Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2018/220307
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SYSTEME D'HYBRIDATION POUR COURANT CONTINU HAUTE
TENSION
DESCRIPTION
Domaine technique
[01] La présente invention se rapporte à un système d'hybridation
électronique apte à faire fonctionner un contacteur, un fusible ou un
disjoncteur en haute tension à courant continu.
[02] L'invention trouve des applications dans le domaine de la distribution
électrique et plus particulièrement dans le domaine de la distribution
électrique embarquée.
Etat de la technique
[03] Les contacteurs hybrides sont des contacteurs utilisant deux
technologies de commutation simultanées, l'une basée sur la commutation
électromécanique et l'autre basée sur la commutation électronique utilisant
des semi-conducteurs. Chacune de ces technologies présente des
avantages et des inconvénients.
[04] La commutation électromécanique permet d'avoir une faible chute de
tension aux bornes du contacteur et une bonne isolation galvanique. En
revanche, des arcs électriques se créent à l'ouverture et la fermeture du
contacteur entrainant une érosion des contacts. La commutation
électronique est, quant à elle, exempte d'arc électrique mais n'offre pas les
avantages de la technologie électromécanique en termes de chute de
tension et d'isolation galvanique.
[05] La combinaison de ces deux technologies, appelée hybridation,
permet d'améliorer la durée de vie des contacts du contacteur
électromécanique et éventuellement le temps de réponse du contacteur à
l'ouverture et la fermeture.
[06] Classiquement, l'hybridation consiste à utiliser un ou plusieurs
transistors de puissance en parallèle ou en série avec le contacteur
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électromécanique. Le transistor de puissance est alors commandé pour
assister le contacteur électromécanique à l'ouverture et à la fermeture et
supprimer les arcs électriques. L'énergie utilisée pour cette commande
provient d'une source auxiliaire externe.
[07] Un tel contacteur hybride est par exemple décrit dans la demande de
brevet US 2014/0175060 (Reymond et al.).
[08] Une autre forme de coupe-circuit pour courant continu haute-tension
est constituée par les fusibles.
[09] Les fusibles haute tension à courant continu utilisent la tension d'arc
électrique afin de couper le courant du circuit en cas de défaut, ces fusibles
ont comme inconvénient d'être encombrant puisque la tension d'arc est
obtenue par une distance de matériau fusible plus importante qui impose
des formes de fusibles assez long.
[10] Enfin une troisième sorte de coupe-circuit est constituée par les
disjoncteurs haute tension à courant continu.
[11] Les disjoncteurs haute tension à courant continu sont généralement
réalisés au moyen de circuits à transistors avec une mesure de courant et
une logique de disjonction lorsque le gabarit de surcharge est dépassé.
[12] Quel que soit le type de coupe-circuit, il apparaît nécessaire de
contrôler au mieux l'arc électrique généré lors d'une coupure. Et donc,
comme pour le contacteur, il apparaît souhaitable d'utiliser des techniques
d'hybridation combinant la commutation électromécanique et la
commutation électronique pour bénéficier des avantages de chaque type de
commutation.
[13] Cependant, l'hybridation apporte également un certain nombre
d'inconvénients. Le premier en est la complexification des systèmes de
commutation. Le deuxième inconvénient est la nécessité d'avoir une source
d'alimentation auxiliaire propre à la partie électronique. Cela nuit à la
fiabilité
et augmente les coûts de maintenance puisqu'il faut vérifier régulièrement
la charge de l'alimentation auxiliaire.
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[14] Dans le cadre d'une alimentation en courant continu par un panneau
photovoltaïque, le document US2012/0007657 décrit un système
d'interruption hybride dont la partie électronique est alimentée par une
capacité se chargeant pendant le temps de formation de l'arc créé à
l'ouverture de l'interrupteur mécanique.
[15] Cependant, le système électronique décrit est relativement complexe
et adapté spécifiquement à l'environnement de panneaux photovoltaïques.
Description de l'invention
[16] Il existe donc un réel besoin pour un système d'hybridation palliant ces
défauts, inconvénients et obstacles de l'art antérieur, en particulier d'un
système d'hybridation versatible et adapté à de nombreuses utilisations, en
particulier qui soit indépendant du sens du courant continu.
[17] Pour résoudre un ou plusieurs des inconvénients cités précédemment,
un système d'hybridation pour dispositif électrique, le dispositif électrique
ayant deux bornes et deux états, un état fermé permettant à un courant
électrique de circuler entre les deux bornes et un état ouvert bloquant la
circulation du courant électrique entre les bornes, le dispositif étant adapté
pour qu'un arc électrique soit généré lors du passage de l'état fermé à l'état
ouvert, comprend :
= deux conducteurs adaptés pour être connectés aux deux bornes du
dispositif électrique ;
= un interrupteur temporisé ayant deux bornes connectées aux deux
conducteurs et ledit interrupteur temporisé étant adapté pour être par
défaut en mode ouvert et, après une première durée prédéterminée
dl suivant le déclenchement de l'arc électrique, se mettre en mode
fermé pendant une seconde durée prédéterminée d2.
[18] Le système d'hybridation comprend en outre une alimentation
électrique de l'interrupteur temporisé, l'alimentation électrique étant
connectée aux deux conducteurs et étant adaptée pour que l'énergie
provienne uniquement de l'énergie électrique fournie par l'arc électrique,
l'alimentation électrique comprenant un module redresseur connecté en
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entrée aux deux conducteurs et ayant une sortie connectée à un ballast, lui-
même connecté via une diode à un accumulateur d'énergie ayant deux
bornes connectées à l'interrupteur temporisé.
[19] Cela permet de façon particulièrement avantageuse de n'avoir plus
besoin d'alimentation auxiliaire pour alimenter l'interrupteur électronique.
[20] Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers,
utilisables seuls ou en combinaison, sont :
= l'interrupteur temporisé comprend un interrupteur électronique à
semi-conducteur connecté aux deux bornes de l'interrupteur
temporisé, et un circuit de commande dudit interrupteur électronique
à semi-conducteur alimenté par ladite alimentation électrique ;
= le système comprend en outre un circuit dissipatif connecté en
parallèle aux bornes dudit interrupteur temporisé ; et/ou
= le système comprend en outre un circuit de monitoring alimenté par
l'alimentation électrique et adapté pour détecter la tension d'arc
électrique aux bornes et la durée de tension d'arc électrique et pour
générer un signal de bon fonctionnement ou d'anomalie destiné à
une supervision extérieure.
[21] Dans un deuxième aspect de l'invention, un contacteur hybride apte à
fonctionner en courant continu haute tension comprend :
= un module de contacteur électromécanique connecté entre une
première borne et une deuxième borne, ledit module de contacteur
électromécanique comprenant au moins deux contacts fixes et au
moins deux contacts mobiles, chacun des deux contacts mobiles
étant apte à venir en contact avec un contact fixe propre entre ladite
première borne et une borne intermédiaire distincte desdites
première et deuxième bornes, lequel module de contacteur
électromécanique est apte à être sélectivement dans un état fermé
ou un état ouvert. Il comprend en outre un système d'hybridation
selon l'un des modes de réalisation ci-dessus connecté entre la
deuxième borne et la borne intermédiaire.
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[22] Dans un troisième aspect de l'invention, un système de protection
électrique apte à fonctionner en courant continu haute tension comprend un
élément conducteur connecté entre une première borne et une deuxième
borne, ledit élément conducteur étant apte à passer d'un état fermé à un état
5 ouvert lorsque l'intensité de courant passant dans ledit élément
conducteur
dépasse une valeur prédéterminée. Il comprend en outre un système
d'hybridation selon l'un des modes de réalisation ci-dessus connecté entre
la première borne et la deuxième borne.
[23] Dans un mode de réalisation particulier, l'élément conducteur du circuit
de protection est un fusible.
[24] Dans un quatrième aspect de l'invention, un disjoncteur apte à
fonctionner en courant continu haute tension comprend un circuit
conducteur connecté entre une première borne et une deuxième borne, le
circuit conducteur étant apte à passer d'un état fermé à un état ouvert
lorsque l'intensité de courant passant dans le circuit conducteur dépasse un
gabarit de surcharge prédéterminé. Il comprend en outre un système
d'hybridation selon l'un des modes de réalisation ci-dessus connecté entre
la première borne et la deuxième borne.
Brève description des figures
[25] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,
faite uniquement à titre d'exemple, et en référence aux figures en annexe
dans lesquelles :
¨ La figure 1 représente le schéma d'un contacteur hybride selon un
mode de réalisation de l'invention;
- La figure 2 représente un diagramme temporel de l'état du
contacteur électromécanique et de l'interrupteur électronique du contacteur
hybride de la figure 1;
¨ La figure 3 représente un autre mode de réalisation d'un contacteur
hybride ;
- La figure 4 représente les différentes phases de fonctionnement du
contacteur hybride de la figure 3;
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¨ La figure 5 représente une alimentation autonome selon un mode
de réalisation de l'invention ;
¨ La figure 6 représente un système d'hybridation comportant un
dispositif de monitoring selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
- La figure 7 représente un fusible associé à un système d'hybridation
selon un mode de réalisation de l'invention ;
¨ La figure 8 représente les différentes phases de fonctionnement du
fusible de la figure 7;
¨ La figure 9 représente un disjoncteur associé à un système
d'hybridation selon un mode de réalisation de l'invention ; et
¨ La figure 10 représente différents modes de réalisation de
l'interrupteur électronique.
Modes de réalisation
[26] Pour expliciter les modes de réalisation et le fonctionnement du
système d'hybridation, nous utiliserons comme exemple principal un
contacteur hybride. Puis nous montrerons l'application du système
d'hybridation à un fusible et à un disjoncteur.
[27] Par courant continu haute tension, il est entendu un courant électrique
continu ayant une tension supérieure à 100V.
[28] Ainsi, la norme est par exemple de 270V pour les systèmes embarqués
en avionique.
[29] La figure 1 illustre un premier mode de réalisation d'un contacteur
hybride selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le contacteur
hybride, référencé 1, est monté en série avec une source d'alimentation
haute tension à courant continu 2 et une charge 3.
[30] Le contacteur hybride 1 comprend un contacteur électromécanique 10.
Ce contacteur électromécanique est connecté entre deux bornes référencés
A et B. La borne B est connectée à la masse. Le contacteur
électromécanique 10 peut prendre deux états:
= un état fermé dans lequel les bornes A et B sont connectées
électriquement; et
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= un état ouvert dans lequel les bornes A et B sont isolées l'une par
rapport à l'autre.
[31] Le contacteur hybride 1 comprend en outre un système d'hybridation
comprenant un interrupteur électronique 12 connecté entre la borne A du
5 contacteur électromécanique et la borne B. L'interrupteur électronique 12
est piloté par un circuit de commande 15 alimenté par une alimentation
électronique 11.
[32] Cette alimentation électronique est connectée directement aux bornes
A et B du contacteur électromécanique de façon à recevoir la tension d'arc
électrique et de stocker cette énergie.
[33] Le système d'hybridation 5 comporte en outre un premier circuit de
protection 14, de type dissipatif, pour protéger l'interrupteur électronique
12
contre les surtensions au moment de l'ouverture de l'interrupteur temporisé.
Ce premier circuit de protection est monté en parallèle avec l'interrupteur
électronique 12. Ce premier circuit de protection 14 est par exemple une
diode de suppression de tension transitoire.
[34] Le système d'hybridation 5 comporte en outre un deuxième circuit de
protection 13 connecté en série avec l'interrupteur électronique 12 entre la
borne A et la borne B, permettant d'ouvrir le contacteur hybride en cas de
défaillance de l'interrupteur électronique 12 lorsque ce dernier reste bloqué
à l'état fermé. Lorsque le contacteur électromécanique 10 passe à l'état
ouvert et que l'interrupteur électronique 12 reste bloqué à l'état fermé, le
circuit de protection 13 s'ouvre et reste ouvert. Le circuit de protection 13
est
par exemple un fusible.
[35] La commande de l'interrupteur électronique 12 est illustrée par le
diagramme temporel de la figure 2. La commande de l'interrupteur
électronique est calée par rapport à celle du contacteur électromécanique
10 également illustrée par un diagramme temporel sur la figure 2. Lorsque
le contacteur électromécanique 10 passe de l'état fermé à l'état ouvert à un
instant référencé tO, l'interrupteur électronique 12 est commandé pour, au
terme d'une durée prédéterminée dl après l'instant tO, connecter
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électriquement la borne A à la borne B pendant une durée d2 prédéterminée.
L'interrupteur électronique est dans un état fermé pendant la durée d2. Il
repasse à l'état ouvert au terme de la durée d2.
[36] Ce contacteur hybride permet d'autoriser la présence d'arcs
électriques au niveau entre les contacts A et B du contacteur
électromécanique 10 pendant une durée limitée pour conserver leur fonction
de nettoyage des contacts sans détériorer ces derniers.
[37] Dans un exemple particulier, figure 3, le contacteur hybride 1
comprend un contacteur électromécanique 10 à palette mobile avec un
isolement compatible avec la haute tension. Ce contacteur
électromécanique, également appelé contacteur à double établissement,
est connecté entre les deux bornes référencés A et B. La borne B est
connectée à la masse. Le contacteur électromécanique 10 comporte deux
contacts fixes CO1 et 002, et deux contacts mobiles CO3 et 004 montés
sur la palette mobile 03 en matériau conducteur. Les contacts mobiles CO3
et 004 sont en permanence connectés entre eux via la palette mobile. Le
contacteur électromécanique 10 peut prendre deux états:
= un état fermé dans lequel les contacts mobiles CO3 et 004 de la
palette mobile sont respectivement en contact avec les contacts fixes
CO1 et CO2 de manière à connecter électriquement entre eux les
deux contacts fixes 001 et 002; et
= un état ouvert dans lequel les contacts mobiles CO3 et 004 de la
palette mobile sont à distance des contacts fixes 001 et 002.
[38] La commande de la palette mobile est réalisée par un électroaimant D.
[39] Dans la figure 3, le système d'hybridation 4 a un premier connecteur t
connecté à la palette mobile pour une reprise de potentiel et un second
connecteur connecté à un des contacts fixes 001 ou CO2 à titre d'illustration
d'une variante de connexion présentant une isolation galvanique sans ajout
de contact en série supplémentaire.
[40] Les figures 4A à 4D montrent la présence ou non d'arc électrique au
niveau des contacts du contacteur électromécanique 10.
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[41] Avant l'instant tO (figure 4A), le contacteur électromécanique 10 est à
l'état fermé (état conducteur) et les contacts mobiles CO3 et 004 sont
respectivement en contact avec les contacts fixes C01 et 002. L'interrupteur
électronique 12 est à l'état ouvert (état non conducteur).
[42] A l'instant tO, on ouvre le contacteur électromécanique 10 (passage de
l'état fermé à l'état ouvert). Des arcs électriques apparaissent alors entre,
d'une part, le contact 001 et le contact CO3 et, d'autre part, entre le
contact
CO2 et le contact 004. Ces arcs électriques sont visibles sur la figure 4B.
[43] Au terme d'une durée dl comprise entre 1 ps et 10 ms, l'interrupteur
électronique 12 passe à l'état fermé (état passant). Le contact mobile 004
et le contact fixe CO2 sont alors shuntés par l'interrupteur électronique 12.
L'arc électrique entre le contact fixe CO1 et le contact mobile CO3 s'éteint
alors comme illustré à la figure 40.
[44] L'interrupteur électronique 12 est maintenu à l'état fermé (état passant)
pendant une durée d2 comprise entre 1 ps et 10ms. Le contact mobile CO3
n'étant plus alimenté par l'arc électrique entre le contact fixe 001 et le
contact mobile 003.
[45] L'interrupteur électronique 12 passe ensuite, au terme de la durée d2,
à l'état ouvert. L'arc électrique entre le contact mobile 004 et le contact
fixe
004 s'éteint automatiquement. Ce passage à l'état ouvert est illustré par la
figure 4D.
[46] Ce pilotage de l'interrupteur électronique 12 permet d'autoriser des
arcs électriques dans le contacteur électromécanique 10 pendant la durée
dl puis de les couper, les uns après les autres, pendant la durée d2.
[47] L'alimentation électronique autonome 11 va maintenant être décrite
plus en détail en référence à la figure 5.
[48] L'alimentation électrique autonome est donc connectée aux bornes A
et B du contacteur électromécanique 10. Cette connexion est par exemple
assurée par des conducteurs souples ayant une section très faible au regard
de la section des conducteurs du circuit principal.
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[49] Un module redresseur 111 est connecté directement aux connecteurs
des bornes A et B. Il est composé de diodes permet de redresser le courant
traversant les bornes A et B et ainsi de s'affranchir du sens du courant entre
les bornes A et B.
5 [50] La sortie du module redresseur 111 est connectée à un ballast 112
dont le but est de stabiliser l'alimentation.
[51] La sortie du ballast 112 est connectée à un condensateur 113 qui
assure le stockage de l'énergie.
[52] Une diode 114 située entre le ballast 112 et le condensateur 113
10 permet d'éviter la décharge de la capacité via le ballast 112.
[53] Le condensateur 113 est alors connecté à la logique de séquencement
pour alimenter celle-ci, de façon à ce qu'elle puisse commander
l'interrupteur électronique 12.
[54] Ainsi le circuit de commande 15 ne requiert pas de dispositif
15 d'alimentation externe. Il est alimenté par l'énergie provenant des arcs
électriques présents à l'ouverture du contacteur électromécanique 10.
[55] En se référant au chronogramme de la figure 2, l'alimentation
électrique autonome 11 n'est pas alimentée tant que le contacteur
électromécanique 10 est en position fermée car les bornes A et B sont
quasiment au même potentiel.
[56] Pendant la durée di, le contacteur électromécanique 10 est ouvert et
un arc électrique est établi par la différence de potentiel existante entre
les
bornes A et B. Cette énergie d'arc électrique sert alors à charger le
condensateur 113 durant les premiers instants de di. Le circuit de
commande 15 est alors alimenté et peut fermer le contacteur électronique
12 à la fin de di et pour la période d2.
[57] Dans un mode de réalisation particulier, figure 6, le module
d'hybridation 5 comporte en outre un circuit de monitoring 40 destiné à
transmettre vers un système extérieur un créneau calibré de bonne santé.
[58] Le circuit de monitoring 40 est alimenté par l'alimentation 11 et détecte
la tension d'arc électrique aux bornes A et B grâce au circuit 41. Le circuit
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42 détecte la durée de tension d'arc et si cette durée est inférieure ou égale
à la durée dl + d2, le circuit 42 autorise le circuit 43 à générer un créneau
calibré destiné à une supervision extérieure.
[59] Ainsi, en cas de défaillance d'un des composants électroniques
entrainant une panne d'alimentation ou une panne du circuit de commande
ou la présence d'un arc de durée trop importante, le créneau calibré de
bonne santé ne sera pas généré, ce qui créera une alarme dans le système
de supervision.
[60] Le système d'hybridation 5 confère ainsi au contacteur des propriétés
de contacteur haute tension.
[61] Avantageusement le matériau des contacts du contacteur
électromécanique est préservé en limitant la durée des arcs électriques, ce
qui permet d'obtenir un nombre de cycles d'ouverture/fermeture élevé.
[62] Les perturbations électromagnétiques générées par les arcs
électriques sont avantageusement réduites.
[63] La taille et le poids du contacteur hybride est réduit par rapport à
l'état
de l'art et sans nécessité d'utiliser une source d'alimentation auxiliaire.
[64] Enfin, le contacteur est avantageusement insensible aux effets
indirects de la foudre et de la compatibilité électromagnétique.
[65] Le système d'hybridation 5 peut également être utilisé avec un fusible
ou un disjoncteur.
[66] Ainsi, figure 7, le système d'hybridation 5 est connecté aux bornes A
et B d'un fusible basse tension 20.
[67] Comme dans le cas du contacteur, un arc électrique se crée après la
durée dite de pré-arc. Pendant la durée d'arc dl, le module d'alimentation
stocke de l'énergie grâce à la tension contre-électromotrice de l'arc
électrique. Le fusible 20 est ensuite court-circuité pendant la durée d2 de
manière à supprimer l'arc électrique. L'arc électrique s'éteint alors
automatiquement car il n'est plus traversé par un courant électrique.
[68] Les durées dl et d2 sont avantageusement déterminées pour régler le
temps de fusion du fusible.
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[69] Ainsi l'arc électrique est supprimé bien avant la fusion complète du
matériau fusible utilisé nominalement pour de la basse tension.
[70] Cette structure permet donc d'élargir la gamme d'utilisation du fusible
pour de la haute tension en réglant le temps de fusion du fusible.
[71] Les figures 8A à 8D montrent la présence ou non d'arc électrique au
niveau du fusible basse-tension 20.
[72] Avant l'instant tO, figure 8A, le fusible 20 est à l'état fermé. Il est
donc
conducteur.
[73] A l'instant tO, le fusible fond à cause d'un court-circuit ou d'une
surcharge dans le circuit électrique.
[74] Un arc électrique apparaît alors entre les bornes du fusible, figure 8B.
[75] Au terme d'une durée dl comprise entre 1 ils et 1 ms, l'interrupteur
électronique 12 passe à l'état fermé. Le fusible est alors court-circuité par
l'interrupteur électronique 12. L'arc électrique présent aux bornes du fusible
s'éteint alors comme illustré à la figure 8C.
[76] L'interrupteur électronique 12 est maintenu à l'état fermé pendant une
durée d2 comprise entre 1 ils et 10ms. Puis, au terme de cette durée d2,
l'interrupteur électronique passe à l'état ouvert, figure 8D.
[77] L'utilisation du système d'hybridation avec un fusible basse tension
confère ainsi au fusible des propriétés de fusible haute tension tout en
réduisant l'encombrement par rapport à un fusible haute tension classique
équivalent. Il permet également avantageusement de réduire le temps de
fusion du fusible.
[78] En référence à la figure 9, le système d'hybridation 5 est utilisé avec
un disjoncteur électromécanique basse tension 30.
[79] Ainsi, un arc électrique se crée lors de l'ouverture du disjoncteur. Les
phases d'apparition et de disparition de l'arc électrique sont les mêmes que
celles décrites précédemment pour le fusible.
[80] Cet assemblage permet avantageusement de conférer au disjoncteur
des propriétés de disjoncteur haute tension tout en réduisant
l'encombrement d'un tel disjoncteur haute tension.
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[81] Dans l'ensemble de ces différents mode de réalisation, l'interrupteur
électronique 12 peut être constitué de différents éléments, figure 10.
[82] Ainsi la figure 10A montre un interrupteur constitué de deux transistors
MOSFET en série dont la diode de corps intrinsèque assure la
bidirectionnalité du courant.
[83] La figure 10B montre un interrupteur constitué de deux transistors
bipolaire à grille isolée (IGBT) en série avec une diode antiparallèle pour
assurer la bidirectionnalité du courant.
[84] La figure 100 montre un interrupteur constitué d'un transistor MOSFET
avec un pont de diodes qui assure la bidirectionnalité du courant et la figure
10D montre un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) avec un pont de
diode assurant la bidirectionnalité du courant.
[85] L'invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la
description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et
donnée à titre d'exemple et non comme limitant l'invention a cette seule
description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.
