Brevet FR2397625A1 — publié le 19790209

La présente invention concerne un senseur d'orientation du type fournissant un signal électrique d'erreur de pointé dudit senseur dans la direction d'un faisceau de lumière sensiblement parallèle au moyen de deux détecteurs semblables, montés en op - position. Un dispositif de ce type peut autre utilis, par exemple, pour déterminer une ligne de référence dans la recherche de la stabilisation d'attitude d1un véhicule spatial. Cette ligne de ré- férence est alors constituée par la direction d'un astre lumineux éloigné comme le soleil ou la lune.Un dispositif de ce type peut encore, plus généralement, équiper toute instalIation devant assurer de manière automatique son pointage selon la direction d'un faisceau de lumière sensiblement parallèle, comme celui procuré par une source lumineuse, éloignée, le soleil notamment La Demanderesse envisage plus particulièrement l'application de tels dispositifs à l'orientation automatique de générateurs solaires munis de concentrateurs optiques pour lesquels un pointage permanent vers le soleil doit titre assuré avec pretoision Un exemple de senseur d'orientation du type évoqué dans le préambule est notamment connu par le brevet des Etats-Unis d'Amérique, publié sous le numéro 3 205 362.Ledit brevet américain décrit un dispositif photosensible pour la détection de déviations angulaires d'un vaisseau spatial par rapport aux axes formés par la direction d'astres lumineux.Ce dispositif comporte essentiellement deux détecteurs photo sensibles montes dans un même plan, de base, perpendiculaire au faisceau lumineux à recevoir, et disposés de part et d'autre d'une cloison qui les dépasse et forme par son sommet un masque partiel à la lumière reçue par les détecteurs de sorte que ceux-ci ne reçoivent la lumière que sur la moitié environ de leur surface photosensible, Lors d'une déviation angulai- re du vaisseau telle que le dispositif tourne d'un certain angle par rapport à la direction de la source lumineuse, dans le plan perpendiculaire à ladite cloison, plan qui passe en outre par le centre de chaque détecteur, l'ombre portée par le masque s'avance sur l'un des détecteurs alors qu'elle recule de la même distance sur l'autre détecteur. Il s'en suit qu'un signal électrique consé - cutif à la déviation angulaire du vaisseau par rapport à la ligne de référence peut autre prélevé aux bornes du circuit forme par les deux détecteurs, montés en opposition, ledit signal étant ensuite exploité aux fins convenables. tel dispositif comporte un certain nombre de pièces mécaniques devant être ajustées avec précision, c1est pourquoi sa construction est onéreuse. De plus la sensibilité à 1 déviation angulaire est surette a' certains limitations, en particulier lorsqu'on recherche une sensibilité élevée avec un rayonnement qui n'est pas parfaitement parallèle ( comme le rayonnement solaire).Par ailleurs un autre inconvénient réside dans la difficulté de réaliser un senseur d'orientation tel que décrit pécédemment, dont le signal électrique correspondant à la déviation angulaire soit une variation linéaire de cette dernière, ceei résultant du fait que des portions variables de la surface photosensible des détecteurs sont utilisées. aussi, est-il nécessaire que lesdits détecteurs aient une surface réceptrice dont la sensibilité soit très homogène. La présente invention a pour but, entre autres, de remédier à ces inconvénients en fournissant un senseur d'orientation particulibrement simplifié et dont les performances sont amélio- rées. En effet, selon l'invention, un lennur dtorientation du type fournissant un signal électrique d'erreur de pointe dudit senseur dans la direction d'un faisceau de lumière sensiblement parallèle, an moyen de deux détecteurs semblables, montés en opposition, est notamment remarquable en ce que lesdits détecteurs étant constitués par une première et une deuxième cellule solaire à semi-conducteur dont la face photosensible de chacune est sensi- blement plane, celles-ci sont assembles entre elles de manière telle que le plan de la face photosensible de ladite première cellule forme un angle différent de 1800 avec le plan de la face photosensible de ladite deuxième cellule pour que, lors du pointage, lesdites faces photosensibles soient frappées obliquement par ledit faisceau, le plan bissecteur dudit angle étant parallèle à la direction dudit faisceau. Le senseur d'orientation selon l'invention possède une structure extrOmement simple. Sa sensibilité angulaire est très aisément ajustable ainsi que l' écart angulaire pour lequel ledit senseur réagit de manière sensiblement linéaire. De plus la lumib- re frappant de façon homogène chaque face photosensible des cel lules solaires, les caractéristiques du dispositif ne sont pas af- fectées par un manque d'homogénéité de la sensibilité des cellules ni par leur forme géométrique : carrée, rectangulaire ou circulaL- re, par exemple. Une forme préférée de réalisation du senseur d'orienta- tion selon ltinvention se caractérise en ce que la position de ladite première cellule est, en outre, symétrique de la position de ladite deuxième cellule par rapport au plan bissecteur dudit angle formé par le plan des faces photo sensibles desdites cellules. Selon une première forme de mise en oeuvre de l'inven- tion, lesdites cellules exposent leur face photosensible vers l1extérieur dudit angle, et selon une deuxième forme de mise en oeuvre, elles exposent leur face photosensible vers l'intrieur dudit angle , chacune de ces formes de mise en oeuvre 'adaptant avantageusement aux conditions variées d' encombrement et de facilité de protection qui peuvent autre exigées pour le dispositif, en fonctiondes applications. Bvantageusement ledit angle est un angle aigu De prd- férence, sa valeur est choisie entre 15 et 750 et plus particulièrement entre 200 et 500, angles pour lesquels une senslbi- lité élevée est obtenue tandis que la latitude de désorientation peut Outre suffisante pour la majorité des application. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés qui représentent de manière non li- imitative et respectivement : à la figure 1, une vue de profil de l'assemblage de deux cellules solaires, selon une première forme de mise en oeuvre de l'invention, à la figure 2, un schéma représentatif des relations angulaires mises en jeu dans le montage de la figure 1, à la figure As un schéma électrique d'utilisation du senseur d'orientation selon l'invention, à la figure 4, un diagramme représentatif du signal électrique typiquement obtenu avec le montage do la figure 3, en fonction de l'angle de désorientation du senseur, à la figure 5, une vue schématique d'un assemblage de deux cellules solaires selon une deuxième forme de mise en oeuvre de l'intention. La figure 1 montre, de profil, une première cellule solaire ;1l fixée sur un premier support plan 12. Q6e deuxième cellule solaire 13, qui est semblable à la cellule Il en ce qui concerne- la forme et la sensibilité de conversion de la lumière, est fixée sur un deuxième support plan 14.Comme il est représenté sur la figure, les deux- supports 12 et 14 font entre eux un angle qui est avantageusement un angle aigu. -La face photosensible 15 de la cellule 11 est tournée vers 11 extérieur de l'angle de sorte que la région 16 d' épaisseur très faible, dont le type de conductivité est inverse de celui Ru reste du corps semi conducteur formant la cellule est située à l'opposé du support 12. Il en est de même pour la face photosensible 17 de la cellule 13 et de la région 18, d'épaisseur très faible, dont le type est inverse de celui in corps semiconducteur formant la cellule 13, qui sont touts les deux disposes du c8té opposé au sup- port 14, et tournées vers l'extérieur de l'angle oc. Du fait que les cellules Il et 13 sont très sensiblement plan-parallèles, leurs faces photo sensibles respectives 15 et 17 ont leurs plans qui forment entre eux un angle #, angle qui est imposé par la position des supports 12 et 14. Le plan bissecteur de cet angle a sa trace represen- tée sur la figure par la ligne 19, en trait pointillé. La connexion électrique de la cellule 11, en contact avec la région 16, est représentée par 21. Dans l'exemple décrit le corps semiconducteur de la cellule 11 est en contact etectri- que avec le support 12, qui est métallique, de sorte que le poten tiel correspondant est commun au montage mécanique et peut outre prélevé en tout point convenable du dispositif. De façon analogue, le corps semiconducteur de la cellule 13 est en contact avec le support 14 et est ainsi relié électriquement au point commun. La région 18 de la cellule 13 a sa connexion électrique reprdsen- tée par 22. Le dispositif est encore complété par une plaque de base 20 qui, dans la forme préférée de mise en - oeuvre de linven- tion qui a été décrite, est encore perpendiculaire au plan bis secteur représenté par 19. On remarque que ledit plan bissecteur de l'angle est aussi un plan de symétrie pour les cellules 11 et 13. lorsque le dispositif est exposé au rayonnement d'un faisceau 23 de lumière, parallèle au plan bissecteur représenté par 19, chacune des cellules 11 et 13 se trouve frappée oblique ment par ledit faisceau soue un mOrne angle d'incidence qui est égal au complément de #/2. Lesdites cellules ll et 13 étant appariées en sensibilité, elles délivrent chacune le même courant. Lorsque le dispositif est désorienté par rapport an faisceau 23 c'est-à-dire que le plan bissecteur de l'angle n'est plus parallèle au faisceau 23, l'une des cellules est éclairée sous un angle d'incidence qui est plus élevé que angle d'incidence relatif à l'autre cellule et ainsi un déséquilibre entre les courants électriques délivrés par les cellules se produit. On se reporte maintenant à la figure 2 où se trouve illustrée, par un schéma, la situation de désorientation du dispositif par rapport au faisceau lumineux. Ledit faisceau est représenté par les lignes parallèles 51, dont la direction fait un angle s avec la trace 32 du plan bis secteur sur le plan de la figure. Les cellules solaires appariées sont représentées en 95 et 36, et la droite normale au.centre de la face photosensible de chacune d'elles est indiquée respectivement par N35 et N36. Il est à noter que l'on ne considère ici que les cas où le faisceau lumineux reste dans le plan contenant les normales N35 et N36 au centre des faces sensibles des cellules qui est aussi le plan de la figure.Pour une désorientation qui serait selon une direction quelconque de l'espace, le dispositif est alors sensible à l'angle projeté de ladite désorientation sur le plan contenant les normales N)5 et N36. Comme il est apparent sur la figure 2, l'angle d'inci- dence "i" du faisceau lumineux 31 sur la cellule 35 a pour valeur : (90 - &alpha;/2 - # ) , et l'angle dtincidené "j", du sNme faisceau sur la cellule 36 a pour valeur (90 - &alpha;/2 + # ). I1 est connu que le courant de court-circuit délivré par une cellule solaire est très sensiblement proportionnel à l'intensité de l'éclairement reçu par celle-ci lorsque l'éclairement frappe ladite cellule normalement à sa surface, et que pour un angle d'incidence, i, le courant de court-circuit est, de plus, sensiblement proportionnel au cosinus ae l'angle i. Ba dénommant et S2 les signaux correspondant aux courants de court-circuit délivrés respectivement par la cellule 35 et par la cellule 36, et (S1-S2) le signal de déséquilibre consécutif à la désorienta- tion e e on calcule aisément que S1 - S2 = 2kA. cos &alpha;/2 . sin # (éq.I) expression dans laquelle Â représente l'aire de chaque cellule et le produit kÂ indique le signal électrique délivré par une cellule identique soumise à un éclairement de mEme intensité, sous un angle d'incidence nul. Il est clair que pour une désorientation dont l' angle s serait égal ou supérieur à &alpha;/2, l'une des cellules n'est plus éclairée et il s'ensuit que pour lesdites désorientations, le signal de déséquilibre se réduit à l'expression: S1 - S2 = KA. sin (&alpha;/2 + # ) (éq.II) La figure 9 illustre un exemple de montage électrique incorporant le senseur d'orientation selon l'invention. Les cel lulus solaires 51 et 52 du dispositif sont branchées en opposition respectivement sur leurs résistances de charge identiques R1 et R2 . Le potentiomètre b dont la valeur est normalement une fraction de la résistance h , est facultatif et permet de corriger un petit déséquilibre éventuel entre les sensibilités des cellules 51 et 52. L'amplificateur différentiel 53 délivre à la borne 54 le signal de déséquilibre consécutif à une désorientation du senseur, avec une amplitude utilisable dans l'application recherchée.Il est bien connu que les résistances et R2 doivent avoir une valeur relativement faible, à déterminer suivant l'intensité de l'éclairement et suivant le modèle de cellule solaire utilisé, de manière que les conditions de mesure du courant en court-circuit soient suffisamment approchées. Le diagramme de la figure 4 indique la loi de variation du signal électrique de désorientation du senseur, en fonction de l'angle de désorientation e, signal analogue à celui qui peut être obtenu sur la borne 54 du montage de la figure 3, compte tenu du gain de l'amplificateur 53.On observe à la figure 4, que le signal de désorientation a une pente élevée de part et d'autre du pointage exact, jusqu'à un angle de désorientation égal à oV2. Au delà de l'angle &alpha;/2 la sensibilité tend à se satu- rer, conformément à l' équation II, eS elle culmine pour un angle de désorientation égal à ( 900- ) g situation qui se produit lorsqu'une des deux cellules reçoit le faisceau lumineux sous un angle d'incidence nul. Il est à noter que, selon les besoins de l'application envisagée, on peut choisir un angle Oc du dièdre formé par les cellules, qui soit relativement faible et on aura alors une sen sibilité maximale du senseur, sensibilité qui est limitée à un intervalle angulaire faible au delà duquel elle est atténuèe, ou bien, au contraire, choisir un angle relativement élevé auquel cas la sensibilité du senseur est un peu réduiie mais s'étend sur une plage plus importante, avant de- se saturer.Avantageuse- nient, selon l1invention, l'angle &alpha; du dièdre forez par les deux cellules est compris entre 150 et 750, gamme des valeurs qui permettent de satisfaire à des applications variées. De manière usuelle, l'angle sera choisi à l'intérieur de l'intervalle préféré de 200 à 500 qui donne des résultats très satisfaisants. La figure 5 représente, de manière schématique, l'as- semblage de deux cellules solaires constituant un senseur selon une deuxième forme de mise en oeuvre de l'inventionv Les cel- lules solaires appariées 61 et 62 sont montées sur un support 63 en forme de V de sorte que les plans de chaque face photosensible desdites cellules, déterminent entre eux un angle &alpha;. Dans cette forme de mise en oeuvre les cellules solaires 61 et 62 exposent leur face photosensible vers l'intérieur de l'angle aigu Oc. Le faisceau lumineux vers lequel le dispositif est pointé, a sa direction représentée par les flèches 65.Lorsque les cellules solaires 61 et 62 sont recouvertes d'une couche auti-réfléchis- sante , ce qui est généralement le cas, le signal électrique de désorientation délivré par le dispositif de la figure 5 est es sentiellement semblable à celui décrit à propos des figures 1 et 2 , hormis le signe de la déviation et le fait que la gamme des déviations angulaires utilisables par le senseur se limite dans le cas présent à # #/2 . Dans le cas ou les cellules sont dé- pourvues de couche antiréfléchissante, le signal de désorientation est un peu modifié par les réflexions de lumière se produisant sur les cellules. La Demanderesse a établi que l'on pouvait ais4- ment obtenir avec ce dispositif un signal de désorientation ap prochant très sensiblement une relation linéaire de l' angle de désorientation dans l'intervalle ci a 2 2 Il est bien entendu que l'invention ne se limite pas aux dispositifs décrits dans les exemples préférés de réalisation pour lesquels une symétrie de position des cellules solaires est assurée par rapport au plan bis secteur du dièdre que lesdites cellules forment entre elles. L'invention s'étend encore notamment aux senseurs dans lesquels les cellules formant entre elles un certain angle, de préférence aigu, sont placées dans-des positions particulières en liaison avec des applications déterminées. - REVENDICATIONS le Senseur 8'orientation du type fournissant un si- gnal électrique d'erreur de pointé dudit senseur dans la direction d'un faisceau de lumière sensiblement parallèle, au moyen de deux détecteurs semblables, montés en opposition, caractérisé en ce que lesdits détecteurs étant constitués par une première et une deuxième cellule solaire à semiconducteur dont la face photosensible de chacune est sensiblement plane, celles-ci sont assemblées entre elles de iaanière telle que le plan de la face photosensible de ladite première cellule forme un angle différent de 180 avec le plan de la face photosensible de ladite deuxième cellule pour que, lors du pointage, lesdites faces photosensibles soient frappées obliquement par ledit faisceau, le plan bissecteur dudit angle étant parallèle à la direction dudit faisceau. 2.- Senseur d'orientation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position de ladite première cellule est en outre symétrique de la position de ladite deuxième cellule par rapport au plan bissecteur dudit angle. 3.- Senseur d'orientation selon l'une des revendications 1 et 2,caractérisé en oe que lesdites cellules exposent leur face photosensible vers ltextérieur dudit angle. 4.- Senseur d'orientation selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que lesdites cellules exposent leur face photosensible vers l'intdrieur dudit angle. 5.- Senseur d'orientation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit angle que forment entre eux les plans des faces photosensLbles desdites cellules est un angle aigu. 6.- Senseur d'orientation selon la revendication 5 caractérisé en ce que la valeur dudit angle aigu est choisie entre 150 et 750. 7.- Senseur d'orientation selon la revendication 6 caractérisé en ce que la valeur dudit angle aigu est choisie de préférence entre 200 et 500.