7 de la ligne DSL 3 et une électrode de terre 14 30 connectée à une masse électrique 15 au travers d'une capacité série C4 de la passerelle, protège des composants électriques(20, 8) couplés à la ligne DSL 3 ainsi que des composants additionnels (30, Cl, C2, C5) reliés à la masse électrique 15 des impacts de foudre survenant sur la ligne 35 téléphonique 5. On a aussi représenté un couplage capacitif de capacité C5 au niveau du bloc secteur entre une terre électrique 18 et l'élément conducteur de référence 23. Les capacités Cia, Clb, C2, C3, C4, C5 forment un pont qui permet de diviser la tension imposée à la masse électrique 15 lorsqu'un impact de foudre survient sur la ligne téléphonique 15, et que la passerelle 1 n'est pas connectée à la terre électrique 18. Pour chaque composant électrique, on peut définir une tension maximale Vmax, qui est la tension maximale que l'on 10 peut appliquer aux bornes de ce composant sans qu'il soit endommagé. Pour des applications du type de la passerelle 1 de l'invention, on peut choisir des composants ayant des tensions maximales telles que définies ci-après : 15 - des condensateurs Cia et Cn dimensionnés pour la forme d'onde K21 enhanced level, c'est-à-dire qui ont une tension Vmax supérieure à 6,0 kV ; - un transformateur 8 qui a une tension Vmax sensiblement égale à l'amplitude maximale de la forme 20 d'onde K21 normal level, soit 6,0 kV ; - des condensateurs C2 et C3 qui ont une tension Vmax légèrement supérieure à l'amplitude maximale de l'onde K.21 normal level, soit environ 2,0 kV ; - des transformateurs d'isolement 30 et 33 de la liaison 25 Ethernet qui ont une tension Vmax proche de 8,0 kV. Il est particulièrement intéressant de choisir la valeur de la capacité C4 pour faire en sorte que, lorsqu'un impact de foudre survient créant une surtension maximale, c'est-à-dire, pour la passerelle 1, égale à l'amplitude 30 maximale de la forme d'onde K21 enhanced level, la tension imposée à la masse électrique 15 soit divisée de sorte que la tension appliquée aux bornes des composants électriques reste inférieure à leur Vmax. Pour optimiser le choix de C4, il est préférable de 35 connaître le nombre d'équipements qui seront connectés à la passerelle 1. Mais la plupart du temps, l'utilisateur a la possibilité de choisir le nombre d'équipements qu'il souhaite connecter à la passerelle. Le dimensionnement de C4 peut alors être réalisé en tenant compte du nombre maximum d'équipements connectés (égal par exemple au nombre de ports Ethernet présents sur la passerelle), ou bien en tenant compte du nombre d'équipements connectés le plus fréquemment (un ou deux équipement dans la pratique). Pour illustrer l'invention, on choisira les valeurs suivantes pour Cia, Cib, C2, C3, Cs : Cia = 45 picofarad (pf) ; Cn = 45 picofarad (pf); C2 1 nanofarad (nF); C3 1 nanofarad (nF); Cs 1 nanofarad (nF). La figure 2a illustre le pont diviseur vu à un point commun C au potentiel de la masse électrique 15, lorsqu'aucun équipement n'est connecté à la passerelle 1 par liaison Ethernet (cela peut être le cas pour une passerelle adaptée à transmettre des données uniquement par liaison sans fil). Pour optimiser le pont diviseur dans ce cas, on choisit C4 = 910 pf, ce qui permet d'obtenir, lorsqu'un impact de foudre survient et que la passerelle n'est pas connectée à la terre, une tension au point C égale à la moitié de la surtension générée par la foudre. Ainsi, alors que le transformateur 8 de la ligne DSL ne supporte qu'une Vmax de 6,0 kV, il est possible de soumettre la passerelle à une surtension de 12,0 kV. La figure 2b illustre le pont diviseur vu au point C lorsqu'un seul équipement, ici le boîtier décodeur 9, est connecté à la passerelle 1 par liaison Ethernet. On peut choisir de conserver C4 = 910 pf, ou bien d'optimiser cette valeur pour une passerelle ayant un équipement connecté, dans le but de diminuer la surtension à la masse électrique pour qu'elle soit inférieure à la tension maximale Vraa. de C2 et C3. Avantageusement, il est possible de choisir des composants C2 et C3 qui ont tous deux une tension maximale Vmax, par exemple 6kV, supérieure à leur tension Vmax habituelle, d'environ 2,0 kV. On choisira alors de 5 préférence une tension maximale Vmax identique pour les deux composants, car la tension aux bornes de C2 et la tension aux bornes de C3 sont sensiblement identiques en cas d'impact de foudre. Ainsi, on augmente la robustesse aux impacts de foudre d'un système composé de la passerelle et 10 du boîtier décodeur en dimensionnant un seul composant par équipement. Le choix d'augmenter la tension maximale du composant C2 seule est certes moins avantageux que le couple C2 et C3 mais permet d'assurer la robustesse de la passerelle seule. 15 Avantageusement, il est aussi possible de prévoir une connexion de la passerelle 1 à la terre électrique 18. Dans ce cas, lorsqu'un impact de foudre survient, le courant est directement évacué à la terre électrique 18, et la masse électrique 15 ne subit pas de surtension. 20 Deux agencements permettent de réaliser cette connexion : - agencement dit « à deux conducteurs » : consiste à connecter l'élément conducteur de référence 23 à la terre électrique 18 au niveau du bloc secteur 10 ; 25 - agencement dit « à trois conducteurs »: consiste à ajouter au câble d'alimentation 21 un troisième élément conducteur 24 (représenté en pointillés à la figure 1) pour ramener la terre électrique 18 à la passerelle 1. 30 Dans l'agencement à deux conducteurs, si le réseau domestique ne comporte pas de terre électrique, ce qui est relativement courant, la configuration électrique revient à celle décrite plus haut en absence de terre électrique. Dans l'agencement à trois conducteurs, la proximité du 35 troisième élément conducteur 24 et de l'élément conducteur de référence 23 créé un couplage capacitif parasite de capacité parasite C6. La figure 3 illustre le pont diviseur vu au point C lorsque le boîtier décodeur 9 est connecté à la passerelle 1 par liaison Ethernet, et qu'une connexion à la terre est prévue selon l'agencement à trois conducteurs mais que l'installation ne comporte pas de terre. Il est important de tenir compte de la contribution de la capacité C6 dans le dimensionnement du pont diviseur. Avantageusement, il est même possible de dimensionner le pont pour remplacer la capacité C4 par la capacité C6, ce qui permet d'économiser le coût d'un condensateur. La valeur de capacité du condensateur C4 a été choisie égale à 910 pf, mais l'invention prévoit bien sûr l'utilisation d'un condensateur C4 de capacité différente, de préférence comprise entre 200 pf et 2 nf. En particulier, il est souhaitable d'optimiser cette valeur lorsqu' il est prévu de connecter à la passerelle plusieurs équipements (on choisira une valeur de capacité d'autant plus grande que le nombre d'équipements est élevé). En outre, on a choisi d'illustrer l'invention avec un condensateur C4, mais il est possible de monter à la place de ce condensateur plusieurs composants résistifs, ou capacitifs, ou capacitifs et résistifs. Complémentairement, la passerelle selon l'invention 25 est équipée de moyens lui permettant de compter et mémoriser le nombre d'impacts de foudres qu'elle a subi au cours de sa vie. Cette information peut être ultérieurement utilisée par le service après-vente, l'opérateur téléphonique, ou 30 autre pour intervenir sur la passerelle, ou bien la changer préventivement lorsqu'elle a subi un nombre d'impacts de foudre jugé trop important. On représente à la figure 4 une photodiode 40 montée à proximité de l'éclateur 11, c'est-à-dire dans une région de 35 la passerelle 1 dans laquelle l'arc lumineux créé par le passage du courant dans l'éclateur 11 survenant lorsque la ligne téléphonique 5 est foudroyée peut être détecté. La photodiode 40 détecte les impacts de foudre et transmet une information indiquant qu'un impact a eu lieu à un processeur 41 muni d'une mémoire 42. Cette information pourra ensuite être lue par un technicien, soit en ouvrant la passerelle 1, soit en connectant un connecteur particulier à celle-ci. Il est aussi possible de munir la passerelle 1 d'un capteur de courant 43 pour détecter un courant évacué lorsqu'un impact de foudre survient, ou bien pour obtenir une mesure de courant, utilisable notamment pour compter les impacts de foudre. Un tel capteur de courant 43 est illustré à la figure 4. Ce capteur 43 comprend un transformateur de courant 44 dont le primaire est connecté en série avec le condensateur C4 de façon à créer dans le secondaire un courant image de celui, et des moyens d'acquisition 45 permettant de transformer le courant en une tension puis de mesurer cette tension. Bien sûr, ce capteur de courant peut parfaitement être un capteur de technologie différente, à effet Hall par exemple. Dans le cas où une connexion à la terre selon l'agencement à deux conducteurs est prévu, il peut être intéressant de munir la passerelle de deux capteurs de courant 43, 46, un capteur 46 mesurant le courant II qui est évacué par la terre lorsque la passerelle 1 est connectée à la terre, et un capteur 43 pour mesurer le courant 12 pour mesurer le courant évacué par la masse électrique 15. En comparant les valeurs de II et 12 mesurées, il est possible de déduire un certain nombre d'informations qui seront ensuite mémorisées dans la un mode particulier mémoire 42. Ainsi, dans d'implémentation de l'invention : - si II ',-- 0 Ampère (A) et 12 # 0 réseau électrique ne comporte utilisera 12 pour compter les A, on déduira que le pas de terre, et on impacts de foudre et pour estimer un niveau de l'impact; _ si II # 0 A et 12 ',-- 0 A, on déduira que le réseau électrique comporte une terre, et on utilisera II pour compter les impacts de foudre et pour estimer le niveau de l'impact ; - si II # 0 A et 12 # 0 A, on déduira que le réseau électrique comporte une terre de mauvaise qualité, et on utilisera II et 12 pour compter les impacts de foudre, pour estimer le niveau de l'impact, et pour estimer une qualité de la connexion à la terre. REVENDICATIONS1. Appareil électronique (1) alimenté par un bloc d'alimentation (10) connecté à un réseau électrique de type 5 secteur, destiné à être connecté à une ligne de transmission (5, 3) comprenant deux éléments conducteurs (6, 7) et à un terminal (9) pour transférer des données entre la ligne (5, 3) et le terminal (9), cet appareil comprenant : 10 - un composant frontal (20) couplé à la ligne au travers d'un transformateur d'isolement (8) ; - différents composants additionnels (8, 30, Cl, C2, C5) reliés à une masse électrique (15) de l'appareil (1) ; - un composant d'évacuation (11) tel qu'un éclateur à 15 gaz tripolaire, connecté aux éléments conducteurs (6, 7) de la ligne et qui devient passant en cas de surtension due à un foudroiement de la ligne (5, 3), pour annuler cette surtension par établissement d'un courant circulant depuis la ligne vers la masse (15) 20 de manière à protéger les composants situés en aval de cette protection tels que le transformateur (8) ou le composant frontal (20); - un composant diviseur de type capacitif et/ou résistif (C4) interposé entre le composant d'évacuation (11) et 25 la masse électrique (15), pour constituer, avec le bloc d'alimentation (10) et/ou un ou plusieurs des composants additionnels, un pont diviseur grâce auquel la tension imposée à la masse (15) de l'appareil en cas de foudre est inférieure à la surtension subie par 30 les éléments conducteurs (6, 7) de la ligne de manière à protéger également les composants additionnels (8, 30, Cl, C2, C5) ; 2. Appareil électronique selon la revendication 1, dans lequel le composant d'évacuation (11) est un 35 éclateur à gaz tripolaire comportant deux électrodes de phase (12, 13) et une électrode de terre (14), lesélectrodes de phase (12, 13) étant connectées chacune à un élément conducteur (6, 7) de la ligne de transmission (5, 3) et l'électrode de terre (14) au composant diviseur (C4). 3. Appareil électronique selon la revendication 2, dans lequel le composant diviseur (C4) a une capacité comprise entre 0 et 2 nanofarads. 4. Appareil électronique selon l'une des revendications 1 à 3, connecté à une terre électrique du réseau électrique par un conducteur dédié du câble d'alimentation (21) reliant l'appareil électronique au bloc d'alimentation (10). 5. Appareil électronique selon l'une des revendications 1 à 4, comportant en outre des moyens de comptage d'impacts de foudre (40, 41, 43, 46). 6. Appareil électronique selon les revendications 2 et 5, dans lequel les moyens de comptage comprennent un photodétecteur (40) détectant un arc lumineux créé par l'éclateur (11) lors d'un foudroiement. 7. Appareil électronique selon l'une des 20 revendications 5 à 6, dans lequel les moyens de comptage comprennent un capteur de courant (43, 46). 8. Appareil électronique selon la revendication 5, dans lequel l'appareil électronique (1) comporte en outre une ligne d'évacuation de courant vers la terre 25 électrique (18) et dans lequel les moyens de comptage comprennent deux capteurs de courant (43, 46), un premier capteur de courant (43) étant monté en série avec le composant diviseur (C4) et un second capteur (46) étant agencé pour mesurer le courant circulant dans la ligne 30 d'évacuation vers la terre. 9. Appareil électronique selon l'une des revendications 5 à 8, comportant en outre un composant de mémorisation (42) pour mémoriser des données fournies par un détecteur de courant (43, 46). 35 10. Système comprenant un appareil électronique selon l'une des revendications 1 à 9 et un terminal (9), leterminal étant relié à l'appareil par une ligne de transmission (16) et comportant des composants additionnels (C3), caractérisé en ce que des composants(C2) parmi les composants additionnels de l'appareil électronique et des 5 composants (C3) parmi les composants additionnels du terminal sont dimensionnés pour résister à un même niveau de surtension prédéterminé.