Brevet FR2756677A1 — publié le 19980605

La présente invention concerne un convertisseur d'énergie permettant d'alimenter un appareil autonome à consommation réduite à partir d'une source de très faible tension de résistance interne non nulle. De nombreux appareils doivent fonctionner de manière autonome, c'est-à-dire qu'ils comportent leur alimentation propre. C'est le cas d'appareils portatifs tels que des montres ou des amplificateurs auriculaires qui ne peuvent être raccordés en permanence à un réseau d'alimentation électrique. C'est le cas également d'appareils disposés dans des endroits difficilement accessibles tels que les détecteurs d'intrusion utilisés dans les systèmes d'alarme ils sont disposés par exemple dans des ouvertures telles que des fenêtres où il est difficile et coûteux d'amener un câble d'alimentation. Ces appareils autonomes de consommation réduite sont actuellement alimentés par des piles ou des éléments rechargeables dont la durée de vie ou de décharge est limitée, ce qui entraîne des opérations de remplacement ou de recharge relativement fréquentes et oblige à conserver des piles ou accumulateurs de rechange pour éviter une interruption du fonctionnement. On a déjà envisagé d'exploiter des sources de très faible tension en utilisant des convertisseurs fournissant une tension de sortie de l'ordre de quelques volts pour alimenter des appareils de consommation réduite sans aucune interruption de fonctionnement en utilisant un circuit auto-oscillant comportant un transformateur élévateur et un transistor à effet de champ dont le trajet drain-source est branché dans le primaire du transformateur. Ces convertisseurs connus sont conçus pour osciller de manière à augmenter la tension et ils ont un rendement médiocre qui ne permet pas d'extraire, à partir de sources de très faible tension, la puissance nécessaire au fonctionnement d'une montre ou d'un appareil auditif. Par ailleurs, le fonctionnement de ces oscillateurs est fortement perturbé lorsque la charge devient importante ; ils peuvent s'arrêter d'osciller ou même ne pas démarrer. Le problème à la base de l'invention est de fournir un convertisseur d'énergie présentant un rendement permettant d'extraire la puissance et la tension désirées à partir de sources d'énergie électrique de très faible tension et dont le fonctionnement est assuré même pour une charge importante. A cet effet, l'invention a pour objet un circuit convertisseur d'énergie, élévateur de la tension fournie par une source à faible tension continue de résistance interne non nulle, comportant un circuit auto-oscillant, fonctionnant à très basse tension, utilisant un transformateur élévateur de tension générant les signaux de commande de deux hacheurssurvolteurs en fonctionnement alterné, du type comportant un transistor à effet de champ à enrichissement qui est utilisé en commutateur synchrone avec le circuit auto-oscillant, qui est branché en série avec une inductance aux bornes de ladite source et qui est relié au circuit utilisateur à travers une diode. L'utilisation de circuits hacheurs-survolteurs permet d'extraire environ 50%de la puissance disponible dans la source. On peut alimenter des appareils sous une tension de quelques volts à partir d'une source dont la tension est de l'ordre de quelques dizaines de millivolts. De plus, le fonctionnement est assuré pour des charges importantes. Avantageusement, on branche en parallèle sur les bornes de sortie une diode écréteuse de tension et un condensateur de grande capacité ou un accumulateur. De cette manière, on fixe la tension de sortie à la valeur désirée. L'invention a également pour objet un circuit convertisseur réversible, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits convertisseurs branchés en antiparallèle sur la source et reliés aux bornes de sortie par l'intermédiaire de quatre commutateurs commandés deux à deux par deux enroulements supplémentaires du transformateur du convertisseur actif et en ce que chaque convertisseur comporte un dispositif de blocage bloquant l'autre convertisseur lorsqu'il est actif. Un tel circuit permet d'extraire l'énergie fournie par une source dont la polarité est variable. Les deux convertisseurs fonctionnent de manière alternée en fonction de la polarité de la source, le convertisseur actif bloquant l'autre convertisseur pour éviter toute perte de puissance dans le convertisseur non actif. Avantageusement, le dispositif de blocage comporte un troisième enroulement supplémentaire du transformateur aux bornes duquel est branché un circuit de redressement générant une tension continue bloquant le circuit auto-oscillant du convertisseur non actif. L'invention a aussi pour objet un dispositif d'alimentation d'un appareil portatif autonome à partir d'un système thermique comportant une source chaude et une source froide présentant une faible différence de température entre elles, telles que l'épiderme d'un être humain et l'atmosphère ambiante caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit convertisseur dans lequel la source électrique est constituée par un ensemble de détecteurs à effet Seebeck branchés entre les deux sources thermiques. Ce convertisseur convient également pour extraire la puissance d'une source photovoltaïque. Un tel dispositif d'alimentation peut être intégré dans une montre ou un appareil auditif. II peut aussi être utilisé pour recharger un élément rechargeable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite à titre illustratif et nullement limitatif, en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: la figure 1 est le schéma d'un circuit convertisseur selon l'invention; la figure 2 est le schéma d'un circuit convertisseur réversible selon l'invention; les figures 3a à 3f sont des diagrammes de fonctionnement du circuit convertisseur de la figure 1, la figure 4 représente un dispositif d'alimentation à partir d'une source d'énergie d'origine thermique la figure 5 illustre l'utilisation d'un dispositif d'alimentation à partir d'une source d'énergie d'origine thermique disposé sur une cloison la figure 6 illustre l'utilisation d'un dispositif d'alimentation à partir d'une source d'énergie d'origine thermique disposé sur le sol la figure 7 illustre l'utilisation d'un dispositif d'alimentation à partir d'une source d'énergie d'origine thermique disposé sur une vitre la figure 8 représente un dispositif d'alimentation selon l'invention utilisé en remplacement de la pile d'une montre la figure 9 représente une autre montre équipée d'origine d'un dispositif d'alimentation selon l'invention; la figure 10 représente encore un autre mode de réalisation d'une montre selon l'invention; la figure 11 est le schéma électrique de la montre de la figure 10 ; et la figure 12 représente une chaussure équipée d'un dispositif d'alimentation selon l'invention. La figure 1 est le schéma d'un circuit convertisseur destiné à extraire l'énergie électrique fournie par une source 1 de très faible tension, par exemple de 10 à 200 mV, qui présente une résistance interne non nulle schématisée en 2 en fournissant une tension de sortie beaucoup plus élevée, par exemple une tension de 2 V pour un appareil électronique. La source électrique 1 est branchée sur le primaire 3 d'un transformateur élévateur 4 par l'intermédiaire du trajet sourcedrain d'un transistor 5 à effet de champ à jonction (JFET) à canal N. Le transistor JFET 5 est du type à pincement, c'est-àdire que pour une tension de grille nulle, sa résistance drainsource n est pas infinie mais de l'ordre de quelques ohms et il se pince lorsque la tension de grille devient négative. Le secondaire du transformateur 4 comporte deux enroulements semblables 6 et 6' reliés par un point milieu 7 relié à la masse. La grille du transistor JFET 5 est relié à la masse par une résistance 8 et au secondaire 6' par un condensateur 9. Lorsque la tension de grille varie, cela entraîne une variation de la résistance drain-source et, par suite, une variation du courant dans le primaire 3 qui crée une tension élevée au secondaire 6' du transformateur 4. La fréquence de cette oscillation dépend de l'inductance du transformateur 4, de la capacité répartie des secondaires 6 et 6' et de la capacité grille-source du transistor JFET 5. Le condensateur 9 forme un découplage galvanique de la grille et permet à l'oscillateur, grâce à la jonction PN grille-source, de consommer très peu d'énergie. Conformément à l'invention, on utilise, pour chaque alternance de l'oscillation, un circuit du type hacheursurvolteur comportant un transistor 11, respectivement 12, de type MOS-FET à canal N et à enrichissement dont la tension grille-source de seuil est faible (par exemple, 1 à 3 V), une inductance 13, respectivement 14, et une diode Schottky 15, respectivement 16. Chaque transistor MOS-FET 11, respectivement 12, est branché en série avec l'inductance 13, respectivement 14, et leurs grilles sont commandées par le secondaire 6', respectivement 6 du transformateur 4 dont les sorties sont croisées de manière que les tensions de grille des deux transistors MOS-FET 11 et 12 soient en opposition de phase. Les diodes Schottky 15 et 16 sont branchées chacune entre le drain du transistor MOS-FET et le pôle positif de sortie. Un condensateur 17 de capacité très élevée et une diode écréteuse de tension 18 sont en parallèle sur les bornes de sortie du convertisseur. Ces deux éléments servent à fixer la valeur de la tension de sortie , ils peuvent être remplacés par un élément rechargeable. Le fonctionnement de ce circuit convertisseur est illustré par les diagrammes des figures 3a à 3f qui représentent respectivement les tensions des secondaires 6 et 6', le courant dans l'une des inductances, la tension drainsource d'un des transistors, le courant traversant l'autre inductance, la tension drain-source de l'autre transistor et la tension de la source 1. Lorsque la tension de grille du transistor 12 est positive et supérieure au seuil, Vs, ce transistor est conducteur, 'inductance 14 accumule de l'énergie au fur et à mesure que le courant la parcourant croit, tandis que la tension aux bornes de la source 1 décroît de manière quasi linéaire. Lorsque la tension de grille repasse en dessous du seuil, le transistor 12 se bloque et l'énergie stockée dans l'inductance 14 est transférée à la borne positive de sortie par la diode Schottky 16. Pour l'alternance suivante, c'est le transistor il qui charge l'inductance 13 qui se décharge ensuite à la sortie. L'avantage de l'utilisation des deux hacheurssurvolteurs est que l'auto-oscillateur est, du point de vue énergétique, utilisé dans sa seule fonction d'oscillateur et que l'on utilise la tension alternative disponible seulement pour piloter les hacheurs-survolteurs. La figure 2 représente un convertisseur réversible qui peut extraire l'énergie fournie par une source 21 de très faible tension dont la polarité varie. Deux circuits convertisseurs sont branchés en antiparallèle sur cette source de manière à fonctionner de manière alternée en fonction de la polarité de la source 21. Chacun de ces circuits comporte un transistor JFET 22, respectivement 22', un primaire 23, respectivement 23', un secondaire à double enroulement 20-24, respectivement 20'24', deux transistors MOS-FET 25 et 26, respectivement 25' et 26', deux inductances 27 et 28, respectivement 27' et 28', et deux diodes Schottky 29 et 31, respectivement 29' et 31' qui sont branchées sur la sortie 32 par l'intermédiaire de commutateurs qui seront décrits plus bas. Le transformateur de chaque convertisseur comporte un enroulement supplémentaire 33, respectivement 33', dont la tension est envoyée sur un circuit redresseur constitué de deux diodes 34, respectivement 34', associées à un condensateur 35, respectivement 35', et dont la tension continue de sortie est appliquée entre la source et la grille du transistor JFET 22', respectivement 22 du circuit auto-oscillant de l'autre convertisseur de manière à assurer le blocage du deuxième convertisseur pendant que le premier est actif et inversement. La tension de sortie de chaque hacheur-survolteur est envoyée sur les bornes de sortie, U+ et U-, par l'intermédiaire de quatre commutateurs 39, 41, 38 et 37, des transistors MOS FET, qui sont montés en pont et sont commandés chacun par la tension issue des enroulements supplémentaires 42 et 43, respectivement 42' et 43', du transformateur de chaque convertisseur qui est redressée par des diodes 44 et 45, respectivement 44' et 45', et filtrée par des condensateurs. Lorsque la tension délivrée par la source 21 est positive, c'est le circuit auto-oscillant bâti autour du transistor JFET 22 qui oscille. Ce faisant, il délivre une tension continue qui assure la conduction des commutateurs à transistor MOS FET 41 et 39. La borne positive du hacheur-survolteur (cathode des diodes 29 et 31) est ainsi commutée via le trajet drain-source du transistor MOS-FET 41 sur la sortie U+. La sortie négative du hacheur-survolteur (sources des transistors 22, 25 et 26) est ainsi commutée via le trajet source-drain du transistor MOS-FET 39 sur la sortie U-. Par ailleurs, I'enroulement 33 délivre une tension qui, une fois redressée par les diodes 34 et filtrée par le condensateur 35, va bloquer le transistor JFET 22' du circuit auto-oscillant non actif mais dont la résistance drain-source était jusqu'alors faible. Lorsque la tension délivrée par la source 21 est négative, c'est le circuit auto-oscillant bâti autour du transistor JFET 22' qui oscille. Le fonctionnement est identique au fonctionnement décrit précédemment. Le commutateur à transistor MOS-FET 38 va commuter la sortie positive du hacheur-survolteur (cathode des diodes 29' et 31') sur la sortie U+. Le commutateur à transistor MOS-FET 37 va commuter la sortie négative du hacheur-survolteur (sources des transistors 22', 25' et 26') sur la sortie U-. De même, une tension négative issue du redressement de la tension du secondaire 33' va bloquer le transistor JFET 22. L'enroulement 20, respectivement 20', constitue une variante de l'enroulement 6' du montage de la figure 1. II permet de faire fonctionner le circuit auto-oscillant avec le rapport de transformation correct et il permet d'augmenter la tension de commande des transistors MOS-FET du hacheursurvolteur de manière à obtenir des commutations plus franches. Selon un mode de réalisation de l'invention, la source d'énergie de faible tension est constituée par un ensemble de détecteurs à effet Seebeck placés entre une source thermique chaude et une source thermique froide dont la différence de température est faible, par exemple quelques degrés. Ces deux sources peuvent être constituées par l'épiderme de la personne utilisant un appareil autonome et le milieu ambiant. La figure 4 illustre le principe d'un tel dispositif d'alimentation utilisant une chaleur d'origine animale. II comporte un substrat 51 en matière thermiquement isolante dans lequel sont placés des détecteurs à effet Seebeck 52, sous forme de petits barreaux, c'est-à-dire des sortes de thermocouples. Compte tenu de la faible valeur de la tension délivrée par de tels détecteurs, à savoir 0,2 mV par degré Celsius (coefficient de Seebeck), ils sont branchés en série pour obtenir une tension de 10 à 200 mV. Tous les barreaux sont placés entre une plaque collectrice 56 disposée à même la peau 53 de l'utilisateur et un échangeur de chaleur 54 échangeant la chaleur avec l'air ambiant. Deux électrodes 55 fournissent la sortie basse tension destinée au convertisseur. La figure 5 illustre l'utilisation d'une source d'origine thermique entre les deux côtés d'une paroi 61. Les détecteurs Seebeck sont disposés entre un radiateur 62 disposé à l'intérieur de la pièce et constituant un échangeur de chaleur avec l'air intérieur et échangeur 63 avec l'air extérieur qui comporte un montant 64 traversant la paroi 61 dans une section 65 en matière thermiquement isolante. La figure 6 illustre le cas où l'on utilise la différence de température avec le sol 71. Un support thermiquement isolant 72 est placé dans le sol et il comporte à sa partie supérieure un échangeur de chaleur de surface 73. Les détecteurs Seebeck sont disposés entre la face inférieure de cet échangeur de chaleur 73 et la face supérieure d'un pieu 74 collecteur thermique planté dans le sol. Ce dispositif d'alimentation utilise un convertisseur réversible car la différence de température entre le sol et l'air ambiant s'inverse entre le jour et la nuit. Ce dispositif d'alimentation peut par exemple être utilisé dans le domaine de la signalisation routière au sol. En particulier, on peut l'utiliser pour alimenter un dispositif lumineux 75 telle qu'une diode électroluminecente et réaliser une bande blanche balisée. La figure 7 représente l'utilisation de la différence de température entre les deux faces d'une vitre 81. On emploie un échangeur de chaleur 82 disposé sur la paroi extérieure de la vitre en contact avec l'air extérieur, une plaque collectrice 83 placée sur la face intérieure de la vitre et un échangeur de chaleur 85 disposé à l'intérieur sur un support thermiquement isolant 84 placé sur la face intérieure de la vitre et recevant la plaque collectrice 83. Les détecteurs Seebeck sont disposés entre la plaque collectrice 83 et l'échangeur de chaleur 85. Le dispositif d'alimentation des figures 5 et 7 peut par exemple étre utilisé pour alimenter un détecteur d'intrusion disposé au niveau d'une ouverture d'un local, tel qu'une fenêtre et fonctionnant de manière autonome. La figure 8 est une vue en coupe d'une montre 91 qui comporte, dans le fond de son boîtier, un logement de pile 92. Une alimentation conforme à l'invention est intercalée entre la peau de l'utilisateur et le fond du boîtier en lieu et place du couvercle de fermeture d'origine de la montre. Elle comporte un fond collecteur de chaleur 93 sur lequel les détecteurs Seebeck 94 sont disposés selon un cercle en étant noyés dans un matériau thermiquement isolant 95. Un réceptacle 96 présentant la forme d'une pile comprend les circuits électroniques et vient se placer dans le logement de pile 92. La figure 9 représente une montre dans laquelle le dispositif d'alimentation est intégré dans le boîtier. Dans ce cas encore, les détecteurs Seebeck 101 sont disposés en couronne et les circuits électroniques contenus dans le corps 102 de la montre et noyés dans un matériau thermiquement isolant 103. La figure 10 représente un mode de réalisation d'une montre où, pour augmenter la surface d'échange et, par suite, la puissance de la source, les détecteurs Seebeck sont placés dans le bracelet de la montre qui est constitué de maillons articulés dans lesquels sont placés des détecteurs Seebeck. Dans ce cas, on a ajouté un générateur photovoltaïque 111 sur un des maillons ; il peut être directement mis en parallèle sur la sortie du dispositif d'alimentation selon l'invention ou comporter également un circuit convertisseur. La figure il indique le schéma électrique de l'ensemble, les sources constituées par chaque maillon étant branchées en série pour constituer la source électrique relié au convertisseur. La figure 12 représente l'intégration d'un dispositif d'alimentation selon l'invention dans un élément chaussant tel qu'une chaussure. Dans ce cas, les détecteurs Seebeck 121 sont logés dans la semelle 122 de la chaussure et utilisent la différence de température entre le pied de l'utilisateur et le sol. On prévoit alors une plaque 123 d'évacuation de la chaleur des pieds qui est en contact avec les détecteurs Seebeck ainsi qu'une plaque 126 collectrice de la chaleur des pieds. Les circuits électroniques 124 sont également logés dans la semelle 122. Le dispositif d'alimentation peut être utilisé pour alimenter des éléments de sécurité tels que des diodes électroluminescentes 125. Dans le cas d'une chaussure de ski, le dispositif d'alimentation peut faire fonctionner un émetteur ou un transpondeur permettant de retrouver l'utilisateur en cas d'accident tel qu'une avalanche ou alimenter par contact le dispositif électronique de déclenchement de la sécurité des fixations. La description ci dessus d'exemples de réalisation de l'invention n'a été fournie qu'à titre illustratif et nullement limitatif et l'on peut y apporter des modifications ou variantes sans sortir pour autant du cadre de la présente invention. En particulier, on peut utiliser d'autres sources de très faible tension ou en utiliser plusieurs en combinaison. Le convertisseur réversible de la figure 2 peut être utilisé dans le cas d'échanges de chaleur avec l'air ambiant, par exemple dans le cas des figures 5 à 7. Ce convertisseur réversible permet de fournir une alimentation quand la différence de température, par exemple entre la terre et l'air ambiant, s'inverse entre le jour et la nuit. On récupère toute l'énergie possible en utilisant le flux et le reflux des échanges thermiques. Par ailleurs. on peut réaliser un amplificateur auriculaire alimenté par un dispositif d'alimentation utilisant la différence de température entre la peau et l'air ambiant et disposé dans ou autour de l'oreille. REVENDICATIONS 1. Circuit convertisseur d'énergie, élévateur de la tension fournie par une source (1; 21) à faible tension continue de résistance interne (2) non nulle, comportant un circuit autooscillant, fonctionnant à très basse tension, utilisant un transformateur élévateur de tension (3, 4, 6, 6',7; 20, 23, 24, 20', 23', 24') générant les signaux de commande de deux hacheurs-survolteurs (11-14; 25-28, 25'-28') en fonctionnement alterné, du type comportant un transistor à effet de champ à enrichissement (11, 12; 25, 26, 25', 26') qui est utilisé en commutateur synchrone avec le circuit auto-oscillant, qui est branché en série avec une inductance (13, 14; 27, 28, 27', 28') aux bornes de ladite source (1; 21) et qui est relié au circuit utilisateur à travers une diode (15, 16; 29, 31, 29', 31'). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on branche en parallèle sur les bornes de sortie un dispositif écréteur de tension et un condensateur de grande capacité ou un accumulateur (18). 3. Circuit convertisseur réversible, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits convertisseurs (20, 22-29, 31; 20', 22'29', 31') selon la revendication 1 branchés en antiparallèle sur la source (21) et reliés aux bornes de sortie (U+, U-) par l'intermédiaire de quatre commutateurs(37-39, 41) commandés deux à deux par deux enroulements supplémentaires (42, 43, 42', 43') du transformateur du convertisseur actif et en ce que chaque convertisseur comporte un dispositif de blocage (3335, 33'-35') bloquant l'autre convertisseur. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de blocage comporte un troisième enroulement (33, 33') supplémentaire du transformateur aux bornes duquel est branché un circuit de redressement (34, 34') générant une tension continue bloquant le circuit auto-oscillant du convertisseur non actif. 5. Dispositif d'alimentation d'un appareil portatif autonome à partir d'un système thermique comportant une source chaude et une source froide présentant une faible différence de température entre elles, telles que l'épiderme d'un être humain et l'atmosphère ambiante, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit convertisseur selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 dans lequel la source électrique est constituée par un ensemble de détecteurs à effet Seebeck (52; 94; 101) branchés entre les deux sources thermiques. 6. Dispositif d'alimentation d'un appareil portatif autonome caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit convertisseur selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 dans lequel la source électrique est constituée par une cellule photovoltaïque (111). 7. Montre bracelet (91) caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'alimentation (94; 101) selon au moins l'une des revendications 5 ou 6 disposé sous son boîtier à la place de la pile (92) ou intégré dans le boîtier. 8. Bracelet montre constitué de maillons articulés, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation selon au moins l'une des revendications 5 ou 6, en ce que les maillons comportent chacun des détecteurs Seebeck, les sources constituées par chaque maillon étant branchées en série pour constituer la source électrique relié au convertisseur. 9. Dispositif de signalisation routière au sol, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation selon la revendication 5 utilisant la différence de température entre l'air ambiant et la chaussée alimentant un dispositif lumineux. 10. Détecteur d'intrusion caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation selon la revendication 5 ou 6 disposé entre l'intérieur et l'extérieur du local surveillé. 11. Chaussure caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'alimentation (121, 124) selon la revendication 5 disposé entre l'intérieur et l'extérieur de la chaussure et alimentant un dispositif de sécurité (125) porté par la chaussure.