Brevet FR2525397A1 — publié le 19831021

La présente invention est relative à des pi- les et à des batteries à tension élevée et à leur uti- lisation dans des applications prévues à tension plus faible, et elle se rapporte plus particulièrement à l'utilisation de piles ou batteries alcalines du type Zn/Mn O 2 dans des installations conçues pour les piles ou batteries de Zn/carbone de tension plus faible. Depuis de nombreuses années, les torches électriques, les tanals, les lanternes et autres dispo- sitifs portatifs d'éclairage sont alimentés en éner- gie par les piles ou batteries de Zn/carbone ou Le- clanché d'utilisation générale En conséquence, ces dispositifs d'éclairage ont été conçus pour les ten- sions obtenues des piles susdites ou d'un nombre mul- tiple de celles-ci Les piles Leclanché et aussi les batteries formées de ces piles montrent un déclin très rapide de tension, comme par exemple dans les batteries caractéristiques pour lanternes, depuis une tension initiale d'environ 1,55 V jusqu'à une tension d'environ 1,2 V en moins d'environ 5 heures En con- séquence, les ampoules utilisées dans les torches élec- triques, les fanals, les lanternes et dispositifs similaires conçus pour l'utilisation de piles ou bat- teries Leclanché, ont été étalonnées pour se confor- mer à de telles tensions faibles rapidement atteintes. Par contre, les piles alcalines Zn/Mn O 2 de calibre similaire exigent généralement environ quatre à six fois plus de temps pour atteindre les mêmes tensions que les piles Leclanché Il en résulte que les am- poules étalonnées pour les tensions plus faibles des piles Leclanché sont exposées à des tensions plus éle- vées sur de plus longues périodes de temps, lorsqu'on les utilise avec des piles alcalines, et l'avantage d'une plus longue durée de décharge des piles ou bat- teries alcalines est prématurément éliminé par une dé- faillance rapide des ampoules. Un but de la présente invention est de pré- voir des moyens pour l'utilisation efficace des piles ou batteries à tension élevée dans des applications à tension plus faible. Un autre but de la présente invention est de prévoir des moyens grâce auxquels on puisse utiliser une pile ou batterie alcaline du type Zn/Mn O 2 dans un appareil d'éclairage conçu pour une utilisation avec une pile ou une batterie Leclanché, et ce sans défaillan- ce prématurée du dispositif Ces buts et d'autres en- core, ainsi que les caractéristiques et les avantages de la présente invention, apparaîtront plus complète- ment de la description suivante donnée avec référence aux dessins non limitatifs annexés. La Figure 1 est une vue en perspective d'une batterie dont une extrémité du bottier a été enlevée, cette batterie contenant les moyens de réduction de tension suivant la présente invention. La Figure 2 est un schéma électrique des moyens de réduction de tension utilisés dans la batte- rie de la Figure 1. La Figure 3 est une courbe de décharge compa- rant les tensions des batteries alcalines Zn/Mn O 2, tel- les que suivant la Figure 1 (avec et sans les moyens de réduction de tension de la présente invention) et des batteries Leclanché, toutes ces batteries étant d'un calibre équivalent. D'une manière générale, la présente invention prévoit des moyens pour réduire la tension opératoire de piles ou batteries de tension élevée, de manière que ces piles ou batteries deviennent compatibles avec une installation conçue pour des piles ou des batte- ries présentant des tensions opératoires plus faibles. Les moyens de réduction de tension de la présente in- vention comprennent une ou plusieurs diodes ou jonctions p-n, que l'on désigne ci-après par "diodes", ainsi qu' un ou plusieurs éléments résistants placés en série avec la pile ou les piles de la batterie et le dispo- sitif utilisant cette pile ou cette batterie de piles. Les chutes de tension pouvant être atteintes avec les diodes les plus courantes de silicium et de germanium sont constantes à des consommations variables de cou- rant, respectivement à environ 0,7 et à environ 0,3 V, les diodes étant montées en série pour atteindre les chutes plus élevées désirées de tension. En combinaison avec la chute de tension de la ou des diodes, on a la chute de tension d'un ou plusieurs éléments résistants montés en série avec la o les diodes L'élément résistant peut être une ré- sistance ou, de préférence, un connecteur entre les piles, tel qu'une barre ou patte métallique, présen- tant le degré voulu de résistivité L'utilisation d'une barre ou patte métallique résistante est préfé- rable car elle élimine la nécessité d'une pièce cons- titutive autre que celles normalement utilisées dans une batterie Des exemples de métaux présentant le degré requis de résistivité, en considérant les dimen- sions et l'épaisseur des pattes ou barres métalliques 1 o couramment utilisées pour une connexion entre piles, englobent les divers alliages de nickel et de chrome. La résistance ou le ou les éléments résistants devraient procurer une résistivité totale dans le circuit connec- té en série, comprise entre 0,1 et 10 ohms par pile. La chute moyenne de tension associée à un alliage de nickel-chrome préféré (en raison de ses dimensions utilisables,, avec des caractéristiques appropriées de résistance, pour la matière de la barre ou patte entre piles), à savoir l'alliage Trophet C (marque de la société W B Driver Co, pour son alliage à 60 % de Ni, 16 % de Cr et 24 % de Fe) en forme de ruban d'une épais- seur de 0,056 mm, est d'environ 0,25 V avec une ré- sistance de 0,7 ohm/mètre C'est ainsi que, par exem- ple, dans une batterie à quatre piles, comportant deux connecteurs entre piles, chacun d'environ 3,8 cm, les pattes ou barres en alliage métallique Trophet C appor- tent une résistance d'environ 0,5 ou de 0,125 ohm par pile L'utilisation d'une résistance ou d'un élément résistant de plus haute résistance pour donner une chute plus élevée de tension, à la place de la diode, est indésirable pour diverses raisons Une augmenta- tion de la résistance de la matière de la patte ou bar- re métallique a pour résultat une interconnexion plus fragile, nettement plus sujette à rupture De plus, comme l'élément résistant est principalement un réduc- teur de courant plutôt que de tension, une résistance plus élevée réduirait ind Ument la capacité utilisable de la pile avec une formation excessive de chaleur En outre, dans dès applications à des lanternes ou fanals, dans lesquels on a inclus un dispositif clignotant, une résistance prévue dans le circuit provoquerait des éclairs indésirables dans le segment de lanterne ou fanal du fait des changements continuels dans les exigences en courant du segment de dis- positif clignotant On a, par contre, constaté que des diodes maintiennent une chute cons- tante de tension, quelle que soit la consommation de courant Toutefois, comme les diodes, telles que celles du type silicium et germanium, sont sensibles au courant sous des conditions de court-circuit de pi- le, elles doivent etre au moins protégées au minimum par la résistance réductrice de courant, en particu- lier lors d'une utilisation avec des piles ou batteries d'appareil d'éclairage ou de fanal ou lanterne à con- sommation élevée de courant. Bien que l'on ait utilisé des diodes anté- rieurement à titre de dispositifs protecteurs de bat- teries, elles étaient placées en parallèle avec les piles individuelles dans le but d'empêcher une inver- sion des piles Dans un tel agencement électrique en parallèle, toute chute quelconque de tension obtenue était par contre minimale sans l'effet de la ou des 252539 ? diodes connectées en série suivant la présente inven- tion Il est à noter en outre que la diode assurant une chute de tension suivant la présente invention peut être utilisée avec à la fois une pile simple ou une série de piles montées en batterie Cependant, comme l'inversion des piles est un problème particulier à deux piles ou plus connectées en série (une pile peut entraîner une pile défectueuse en inversion) pour for- mer une batterie, les diodes n'ont généralement pas été utilisées pour la protection des piles individuel- les. Dans les fanais ou lanternes conçus pour l' utilisation avec des batteries Leclanché, les types les plus courants d'ampoules sont les types PR-13 et PR-15, présentant des tensions étalonnées de 4,8 V et des durées étalonnées respectivement de 15 et de 30 heures Une exposition de ces ampoules à des tensions supérieures à 4,8 V sur des périodes prolongées de temps réduit fortement leur durée d'existance Il est toutefois à noter qu'une défaillance des ampoules n'est pas toujours inévitable et dépend du type particulier de composition et de construction du filament Cepen- dant, comme les piles et les batteries ne sont pas limitées à une utilisation avec les ampoules les plus résistantes, une application de la présente invention est nécessaire pour arriver à une acceptation plus grande du consommateur dans toutes les applications. La Figure 1 représente une batterie 10 com- portant quatre piles lla-lld connectées en série, sui- vant un agencement de batterie typique pour fanal ou lanterne Chacune des piles lla-lld est enveloppée d'une matière isolante 17, pouvant se contracter à chaud, afin d'empêcher un court-circuit entre les pi- les Une patte ou barre résistante 12, en alliage de nickel-chrome, relie du point de vue électrique les piles lla et llc,et une diode en silicium 14 relie du point de vue électrique les piles llb et lld La diode est enveloppée, à ses extrémités, par une ma- tière de patte ou barre repliée 15, de sorte qu'elle est soudée aux piles llb et lld pour assurer une connexion électrique positive Les piles llc et lld sont inter- connectées électriquement à leurs autres extrémités (non représentées) par une patte ou barre résistante en nickel-chrome, par exemple la patte 12 Les autres bornes des piles lla et llb (non représentées) forment la connexion extérieure à un dispositif électrique à alimenter,par exemple une lanterne La Figure 2 illus- tre schématiquement le circuit en série des piles avec les dispositifs de réduction de tension de la présente invention Dans le système illustré, o les piles sont des piles du type "F" (diamètre de 3,3 cm et hau- teur de 8,6 cm), les pattes ou barres résistantes qui, suivant la forme de réalisation préférée, sont en alliage de nickel-chrome Trophet C, d'une épaisseur de 0,056 mm, sont chacune de 3,8 cm avec une résistan- ce cumulative de 0,5 ohm La chute de tension pour la diode en silicium est d'environ 0,7 V et celle des éléments résistants est d'environ 0,25 V pour une chute de tension totale de presque un volt pour la batterie à quatre piles Comme illustré par la Figure 3, les courbes de décharge A et B sont respectivement des courbes pour une batterie Leclanché et une batterie de Zn/Mn O 2, tandis que la courbe C est une courbe pour la batterie Zn/Mn O 2 comportant le dispositif de réduc- tion de tension de la présente invention, tel qu'illus- tré par la Figure 1 Les batteries A, B et C ont été déchargées en utilisant une ampoule PR-15 à température ambiante Il est à noter que plusieurs ampoules ont été abîmées après environ trois heures de décharge des batteries de Zn/Mn O 2, sans les dispositifs de réduc- tion de tension, avant qu'une ampoule soit capable de résister à la totalité de la décharge Bien qu'il y ait un handicap de capacité lorsqu'on utilise les dis- positifs de réduction de tension, il n'est que d'environ à 15 % Ceci est plus que compensé par une durée de vie de batterie, qui est environ six fois plus élevée, comparativement à la durée de la batterie Leclanché du m 6 me calibre et à la possibilité d'avoir une batterie de plus haute capacité mais avec un dispositif inopérant. Il doit etre entendu que diverses modifica- tions peuvent 8 tre apportées aux piles et aux batteries à employer suivant la présente invention, par exemple l'utilisation de transistors avec des connexions p-n de diode et des chutes constantes de tension, l'in- vention n'étant donc nullement limitée aux cas parti- culiers décrits ci-dessus et illustrés par les dessins. REVENDICATIONS 1 Procédé pour l'adaptation de viles ou batteries à tension élevée à des applications à ten- sion plus faible, caractérisé en ce qu'il comprend la réduction de la tension de la pile ou de la batterie par mise en place d'une ou plusieurs jonctions p-n et d'un ou plusieurs éléments résistants en série avec les piles de la batterie, de manière que la chute de tension cumulative provoquée par ces jonctions p-n et ces éléments résistants donne une tension convenant pour cette application à plus faible tension. 2 Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la jonction p-n est matérialisée par une diode ( 14). 3 Procédé suivant l'une ou l'autre des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments résistants sont constitués par des pattes ou barres mé- talliques résistantes ( 12). 4 Procédé suivant la revendication 3, ca- ractérisé en ce que les pattes ou barres ( 12) forment au moins une connexion électrique entre piles dans la batterie susdite. Batterie comprenant une ou plusieurs pi- les présentant une tension de sortie élevée, caracté- risée en ce qu'elle contient en outre une ou plusieurs jonctions p-n et un ou plusieurs éléments résistants en série avec ces piles, de sorte que la tension de sortie de la batterie est ainsi abaissée d'une quanti- té prédéterminée. 6 Batterie suivant la revendication 5, ca- ractérisée en ce que la jonction p-n est matérialisée par une diode ( 14). 7 Batterie suivant l'une ou l'autre des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que les élé- ments résistants sont constitués par des pattes ou barres métalliques résistantes ( 12). 8 Batterie suivant la revendication 8, ca- ractérisée en ce que les pattes ou barres 12)forment au moins une connexion électrique entre piles dans cette batterie.