Brevet FR2536563A1 — publié le 19840525

La présente invention est relative à un élément émetteur de lu- mière pour utilisation dans un tableau d'affichage. On a proposé jusqu'ici deux sortes d'éléments peur équiper des tableaux d'affichage: ce sont les lampes à incandescence et les tu- bes à rayons cathodiques. Les inconvénients majeurs présentés par la lampe à incandescence sont sa forte consommation (entre 20 et 40 watts par élément) et son rendement relativement faible (environ 10 lumens par watt) On notera également que la lampe présente une durée de vie modeste ( 1000 heures en moyenne), une température de couleur qui est variable en fonction de la tension d'alimentation à ses bornes ainsi qu'une diminution progressive de son intensité lumineuse due au noircissement intérieur du bulbe en fonction du temps d'utilisation Il a déjà été proposé une telle source lumineuse pour équiper des tableaux d'affichage en couleur Dans ce cas, on utilisera par élément unitaire trois lampes suivies de filtres colorés ou plus simplement trois lampes à bulbes colorés On comprendra cependant que; pour la couleur, les inconvé- nients cités ci-dessus pour l'affichage noir-blanc sont conservés On doit à la vérité de dire cependant que les lampes à incandescence sont des éléments bon marché, facilement interchangeables et fac:i Iesl à trouver sur le marché. Ainsi, dans un exemple de réalisation, l'écran noir-b 1 lavrc de 4,3 m de hauteur et de 8,6 m de largeur comporte 160 lignes et 85 co- lonnes, ce qui implique l'utilisation de 12 '800 lampes à ïionrdescen- ce Si la puissance de chacune de ces lampes est de 25 W, La puissan- ce nécessaire à les allumer toute à pleine luminosité ser de 3213 k W. On comprendra donc qu'un tel écran demandera une puissance installée considérable ainsi qu'une non moins importante dépense d'énergie. Pour sa part, le tube-à rayons cathodiques est utilisé dans les installations d'écran en couleur Bien qu'il s'agisse d'un tube dont la facture est simplifiée par rapport à celle qu'on connaît des tubes TV, il n'en reste pas moins très onéreux et surtout nécessite l'em- ploi de très hautes tensions d'accélération, ce qui complique consi- dérablement la réalisation de l'ensemble Ce tube a pour lui cepen- dant l'avantage d'une faible consommation d'énergie comparée à celle d'une lampe à incandescence. Pour remédier aux inconvénients cités ci-dessus, la présente in- vention propose un élément émetteur de lumière caractérisé en ce qu'il comporte au moins un tube à décharge contenant de la vapeur de mercure à basse pression, la paroi interne dudit tube étant revêtue de substante fluorescente. Un tel élément est connu en soi mais on n'en a jamais proposé l'utilisation dans un tableau d'affichage matriciel Il trouve ac- tuellement son application dans l'éclairage domestique ou encore dans les enseignes lumineuses. Dans le premier cas, il s'agit de tubes de longueur variable rectilignes ou recourbés, ayant à chaque extrémité des électrodes constituées par un filament recouvert d'un dépôt d'oxyde émissif. L'atmosphère gazeuse contenue dans le tube se compose d'argon pour l'amorçage, à la pression de quelques millimètres de mercure, et d'une goutte de mercure La décharge dans la vapeur de mercure provo- Zs que essentiellement des rayons ultra-violets à la longueur d'onde de 253,7 nm La paroi du tube apparaît blanche, aspect que lui donne la substance fluorescente (phosphor) appliquée sur la face intérieure, et destinée à convertir le rayonnement ultra-violet en lumière visi- ble. Par rapport à la lampe à incandescence, le tube fluorescent pré- sente plusieurs avantages Il a un haut rendement lumineux de l'ordre de 40 lumens par watt, ce qui amène, pour un flux lumineux compa- rable, à une consommation nettement moins grande Sa durée de vie moyenne dépasse les 7 '500 heures, ce qui contribue à augmenter la fiabilité de tout tableau d'affichage Il montre aussi un dégagement 253656 B de chaleur très faible 9 ce qui a pour effet de réduire les mouvements de convection et partant des tralnées noirâtres de poussière amenées par cette convection Enfin, le tube présente-une température de cou- leur invariable en fonction de la luminosité qu'il produit 9 ainsi qu'un très faible noircissement du bulbe localisé à l'endroit des électrodes en fonction de sa durée de vie. Par rapport au tube à rayons cathodiques 9 le tube à fluorescence présente une consommation à peu près égale, par contre son prix est nettement inférieur et il ne nécessite pas d'alimentation à très hau- te tension De plus, le nombre d'électrodes est réduit à deux. Ainsi 9 l'utilisation du tube à fluorescence dans les tableaux d'affichage b grandes dimensions comme prévu dans la présente inven- tion permet de proposer un nouveau produit avantageux par sa consom- mation réduite, par la qualité des images transmises et par son prix raisonnable. L'invention sera comprise maintenant b l'aide de la description qui va suivre et qui donne, à titre d'exemple et à l'aide des dessins qui l'accompagnent, plusieurs modes de réalisations pour lesquelles; La figure 1 est une représentation schématique d'un tableau d'affichage selon l'art antérieur. La figure 2 montre un élément émetteur de lumière blanche équipa d'un seul tube fluorescent selon une première variante de l'invention. La figure 3 montre un élément émetteur de lumière colorée équipé de trois tubes fluorescents selon une seconde variante de l'invention. La figure 4 présente l'élément de la figure 3 vue de face selon une première disposition des tubes. Les figures 5 et 6 présentent des éléments émetteurs de lumière selon d'autres dispositions des tubes que celle montrée en figure 4. La figure 7 est un schéma électrique montrant un principe d'a- limentation d'un élément émetteur de lumière utilisant trois tubes fluorescents colorés. La figure 8 est un diagramme de temps montrant la tension d'ali- mentation et les courants respectifs circulant dans chacun des élé- ments émetteurs de lumière. La figure 1 montre un tableau matriciel tel qu'on le connaît de l'art antérieur Le tableau proprement dit 1 est équipé d'ampoules à incandescence 2 alignées en lignes et en colonnes les unes à côté des autres Cet arrangement couramment utilisé dans des stades peut at- teindre de très grandes dimensions comme on l'a vu plus haut Liée au tableau par le conducteur 3, on trouve une cabine de régie 4 Cette cabine est équipée de tout l'appareillage nécessaire à la transmis- sion d'images statiques ou animées O Il est ainsi possible d'afficher des textes comme des résultats sportifs, de la -réclame, des évène- ments animés ou des reprises desdits évènements au moyen de caméras, de disques, de bandes magnétiques, etc A chaque élément émetteur de lumière correspond une ampoule à incandescence si l'affichage a lieu en noir-blanc Un dispositif permet alors de varier l'intensité lumi- neuse produite par l'ampoule pour aboutir aux multiples dégradés de lumière qui composent une image Dans le cas des tableaux en couleur, chacun de ces éléments comprendra trois ampoules à incandescence (rouge, vert, bleu) ou trois tubes à rayons cathodiques En variant séparément l'intensité lumineuse produite par-les trois tubes, on parvient à une lumière résultante qui peut couvrir tout le spectre visible O Comme on l'a déjà expliqué dans le préambule, la présente inven- tion vise à remplacer la lampe à incandescence ou le tube à rayons cathodiques par au moins un tube à décharge appelé généralement tube fluorescent pour former l'élément émetteur de lumière O La figure 2 montre un tel élément 24 Le tube fluorescent 5 est monté dans un compartiment 6 Pour répondre aux lois physiques qui le gouvernent et en rappelant que la puissance lumineuse émise est fonction de la lon- gueur du tube, le tube 5 doit avoir une certaine longueur Pour y parvenir, on a préféré lui donner ici une forme de U Ainsi la face visible 7 de l'élément reste comprise dans des dimensions qui sont compatibles avec l'affichage matriciel proposé soit environ 80 cm 2, ce qui représente un carré de 9 cm de côté. On comprendra cependant que pour utiliser tout le rayonnement lumineux du tube, donc aussi celui de ses parties rectilignes, il se- ra nécessaire de prévoir un système de réflecteur renvoyant vers l'a- vant de l'élément la lumière issue desdites parties recti Igues Ceci peut être réalisé par exemple au moyen d'un réflecteur placé à l'ar- rière du compartiment à la place de la face 8, ce réflecteur étant complété selon la géométrie dudit compartiment par un miroir diffus formant les parois 9 du compartiment. Le compartiment représenté dans la figure 2 est parallélipipédi- que On pourrait imaginer d'autres géométries sans pour autant s'é- carter de la présente invention Ainsi, le compartiment pourrait être triangulaire, le sommet du triangle se trouvant à l'endroit des, con- nexions du tube et ceci dans le but d'améliorer l'effet de réflexion présenté par les parois De même, la face avant-pourrait être munie d'un système anti-reflet. L'élément émetteur de lumière qui vient d'être décirit trouve son application dans des tableaux noir-blanc On équipera 'élé"ment d'un socle pour les connexions électriques et de système d''attaches simples pour le rendre facilement amovible Ainsi conçu,, l J sera fa- cilement interchangeable et très accessible au personmel dr-entretien. La figure 3 montre un élément émetteur de Imeiière colorée 24 équipé de trois tubes fluorescents Il ne se distingue de celui pré- senté en figure 2 que par la juxtaposition de trois tubes fluores- cents de couleurs différentes référencés 10, 11 et 12 Comme on l'a déjà dit plus haut, c'est la substance fluorescente appliquée sur la paroi du tube qui convertit le rayonnement ultraviolet de la décharge en lumière visible Ainsi, dans l'élément de la figure 3, le tube 10 rayonne dans le rouge (on utilise alors du borate-de calcium comme substance fluorescente) , le tube 11 dans le vert (willémite) et le tube 12 dans le bleu (tungstate de calcium) Avec un mélange en pro- portions convenables des différentes substances, on produit la lumiè- re blanche, et c'est ce mélange qu'on utilise pour le tube dessiné en figure 2. On mentionnera ici que les trois couleurs de base peuvent aussi être obtenues à partir de trois tubes de couleur blanche complétés T chacun par un filtre coloré indépendant situé à l'avant du tube Si cet arrangement présente le désavantage d'ajouter des composants sup- p Iléentaires et de diminuer le rendement lumineux, il a pour lui ce- pendant de ne mettre en oeuvre que des tubes d'une seule couleur blanche ne nécessitant pas de préparation spéciale quant à leur sub- stance fluorescente. Si l'on varie indépendamment l'intensité de la lumière émise par chacun des trois tubes colorés, on obtient à la sortie de l'élément une lumière dont la longueur d'onde résultante peut varier du violet au rouge, c'està-dire de 330 à 700 n', et ceci pour autant qu'on prenne un certain recul par rapport à la face avant de l'élément. Les smúies observations qui ont été faites à propos de l'élément noir-blanc peuvent être faites pour l'élément de couleur (réflec- ZS teurs, forne du compartiment, système anti-reflet, construction amo- vîhle) Pour certains arrangements particuliers, on prendra soin en outre de séparer les tubes de couleur par des cloisons 13. La figure 4 est une vue de face de l'élément 24 de la figure 3. A partir de cette vue, on peut envisager d'autres dispositions des tubes dans l'élément émetteur o, par exemple, la figure 5 montré une disposition o les tubes sont disposés bout à bout pour circonscrire une surface fermée, ici un triangle, et la figure 6 montre une disposition en spirale o les tubes ob- servés de la face avant présentent des portions de cercles Les ex- trémités de ces portions sont coudées à 900 pour former des parties rectilignes qui s'étendent derrière le plan de la figure. D'autres dispositions que celles montrées aux figures 4, 5 et 6 peuvent être envisagées sans pour autant s'écarter de l'objet de la présente invention Ainsi, l'élément coloré n'est pas limité à l'uti- lisation de trois tubes Un quatrième tube, par exemple, pourrait y être ajouté qui 9 dans certaines circonstances, peut améliorer la con- tinuité du spectre lumineux O Pour l'application dont il est question ici, on utilisera de préférence des tubes fluorescents à cathodes chaudes ou, à chaque extrémité du tube se trouve placée une électrode constituée par un filament La tension d'alimentation est appliquée à chacune d'es élec- trodes pour provoquer la décharge et l'allumage du tube Quand on utilise un tel tube pour l'éclairage domestique sur fréquence indus- trielle, on l'équipe en général d'un starter et d'une inductance ballast pour limiter le courante On sait que ce dispositif provoque un certain retard à l'allumage, ce qui ne saurait naturellement con- venir à la présente application o l'on souhaite afficher non seule- ment des textes statiques mais encore des images en mouvement issues de scènes prises sur le vif (caméra de prise de vues ou encore télé- cinéma 3 On donnera donc la préférence à une alimentation dite à haute fréquence qui permet non seulement un allumage instantan C du, tube, mais encore une diminution de consommation de l'ordre de 21 fl tant il est vrai que le rendement lumineux du tube auqmente avec la fréquence Cette disposition permet aussi de réduire le ballast quant à son volume, ce qui entraîne également une diminutionr de poids et de prix O Une telle alimentation est décrite sommairenemt dans "Hexfet Databook, International Rectifier, 1981 " au paragraphe "fluorescent lighting". La figure 7 donne un schéma possible d'alimentation d'un élément émetteur de lumière 24 selon l'invention Ici, l'élément comporte trois tubes fluorescents 20 (rouge), 21 (bleu) et 22 (vert)0 Un gé- nérateur de puissance 23 dimensionné pour alimenter une pluralité d'éléments produit une tension Ug dont la fréquence est choisie entre et 30 k Hz à partir de la tension secteur Us Les filaments 25 à 30 sont alimentés au moyen du transformateur 31 commun aux filaments 26, 28 et 30 et des transformateurs 32, 33 et 34 pour alimenter respec- tivement les filaments 25, 27 et 29 Le primaire de chacun de ces transformateurs est connecté à la source d'énergie Ug. On mentionnera que le transformateur 31 peut également être di- mensionné pour alimenter une pluralité de tubes et non seulement les trois tubes formant l'élément émetteur de lumière Pour isoler galva- niquement les filaments 25, 27 et 29 des filaments correspondants 26, 28 et 30, il est nécessaire de mettre en oeuvre trois transformateurs séparés 32, 33 et 34 ou un seul transformateur à plusieurs enroule- ments secondaires O On remarquera que ces transformateurs sont de di- mensions réduites puisque fonctionnant à haute fréquence. On allume les tubes 20, 21 et 22 en agissant respectivement sur les éléments 35, 36 et 37 placés en série dans le circuit du tube et qui se présentent sur la figure sous la forme d'interrupteurs Le circuit de chacun des tubes est complété respectivement par un élé- ment 38, 39 et 40 qui a pour but de stabiliser le courant circulant dans le tube Cet élément peut être une résistance, une inductance ou encore un condensateur Le premier cas présente peu d'intérêt car la résistance provoque des pertes supplémentaires Dans les deux der- niers cas, il s'agira d'éléments peu encombrants vu la fréquence éle- vée de fonctionnement. Selon l'invention, l'intensité de la lumière fournie par chacun des tubes va dépendre dans ce système du temps pendant lequel son interrupteur va rester fermé par rapport à une période de-référence qu'on se fixe Ainsi, si l'on choisit judicieusement les couleurs élémentaires de chacun des tubes et qu'on règle séparément le flux lumineux émis par chacun d'entre eux par le truchement du temps de fermeture de leur interrupteur respectif, on obtiendra finalement une couleur qui sera le résultat du mélange de chacun des flux lumineux correspondants et qui pourra s'étendre sur tout le spectre visible. Les interrupteurs 35, 36 et 37 peuvent se présenter sous diffé- rentes formes, par exemple, sous celle de triacs commandés par les signaux vidéo générés par une caméra de prise de vues via un conver- tisseur A / D et une logique de commande appropriée On retrouve ici les moyens déjà connus de l'état de la technique et qui sont ap- pliqués dans les tableaux matriciels en couleur qu'on trouve sur le marché. La figure 8 est un diagramme de temps montrant la tensmion d'ail- mentation Ug appliquée aux bornes des tubes et les courants 12 an IZQ et I 22 circulant dans chacun d'eux en fonction de la fermeture res- pective des éléments de contrôle 35, 36 et 37 Dans ce diagramme, la première ligne représente la tension d'alimentation Ug fournie par le générateur 23 (voir figure 7) Cette tension est formée par la juxta- position de périodes de référence Tr comportant chacune au moins 64 alternances Ta On allume le tube 20 (rouge) à l'intensité lumineuse voulue en fermant l'élément 35 pendant une période T 1 Tr d'o il résulte un courant I 20 dans le tube On procbde de la même façon pour les tubes 21 (bleu) et 22 (vert) pendant des périodes T 2 et T 3 res- pectivement d'o il résultera les courants I 21 et I 22 Comme os l'a expliqué plus haut, la couleur résultante à la sortie de l'élmemnt dépendra des temps d'enclenchement relatifs de chacun des tubes di- rant la période de référence En d'autres termes, on peut dire que l'intensité lumineuse émise par un seul tube sera contrôlée par i'ngi- bition d'un nombre variable d'alternances Ta pendant la p r'siï de référence Tr Ceci est vrai également pour un tube irradiant wmeu cu- leur blanche, ce qui fait que ce type d'alimentation peut s'"awiquer aussi à un tableau matriciel noir-blanc. Dans des tableaux matriciels noir-blanc connus, er utilise au- jourd'hui couramment 16 tons de dégradés entre le mur et le blanc, ce qui permet une reproduction convenable d'image vidéeo Dans ce cas, un signal digitalisé à 4 bits suffit Cependant: en fera remar- quer que pour une image en couleur, d'une part, on souhaite un dégra- dé d'intensité lumineuse relative à une couleur déterminée comme pour le noir et le blanc et, d'autre part, on doit être en mesure de varier séparément l'intensité lumineuse de chacun des trois tubes pour créer ladite couleur déterminée Il résulte de cela qu'une com- mande basée sur un signal à 4 bits est tout à fait insuffisante Des expériences pratiques ont montré qu'il est nécessaire de prévoir au moins 64 tons de dégradés, ce qui fait que la période de référence Tr dont il a été question à propos de la figure 8 doit comporter au moins 64 alternances, ce qui conduit à disposer d'un signal digitali- sé à 6 bits Des résultats encore meilleurs sont atteints avec 128 alternances ( 7 bits) et 256 alternances ( 8 bits), ce qui permet d'a- ICI dapter à la perception visuelle selon une fonction logarithmique par exemple. L'alimentation de l'élément émetteur de lumière n'est pas limi- tée à la description donnée ci-dessus Dans une variante non repré- sentée au dessin, on varie non plus le nombre d'alternances pendant la période de référence, mais la largeur de ces alternances Un est conduit ainsi à une modulation par largeur d'impulsions (PWM). REVENDICATIONS 1 = Element émetteur de lumière ( 24) pour utilisation dans un tableau d'affichage matriciel ( 1)9 caractérisé par le fait qu'il com- porte au moins un tube à décharge ( 5) contenant de la vapeur de mer- cure à basse pression, la paroi interne dudit tube étant revêtue de substance fluorescente. 2 Elément selon la revendication 1, caracterisé par le fait qu'il comporte un seul tube à décharge dont la paroi interne est re- vêtue d'une substance fluorescente produisant une lumière blanche. 3 o Elénment selon la revendication 2, caractéris$ par le fait qu'il est alimente par des moyens permettant de varier l'intensité de la lumière qu'il émet. 4 Elément selon la revendication 1, caractérise par le fait qu'il comporte au moins trois tubes à décharge dont la paroi interne de chacun d'entre eux est revêtue d'une substance fluorescente pro- duisant une lumière blanche et qu'entre chacun des tubes et le champ de vision est interposé un filtre rouge pour un premier tube, un fil- tre vert pour un deuxième tube et un filtre bleu pour un troisième tube. Element selon la revendication 1, caractérise par le fait qu'il comporte au moins trois tubes à décharge ( 10, 11 ', 12} dent la paroi interne de chacun d'eux est revêtue d'une sulstanacee fluores- cente produisant pour un premier une lumière rouge, ipur un deuxième une lumière verte et pour un troisième une lumière bleue. 6 Elément selon la revendication 4 ou la revendication 5, ca- ractérisé par le fait que les tubes sont alimentes S 6 parement par des moyens permettant de varier indépendamment l'intensité de la lumière émise par chacun d'entre eux pour obtenir à la sortie de l'élément une lumière dont la longueur d'onde résultante peut varier le long de tout le spectre visible. 7 Element selon l'une quelconque des revendications 2, 4 ou 5, caractérisé par le fait que le(s) tube(s) est(sont) du type à catho- des chaudes. 8 Element selon la revendication 4 ou la revendication 5, ca- ractérisé par le fait que les tubes sont disposés côte à côte. 9 Elément selon la revendication 4 ou la revendication 5, ca- ractérisé par le fait que les tubes sont disposés bout à bout pour circonscrire une surface fermée. Elément selon la revendication 4 ou la revendication 5, ca- ractérisé par le fait que les trois tubes sont courbés et imbriqués pour former une spirale. 11 Eleément selon la revendication 3 ou la revendication 6, ca- ractérisé par le fait par le fait que chaque tube ( 20, 21, 22) est alimenté par un générateur ( 23) délivrant un courant à haute fréquen- ce, ledit courant étant constitué par la juxtaposition de périodes de référence (Tr) comportant chacune une pluralité d'alternances (Ta) et que Ies moyens permettant de varier l'intensité de la lumière émise comprennent un élément ( 35, 36, 37) situé en série dans l'alimenta- tion de chaque tube pour contrôler son temps d'allumage par inhibi- tics d'un nombre variable d'alternances (Ta) contenues dans ladite période de référence (I Tr). 12 Elément selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la période de référence (Tr) comporte au moins 64 alternances (Ta).