EP0280616B1 - Electric power supply device for a cable, and its use - Google Patents
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- H05C1/00—Circuits or apparatus for generating electric shock effects
- H05C1/04—Circuits or apparatus for generating electric shock effects providing pulse voltages
Definitions
- the invention relates to an apparatus for supplying electrical energy to a cable or equivalent, an electrical conductor, in particular intended for electrifying fences.
- the invention aims in particular to remedy these defects.
- the static switch will be controlled by a timer subjected to the voltage of the current generator and the voltage across the primary winding of the transformer will be substantially equal to the difference of the voltages prevailing at the terminals of the current generator and of said switch.
- Most of the devices which are used to deliver electrical energy in a cable 10, such as a fence, include in particular a current generator, such as for example a battery 3, and a voltage transformer 2 provided with a primary 12 and a secondary 22. This is the case of the apparatus of the invention illustrated in FIG. 1.
- the cable 10 to be electrified is directly connected at one of its ends to the output terminal of the secondary 22.
- no protection is provided to avoid rapid discharge of the battery 3, in the event of a short circuit leading to a prolonged drop in line impedance along the cable.
- short circuits are frequently encountered. They can for example be caused by the fall of a branch on the cable, which then connects the cable to earth.
- this diode 14 can be mounted between the output 22a of the secondary and the connection end 10a of the electrified cable.
- the diode will be mounted pass-through in the agreed direct direction of current, flowing here from the transformer secondary to the cable.
- Arrows 13a and 13b indicate the direct direction agreed to the current.
- the direct voltages delivered to the cable are generally very high.
- the reverse voltage to which diode 14 can be subjected is limited to the value U x N2 N1 (U: voltage across generator 3, N2 N1 : transformer secondary / primary ratio 2).
- the invention provides for mounting a spark gap 24 in parallel across the terminals of the diode 14, so as to protect it and to avoid any deterioration, whatever the value of the line reverse voltages.
- diode 14 and the spark gap 24 can completely be integrated into a single industrially usable electronic component, which has been identified as a whole 4.
- the component 4 which will behave essentially as a diode in the agreed direct direction of the current and as a spark gap in the opposite direction, we will be able to avoid for a relatively reduced cost and in complete safety, any untimely discharge of the generator 3 whatever the electrical disturbances that may occur.
- FIG. 1 a new supply device. in electrical energy intended in particular for the electrification of fences.
- this device incorporates the component 4 that has just been presented. It also includes, in addition to the transformer 2 with the air gap 32, the self-inductance 12 and the wound secondary 22 connected at 11 to earth, an electronic unit 5 subjected to the voltage of the generator 3, and a static switch 6. Tel as illustrated, the primary 12 of the transformer is subjected to the difference of the voltages prevailing at the terminals of the generator 3 and of the switch 6.
- the electronic unit 5 consists of a timer which controls the switch 6.
- the duration of the control pulses can for example be of the order of a few tens of milliseconds, the interval between two pulses possibly being of the order of 1 to 1.5 seconds.
- the switch 6 comprises, as illustrated, two transistors, one of the "NPN” type 16, the other of the "MOS” type 26.
- the component 7 comprises a spark gap 27, with parallel to its terminals, and preferably, a diode 17.
- the diode 17 is mounted passing in the considered opposite direction of the current. This component 7 protects the static switch 6 from any overvoltage, as will be seen in more detail below.
- the protection against possible overvoltages of the transistor 26 is ensured by a component 8, of the same type as that 7 which we have just presented.
- the component 8 mounted across the transistor 26 therefore includes a spark gap 18 with a diode 28 in parallel at its terminals.
- the spark-gap element is essential and essential, the diode only intervening for safety reasons and to improve the reliability of the component.
- a good functioning indicator is shown which can be mounted at the terminals of the switch 6, so that the operator can check the power on or off state of the device 1.
- the indicator 9 comprises in series two resistors 19, 29 and a display device 39, such as a "neon" bulb.
- the resistors 19 and 29 will preferably be resistors of the high voltage type.
- the currents I1 and I2 flowing in the absence of component 4 respectively in the primary and the secondary of the transformer are related in intensity and direction.
- the direction of the current I1 (represented by the arrow 13b) is considered to be direct, while the direction of the current I2 is opposite (arrow 13d).
- N2I2 -N1I1 + N1I .
- I current in the inductor 12 alone; N1 and N2: respectively primary and secondary of the transformer).
- the short circuit in secondary is reduced to primary.
- the electrical energy stored by the self-inductance 12 and coming from the generator 3 it is always equal to 1 2 xLxI2 .
- the electrical energy drawn from the generator 3 is dissipated and not stored in the self-inductance 12. This energy will therefore not be not returned to generator 3.
- the spark gap may be able to block approximately 400 to 500 V with an instantaneous power of approximately 15 to 20 kW, thereby rendering the component as a whole almost indestructible by overvoltage.
Abstract
Description
L'invention concerne un appareil d'alimentation en énergie électrique d'un câble ou équivalent, conducteur électrique, notamment destiné à électrifier des clôtures.The invention relates to an apparatus for supplying electrical energy to a cable or equivalent, an electrical conductor, in particular intended for electrifying fences.
Du document FR-A-1 582 799, il est connu d'utiliser un tel appareil comprenant un transformateur muni d'un bobinage primaire relié à un générateur de courant et d'un bobinage secondaire auquel est reliée une extrémité dudit câble ; un interrupteur ; et un premier redresseur de courant, tel qu'une diode disposée passante dans le sens direct considéré du courant circulant du secondaire du transformateur vers le câble, ce premier redresseur étant monté en série entre le secondaire du transformateur et ladite extrémité du câble.From document FR-A-1 582 799, it is known to use such an apparatus comprising a transformer provided with a primary winding connected to a current generator and a secondary winding to which is connected one end of said cable; a switch ; and a first current rectifier, such as a diode disposed passing in the direct direction considered of the current flowing from the secondary of the transformer to the cable, this first rectifier being mounted in series between the secondary of the transformer and said end of the cable.
Quant au document FR-A-1 280 381, il enseigne l'utilisation d'un éclateur monté en parallèle aux bornes d'un redresseur de courant (diode) pour obtenir a priori une protection accrue de ce redresseur contre les à-coups de surtension.As for the document FR-A-1 280 381, it teaches the use of a spark gap mounted in parallel at the terminals of a current rectifier (diode) in order to obtain a priori increased protection of this rectifier against jolts of overvoltage.
Il demeure cependant que sur de tels appareils, si un court-circuit prolongé survient (provoqué par exemple par la chute de branches sur le câble conducteur), le fonctionnement de cet appareil s'altère, la chute d'impédance provoquant une décharge relativement rapide du générateur. Bientôt le câble n'est plus électrifié. En outre, compte tenu des conditions pratiques d'utilisation, il s'avère que les composants "souffrent" des variations d'alimentation parfois importantes et brusques. Leur fiabilité est ainsi parfois perfectible.However, the fact remains that on such devices, if a prolonged short circuit occurs (caused for example by falling branches on the conductive cable), the operation of this device deteriorates, the drop in impedance causing a relatively rapid discharge of the generator. Soon the cable is no longer electrified. In addition, taking into account the practical conditions of use, it turns out that the components "suffer" from the sometimes large and abrupt supply variations. Their reliability can therefore sometimes be improved.
L'invention vise en particulier à remédier à ces défauts.The invention aims in particular to remedy these defects.
Pour cela, elle propose donc de perfectionner l'appareil de la publication FR-A-1 582 799 en lui ajoignant :
- un premier éclateur monté aux bornes de l'interrupteur, qui est un interrupteur statique connecté d'un côté à une borne du bobinage primaire et de l'autre à une borne du générateur de courant,
- un second éclateur monté en parallèle aux bornes dudit premier redresseur pour le protéger contre les surtensions en limitant la décharge du générateur en cas de court-circuit,
- et un second redresseur de courant, tel qu'une diode disposée passante dans le sens inverse considéré du courant, ce second redresseur étant monté en parallèle aux bornes dudit premier éclateur.
- a first spark gap mounted at the terminals of the switch, which is a static switch connected on one side to a terminal of the primary winding and on the other to a terminal of the current generator,
- a second spark gap mounted in parallel at the terminals said first rectifier to protect it against overvoltages by limiting the discharge of the generator in the event of a short circuit,
- and a second current rectifier, such as a diode arranged to pass in the considered opposite direction of the current, this second rectifier being mounted in parallel at the terminals of said first spark gap.
De préférence, le câble conducteur appartenant à une clôture électrique, l'interrupteur statique sera commandé par un rythmeur soumis à la tension du générateur de courant et la tension aux bornes du bobinage primaire du transformateur sera sensiblement égale à la différence des tensions régnant aux bornes du générateur de courant et dudit interrupteur.Preferably, the conductive cable belonging to an electric fence, the static switch will be controlled by a timer subjected to the voltage of the current generator and the voltage across the primary winding of the transformer will be substantially equal to the difference of the voltages prevailing at the terminals of the current generator and of said switch.
De cette façon, on obtiendra un appareil dont le générateur de courant ne se déchargera pas de manière intempestive et dont le fonctionnement sera particulièrement fiable, pour un prix de revient tout à fait compétitif.In this way, we will obtain a device whose current generator will not accidentally discharge and whose operation will be particularly reliable, for a cost price quite competitive.
On va maintenant donner une description plus détaillée de l'invention, en faisant pour cela référence aux dessins d'accompagnement dans lesquels :
- la figure 1 illustre l'appareil de l'invention au moyen d'un schéma synoptique,
- - la figure 2 présente un schéma synoptique partiel explicatif du fonctionnement de l'appareil, en considérant tout d'abord que le secondaire du transformateur n'est pas chargé,
- - les figures 3a, 3b et 3c représentent trois diagrammes explicatifs du fonctionnement de l'appareil en relation avec la figure 2. Plus précisément, la figure 3a représente l'état de l'interrupteur statique en fonction du temps (T), la figure 3b représente l'intensité (I) au seul primaire du transformateur en fonction du temps (T) , la figure 3c représente la tension (V) aux bornes de l'interrupteur en fonction du temps (T), et
- - la figure 4 est une schéma synoptique partiel dans lequel on prend en compte le secondaire du transformateur et l'impédance en ligne du câble de la clôture.
- FIG. 1 illustrates the apparatus of the invention by means of a block diagram,
- FIG. 2 presents a partial block diagram explaining the operation of the apparatus, considering first of all that the transformer secondary is not charged,
- - Figures 3a, 3b and 3c show three explanatory diagrams of the operation of the apparatus in relation to FIG. 2. More precisely, FIG. 3a represents the state of the static switch as a function of time (T), FIG. 3b represents the intensity (I) only primary of the transformer as a function of time (T), FIG. 3c represents the voltage (V) across the terminals of the switch as a function of time (T), and
- - Figure 4 is a partial block diagram in which the secondary of the transformer and the line impedance of the fence cable are taken into account.
La plupart des appareils qui sont employés pour délivrer une énergie électrique dans un câble 10, telle qu'une clôture, comprennent notamment un générateur de courant, tel par exemple qu'une batterie 3, et un transformateur de tension 2 muni d'un primaire 12 et d'un secondaire 22. Tel est le cas de l'appareil de l'invention illustré figure 1.Most of the devices which are used to deliver electrical energy in a
Toutfois, habituellement dans les appareils connus, le câble 10 à électrifier est directement relié à une de ses extrémités à la borne de sortie du secondaire 22. Dans ce cas, aucune protection n'est assurée pour éviter une décharge rapide de la batterie 3, en cas de court-circuit entraînant une chute prolongée d'impédance en ligne le long du câble. Comme on l'a dit, de tels courts-circuits se rencontrent fréquemment. Ils peuvent être par exemple provoqués par la chute d'un branchage sur le câble, lequel relie alors le câble à la terre.However, usually in known devices, the
En prévoyant de monter un composant électronique du type redresseur de courant, telle qu'une diode 14, en série avec le secondaire 22 du transformateur, on résoud ce problème.By planning to mount an electronic component of the current rectifier type, such as a
Tel qu'illustrée figure 1, cette diode 14 peut être montée entre la sortie 22a du secondaire et l'extrémité de liaison 10a du câble électrifié. La diode sera montée passante dans le sens direct convenu du courant, circulant ici du secondaire du transformateur vers le câble. Les flèches 13a et 13b indiquent le sens direct convenu du courant.As illustrated in FIG. 1, this
Dans une telle application à l'électrification de clôture, les tensions directes délivrées au câble sont en général très élevées. Théoriquement, la tension inverse à laquelle peut être soumise la diode 14 est limitée à la valeur U x
Cependant, cette valeur limite est bien souvent inférieure aux tensions inverses instantanées développées. C'est pourquoi, l'invention prévoit de monter un éclateur 24 en parallèle aux bornes de la diode 14, de façon à la protéger et à éviter toute détérioration, quelle que soit la valeur des tensions inverses en lignes.However, this limit value is very often lower than the instantaneous reverse voltages developed. This is why, the invention provides for mounting a
On notera que la diode 14 et l'éclateur 24 peuvent tout à fait être intégrés dans un composant électronique unique industriellement utilisable, que l'on a repéré dans son ensemble 4.It will be noted that the
On saisit clairement l'intérêt pratique d'un tel composant. En effet, en venant simplement monter sur un appareil d'électrification existant, le composant 4 qui se comportera essentiellement comme une diode dans le sens direct convenu du courant et comme un éclateur dans le sens inverse, on va pouvoir éviter pour un coût relativement réduit et en toute sécurité, toute décharge intempestive du générateur 3 quelles que soient les perturbations électriques qui pourraient survenir.We clearly understand the practical interest of such a component. Indeed, by simply mounting on an existing electrification device, the component 4 which will behave essentially as a diode in the agreed direct direction of the current and as a spark gap in the opposite direction, we will be able to avoid for a relatively reduced cost and in complete safety, any untimely discharge of the
Ce perfectionnement apporté aux appareils connus est appréciable.This improvement made to known devices is appreciable.
Cependant, ces appareils existants sont quelquefois peu fiables, notamment en cas d'utilisation prolongée dans des terrains et des conditions météorologiques difficiles.However, these existing devices are sometimes unreliable, especially when used for extended periods in difficult terrain and weather conditions.
C'est pourquoi l'invention propose également, tel qu'illustré figure 1, un nouvel appareil d'alimentation en énergie électrique destiné en particulier à l'électrification de clôtures. Bien entendu, cet appareil intègre le composant 4 que l'on vient de présenter. Il comprend également, outre le transformateur 2 avec l'entrefer 32, la self-inductance 12 et le secondaire bobiné 22 relié en 11 à la terre, un boîtier électronique 5 soumis à la tension du générateur 3, et un interrupteur statique 6. Tel qu'illustré, le primaire 12 du transformateur est soumis à la différence des tensions régnant aux bornes du générateur 3 et de l'interrupteur 6.This is why the invention also proposes, as illustrated in FIG. 1, a new supply device. in electrical energy intended in particular for the electrification of fences. Of course, this device incorporates the component 4 that has just been presented. It also includes, in addition to the
Le boîtier électronique 5 consiste en un rythmeur qui commande l'interrupteur 6. La durée des impulsions de commande peut être par exemple de l'ordre de quelque dizaines de millisecondes, l'intervalle entre deux impulsions pouvant être de l'ordre de 1 à 1,5 seconde.The
L'interrupteur 6 comprend, tel qu'illustré, deux transistors, l'un de type "NPN" 16, l'autre de type "MOS" 26.The
Aux bornes de l'interrupteur 6 est monté en parallèle un composant 7 semblable au composant 4 précité. En effet, le composant 7 comprend un éclateur 27, avec en parallèle à ses bornes, et de préférence, une diode 17. La diode 17 est montée passante dans le sens inverse considéré du courant. Ce composant 7 protège l'interrupteur statique 6 de toute surtension, comme on le verra plus en détail ci-après.At the terminals of the
Toujours afin d'éviter toute détérioration intempestive des composants et assurer la fiabilité de l'appareil, la protection contre les surtensions éventuelles du transistor 26 est assurée par un composant 8, du même type que celui 7 que l'on vient de présenter. Le composant 8 monté aux bornes du transistor 26 comprend donc un éclateur 18 avec en parallèle à ses bornes une diode 28.Still in order to avoid any untimely deterioration of the components and to ensure the reliability of the device, the protection against possible overvoltages of the
On notera toutefois que, dans le composants 7 et 8, l'élément éclateur est essentiel et indispensable, la diode n'intervenant que par mesure de sécurité et pour améliorer la fiabilité du composant.However, it should be noted that, in
En 9, est représenté un indicateur de bon fonctionnement que l'on peut monter aux bornes de l'interrupteur 6, de façon que l'opérateur puisse vérifier l'état sous tension ou hors tension de l'appareil 1.In 9, a good functioning indicator is shown which can be mounted at the terminals of the
L'indicateur 9 comprend en série deux résistances 19, 29 et un dispositif de visualisation 39, telle qu'une ampoule "néon".The indicator 9 comprises in series two
Suivant l'utilisation prévue de l'appareil, si les tensions délivrées sont élevées, les résistances 19 et 29 seront de préférence des résistances du type haute tension.Depending on the intended use of the device, if the voltages supplied are high, the
La liste des principaux composants que comprend l'appareil de l'invention ayant été dressée, on va maintenant présenter son fonctionnement en référence aux figures 2 à 4.The list of the main components that the apparatus of the invention comprises having been drawn up, we will now present its operation with reference to FIGS. 2 to 4.
Considérons tout d'abord en référence aux figures 2, 3a, 3b et 3c que le secondaire 22 du transformateur n'est pas chargé, c'est-à-dire qu'il est en quelque sorte déconnecté. Le circuit se referme alors par le primaire 12.Consider firstly with reference to Figures 2, 3a, 3b and 3c that the secondary 22 of the transformer is not charged, that is to say that it is somehow disconnected. The circuit then closes by the primary 12.
Dans ce cas, lorsque, sous la commande du rythmeur 5, l'interrupteur 6 se ferme au temps T = 0 (figure 3a), la tension d'alimentation U aux bornes du générateur 3 est appliquée aux bornes de la self-inductance "L" repérée 12, et un courant I, circulant dans le sens de la flèche 13b, apparaît dans cette self, selon l'expression,
Le courant I croît jusqu'à la valeur Im (figure 3b).In this case, when, under the control of the
The current I increases to the value I m (FIG. 3b).
Lorsque l'interrupteur statique 6 s'ouvre au temps t1, toujours sous la commande du rythmeur 5, (figure 3a) le courant I se referme par l'éclateur 27 et porte la tension à ses bornes à la valeur Vt (figure 3c). La tension aux bornes de l'interrupteur 6 est donc par là même limitée à cette valeur qui est telle qu'il peut la supporter sans détérioration.When the
La tension aux bornes de la self inductance 12 s'inverse alors et devient Vt - U. Le courant I décroît selon l'expression,
En pratique, on règle l'intensité de ce courant en adaptant la durée du maintien en position fermée de l'interrupteur 6.The voltage across the
In practice, the intensity of this current is adjusted by adapting the duration of the holding in the closed position of the
Considérons maintenant la charge du secondaire 22 du transformateur 2, en refermant le circuit sur un impédance "Z", repérée 10b à la figure 4, cette impédance représentant l'impédance en ligne du câble 10 à électrifier.Let us now consider the load of the secondary 22 of the
Les courants I₁ et I₂ circulant en l'absence du composant 4 respectivement dans le primaire et le secondaire du transformateur, sont liés en intensité et en direction. Le sens du courant I₁ (représenté par la flèche 13b) est considéré comme direct, tandis que le sens du courant I₂ est inverse (flèche 13d).The currents I₁ and I₂ flowing in the absence of component 4 respectively in the primary and the secondary of the transformer, are related in intensity and direction. The direction of the current I₁ (represented by the arrow 13b) is considered to be direct, while the direction of the current I₂ is opposite (
La relation qui les lie est
La tension Vz aux bornes de l'impédance 10b est alors égale
Si cette impédance est "infinie", c'est-à-dire si elle est très élevée, on est placé dans le cas de la figure 2 explicité précédemment.The voltage V z across the
If this impedance is "infinite", that is to say if it is very high, we are placed in the case of FIG. 2 explained above.
Cependant, en l'absence du composant 4, et notamment de la diode 14, si l'impédance 10b en ligne vient à décroître et à prendre une valeur finie, consécutivement à un court-circuit provoqué par exemple par la chute d'une branche sur le câble, le courant dans la self-inductance 12 va, à la fermeture de l'interrupteur 6, croître de façon importante.However, in the absence of the component 4, and in particular of the
Le court-circuit au secondaire est ramené au primaire.The short circuit in secondary is reduced to primary.
Quant à l'énergie électrique emmagasinée par la self-inductance 12 et provenant du générateur 3, elle est toujours égale à
On comprend donc qu'en cas de court-circuit prolongé la batterie 3 va plus ou moins rapidement se décharger.It is therefore understood that in the event of a prolonged short circuit the
Bien entendu, ce défaut de fonctionnement est évité si l'on a pris soin de mettre en place la diode 14. En effet, pendant l'intervalle de temps où l'interrupteur statique 6 est fermé, le courant I₂ (flèche 13d) est bloqué par la diode 14. Par contre, lorsque l'interrupteur 6 s'ouvre, cette même diode devient passante et le courant peut circuler normalement dans la clôture à électrifier.Of course, this malfunction is avoided if care has been taken to set up the
Dans l'application considérée à l'électrification de clôtures, on notera l'utilisation recommandée d'une diode haute tension.In the application considered for the electrification of fences, note the recommended use of a high voltage diode.
Dans une telle application, on peut aujourd'hui développer jusqu'à environ 10 kV au secondaire. En pratique, de telles tensions "directes", peuvent engendrer des tensions inverses instantanées du même ordre de grandeur. Or les diodes haute tension sont coûteuses et fragiles.In such an application, we can now develop up to around 10 kV in secondary school. In practice, such "direct" voltages can generate instantaneous reverse voltages of the same order of magnitude. However, high voltage diodes are expensive and fragile.
C'est pourquoi, on a recommandé l'utilisation d'un éclateur, en parallèle aux bornes de la diode. Dans l'exemple d'application retenu, l'éclateur pourra être capable de bloquer environ 400 à 500 V avec une puissance instantanée d'environ 15 à 20 kW, rendant par là même pratiquement indestructible par surtension le composant dans son ensemble.This is why we recommended the use of a spark gap, in parallel with the terminals of the diode. In the selected application example, the spark gap may be able to block approximately 400 to 500 V with an instantaneous power of approximately 15 to 20 kW, thereby rendering the component as a whole almost indestructible by overvoltage.
Actuellement, le temps de réaction des éclateurs connus est de l'ordre de 10⁻¹² seconde.Currently, the reaction time of known spark gaps is around 10⁻¹² second.
Claims (6)
- Apparatus for the electrical supply of at least one cable (10) or equivalent electrical conductor, comprising a transformer (2) provided with a primary winding (12) connected to a current generator (3) and with a secondary winding (22) to which one end (10a) of the said cable is connected; a switch (6); and a first current rectifier (14), such as a diode disposed such that it conducts in the usual direction of the current circulating from the secondary winding of the transformer to the cable, this first rectifier (14) being connected in series between the secondary winding (22) of the transformer and the said end (10a) of the cable, characterised in that it further comprises:- a first discharger (27) connected at the terminals of the switch (6) which is a static switch connected on one side to a terminal of the primary winding (12) and on the other side to a terminal of the current generator (3);- a second discharger (24) connected in parallel at the terminals of the said first rectifier (14) to protect the latter against excess voltage by restricting the discharge from the generator (3) in the event of a short circuit; and- a second current rectifier (17), such as a diode disposed such that it conducts in the opposite to usual direction of the current, this second rectifier being connected in parallel at the terminals of the said first discharger (27).
- Apparatus according to Claim 1, characterised in that the said cable (10) or equivalent electrical conductor is part of an electric enclosure, and the said switch (6) is controlled by a clock unit (5) subjected to the voltage of the current generator (3), the voltage at the terminals of the primary winding (12) of the transformer (2) being substantially equal to the difference in the voltages prevailing at the terminals of the said current generator (3) and the static switch (6).
- Apparatus according to Claim 2, characterised in that the said static switch (6) comprises:- an NPN type transistor (16); and- an MOS type transistor (26).
- Apparatus according to Claim 3, characterised in that it comprises a third discharger (18) connected in parallel at the terminals of the MOS type transistor (26).
- Apparatus according to Claim 4, characterised in that it comprises a diode (28) connected in parallel at the terminals of the said third discharger (18), the said diode (28) being disposed such that it conducts in the opposite to usual direction of the current.
- Apparatus according to any one of Claims 2 to 5, characterised in that it comprises, connected in parallel at the terminals of the said static switch (6), a device (9) for indicating that operation is correct and comprising, in series:- at least one resistor (19, 29); and- at least one display means (39), such as a light bulb.
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1988
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