Brevet FR3040107A1 — publié le 20170217

Commutateur sans contact destiné à remplacer un commutateur à contact visible Domaine technique La présente invention concerne la commande de connexion et de déconnexion des dispositifs électriques de toutes sortes, notamment les lampes d'éclairage dans les établissements de soins, et concerne en particulier un commutateur invisible et sans contact destiné à remplacer un commutateur classique à contact visible. Etat de la technique La commande de connexion et de déconnexion des 15 dispositifs électriques tels que des lampes d'éclairage est habituellement effectuée au moyen de commutateurs électromécaniques tels que des boutons, des interrupteurs ou des manettes reliés aux dispositifs électriques en général par un câblage filaire. 20 Cependant, ces commutateurs ne remplissent pas les conditions d'hygiène nécessaires et peuvent provoquer la transmission de maladies contagieuses. Cet inconvénient est particulièrement déterminant dans le milieu hospitalier où il peut entraîner la propagation de maladies nosocomiales. 25 En outre, la manipulation répétée de ces dispositifs se traduit visuellement par leur dégradation rapide ainsi que l'usure des pièces composant le dispositif et aboutissant à leur panne. Les problèmes cités ont été en partie résolus par 30 l'utilisation de commutateurs ne nécessitant pas que l'utilisateur touche le dispositif pour effectuer la commande de connexion ou déconnexion, la commande s'effectuant grâce à un détecteur capacitif. Un tel dispositif de connexion est décrit dans la 35 demande de brevet PCT/FR2015/000007 qui a pour objet un dispositif de commutation invisible et sans contact adapté 3040107 2 pour être fixé derrière une paroi opaque de manière à ne pas être visible de l'extérieur de la paroi et destiné à commander la connexion entre un appareil électrique et une source d'alimentation. Le dispositif comprend un détecteur 5 capacitif adapté pour changer de valeur lorsque la main ou toute autre partie du corps d'un utilisateur à l'extérieur est placée à proximité de la paroi à l'endroit où se trouve fixé le dispositif. Ce type de commutateur sans contact invisible est donc 10 appelé à remplacer les interrupteurs classiques à contact et visibles. Mais, la grande majorité des interrupteurs classiques de type électromécanique sont basés sur la coupure d'un seul fil, le fil de phase, qui est le seul amené dans l'interrupteur. Si on désire remplacer cet interrupteur par un interrupteur sans contact qui nécessite une alimentation deux fils, il est donc nécessaire de tirer un fil de neutre supplémentaire, ce qui n'est pas toujours simple et a un coût non négligeable. En outre, un interrupteur sans contact de première génération est volumineux et doit être impérativement logé dans deux boîtiers d'encastrement juxtaposés, ce qui nécessite une reprise de maçonnerie pour rajouter un boîtier encastré. Une autre solution consiste à prévoir l'utilisation d'un accumulateur ou d'une pile rechargeable pour assurer l'alimentation électrique du commutateur sans contact. Malheureusement, pour le rendre le plus discret possible et même invisible, l'interrupteur doit être encastré, ce qui rend quasiment impossible le changement de la pile lorsque celle-ci est déchargée. Exposé de l'invention Le but principal de l'invention est donc de fournir un commutateur ou interrupteur sans contact pour la commutation d'un dispositif électrique tel qu'une lampe électrique et 35 dont l'alimentation électrique se fait par récupération 3040107 3 d'énergie sur le courant circulant dans le dispositif électrique. Un autre but plus spécifique de l'invention est de fournir un interrupteur sans contact du type ci-dessus pour 5 la commutation d'une lampe électrique de faible puissance et utilisant un accumulateur ou une pile rechargeable pour fournir l'énergie électrique nécessaire à son fonctionnement. L'objet principal de l'invention est donc un commutateur 10 adapté pour être fixé derrière une paroi opaque en n'importe quel matériau tel que du bois, du béton ou du métal, de manière à ne pas être visible de l'extérieur de la paroi et destiné à commander la connexion d'au moins un dispositif électrique. Le commutateur effectue la connexion entre le 15 dispositif électrique et une source d'alimentation électrique comprenant un dispositif à variation de charge adapté pour changer de valeur lorsque la main ou toute autre partie du corps d'un utilisateur à l'extérieur est placée à proximité de la paroi à l'endroit où se trouve fixé le 20 dispositif électrique. Le commutateur est adapté pour remplacer un commutateur ou interrupteur électromécanique classique ne comportant que le seul fil de phase, et comprend un moyen d'alimentation électrique fournissant une tension continue constante utilisée pour l'alimentation 25 électrique du commutateur et un organe de commutation connecté d'une part au fil de phase et d'autre part au moyen d'alimentation, l'organe de commutation comprenant des moyens pour commuter l'alimentation du dispositif électrique et des moyens pour récupérer de l'énergie électrique dans le 30 but de la fournir au moyen d'alimentation électrique lorsque le dispositif électrique n'est pas connecté. Un deuxième objet de l'invention est un commutateur comme ci-dessus dans lequel le dispositif à variation de charge est placé sur une carte et comprend une capacité Cx comportant une première électrode constituée d'un cercle plein et une seconde électrode entourant la première 3040107 4 électrode et étant concentrique à celle-ci, l'ensemble des deux électrodes étant inclus dans un cadre conducteur dont la fonction est de délimiter le champ capacitif dû à la capacité formée par les deux électrodes dans le plan de la 5 carte et de rendre maximal ce champ perpendiculairement au plan de la carte. Description brève des figures D'autres buts, objets et caractéristiques de 10 l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un détecteur capacitif utilisé dans le commutateur selon l'invention; 15 - la figure 2 est une représentation schématique du chargement de la capacité de référence dans le détecteur capacitif; - la figure 3 est un bloc diagramme schématique représentant tous les composants du commutateur selon 20 l'invention; - la figure 4 est un circuit détaillé de l'organe de commutation selon un premier mode de réalisation du commutateur selon l'invention, et - la figure 5 est un circuit détaillé de l'organe de 25 commutation selon un second mode de réalisation du commutateur selon l'invention. Description détaillée de l'invention Avant de décrire le commutateur dans son ensemble, il 30 est nécessaire de décrire le dispositif à variation de charge qui constitue un élément important de l'invention. En référence à la figure 1, le dispositif à variation de charge 10 (voir figure 3) se trouve sur une carte de type circuit imprimé et comprend une première électrode 12 et une 35 seconde électrode 14. Dans le mode de réalisation préférentiel, la première électrode 12 est un cercle plein 3040107 5 en matériau conducteur de l'électricité tel que du métal, généralement du cuivre, d'un diamètre d'environ 2 cm. La seconde électrode 14 est un fil conducteur de l'électricité, en métal tel que du cuivre de préférence, entourant la 5 première électrode et concentrique à celle-ci. Les deux électrodes sont connectées à un microcontrôleur par les sorties 16 et 18. L'ensemble des deux électrodes est à l'intérieur d'un cadre 20 en un matériau conducteur de l'électricité tel que du cuivre. Le cadre 20 a pour fonction 10 de délimiter le champ capacitif dû à la capacité formée par les deux électrodes dans le plan de la carte et de rendre maximal ce champ perpendiculairement au plan de la carte de manière à ce que ce champ soit perturbé par l'approche de la main près de la paroi, une cloison ou un mur, derrière 15 laquelle se trouve l'interrupteur. A noter que Cette paroi est constituée de n'importe quel matériau tel que du bois, du béton ou même du métal tel que du cuivre. Compte tenu du cadre 20 et de l'environnement, la capacité formée par les deux électrodes 12 et 14 a une valeur C, généralement 20 comprise entre 10 pF et 25 pF. Lorsqu'un opérateur ou une personne quelconque désire connecter ou déconnecter le dispositif électrique dont la connexion dépend du commutateur, il approche sa main ou toute autre partie du corps devant la paroi à une distance 25 de la paroi comprise entre 2 cm et 5 cm. Ceci a pour effet d'introduire une capacité C, entre l'électrode 14 et le cadre 20. En conséquence, la valeur de la capacité détectée sur les sorties 16 et 18 change de valeur, ce qui permet au microcontrôleur d'envoyer un signal de commande. 30 La figure 2 montre le moyen utilisé de préférence pour la détection de la main devant la paroi derrière laquelle se trouve le commutateur. Comme on le voit, un commutateur 22 est connecté à la sortie 18 de la capacité C, et établit le contact à une fréquence de découpage Fs alternativement avec 35 une tension Vr et une capacité de référence Cr sur la sortie 24. Cette fréquence, encore appelée fréquence de transfert 3040107 6 de charge, d'une valeur d'environ 100 kHz, permet de charger la capacité C. à partir de la tension Vr et de charger la capacité Cr à partir de la capacité C, jusqu'à ce que la valeur atteinte qui correspond à la tension de référence Vr 5 soit d'environ 35 nF. En supposant qu'il faille Nr contacts du commutateur 22 avec la sortie 24 pour atteindre la capacité de référence voulue Cr, celle-ci a donc une valeur égale à Nr.Cx. Lorsque la main est approchée devant la paroi, elle 10 introduit une capacité C, d'une valeur d'environ 0,3 pF et donc entraîne la diminution le nombre Nr de contacts nécessaires pour atteindre la valeur Cr. Le microcontrôleur détecte ainsi un nombre Nr inférieur et envoie une instruction pour commander la connexion du dispositif 15 électrique. Le commutateur selon l'invention est maintenant décrit en référence à la figure 3. Ce commutateur a donc pour but d'effectuer le connexion ou la déconnexion d'un dispositif électrique 26 et est destiné à remplacer un commutateur 20 classique ne coupant que le fil de phase de l'alimentation secteur. Comme on le voit sur la figure, il est connecté d'une part à la phase P, et est connecté, d'autre part, à la sortie 30 appelée retour de phase qui est directement connectée au dispositif électrique 26. Ce dernier est 25 connecté par ailleurs au neutre N de l'alimentation secteur. A noter que le dispositif électrique 26 est généralement une lampe électrique. Un élément essentiel de l'invention est l'organe de commutation 32 connecté à la phase P de l'alimentation 30 secteur par le fil 28. Cet organe de commutation décrit plus en détail par la suite, a principalement pour fonction de récupérer de l'énergie électrique nécessaire au bon fonctionnement du commutateur lorsque le dispositif électrique 26 est déconnecté. 35 L'organe de commutation 32 est connecté à un moyen d'alimentation 12 volts DC 34 nécessaire pour alimenter 3040107 7 l'ensemble de l'électronique de commande. Sa fonction essentielle est donc de recueillir l'énergie électrique fournie par l'organe de commutation 32 et d'effectuer sa transformation en une tension continue positive. Pour cela, 5 le moyen d'alimentation 34 comporte de préférence une diode zener de 12 volts, mais il va de soi que tout autre moyen de transformation en tension continue pourrait être utilisé. Un élément important de l'invention est constitué des moyens de filtrage indispensables. Ainsi, le moyen 10 d'alimentation 34 est connecté à un moyen de filtrage d'alimentation 36 qui comporte plusieurs filtres dont la fonction est de pallier les perturbations liées au dispositif de commutation tels qu'un filtre de mode commun permettant de supprimer un grand nombre de parasites 15 conduits et un filtre haute fréquence. Le moyen de filtrage d'alimentation 36 en T pour supprimer les parasites de est suivi d'un retardateur de mise sous tension 38 qui a pour fonction de retarder de quelques ms l'établissement de la tension 12 20 volts de façon à supprimer les effets néfastes des perturbations provenant du réseau. Le retardateur de mise sous tension 38 est connecté à un régulateur d'alimentation 40 dont la fonction est de fournir une tension d'alimentation de 5 volts régulée pour 25 alimenter le microcontrôleur 42 qui lui est directement connecté. Enfin, le microcontrôleur 42 est connecté au dispositif à variation de charge 10 par un moyen de filtrage électrodes 44. Ce moyen de filtrage a pour fonction de supprimer les 30 perturbations dues à la proximité de l'organe de commutation 32 décrit en référence aux figures 4 et 5. Le moyen de filtrage est composé d'un filtre de mode commun en série avec les électrodes pour supprimer les parasites conduits et de deux ferrites en série pour supprimer les parasites de 35 haute fréquence. 3040107 8 La figure 4 représente un premier mode de réalisation de l'organe de commutation 32. Comme mentionné précédemment, il est indispensable de récupérer du courant électrique nécessaire au fonctionnement du commutateur lorsque le 5 dispositif électrique 26 est déconnecté. Un élément essentiel de l'organe de commutation 32 est un Triac 46 qui a une fonction d'interrupteur pour le courant alternatif, c'est à dire qu'il assure la connexion du dispositif électrique 26 lorsqu'il est actionné et sa 10 déconnexion lorsqu'il est éteint. A noter que la ligne 30 est appelée retour de phase du fait qu'elle devient la phase lorsque le dispositif électrique 26 est connecté, mais qu'elle joue le rôle de neutre lorsque le dispositif électrique 26 est déconnecté. 15 Lorsque le Triac 46 n'est pas actionné, c'est dire que le dispositif électrique 26 est déconnecté, la tension de 230 volts établie entre la phase du secteur sur la ligne 28 et le neutre sur la ligne 30 permet à la capacité 48 d'extraire des échantillons non continus qui sont acheminés 20 via la résistance 50 aux diodes 51 et 52. La diode 51 permet la transmission d'échantillons de courant d'alternances négatives vers la diode 52 qui, elle, permet la transmission des échantillons de courant d'alternances positives et négatives vers le moyen d'alimentation 34. Une diode zener 25 (non montrée) dans le moyen d'alimentation 34 permet d'assurer la transformation des échantillons en tension positive de 12 volts nécessaire au fonctionnement du commutateur. Lorsque le microcontrôleur 42 envoie une commande de 30 connexion du dispositif électrique 26 du fait qu'il y a eu détection de la main de l'utilisateur devant la paroi derrière laquelle se trouve le commutateur, cette commande est transmise à la gâchette du transistor 54 par l'intermédiaire des résistances 56 et 58, du transistor 60 35 et de la résistance 62. Cette commande permet au transistor 54 dont le fonctionnement est stabilisé par la résistance 66 3040107 9 d'activer la bobine 64. Le champ magnétique de la bobine 64 permet de fermer le contact du relais 68 qui commande alors l'activation du Triac 46. A noter que la résistance 70 permet de limiter le courant de commande du Triac 46 qui est 5 polarisé à 12 volts lorsque le relais 68 est fermé. Une diode électroluminescente (LED) 72 en série avec la résistance 74 permet d'assurer la visualisation par l'utilisateur de l'état du commutateur. Ainsi, la LED 72 étant allumée quand le dispositif électrique 26 n'est pas 10 connecté, elle permet d'identifier le lieu du commutateur dans un couloir sans lumière Un second mode de réalisation est maintenant décrit en référence à la figure 5. Ce mode de réalisation s'applique lorsque le dispositif électrique 26 est une LED qui est une 15 lampe de faible puissance d'environ 6 watts qui consomme 30mA. Pour ce type de lampe, il est nécessaire d'interrompre tout courant dans la lampe pour l'éteindre. Par conséquent, il est impossible de prélever de l'énergie électrique pendant le temps où la lampe est éteinte. 20 Lorsque le dispositif électrique 26 est connecté, c'est à dire que la lampe LED est allumée dans le cas présent, un transformateur 76 transforme la tension alternative du secteur en une tension alternative de 12 volts qui est convertie en tension continue par un redresseur à pont de 25 diodes 78. Cette tension continue de 12 volts permet le chargement de la pile rechargeable ou accumulateur 80. L'énergie électrique accumulée est acheminée au moyen d'alimentation 34 via la résistance 82 qui limite le courant prélevé. Par conséquent, durant le temps où la lampe 26 30 n'est pas alimentée, le commutateur dispose d'une tension de 12 volts continue pour son fonctionnement. Les circuits du commutateur utilisés pour la commande de connexion de la lampe sont les mêmes que dans le premier mode de réalisation. Toutefois, il faut noter une 35 différence. En effet, lorsque le microcontrôleur commande la connexion de la lampe, le contact du relais 84 commandé par 3040107 10 la bobine 64 permet d'assurer directement la commutation entre les lignes 28 et 30 et donc d'effectuer la connexion de la lampe 26. A noter que le dispositif à variation de charge décrit 5 ici est un détecteur capacitif, mais qu'il est possible d'utiliser un autre type de dispositif à variation de charge comme par exemple un dispositif dans lequel la charge soumise à variation est constituée d'un récepteur d'ondes électromagnétiques. 10 Le commutateur selon l'invention décrit ci-dessus présente de nombreux avantages. En effet, il peut remplacer toutes sortes d'interrupteurs électromécaniques habituellement utilisés pour les appareils d'éclairage, de chauffage, d'ouverture de portes, etc. Ceci est 15 particulièrement utile dans les établissements publics de façon à éviter que le public ait à toucher l'interrupteur et d'entraîner ainsi sa dégradation. Les établissements publics où le dispositif de commutation selon l'invention trouve toute sa place sont les établissements hospitaliers où il 20 faut éviter à tout prix les contacts pour ne pas transmettre des maladies nosocomiales. Un autre avantage de l'invention est que le commutateur selon l'invention présente un encombrement réduit du fait que la commande est entièrement électronique. 25 Il se loge facilement dans un boîtier d'encastrement standard d'un diamètre d'environ 60mm. REVENDICATIONS1. Commutateur adapté pour être fixé derrière une paroi opaque en n'importe quel matériau tel que du bois, du béton ou du métal, de manière à ne pas être visible de l'extérieur de ladite paroi et destiné à commander la connexion d'au moins un dispositif électrique (26), ledit commutateur adapté pour effectuer la connexion entre ledit dispositif électrique et une source d'alimentation électrique comprenant un dispositif à variation de charge (10) adapté pour changer de valeur lorsque la main ou toute autre partie du corps d'un utilisateur à l'extérieur est placée à proximité de la paroi à l'endroit où se trouve fixé ledit dispositif, ledit commutateur étant caractérisé en ce qu'il est adapté pour remplacer un commutateur ou interrupteur électromécanique classique ne comportant que le seul fil de phase (28), et en ce qu'il comprend un moyen d'alimentation électrique fournissant une tension continue constante utilisée pour l'alimentation électrique dudit commutateur et un organe de commutation (32) connecté d'une part audit fil de phase et d'autre part audit moyen d'alimentation, l'organe de commutation comprenant des moyens pour commuter l'alimentation du dispositif électrique et des moyens pour récupérer de l'énergie électrique dans le but de la fournir au moyen d'alimentation électrique lorsque le dispositif électrique n'est pas connecté. 2. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel ledit dispositif à variation de charge (10) est placé sur une carte et comprend une capacité Cx comportant une première électrode (12) constituée d'un cercle plein et une seconde électrode (14) entourant ladite première électrode et étant concentrique à celle-ci, l'ensemble des deux électrodes étant inclus dans un cadre conducteur (20) dont la fonction est de délimiter le champ capacitif dû à la capacité formée par les deux électrodes dans le plan de la carte et de rendre maximal ce champ perpendiculairement au plan de la carte. 3040107 12 3. Commutateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit organe de commutation (32) comprend un Triac (46) qui assure la connexion du dispositif électrique (26) lorsqu'il est actionné et sa déconnexion lorsqu'il est éteint, la connexion/déconnexion dudit dispositif électrique étant commandée par un microcontrôleur (42) lorsqu'il y a détection de la main de l'utilisateur devant la paroi derrière laquelle se trouve le commutateur par ledit dispositif à variation de charge (10). 4. Commutateur selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens dudit organe de commutation (32) pour récupérer de l'énergie électrique comprennent une capacité (48) pour extraire des échantillons non continus qui sont transmis à des diodes (51, 52) adaptées pour transmettre les échantillons d'alternances positives et négatives à une diode zener adaptée pour transformer lesdits échantillons en tension positive de 12 volts nécessaire au fonctionnement du commutateur. 5. Commutateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif électrique (26) est une lampe de faible puissance telle qu'une LED d'une puissance d'environ 6 watts, pour laquelle il est nécessaire d'interrompre tout courant dans la lampe pour l'éteindre, et ledit organe de commutation (32) comprend un transformateur (76) transformant la tension alternative du secteur en une tension alternative de 12 volts, ladite tension étant convertie en tension continue par un redresseur à pont de diodes (78) qui charge un accumulateur ou une pile rechargeable (80), ce qui permet au commutateur de disposer d'une tension continue de 12 volts lorsque le dispositif électrique n'est pas connecté. 6. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre un moyen de filtrage d'alimentation (36) qui comporte plusieurs filtres dont la fonction est de pallier les perturbations liées au commutateur, notamment un filtre de mode commun permettant de supprimer un grand nombre de parasites conduits et un filtre en T pour supprimer les parasites de haute fréquence. 3040107 13 7. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un retardateur de mise sous tension (38) qui a pour fonction de retarder de quelques ms l'établissement de la tension 12 volts de façon à supprimer les effets néfastes des perturbations provenant du réseau. 8. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant en outre un moyen de filtrage électrodes (44) directement connecté au dispositif à variation de charge (10) pour supprimer les perturbations dues à sa proximité, ledit moyen de filtrage étant composé d'un filtre de mode commun en série avec ledit dispositif à variation de charge pour supprimer les parasites conduits et de deux ferrites en série pour supprimer les parasites de haute fréquence. 9. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ledit organe de commutation comprend une LED (72) qui est allumée quand ledit dispositif électrique (26) n'est pas connecté, ce qui permet d'identifier le lieu du commutateur en l'absence de lumière.