WO1997032385A1 - Systeme de charge et/ou de transmission de signaux comportant une source lumineuse collaborant avec des cellules photovoltaiques - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système comportant une source de lumière collaborant avec des cellules photovoltaïques (5) incorporées dans des applications telles qu'appareils pour sourds, montres électroniques, etc. Dans une première forme d'exécution le système comporte un posage (7, 8) par exemple sous forme d'un coffret dans lequel on pose l'application. Ce coffret comporte un couvercle dans lequel se trouve la source de lumière. Une fois ce couvercle fermé, cette source de lumière se trouve en face desdites cellules (5) photovoltaïques et peut servir d'une part à charger un accumulateur (2) permettant d'alimenter ladite application, d'autre part à transmettre des signaux optiques qui peuvent être pris en compte pour réaliser certaines fonctions internes de cette application.

Description

Demande de brevet

Système de charge cl/ou de transmission de signaux comportant une source lumineuse collaborant avec des cellules photovoltaïques

11 existe à l'heure actuelle de nombreuses applications électroniques exigeant à la fois une certaine autonomie de fonctionnement et une miniaturisation de plus en plus poussée, par exemple les appareils pour sourds, les montres électroniques, plus particulièrement les montres ayant des fonctions spéciales telles que commande à distance, pager, certaines applications médicales, etc. Aussi les batteries deviennent-elles de plus en plus petites alors que les besoins en énergie ne peuvent pas être réduits en proportion. Par exemple, les appareils pour sourd peuvent maintenant être logés directement à l'intérieur même de l'oreille, mais les besoins en énergie au niveau de l'amplificateur et du haut-parleur restent les mêmes, si bien qu'il faut changer la batterie pratiquement toutes les semaines. Dans les montres pager ou d'autres applications utilisant des récepteurs RF très miniaturisés, ia consommation de l'amplificateur d'entrée travaillant en classe A ne peut pas être réduite au delà de certaines limites si l'on veut garder la sensibilité de réception nécessaire. Il est bien connu que, dans ce type de montres, le fait de devoir changer souvent la batterie représente un handicap commercial important. Le remplacement de la batterie par un accumulateur ou une batterie rechargeable, par exemple par l'intermédiaire de cellules photovoltaïques, pourrait présenter une solution intéressante, ceci à condition de l'associer à un système de charge performant, non seulement sur le plan technique, mais surtout sur le plan de la facilité de mise en oeuvre par l'utilisateur. Par cellules photovoltaïques on entend bien sûr tout de cellules capable de transformer l'énergie lumineuse en énergie électriq

ec un rendement convenable. Dans les montres à quartz de type classique le problème est moindre dans la mesure où les batteries ont une durée de vie beaucoup plus longue. Il y a toutefois actuellement une tendance à remplacer les batteries classiques par des cellules photovoltaïques chargeant un élément tampon susceptible d'assurer à la montre une certaine autonomie de fonctionnement. Cependant il est bien connu que certaines personnes n'exposent pas suffisamment leur montres à la lumière, et sont même susceptibles de déposer celle-ci pendant plusieurs jours, voir plusieurs mois dans un endroit sombre, armoire, coffre ou autre, ce qui peut provoquer l'arrêt pur et simple de la montre. Ceci est un handicap certain, et là aussi l'utilisation d'un système de charge performant et convivial permettrait d'éliminer cet inconvénient.

Sur un autre plan, les applications mentionnées ci-dessus font de plus en plus appel à des moyens sophistiqués pour augmenter leurs performances. Par exemple, dans ies appareils pour sourd, on utilise des moyens de commande à distance des différentes fonctions, notamment des moyens électro-optiques de transmission des signaux. Il y a donc une certaine analogie dans les composants et sous-systèmes pouvant être employés tant dans le système de charge préconisé plus haut que dans ces moyens de transmission de signaux. En mettant en commun tout ou partie de ces composants et sous-systèmes on ajoute des atouts importants susceptible d'accroître l'intérêt de l'ensemble du système.

La présente invention a précisément pour objet un système de charge et/ou de transmission de signaux comportant une source de lumière collaborant avec des cellules photov oltaïques de l'application, caractérise par le fait qu'il comporte de> nun ens de positionnement agences de manière u placer ladite source lumineuse à proximité desdites cellules et à diriger au moins une partie significative des rayons lumineux délivrés par ladite source de lumière sur lesdites cellules lorsque lesdits moyens de positionnement sont mis en place.

La figure 1 représente schématiquement à titre d'exemple le système de charge selon l'invention adapté pour un appareil pour sourd.

La figure 2 représente à titre d'exemple le système de charge selon l'invention adapté à une montre, ce système étant agencé de manière à permettre également la transmission de signaux.

La figure 3 représente à titre d'exemple un circuit utilisant directement les cellules photovoltaïques comme moyen de réception de ces signaux.

La figure 4 représente à titre d'exemple des moyens de transmission de signaux séparés des moyens de charge proprement dits appliqués à un appareil pour sourd.

La figure 1 représente schématiquement à titre d'exemple le système de charge selon l'invention adapté pour un appareil pour sourd. Dans cet appareil 1 ayant une forme permettant de le loger directement à l'intérieur de l'oreille, la batterie est remplacée par un accumulateur 2. En fait, l'utilisation d'un accumulateur en lieu et place de la batterie peut offrir de grands avantages, particulièrement la suppression du changement hebdomadaire de batterie. Cependant si ce genre de solution n'est pas appliqué actuellement aux appareils pour sourds ou à d'autres applications similaires, c'est que tout le problême réside dans la mise en oeuvre du s> sterne de charge de l'accumulateur. Hn effet, bien que des progrès constants soient réalises dans ce domaine, la capacité des accumulateurs reste environ 4 fois inférieure à celle des batteries pour un volume équivalent. Cela revient à dire que pour une autonomie de 8 jours sur batterie, soit 192 heures, il resterait 48 heures sur accumulateur. Il faut donc promouvoir un système de recharge qui incite de manière naturelle l'utilisateur à recharger son appareil tous les jours.

C'est l'objet du système de charge selon la présente invention. Premièrement l'accumulateur 2, permettant d'alimenter ie circuit électronique de l'application 3, est rechargé au travers d'une diode 4 par 4 cellules photovoltaïques 5. Ces cellules sont composées par exemple de couches de silicium polycristallin NIP déposées sur un verre 6 fixé sur la partie de l'appareil 1 tournée vers l'extérieur. L'utilisation de cellules photovoltaïques permet de réaliser un système de charge sans contact, mais il est bien certain que la lumière naturelle est tout à fait insuffisante pour assurer la recharge de l'accumulateur et qu'il faut mettre en oeuvre un système de charge individuel ad hoc qui, comme nous l'avons dit plus haut, incite de manière naturelle l'utilisateur à s'en servir tous les jours. Or il est de fait que les utilisateurs d'appareils pour sourd n'utilisent pas leur appareil quand ils dorment Comme il s'agit d'un élément d'un certain prix, ils le placeront de préférence dans un étui ou posage ad hoc à l'abri des chocs et de la poussière. L'originalité de l'invention consiste précisément à réaliser un étui ou posage qui en plus de sa fonction première, permet la recharge de l'accumulateur 2. Dans notre exemple cet étui est composé d'une base 7 et d'un couvercle rabattable 8. La base 7 comporte un évidement ayant une forme adaptée à l'appareil 1, évidement dans lequel l'utilisateur peut poser ce dernier, les cellules photovoltaïques 5 étant tournées vers l'extérieur. L'étui comporte une source de lumière 9 reliée par un cable externe à une alimentation 10. avec option éventuelle pour une prise basse tension ( prise rasoir). Lorsque on rabat le couvercle S. ce dernier couvre toute la surface sauf une ouverture 11 permettant de laisser passer la source de lumière 9 et une ouverture 12 donnant accès aux cellules 5. Toute la surface interne 13 de la chambre ainsi formée est agencée de manière à réfléchir la lumière à la manière d'un miroir. Par cette disposition particulière, la plus grande partie de la lumière émise par la source de lumière 9 qui ne serait pas directement absorbée par les cellules 5 est réfléchie sur les parois jusqu'à ce qu'elle atteigne lesdites cellules à la manière des sphères d'Ulbricht. On a ainsi un rendement élevé qui permet d'utiliser des sources de lumières de faible puissance (de l'ordre de quelques Watts) et de limiter réchauffement Notons que la base et le couvercle de l'étui seront réalisés au moins partiellement avec des matériaux bon conducteurs de chaleur pour évacuer celle-ci vers l'extérieur.

Ainsi pour une source de lumière de 1 Watt ayant un rendement lumineux de 25%, une chambre de réflexion ayant un rendement de 60% et des cellules ayant un rendement de 5%, on a un rendement global de 0,75%, soit 7,5 mW de puissance utile par Watt. Cela peut sembler faible, mais c'est suffisant pour ce genre d'application. Notons qu'une source de lumière de 1 Watt utilisée 8 heures par jour consomme environ 0,25 kWh par mois, ce qui représente quelques centimes, contre plusieurs francs pour l'achat des batteries.

La figure 2 représente à titre d'exemple le système de charge selon l'invention adapté à une montre, ce système étant agencé de manière à permettre également la transmission de signaux. Il y a évidemment certains types de montres comme les montres pager qui consomment relativement beaucoup d'énergie et dont on doit changer les batteries fréquemment, qui s'apparentent au cas décrit à la figure I . Cependant nous avons choisi d'illustrer clans cette figure 2 le cas d'une montre à quartz simple n'ayant que des fonctions horaires, heure, minute, seconde, date, mois, etc. Ce type de montre ne consomme que des courants de Tordre du microampère alors que l'appareil pour sourd décrit à la figure 1 consomme des courants de l'ordre du milliampère. Ainsi un accumulateur de de quelques mAh est-il capable d'assurer une autonomie de marche de plusieurs mois.

Cependant on est confronté à un problème d'équilibre énergétique. Lorsqu'elle est portée, la montre peut être cachée par les vêtements. De plus il n'est pas garanti qu'elle soit portée chaque jour. Ainsi, même si l'autonomie de départ est de plusieurs mois, on peut avoir une perte régulière de cette réserve de marche qui aboutit en fin de compte à l'arrêt de la montre. L'utilisation régulière d'un système de charge garde donc tout son sens, pour autant que ce système incite de manière naturelle l'utilisateur à s'en servir, comme nous l'avons dit plus haut. Dans le cas de l'appareil pour sourd ou d'autres applications similaires il y a une incitation relativement impérative dans la mesure où, si ia recharge n'est pas effectuée ponctuellement, l'appareil arrête de fonctionner. Dans la montre il n'en est pas de même, et il faut trouver d'autres motivations pour inciter l'utilisateur à utiliser son système de recharge le plus souvent possible. Cela est possible en ajoutant des fonctions supplémentaires comme nous allons le décrire ci-après.

Dans la figure 2, le système de charge selon l'invention comporte un coffret formé d'une base 20 et d'un couvercle 21. La base 20 comprend un logement pour placer la montre 22. Lorsque le couvercle 21 est rabattu, le cadran de la montre 23 fait face une ouverture 24 de la chambre de réflexion 25 décrite à la figure I . Notons que si les cellules photovoltaïques n'occupent qu'une partie de la surface du cadran, on peut ajouter un cache réfléchissant sur l'ouverture 24. cache qui ne laisse passer les rayons lumineux que sur lesdites cellules. Le fait d'utiliser un système de charge tel que celui faisant l'objet de la présente invention rend la surface des cellules moins critique et on peut utiliser par exemple des cellules en anneau placées à l'extérieur du cadran de manière à laisser le centre de celui-ci libre pour des inscriptions ou des décorations. Dans le cas décrit, la source de lumière a été remplacée par une simple LED de puissance 26. En effet, comme les besoins en énergie d'une montre sont très inférieurs à ceux d'un appareil pour sourd, l'utilisation d'une LED de quelques centaines de milliwatts est suffisante. Par ailleurs ce type de source lumineuse a l'avantage de pouvoir être commutée rapidement et de pouvoir être utilisée pour la génération de signaux lumineux, comme nous allons le voir ci-dessous. L'utilisation d'une source de lumière à incandescence pour la charge et d'une LED séparée pour la transmission de signaux est également possible sans problème.

Tout d'abord nous allons décrire de manière très schématique mais suffisante pour la compréhension quelques fonctions auxiliaires intéressantes. Premièrement il n'y a pas lieu de laisser la source de lumière 26 allumée en permanence. Pour cela la base 20 est équipée d'un interrupteur 27 monté sur un ressort assez dur qui se ferme lorsque l'on place la montre 22 dans son logement et que celle-ci est maintenue en place par le couvercle. La fermeture de cet interrupteur 27 est donc une condition préalable à la mise sous tension de la LED 26. Deuxièmement, il n'est pas nécessaire de charger l'accumulateur pendant plus d'une dizaine d'heures. Après ce délai, il est préférable soit d'interrompre la charge soit de la limiter à une valeur de maintien de l'ordre d'un dixième de la charge normale. Aussi l'interrupteur 27 est-il relié à un circuit de temporisation 28 relié à un circuit de commande de la LHD 29 de manière à gérer ces temps de charge. Quel que soit l'intérêt de ces deux fonctions . il s'agit de fonctions internes qui ne vont pas particulièrement inciter le possesseur de la montre à utiliser plus régulièrement son système de charge. Par contre on peut trouver des fonctions complémentaires qui renforcent manifestement cette motivation.

Il est bien connu que le rêve de tout horloger est de créer une montre qui reste toujours parfaitement à l'heure. Aussi existe-t-il depuis plusieurs années de nombreuses propositions allant de la télécommande sur le réseau électrique, à la télédistribution et à la distribution horaire par faisceau hertzien. Cette dernière possibilité est tout à fait concrète puisqu'il existe depuis quelques temps sur le marché des montres et pendulettes contrôlées par radio. Cependant cela impose au niveau de la montre un certain nombre de contraintes très restrictives. Par exemple, il n'est pas possible de mettre l'antenne à l'intérieur d'un boitier métallique qui représente un court-circuit magnétique. Il faut donc soit se limiter à un boitier en plastic, soit mettre l'antenne à l'extérieur, ce qui est très limitatif sur le plan esthétique. Par ailleurs en raison du faible volume de cette antenne, la sensibilité de réception n'est pas optimale et il peut y avoir des problèmes à l'intérieur des bâtiments. Ces contraintes n'existent bien sûr pas au niveau de la pendulette où on dispose de beaucoup plus d'énergie et de place.

La solution proposée à la figure 2 consiste à intégrer une pendulette contrôlée par radio ou tout autre système pouvant servir de référence de temps à l'intérieur de notre coffret. Cette pendulette peut servir par exemple de montre réveil, ce qui incitera l'utilisateur à placer son coffret dans sa chambre à coucher. Comme ce dernier n'a généralement pas besoin de sa montre quand il dort, il aura naturellement le geste de la poser dans le coffret qui se trouve à sa portée. Par ailleurs, les

en* électroniques connus à l'heure actuelle, comme les microprocesseurs horloger>. permettent d'incorporer dans la montre une fonction de remise à l'heure commandée de l'extérieur par des signaux de commande ad hoc. Cette fonction de remise à l'heure peut aller de la simple remise en phase de l'aiguille des secondes pour les montres analogiques classiques à une remise à l'heure complète y compris la date et le mois pour des montres digitales ou des montres analogiques multifonctions à plusieurs moteurs. Nous n'allons pas décrire dans le détail ces fonctions de mise à l'heure qui sont déjà utilisées dans les montres RF mentionnées plus haut, mais montrer comment on peut utiliser le système de charge selon l'invention pour transmettre les signaux nécessaires à la montre. II va de soi que l'introduction d'une telle fonction dans le coffret de charge de la montre crée une motivation supplémentaire importante pour inciter l'utilisateur à s'en servir le plus souvent possible. On peut alors assimiler ce coffret de charge aux fameuses pendules sympathiques qui sont l'un des fleurons les plus prestigieux de l'horlogerie traditionnelle.

La pendulette contrôlée par radio est représentée schématiquement par le circuit 30 qui commande l'affichage 31. Ce circuit 30 transmet les informations horaires nécessaires au circuit de commande de la LED 29. Ce circuit de commande est agencé pour meure en forme ces informations sous forme de signaux série et les transmettre à la montre par l'intermédiaire de la LED 26, soit sur demande, soit automatiquement toutes les 10 minutes par exemple. Il existe de nombreuses procédures de transmission par voie électro¬ optique qui peuvent convenir à cette application. Celle qui est décrite à la figure suivante concerne des moyens permettant d'utiliser directement les cellules photovoltaïques combinées à des moyens de réception simples agencés de manière à délivrer des signaux tout ou rien directement utilisables par le circuit logique de traitement de ces signaux. Il va de soi que l'on peut utiliser ce s> sterne de transmission de signaux pour transmettre toutes autres informations utiles à la montre ou à l'utilisateur, par exemple pour des montres ayant des fonctions spéciales telles que agenda électronique, pager, etc.

La figure 3 représente à titre d'exemple un circuit utilisant directement les cellules photovoltaïques comme moyen de réception des signaux. Dans cette figure on retrouve ies quatre cellules photovoltaïques 40 et la diode de redressement 41 permettant de charger l'accumulateur 42 à travers la résistance 43, branchée entre base et émetteur du transistor 44. Cette résistance 43 est choisie de telle manière que la chute de tension à ses bornes soit inférieure à la tension de conduction de la diode émetteur/base de ce transistor 44 tant que le courant débité par les cellules photovoltaïques est inférieur par exemple à 100 μA. Ainsi, jusqu'à cette limite, ce transistor 44 n'est pas conducteur et tout ie courant fourni par les cellules 40 sert à recharger l'accumulateur 42. Lorsque le courant débité par les cellules 40 devient supérieur aux 100 μA fixés, le transistor 44 devient conducteur. Son courant de collecteur est limité à 10 μA par la résistance 45, après quoi le transistor 44 sature. La majorité du courant supplémentaire fourni par les cellules 40 passe alors par la base du transistor 44 à travers la résistance 46. Cette résistance 46 sert à limiter le courant de charge. En effet la tension aux bornes des cellules 40 est logarithmique, et ne peut pas dépasser environ 0,8 Volts par cellule, même en cas de fort éclairement. On choisit donc la résistance 46 de manière à limiter le courant à environ un dixième de la capacité de l'accumulateur 42, soit 1 mA pour une capacité de 10 mAh. Le transistor 44 agit pratiquement comme un amplificateur tout ou rien et délivre sur son collecteur un signal 0 lorsque les cellules 40 délivrent moins de 100 μA, et un signal I lorsque elles délivrent un courant de plus de 1 10 μΛ. Ce signal peut être utilise directement par le circuit logique de traitement 47. sans ampl i fieateur intermédiaire. i l

Pour pouvoir utiliser ces signaux tout ou rien générés directement aux bornes des cellules photovoltaïques, il faut respecter deux conditions importantes. Premièrement, compte tenu que ce type de cellules a un temps de réaction relativement lent, la fréquence de ces signaux est limitée dans l'état actuel de la technique à quelques centaines de hertz, ce qui est suffisant pour transmettre des commandes et des instructions simples. Par exemple la transmission d'une information horaire heure, minute, seconde, mois et date comporte 10 chiffres de 4 bits, soit 40 bits, ce qui ne prend qu'une fraction de seconde à 100 Hz. Deuxièmement l'état 0 correspond à un éclairement très faible. U faut donc se mettre à l'abri de l'éclairement ambiant qui se superpose à l'éclairement fourni par la LED 26 et peut donc noyer les signaux fournis par celle-ci. Cette condition est respectée dans le système de charge selon l'invention puisque l'application, appareil pour sourd, montre ou autre est recouverte d'un couvercle de protection. Ainsi on a un système de transmission de signaux très simple à mettre en oeuvre pour autant que l'on respecte les règles fixées ci-dessus.

La transmission d'informations binaires peut se faire très simplement par interruption du faisceau lumineux généré par la LED 26. Les états 0 et 1 peuvent être représentés par exemple par les rapports entre les temps d'établissement et d'interruption dudit faisceau lumineux, comme représenté sous points 48 et 49.

La figure 4 représente à titre d'exemple des moyens de transmission de signaux séparés des moyens de charge proprement dits appliqués à un appareil pour sourd. Dans ce cas. les moyens de transmission de signaux doivent être indépendants des moyens de charge car l'utilisateur peut avoir besoin de télécommander son appareil à tout moment. Dans la figure 4, l'appareil pour sourd 50 est représenté schématiquement placé dans l'oreille de l'utilisateur 51. Celui-ci dispose d'une télécommande de petites dimensions 52 pouvant facilement être rangée dans une poche de chemise et être manipulée d'une seule main. Cette télécommande se présente donc comme un téléphone miniature. Elle comporte par exemple quatre touches de commande 53, 54, 55 et 56 permettant d'augmenter et de réduire le volume, d'augmenter les aigus ou d'augmenter les graves. Cette télécommande se caractérise par le fait qu'elle doit se placer directement sur l'appareil pour sourd. A cet effet la télécommande comporte une pièce relativement souple 57 adaptée à l'oreille. La LED 58 nécessaire à la transmission des signaux est placée à l'intérieur de la pièce 57 qui forme ainsi un espace ouvert d'un seul côté. Les parois de cette chambre sont de préférence métallisées brillantes de manière à réfléchir les rayons lumineux générés par la LED. Ainsi, lorsque l'utilisateur place sa télécommande sur son appareil, on se retrouve dans les mêmes conditions que dans les figures 1 et 2. La pièce 57 forme couvercle et empêche la lumière ambiante d'atteindre les cellules photovoltaïques. Seuls les signaux émis par la LED 58 atteignent ces cellules et vont être amplifiés comme décrit à la figure 3. Cette façon de faire est peut être un peu plus contraignante qu'avec les télécommandes habituelles, mais on a une nette simplification au niveau de l'électronique interne de l'appareil, d'où économie, surtout si on peut la combiner avec un système de charge efficace.

Les quelques exemples que nous avons décrit nous semblent suffisants pour la compréhension de l'objet de l'invention. Il y a bien sûr beaucoup d'autres combinaisons posiible mais leur description n'apporterait pas vraiment d'éléments nouveaux déterminants.

Claims

Revendications

/ Système de charge et/ou de transmission de signaux comportant au moins une source de lumière collaborant avec des cellules photovoltaïques de l'application concernée, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de positionnement agencés de manière à placer ladite source lumineuse à proximité desdites cellules et à diriger au moins une partie significative des rayons lumineux délivrés par ladite source de lumière sur lesdites cellules lorsque lesdits moyens de positionnement sont mis en place.

/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de positionnement sont agencés de manière à protéger lesdites cellules de la lumière ambiante.

/ Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les dits moyens de positionnement se composent d'un posage avec couvercle, ledit posage comportant au moins un emplacement pour placer l'application concernée, et le couvercle comportant au moins des moyens pour diriger les rayons lumineux délivrés par la source de lumière sur les cellules photovoltaïques de l'application.

/ Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits moyens pour diriger une partie significative des rayons lumineux délivrés par la source de lumière sur les cellules photovoltaïques comportent une chambre de ré flexion ayant une ouverture sur lesdites cellules, et dont les parois sont réfléchissantes à la manière de miroirs. 5/ Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ladite source de lumière est agencée de manière à charger un accumulateur par l'intermédiaire desdites cellules photovoltaïques.

6/ Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ladite source de lumière peut être modulée tout ou rien de manière à transmettre des signaux optiques à destination de ladite application.

Il Système selon les revendications 1 et 6 caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une fonction électronique supplémentaire qui délivre au moins indirectement les informations à transmettre à destination de l'application.

8/ Système selon les revendications 1, 6 et 7 caractérisé par le fait que ladite fonction électronique supplémentaire est une fonction horaire agencée de manière à permettre la mise à l'heure d'une montre.

9/ Système selon les revendications 1, 6 et 7 caractérisé par le fait que ladite fonction électronique supplémentaire est agencée de manière à permettre de régler les paramètres d'un appareil pour sourd.

10/ Système selon les revendications l et 5 caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit de temporisation pour commander ladite source de lumière, circuit agencé de manière à gérer le temps et le mode de charge de l'accumulateur.