Brevet FR2583942A1 — publié le 19861226

La présente invention concerne une installation de télé-alimentation dans laquelle l'énergie nécessaire pour alimenter un circuit ou d'une façon générale une charge électrique est transmise sous la forme d'énergie lumineuse le long d'au moins un guide optique et trans- formée ensuite en énergie électrique. Dans la présente description, on entend par l'expression énergie lumineuse l'énergie associée à un rayonnement électromagnétique d'une fréquence comprise entre 1013 et 3 x 1015 Hz et cette expression couvre donc également les rayonnements électromagnétiques non perceptibles visuellement comme, par exemple, les rayon- nements infrarouges et les rayonnements ultraviolets mais qui ont des propriétés analogues à celles de la lu- mière visible. On entend d'une façon générale par l'expression guide optique un élément approprié pour la transmission du rayonnement lumineux. Un guide optique comprend donc au moins un élément diélectrique de grande longueur et transparent (au moins pour une partie du spectre du rayonnement lumineux), ainsi que d'autres composants as- surant des fonctions optiques et/ou mécaniques. On peut donc citer comme exemples de guides optiques, les fibres optiques, tant en matière plastique qu'en matière vitreu- se, les faisceaux de fibres, ce qu'on appelle les guides optiques plats, les câbles optiques comprenant un ou plu- sieurs des éléments précédents, etc.. Dans de nombreuses applications techniques, on peut se contenter d'une quantité d'énergie relativement petite pour alimenter des appareils de type électrique situés dans des positions ou dans des environnements o l'utilisation de conducteurs d'alimentation électriques est, soit impossible, soit malcommode. Par exemple, la liaison entre la source d'éner- gie et l'utilisateur, ou le point d'utilisation lui-même peut être affecté de limitations environnementales, tel- les que de hautes tensions électriques, des perturba- tions électromagnétiques, des agents chimiques, la présence d'explosifs, etc.. Dans d'autres cas, il est au contraire nécessaire de réaliser un découpla- ge électrique total, non seulement des signaux qui portent les informations mais également des alimenta- tions. La distance entre la source et l'utilisateur peut être notable, ou au contraire se réduire à des va- leurs très petites, de l'ordre du mètre ou d'une frac- tion de mètre comme, par exemple, lorsque seul le décou- plage électrique est exigé. Il est en outre fréquent que l'énergie dont on a besoin localement soit relativement limitée, comme cela se produit, par exemple, dans les dispositifs de me- sure, de surveillance ou de contrôle dans lesquels l'énergie demandée par la charge est celle qui est néces- saire pour le fonctionnement d'un transducteur et pour la transmission de l'information, éventuellement après un premier traitement. Une solution qui a été proposée, outre celle, bien connue, qui consiste à alimenter ces charges avec des piles ou accumulateurs locaux que l'on peut rempla- cer périodiquement, est celle qui consiste à utiliser des cellules solaires, convenablement raccordées et mon- tées pour fournir la puissance électrique voulue. Outre le fait qu'elle n'est pas toujours réalisable, cette so- lution présente le notable inconvénient de rendre l'ali- mentation fonction des conditions atmosphériques et du cycle jour/nuit. Une autre solution proposée consiste à transmet- tre l'énergie sous une forme différente de l'énergie électrique mais susceptible de subir une reconversion locale. A cette fin, il a déjà été proposé d'utiliser un fluide sous pression (l'air comprimé) transporté le long d'une canalisation pour alimenter un générateur électro- magnétique qui fournit l'énergie électrique à l'appareil qu'il s'agit d'alimenter. Ce dispositif s'est révélé en- 3 2583942 combrant, notablement compliqué et surtout peu fiable. Un but de la présente invention consiste donc à réaliser une installation de télé-alimentation pour une charge électrique dans laquelle l'énergie soit transfé- rée de la source à la charge à l'aide de moyens de trans- port et de conversion simples et économiques et sous une forme qui permette de résoudre les problèmes qui ont été exposés plus haut, en particulier en ce qui concerne la transformation finale en énergie électrique. Un autre but de l'invention consiste à réaliser une installation de téléalimentation pour une charge électrique dpans laquelle l'énergie soit transmise sous la forme d'énergie lumineuse et transformée en énergie électrique grâce à des circuits de transformation opti- co-électriques associés à des moyens permettant de faire varier les caractéristiques de tension et/ou d'intensité de l'énergie électrique fournie pour les adapter à la charge. L'invention a pour objet une installation de té- lé-alimentation caractérisée en ce qu'elle comprend: - une source d'énergie lumineuse; - un guide optique dont une extrémité est accou- plée optiquement à ladite source; - au moins un convertisseur opticoélectrique - accouplé à l'autre extrémité du guide optique pour trans- former en énergie électrique l'énergie lumineuse reçue; - des moyens permettant de faire varier les ca- ractéristiques de tension et/ou d'intensité de la puis- sance électrique disponible sur ledit convertisseur en fonction de la charge électrique à alimenter. Selon une forme préférée de réalisation de l'in- vention, la transmission de l'énergie lumineuse se pro- duit dans le mode impulsionnel. Les figures du dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, feront bien comprendre comment l'in- vention peut être réalisée. Sur ce dessin, la figure 1 est un schéma blocs de l'installa- 4 2583942 tion selon l'invention; la figure 2 représente une forme de réalisation dans laquelle le guide optique comprend un câble à plu- sieurs fibres optiques avec transmission continue de l'énergie; les figures 3 et 4 représentent des formes de réalisation de l'installation qui prévoient la transmis- sion d'énergie lumineuse modulée, respectivement le long d'une fibre et le long de deux fibres. La figure 1 représente schématiquement l'instal- lation selon l'invention, qui comprend une source d'éner- gie lumineuse 1 accouplée à une extrémité d'un guide op- tique 2, par exemple, d'un câble à fibres optiques, dont l'autre extrémité est accouplée à un dispositif 3 qui comprend un ou plusieurs convertisseur(s) optico-électri- que(s) pour alimenter une charge électrique 5. Des moyens 4 sont prévus pour faire varier la tension et/ou l'intensité de la puissance électrique disponible à la sortie du convertisseur 3. La transmission de l'énergie lumineuse peut se produire selon différentes modalités, qui sont détermi- nées, tant par le type de fonctionnement de la source que par le type de raccordement entre la source et le guide optique. - La transmission peut être du type continu, ce qui signifie que la puissance transmise est constante dans le temps et produit dans les convertisseurs une puissance électrique constante dans le temps. Le rayonnement lumineux qui se propage le long du guide optique peut également être modulé (en amplitu- de), ce qui signifie que la puissance transmise n'est pas constante dans le temps et que la valeur de la puis- sance disponible aux bornes des convertisseurs n'est donc pas constante. Un type de modulation peut être la modulation par impulsions, dans laquelle l'énergie lumi- neuse transmise présente une valeur constante pendant un certain intervalle de temps et nulle pendant un autre in- P. 2583942 tervalle de temps. Pour ce type de modulation en TOUT OU RIEN, on peut définir une fréquence et un taux de charge, qui si- gnifie le rapport entre la durée de l'impulsion d'éner- gie lumineuse transmise et la durée totale du cycle. Par exemple, la fréquence peut être d'environ 10 kHz et le taux de charge peut varier de 10 à 90 % en fonction de facteurs tels que la puissance de la source, l'énergie demandée par la charge, etc.. On peut également considérer comme une transmis- sion impulsionnelle celle dans laquelle la puissance transmise ne s'annule pas réellement dans la partie RIEN du cycle mais reste constante à une valeur relativement basse. Cette situation correspond en fait à la combinai- son d'une transmission du type continu et d'une transmis- sion du type impulsionnel. Un autre type de modulation est celui dans le- quel la puissance transmise varie de façon périodique, même sans discontinuité, en engendrant aux bornes du con- vertisseur une puissance instantanée qui est variable dans le temps. Par exemple, l'intensité du rayonnement lumineux peut varier périodiquement (par exemple à une fréquence comprise entre 1 et 300 kHz) et avec une allu- re sinusoïdale, triangulaire, en dents de scie, etc.. Certaines de ces formes de modulation peuvent être obtenues en agissant sur la source aussi bien que sur le raccordement entre la source et le guide opti- que; d'autres formes peuvent être obtenues en interve- nant exclusivement et directement sur la source. On se reportera maintenant à la figure 1. La source d'intensité lumineuse 1 peut être réalisée de dif- férentes façons et comprend un ou plusieurs émetteur(s) de lumière. Elle peut être simplement constituée par une lampe d'une puissance appropriée qui est accouplée opti- quement à un guide optique 2, à travers un dispositif de focalisation. La source 1 peut comprendre des moyens per- mettant de rendre intermittente la production de l'éner- 6 2583942 gie lumineuse ou encore sa transmission au câble optique comme, par exemple, un écran (un obturateur perforé) qui tourne entre la lampe et le guide optique. La source peut être réalisée au moyen d'une ou plusieurs diode(s) émettrice(s) de lumière (DEL) et com- prendre les dispositifs de pilotage qui sont nécessaires pour assurer l'émission continue ou modulée du rayonne- ment lumineux. Finalement, la source peut comprendre un ou plu- sieurs laser(s), aussi bien du type à émission continue (CW) que du type impulsionnel, avec les nécessaires cir- cuits de pilotage. Le guide optique 2 peut être un câble qui com- prend une ou plusieurs fibre(s) optique(s) ou un ou plu- sieurs faisceau(x) de fibres, les fibres étant contenues dans une gaine, et les éventuels éléments résistants mé- caniques. Lorsque l'alimentation sert pour un instrument de surveillance ou de mesure, une des fibres optiques peut être utilisée pour la transmission du signal détec- té et être avantageusement logée dans le même câble que la fibre (ou les fibres) utilisée(s) pour le transport de l'énergie. Le dispositif de conversion comprend un ou plu- sieurs convertisseur(s) optico-électrique(s) de diffé- rents types, par exemple des cellules photoélectriques ou, de préférence, des dispositifs connus tels que les diodes PIN (positif-intrinsèque-négatif) ou PDA (photo- diode à avalanche). La charge 5, généralement constituée par un cir- cuit utilisateur, est d'un type qui varie selon les be- soins, tandis que le dispositif variateur 4 sera illus- tré de façon plus détaillée dans les exemples de réalisa- tion qui suivent. Sur les figures 2 à 4, qui illustrent certaines formes de réalisation de l'invention, on a utilisé les mêmes références numériques pour désigner des parties identiques ou correspondantes. La forme de réalisation représentée sur la figu- re 2 comprend un câble 2 formé d'une pluralité de fibres optiques, par exemple, du type multimodal, de préférence avec un profil d'indice de réfraction à gradins (à saut d'indice), ce câble étant placé entre la source 1, qui comprend une pluralité d'émetteurs de lumière Il et un nombre équivalent de diodes convertisseurs 31 du type PIN. La source 1 comprend une pluralité de lasers du type à émission continue, pilotés et alimentés par un circuit de commande 12. En variante, les émetteurs pour- raient être des diodes DEL ou encore des lampes ou des combinaisons de ces composants. Les diodes 31 qui consti- tuent le convertisseur optico-électrique sont connectées en série de manière à donner une tension de sortie Vs égale à la somme des tensions qui sont disponibles aux bornes de chaque diode PIN (de l'ordre d'environ 0,5 Volt). Plus généralement, les diodes peuvent être connec- tées en batterie, c'est-à-dire en combinaisons série/pa- rallèle, capables de fournir à la sortie des valeurs dé- sirées de tension et d'intensité. Les dispositifs de ce type constituent des moyens à l'aide desquels la tension et/ou l'intensité fournie par les convertisseurs est por- tée à des valeurs appropriées pour l'alimentation de la charge 5. Sur la figure 3, on a représenté une forme de réalisation dans laquelle l'énergie lumineuse est modu- lée et, en particulier, transmise dans le mode impulsion- nel par une source 1 qui comprend un unique émetteur de lumière 11, le long d'une fibre optique appartenant à un câble 2. Dans ce cas, l'émetteur de la source est une diode DEL ou un laser commandé par un circuit 12. A l'au- tre extrémité de la fibre optique, est accouplée une diode PIN 31 reliée à un élément inductif, en particu- lier à l'enroulement primaire d'une autotransformateur élévateur 33. L'intensité variable par impulsions qui circule dans l'enroulement primaire induit une tension _- 8 2583942 variant par impulsions, et plus élevée, sur l'enroule- ment secondaire qui est raccordé d'une façon connue à une diode redresseuse 38 et à un élément capacitif cons- titué par un condensateur 39 de manière à permettre de disposer d'une tension continue sur la charge 5. Dans l'installation de la figure 3, l'énergie transmise le long de la fibre optique peut être modulée dans le mode continu non impulsionnel. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 4, la source 1 comprend deux émetteurs 11 qui fonctionnent en alternance, qui sont accouplés à autant de fibres optiques 21 appartenant à un cable 2. Le cir- cuit de commande 12 est de nature à provoquer l'émission d'énergie lumineuse par les deux émetteurs dans un mode alternatif. Les diodes 31, du type PIN, qui sont accou- plées aux extrémités des fibres optiques 21, ont des bor- nes connectées entre elles et connectées à la prise cen- trale de l'autrotransformateur 34 qui constitue l'élé- ment inductif, tandis que leurs autres bornes sont con- nectées à des prises intermédiaires de ce même autotrans- formateur. De cette façon, il circulera dans le circuit de l'enroulement primaire une intensité du type alternatif composée de deux formes d'ondes à impulsions possédant des sens opposés. Deux diodes redresseuses 38 et un con- densateur 39 sont connectés à l'autotransformateur 34 de façon à réaliser un alimentateur du type à deux demi-on- des qui est en mesure de fournir une tension continue à la charge 5. Dans les formes de réalisation représentées sur les figures 3 et 4, l'énergie lumineuse est transmise dans le mode impulsionnel le long des guides optiques, en particulier le long des fibres optiques, et les puis- sances instantanées fournies par la conversion optico- électrique sont elles aussi du type impulsionnel et plus facilement modifiables. Cette plus grande flexibilité peut rendre préfé- 9 2583942 rable la transmission de l'énergie lumineuse sous la for- me modulée et, en particulier, impulsionnelle, même si la puissance moyenne transmise est inférieure à celle qui peut être obtenue par une transmission à niveau cons- tant. Toutefois, il convient de garder présent à l'es- prit le fait qu'au moyen d'interrupteurs électroniques commandés, il est également possible de rendre variable par impulsions la tension continue tirée d'une installa- tion telle que celle de la figure 2 afin de pouvoir modi- fier la tension d'alimentation fournie à la charge. D'autre part, le circuit situé en amont de la charge 5 sur les figures 3 et 4 équivaut sensiblement à un générateur de tension continue et, par conséquent, deux ou plus de deux de ces circuits, qui sont alimentés par les guides optiques correspondants, peuvent être con- nectés en série et/ou en parallèle. Lorsqu'on prévoit un fonctionnement intermit- tent de la charge, c'est-à-dire lorsque l'absorption de l'énergie par la charge se produit par périodes ou cy- cles séparés par des intervalles de temps, constants ou non, dans lesquels il n'y a sensiblement aucune absorp- tion d'énergie, il peut être avantageux de transmettre également l'énergie pendant l'intervalle compris entre deux cycles de fonctionnement de la charge et de la stocker; en effet, dans ce cas, la puissance représen- tée par la charge peut être supérieure à la puissance transmise, continue ou modulée. Dans les formes de réali- sation des figures 3 et 4, l'énergie peut être utilisée pour charger un élément capacitif tel que le condensa- teur 39. Le condensateur sera alors partiellement déchar- gé pendant le bref fonctionnement de l'appareil utilisa- teur, représenté schématiquement par la charge 5, et il recommencera à se charger pendant le cycle de fonctionne- ment suivant. Une autre variante peut être celle qui consiste à utiliser comme élément accumulateur d'énergie un accu- mulateur rechargeable, par exemple du type Ni-Cd. Dans 2583942 ce cas, la tension aux bornes de la charge peut rester constante pendant les phases de charge et de décharge. Pour simplifier, cette forme de réalisation n'a pas été représentée expressément, du fait qu'elle est identique à celle des figures 3 et 4, dans laquelle le condensa- teur 39 est remplacé par un ou plusieurs accumulateur(s) rechargeable(s) convenablement interconnectés. * Les modalités du fonctionnement intermittent sont particulièrement avantageuses lorsque la grandeur à mesurer ou à commander varie lentement (par exemple, la température d'un corps possédant une grande capacité thermique) et elles permettent d'utiliser des disposi- tifs opto-électroniques même de très faible puissance. En particulier, l'invention permet une alimenta- tion à distance ou découplée d'appareils électroniques (appareils de mesure, capteurs, actionneurs, etc.) qui exigent des quantités d'énergie limitées et comportent déjà la présence d'un câble optique le long duquel le si- gnal mesuré doit être transmis. Il est en outre possible de moduler la puissan- ce lumineuse transmise de manière à lui associer égale- ment des informations capables de commander le fonction- nement de l'appareil qui constitue la charge. Par exem- ple, la modulation de la puissance lumineuse pourrait contenir une composante filtrable (par exemple, au ni- veau électrique, c'est-à-dire en aval du convertisseur, à l'aide d'éléments réactifs appropriés) qui contien- drait des signaux d'actionnement, d'interruption ou tou- tes sortes d'ordres pour l'appareil qui constitue la charge. Finalement, la puissance transmise le long du guide optique n'est pas nécessairement petite. A titre indicatif, la limite supérieure est actuellement de l'or- dre de 1 watt et elle est fixée par la technologie des composants opto-électroniques dont on dispose. Il va de soi que des modifications pourront être apportées par l'homme de l'art à l'installation qui il 2583942 vient d'être décrite à titre d'exemple non limitatif, no- tamment par substitution des moyens techniques équiva- lents, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 12 2583942 R E VE ND IC AT IONS 1 - Installation de télé-alimentation, caracté- risée en ce qu'elle comprend: - une source d'énergie lumineuse (1); - un guide optique (2) dont une extrémité est accouplée électriquement à ladite source; - au moins un convertisseur optico-électrique (3) accouplé à l'autre extrémité du guide optique pour transformer en énergie électrique l'énergie lumineuse re- çue; et - des moyens (4) permettant de faire varier les caractéristiques de tension et/ou d'intensité de la puis- sance électrique disponible sur ledit convertisseur en fonction de la charge électrique (5) qu'il s'agit d'ali- menter. 2 - Installation selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que ladite source (1) comprend un ou plusieurs émetteur(s) d'énergie lumineuse (11, 12). 3 - Installation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ladite énergie lumineuse est émise par ladite source d'une façon conti- nue et avec une puissance constante. 4 - Installation selon la revendication 3, ca- ractérisée en ce que ledit guide optique (2) comprend un câble possédant une pluralité de fibres optiques dont chacune présente une extrémité accouplée optiquement à la source et l'autre extrémité accouplée optiquement à un convertisseur optico-électrique (31), les sorties des- dits convertisseurs étant connectées entre elles en bat- terie. 5 - Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite énergie lumineuse est transmise sous la forme modulée. 6 - Installation selon la revendication 5, ca- ractérisée en ce que ladite énergie lumineuse est émise d'une façon non constante par la source. 13 2583942 7 - Installation selon la revendication 5, ca- ractérisée en ce que ladite énergie est transmise sous une forme variable par impulsions. 8 - Installation selon l'une quelconque des re- vendications 5 à 7, caractérisée en ce que lesdits moyens (4) permettant de faire varier les caractéristi- ques de la puissance électrique comprennent au moins un élément inductif (33, 34), un circuit redresseur (38) et un élément accumulateur d'énergie (39). 9 - Installation selon la revendication 8, ca- ractérisée en ce que la charge électrique (5) est alimen- tée de façon variable et en ce que ledit élément accumu- lateur (39) est également chargé entre deux fournitures d'énergie successives à la charge. 10 - Installation selon la revendication 8, ca- ractérisée en ce que ledit élément accumulateur (39) est du type capacitif.