Brevet FR2746556A1 — publié le 19970926

DISPOSITIF DE CHARGE D'UN ACCUMULATEUR AU MOYEN D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAIOUE ET PIECE D'HORLOGERIE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif de charge d'un accumulateur d'énergie électrique, comportant une source électrique à cellule photovoltaïque couplée à 1 ' accumulateur. L'invention concerne également une pièce d'horlogerie électronique, notamment une montre ou un réveil, comportant un tel dispositif de charge. Toutefois, les applications d'un dispositif de charge selon l'invention ne sont pas limitées au domaine de l'horlogerie, mais peuvent concerner tout appareil électronique comportant un accumulateur d'énergie électrique et une source électrique à cellule photovoltaïque destinée à charger l'accumulateur, par exemple une calculatrice électronique de poche ou de table, un émetteur ou récepteur radio, un appareil de télécommande par signaux infrarouges, un capteur, et de manière générale tout appareil à alimentation électrique autonome et tout dispositif accumulant de l'énergie électrique produite par des cellules solaires. Actuellement, on tend à faire fonctionner les appareils électroniques à faible consommation à une tension d'alimentation aussi basse que possible, de l'ordre de 1,0 à 1,5 V, qui représente une limite inférieure actuelle du bon fonctionnement de certains composants électroniques. Cependant, les cellules photovoltaïques actuellement préférées pour alimenter ces dispositifs, qu'elles soient du type photochimique ou du type à semi-conducteur, ne fournissent généralement qu'une tension plus basse, typiquement de l'ordre de 0,3 à 0,5 V, de sorte qu'il est nécessaire de connecter au moins trois de ces cellules en série. Ces cellules sont généralement juxtaposées sur une face visible de l'appareil afin de bénéficier des mêmes conditions d'éclairement. Une telle disposition peut présenter des inconvénients. D'une part, dans les appareils miniaturisés, la fabrication d'une unité à plusieurs cellules de petite taille est plus coûteuse que celle d'une seule cellule plus grande. D'autre part, sur des objets où l'aspect esthétique est important comme dans le domaine de l'horlogerie, les lignes de séparation entre les cellules juxtaposées sont souvent gênantes et disparaîtraient si l'on pouvait utiliser une seule cellule, ou éventuellement deux cellules quasi transparentes superposées comme décrit dans le document WO 93/19405. Dans l'application à une montre-bracelet, une source composée de plusieurs cellules photovoltaïques juxtaposées et connectées en série présente en outre l'inconvénient d'être sujette à un effet d'ombrage par les vêtements : si par exemple une manche de vêtement fait ombre sur l'une des cellules, la tension de celle-ci tombe fortement et donc la tension totale de sortie de l'ensemble des cellules peut tomber à une valeur insuffisante pour charger 1 'accumulateur. La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients exposés ci-dessus, en créant un dispositif capable de charger un accumulateur au moyen d'une source électrique à cellule photovoltaïque lorsque la tension de sortie de cette source est inférieure à la tension aux bornes de l'accumulateur. Un but particulier consiste à agencer le dispositif de façon qu'il consomme extrêmement peu d'énergie lorsque l'accumulateur est peu chargé et que la cellule n'est pas éclairée. Un autre but particulier consiste, dans l'application du dispositif à une pièce d'horlogerie électronique, à combiner le dispositif avec les circuits consommateurs d'énergie de la montre de façon à éviter que l'accumulateur ne se décharge excessivement. Selon l'aspect le plus général de l'invention, il est prévu un dispositif de charge du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu'il comporte un multiplicateur de tension, connecté en série entre la source électrique et l'accumulateur. Ainsi, il est possible d'utiliser comme source électrique une seule cellule photovoltaïque fournissant une tension qui est seulement une fraction de la tension normale aux bornes de l'accumulateur. Le cas échéant, on peut aussi utiliser une source électrique comprenant au moins deux cellules photovoltaïques connectées en série, mais fournissant ensemble une tension inférieure à la tension aux bornes de l'accumulateur. Dans une forme de réalisation préférée du dispositif, celui-ci comporte des moyens de commande agencés pour enclencher et déclencher le multiplicateur de tension en fonction de la tension de sortie de la source électrique photovoltaïque, afin de le mettre en fonction uniquement quand cette tension est suffisante pour charger l'accumulateur. On évite ainsi de perdre inutilement de l'énergie dans le multiplicateur de tension. En outre, les moyens de commande peuvent aussi agir en fonction d'un état de charge de l'accumulateur, notamment en fonction de sa tension. Cela permet de charger l'accumulateur uniquement lorsque c'est nécessaire, notamment pour éviter sa surcharge, qui diminuerait sa durée de vie. Un autre aspect de l'invention concerne une pièce d'horlogerie électronique comportant un accumulateur d'énergie électrique, des moyens horométriques et des moyens d'affichage qui sont alimentés par l'accumulateur, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de charge à cellule photovoltaïque et multiplicateur de tension tel que défini ci-dessus. La combinaison d'un dispositif selon l'invention avec une pièce d'horlogerie électronique est particulièrement avantageuse par le fait qu'elle permet d'utiliser une seule cellule photovoltaïque, même si cette cellule est d'un type ayant une tension de sortie relativement basse. Cela permet d'éviter des inconvénients exposés plus haut à propos de l'aspect esthétique et du coût de fabrication. Cela facilite aussi l'utilisation d'une cellule pratiquement transparente et invisible, recouvrant de préférence toute l'étendue des moyens d'affichage et laissant au constructeur une liberté totale dans la choix de l'aspect extérieur du cadran et de la pièce d'horlogerie en général. De plus, les moyens de commande susmentionnés du dispositif de charge peuvent être combinés aux moyens électroniques classiques de la pièce d'horlogerie en vue d'économiser l'énergie lorsque l'état de charge de l'accumulateur est bas, notamment en bloquant l'alimentation des moyens d'affichage et/ou des moyens horométriques en fonction d'un ou plusieurs états limites de décharge de l'accumulateur, parallèlement au déclenchement du multiplicateur de tension. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'une forme de réalisation préférée, présentée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue partielle en coupe schématique d'une montre équipée d'un accumulateur électrique et d'un dispositif de charge à multiplicateur de tension selon l'invention; - la figure 2 est un schéma bloc des circuits électriques de la montre, et - la figure 3 représente schématiquement une forme de réalisation avantageuse du multiplicateur de tension. La montre 1 représentée schématiquement à la figure 1 comporte une boîte 2 sur laquelle est fixée une glace 3, par exemple par l'intermédiaire d'un joint 4. De manière classique, un utilisateur peut voir à travers la glace 3 des moyens d'affichage comprenant un cadran 5 et des aiguilles 6 et 7 se déplaçant devant le cadran. Une cellule photovoltaïque 8 est disposée par exemple entre les aiguilles et la glace 3, contre laquelle elle est maintenue appliquée par une bague 9 s'appuyant sur le cadran 5. Dans cet exemple, il s'agit d'une cellule photovoltaïque transparente dont la nature et la disposition sont décrites dans la publication WO 93/19405. Cette cellule recouvre entièrement les organes d'affichage, et grâce à sa transparence elle n'a aucune influence sur la lecture de l'heure et l'apparence du cadran. Lorsqu'elle reçoit de la lumière, sa tension de sortie varie approximativement entre 0,3 et 0,5 V selon l'éclairement. On notera que la cellule 8 pourrait aussi être placée sur le cadran 5 ou constituer le cadran luimême. Dans ce cas, on pourrait utiliser une cellule opaque, notamment au silicium. Au-dessous du cadran 5, la boîte 2 contient notamment un mouvement d'horlogerie électronique 10 et un accumulateur d'énergie électrique 11. Dans cet exemple, il s'agit d'un accumulateur chimique, de préférence du type à ions lithium et titane, dont la tension de service est comprise entre 1,0 et 1,5 V. On notera toutefois que la présente invention est utilisable aussi avec d'autres types d'accumulateurs électriques et de capacités électrochimiques, notamment les super-condensateurs. Les électrodes de la cellule photovoltaïque 8 sont raccordées aux circuits électriques situés sous le cadran 5 par deux conducteurs 12 dont un seul est représenté dans la figure 1. En référence à la figure 2, les moyens d'affichage de la montre 1 comportent un moteur pas à pas 13 qui entraîne les aiguilles 6 et 7 en utilisant l'énergie fournie par l'accumulateur 11. Le moteur 13 est commandé par un circuit intégré horométrique classique 20 comprenant un oscillateur 21, par exemple piloté par un résonateur à quartz, et une unité électronique 22 comprenant un circuit diviseur et des mémoires, associée à un circuit pilote 23 du moteur. Le signal de sortie de l'oscillateur 21 est traité par l'unité 22 qui commande de manière appropriée le circuit pilote 23 pour afficher l'heure sur le cadran 5 au moyen des aiguilles 6 et 7. Pour surveiller la tension VDD aux bornes de l'accumulateur 11, le circuit intégré 20 comprend en outre un circuit de surveillance 24 qui compare cette tension à une ou plusieurs tensions limites et délivre en conséquence un signal numérique EOL pouvant prendre différentes valeurs indiquant que le niveau de tension de l'accumulateur se trouve au-dessus ou audessous de ces différentes limites. Les circuits de ce genre, appelés parfois "end of life" et destinés à indiquer si une pile arrive en fin de vie, sont bien connus dans le domaine de l'horlogerie. Le dispositif de charge de l'accumulateur 11 comprend, outre la cellule photovoltaïque 8, un convertisseur DC/DC constitué par un multiplicateur de tension 26 et commandé par un bloc statique complémentaire 27. Le multiplicateur de tension 26 reçoit le courant continu de sortie de la cellule photovoltaïque 8, à tension variable USC. Quand il est enclenché, il multiplie cette tension, par exemple d'un facteur compris entre 2 et 4 selon son agencement, pour délivrer une tension de sortie supérieure à la tension existante VDD de l'accumulateur 11. Le bloc statique complémentaire 27 comprend un comparateur statique 28, une unité logique 29 et une unité de commutation 30, ces trois éléments étant alimentés par la tension VDD de l'accumulateur. Dans cet exemple, le comparateur statique 28 comprend de préférence un circuit inverseur ou suiveur CMOS LV ayant une tension de commutation ajustée à 0,4 V. Cette valeur est choisie d'après les caractéristiques de tension de la cellule 8. Elle est fixée par les dimensions géométriques de la paire de transistors à canal p et à canal n de l'inverseur Le comparateur 28 reçoit comme signal d'entrée la tension de sortie USC et délivre à l'unité logique 29 un signal de sortie binaire VSC ayant la valeur 1 lorsque USC 0,4 V. On notera que le comparateur statique 28 peut être remplacé par d'autres circuits de comparaison ayant un effet équivalent. I1 a toutefois pour avantage d'éviter le recours à une source de tension de référence. L'unité logique 29 reçoit les signaux VSC et EOL et, en fonction en fonction de leurs états, délivre des signaux binaires de sortie CONV, OSC et DRIVE à l'unité de commutation 30, selon des règles logiques qui seront décrites plus loin. Ces signaux commandent des commutateurs électroniques dans l'unité 30 pour délivrer la tension VDD respectivement au multiplicateur de tension 26, à l'ensemble de l'oscillateur 21 et de l'unité 22, et au circuit pilote 23 du moteur 13. Dans une forme d'exécution du dispositif représenté à la figure 2, l'unité de surveillance 24 compare la tension VDD de l'accumulateur 11 à une seule valeur limite, par exemple 1,0 V, c'est-à-dire que son signal de sortie EOL est un signal binaire. Les deux signaux binaires VSC et EOL présents à l'entrée de l'unité logique 29 peuvent donc présenter quatre combinaisons possibles, correspondant aux quatre situations A à D représentées dans le tableau I, qui montre les valeurs que ce circuit attribue aux signaux CONV, OSC et DRIVE dans chaque situation. La valeur 1 représente l'enclenchement de l'organe correspondant, et la valeur 0 le déclenchement. Tableau I Cas USC > 0,4 V VDD # 1,0 V CONV OSC DRIVE A Non Non T 0 0* | 0 B Oui Non 1 0* | 0 C Non Oui 0 1 1 D Oui Oui 1 1 1 On remarque que le convertisseur ou multiplicateur de tension 26 n'est enclenché que lorsque la cellule 8 fournit une tension supérieure ou égale à 0,4 V. Avec le type d'accumulateur utilisé ici, il n'y a pas de risque de surcharge car la tension aux bornes de l'accumulateur complètement chargé monte jusqu'à près de 2 V, valeur qui ne peut pas être atteinte par la tension de la cellule après multiplication. Au-dessous d'une valeur limite de 1,0 V aux bornes de l'accumulateur 11, les circuits horométriques 21 et 22 et les moyens d'affichage 23 et 13 sont déclenchés afin d'économiser l'énergie. Cette limite est choisie de façon à conserver entre 10% et 20% de la charge de l'accumulateur, afin de pouvoir faire encore fonctionner le dispositif de charge lorsque la cellule 8 reçoit de nouveau de la lumière après une longue période d'obscurité, pouvant aller jusqu'à une année, selon la valeur du courant d'auto-décharge de l'accumulateur. Les signes * dans la colonne OSC signalent la possibilité d'une variante dans laquelle le circuit de surveillance 24 surveille deux tensions limites distinctes sur la courbe de décharge de l'accumulateur 11, par exemple une première limite à 1,1 V et une seconde limite à 1,0 V. Le signal EOL est alors un signal à plusieurs bits. Dans ce cas, dans un premier stade de décharge où la tension se trouve entre 1,1 et 1,0 V, l'unité logique 29 donne la valeur 0 au signal DRIVE afin de déclencher les éléments 23 et 13 qui consomment le plus de courant, c'est-à-dire que l'affichage est arrêté. Par contre les circuits horométriques 21 et 22 continuent de fonctionner pour que la montre reste à l'heure lorsque l'accumulateur sera rechargé. C'est seulement si la tension VDD tombe audessous de 1,0 V que le signal OSC passe à 0 pour arrêter les circuits horométriques. La charge résiduelle de l'accumulateur est néanmoins suffisante pour alimenter le dispositif de charge lorsque la cellule photovoltaïque 8 sera de nouveau éclairée. On notera que le circuit de surveillance 24 peut aussi indiquer par le signal EOL que le niveau de charge de l'accumulateur 11 est très élevé. L'unité logique 29 peut alors déclencher le multiplicateur de tension 26 par le signal CONV afin de ménager l'accumulateur. La figure 3 illustre une forme d'exécution connue du multiplicateur de tension continue 26, comportant un interrupteur électronique 32 branché en parallèle à l'accumulateur 11 entre un noeud 33 et la masse, une diode Schottky 34 étant branchée en série entre le noeud 33 et l'accumulateur, tandis qu'une inductance 35 est branchée en série entre le noeud 33 et la borne d'entrée 36 qui reçoit la tension USC de la cellule photovoltaïque 8. L'interrupteur 32 est périodiquement ouvert et fermé par un circuit de commande 37 actionné par un signal de validation EN CON provenant de l'unité de commutation 30. A chaque ouverture de l'interrupteur 32, le courant induit à tension élevée dû à l'inductance 35 charge l'accumulateur 11. L'interrupteur 32 et son circuit de commande 37 peuvent être réalisés par exemple au moyen d'un circuit du type MAX 631 de la société Maxim. Un aspect avantageux de ce multiplicateur de tension consiste à utiliser comme inductance 35 la bobine d'induction du stator du moteur pas à pas 13 destiné normalement à entraîner des moyens d'affichage de la montre. Comme ce moteur ne fonctionne que pendant de courts instants pour l'affichage, il est possible de connecter sa bobine au multiplicateur de tension 26 en dehors de ces instants, c'est-à-dire la plupart du temps. On évite ainsi d'ajouter à la montre une bobine, qui est un organe relativement lourd et volumineux, pour réaliser le dispositif selon l'invention. Bien entendu, la bobine sera alors précédée et suivie de commutateurs électroniques (non représentés), agencés pour la relier alternativement au multiplicateur de tension 26 et au circuit du moteur 13. Il faut remarquer que les applications de l'invention ne se limitent pas au cas des cellules photovoltaïques du type photochimique, mais s'étendent aussi à tout autre type, notamment aux cellules à silicium amorphe, monocristallin ou polycristallin. REVENDICATIONS 1. Dispositif de charge d'un accumulateur d'énergie électrique, comportant une source électrique à cellule photovoltaïque (8) couplée à l'accumulateur (11), caractérisé en ce qu'il comporte un multiplicateur de tension (26), connecté en série entre la source électrique et l'accumulateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande (24, 27) agencés pour enclencher et déclencher le multiplicateur de tension (26) en fonction de la tension de sortie (USC) de la source électrique (8). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source électrique (8) comprend une seule cellule photovoltaïque. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source électrique (8) comprend au moins deux cellules photovoltaïques connectées en série. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande (24, 27) sont agencés en outre pour enclencher et déclencher le multiplicateur de tension (26) en fonction d'un état de charge de 1 'accumulateur. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande (24, 27) comportent une unité de comparaison (28), agencée pour recevoir un signal analogique représentatif de la tension de sortie (USC) de la source électrique (8) et délivrer un signal binaire indiquant si ladite tension de sortie est supérieure ou inférieure à un seuil prédéterminé. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de comparaison (28) est un comparateur statique alimenté par l'accumulateur. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le comparateur statique (28) est un circuit CMOS inverseur ou suiveur, comportant au moins une paire de transistors complémentaires de types p et n, le comparateur statique ayant une tension de commutation qui est fixée par les dimensions géométriques desdits transistors. 9. Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les moyens de commande (24, 27) comportent un circuit de surveillance de tension (24), recevant en entrée la tension (VDD) aux bornes de l'accumulateur et délivrant un signal de tension d'accumulateur (EOL), et un circuit logique (29) recevant ledit signal binaire (VSC) et ledit signal de tension d'accumulateur (EOL) et délivrant au moins un signal de commande (CONV) pour enclencher ou déclencher le multiplicateur de tension. 10. Pièce d'horlogerie électronique (1) comportant un accumulateur d'énergie électrique (11), des moyens horométriques (21, 22) et des moyens d'affichage (6, 7, 13, 23) qui sont alimentés par l'accumulateur, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de charge à cellule photovoltaïque et multiplicateur de tension selon l'une des revendications précédentes. 11. Pièce d'horlogerie selon la revendication 10 caractérisée en ce que le dispositif de charge comporte des moyens de commande (24, 27) agencés pour enclencher et déclencher le multiplicateur de tension en fonction de la tension de sortie de la source électrique à cellule photovoltaïque (8). 12. Pièce d'horlogerie selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande (24, 27) sont agencés en outre pour bloquer l'alimentation des moyens d'affichage (6, 7, 13, 23) lorsque l'état de charge de l'accumulateur est inférieur à un premier état limite. 13. Pièce d'horlogerie selon la revendication 12, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande (24, 27) sont agencés en outre pour bloquer l'alimentation des moyens horométriques (21, 22) lorsque l'état de charge de l'accumulateur est inférieur au premier état limite ou à un second état limite. 14. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la source électrique (8) comporte une ou plusieurs cellules photovoltaïques sensiblement transparentes s'étendant devant les moyens d'affichage, du côté où ceux-ci sont visibles. 15. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que le multiplicateur de tension (26) comprend une inductance (35) qui est constituée par une bobine faisant partie d'un moteur (13) des moyens d'affichage.