Brevet FR2779612A1 — publié le 19991210

AMELIORATIONS POUR LAMPES ELECTRIQUES La présente invention se rapporte à une lampe électrique portative, particulièrement à des lampes torches, à des lampes de poche, et analogues. On connaît bien les LED (diodes émettrices de lumière), en tant que sources de lumière. Bien qu'étant plus efficaces que des ampoules de lampe à incandescence au niveau de la conversion de l'énergie électrique en lumière, globalement, les LED ne peuvent émettre qu'une lumière de faible intensité. On utilise largement les LED comme voyants indicateurs, ou voyants d'avertissement, dans des tableaux de bord (par exemple, dans des aéronefs, ou des véhicules routiers). Récemment, on a également utilisé des LED comme sources de lumière dans des lampes de bicyclette, de façon à avertir d'autres usagers de la route de la présence du cycliste, et dans des éclairages de bouton de sonnerie. On utilise donc généralement les LED pour un éclairage "passif" dans lequel la lumière émise par la LED pénètre sensiblement directement dans l'oeil d'un observateur, de façon à informer l'observateur de l'état de la LED (par exemple, I'état allumé ou éteint). Il n'est pas commun du tout d'utiliser des LED pour un éclairage "actif" dans lequel de la lumière émise par la LED rencontre un objet et est réfléchie, ou autrement redirigée, de l'objet vers un observateur, de façon à donner à l'observateur de l'information concernant l'objet plutôt que la LED. Ceci s'explique par la faible intensité de lumière émise par des LED, comme on l'a expliqué ci-dessus, et par la nature délicate des LED qui s'endommagent facilement par exposition de la LED, par exemple, à une intensité et/ou une tension qui dépassent les valeurs maximales indiquées par les fabricants de LED ("en surchargeant" la LED). Une personne expérimentée dans l'art sait bien que l'on doit éviter de surcharger les LED du fait que cela risque de provoquer une fonte ou une panne, ou autres, ce qui raccourcit sensiblement la durée de service de la LED. 1 5 Selon un premier aspect, I'invention propose une lampe électrique portative comprenant un boîtier, une source d'énergie électrique, et comportant, en tant que source de lumière, une LED à haute résistance interne (c'est-à-dire, à résistance interne supérieure à 10 Q. à une intensité de _ 50 mA). On préfère que la résistance interne de la LED soit supérieure à 11 Q, on préfère davantage qu'elle soit supérieure à 12 Q, et ce que l'on préfère le plus est une résistance interne supérieure à 13 Q. Le présent inventeur a constaté, de façon surprenante, qu'une LED à haute résistance interne peut être surchargée considérablement au-delà d'une tension ou des niveaux d'intensité maximaux établis par le fabricant sans défaillir et sans réduire sensiblement la durée de service de la LED. Une LED surchargée de cette façon est capable d'émettre beaucoup plus de lumière que ce que l'on rencontre habituellement, de sorte que l'on peut employer utilement une lampe électrique selon l'invention pour un éclairage actif. La plupart des LED classiques ont une résistance interne qui est trop faible (par exemple, environ 9 n à une intensité de 50 mA) pour être utilisée dans une lampe électrique selon l'invention. Cependant, un nombre de LED appropriés pour utilisation dans la lampe de la présente invention est disponible. De préférence, la LED est du type qui émet un spectre large de longueur d'ondes. De façon commode, la LED émet de la lumière qu'un observateur perçoit comme sensiblement blanche, ou blanche avec une teinte bleue perceptible. L'oeil humain s'adapte pour une meilleure sensibilité à de la lumière bleue dans l'obscurité, un observateur percevra donc une lumière électrique qui émet au moins une certaine lumière dans les longueurs d'ondes du bleu comme plus lumineuse que la lumière visible de la même intensité d'une longueur d'onde plus longue. Une LED particulièrement préférée pour utilisation dans la lampe de l'invention est une LED modèle numéro NSPW 310AS fabriquée par Nichia, (491 Oka, Kaminaka - Cho, A Nan-Shi. Tokushima 774) Japon. La source d'énergie électrique peut comprendre une entrée de courant alternatif (provenant par exemple du secteur) que l'on traite de façon à l'utiliser avec des LED (par exemple, une tension réduite, par exemple, par un transformateur abaisseur de tension et convertie en un courant continu). De préférence, la source d'énergie électrique fournit, d'origine, une sortie de courant continu. De préférence, celle-ci peut comprendre une ou plusieurs piles sèches électrochimiques (par exemple, comme une pile bouton ou une pile au lithium que ceux qui sont expérimentés dans l'art connaissent bien). On peut soit ne prévoir qu'une seule pile soit agencer, en série ou en parallèle, une pluralité de piles. Des combinaisons que l'on préfère particulièrement sont deux ou trois piles boutons que l'on utilise pour attaquer une, ou deux, LED Nichia NSPW 310AS. De préférence, la lampe électrique de l'invention comprend une pluralité de LED ayant une haute résistance interne. On prévoira de façon commode deux ou trois de ces LED que l'on pourra agencer en série ou, de préférence, en parallèle. De façon plus commode, la lampe électrique de l'invention a la forme d'une lampe à main, comme une lampe torche ou une lampe de poche. La petite taille de la/les source(s) de lumière de LED et le choix des piles appropriées (par exemple, des piles au lithium) permet un agencement très compact qui tient confortablement dans la paume de la main de l'utilisateur. En particulier, on peut préférer une forme aplatie latéralement que l'on peut facilement mettre dans une poche de pantalon ou de veste. Comme variante, la lampe peut être pourvue d'un moyen de montage (par exemple, d'une vis ou d'un crochet), servant à monter la lampe sur une surface (comme une paroi ou un socle), ou peut- être d'un piquet pour planter dans le sol. On préfère également que la LED de la lampe de l'invention ait une tension de seuil qui soit plus élevée que celle de LED classiques. Ceux qui sont expérimentés dans l'art comprendront que le terme tension de seuil se rapporte à la tension appliquée aux bornes d'une LED, au- dessous de laquelle est émise une très faible lumière. Pour la plupart des LED classiques, la tension de seuil est typiquement d'environ 2 volts. Au contraire, pour les LED utilisées dans la lampe de l'invention, la tension de seuil sera, de préférence, mais pas essentiellement, d'environ 3 volts ou plus. On va maintenant décrire plus en détail l'invention au moyen d'un exemple représentatif et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1A est un tableau montrant la sortie de lumière (en Lux) d'une LED appropriée pour utilisation dans une lampe selon la présente invention, à une plage de valeurs de tension (en dizaines de millivolts) et intensité (milliampères) appliquées; la figure lB montre les résultats tracés sur un graphique, qui comprennent également des valeurs pour x et y, qui sont une mesure de la couleur de la sortie de lumière; la figure 2 est un graphique du flux intégré en fonction de l'intensité s (en mA) de LED de cette même LED; la figure 3 est un graphique d'une puissance lumineuse relative d'une lumière à 475 nm (courbe du haut) et à 550 nm (courbe du bas) en fonction de l'intensité (en mA) de LED de cette même LED; les figures 4A et 4B montrent les résultats des mêmes essais que ceux représentés aux figures 1A/1 B lorsqu'on les a effectués sur une LED verte ayant une faible résistance inteme non appropriée pour utilisation dans une lampe selon la présente invention; la figure 5 est un graphique de la puissance lumineuse relative de la LED verte non appropriée en fonction de la longueur d'onde (en nm) et la figure 6 est un graphique de la tension de plusieurs sources d'énergie électrique différentes en fonction de l'intensité (en mA) de LED, et pour une LED blanche appropriée pour utilisation dans une lampe selon la présente invention. Exemples Le présent inventeur a découvert par hasard que certaines LED peuvent être surchargées sans subir d'endommagement et sans réduire sérieusement la durée de service de la LED. Afin de mieux caractériser cette découverte, on a entrepris certaines recherches en utilisant la LED NSPW 310AS disponible chez Nichia, Japon. On a effectué des essais initiaux en utilisant la LED avec une source d'énergie électrique à faible résistance série, mais l'on a constaté que la résistance série interne de la LED était elle-même suffisante pour limiter l'intensité dans le circuit d'essai employé. Exemple 1 Résultats de sortie d'éclairage On a mesuré l'intensité et la tension et les niveaux de lumière de la LED Nichia à des valeurs d'intensité différentes. Les figures 1A, 1lB en donnent les résultats. A mesure que l'on a augmenté l'intensité à partir d'environ 70 mA, on a obtenu une variation importante de couleurs. On a pu observer ceci comme une variation de teinte d'un blanc brillant à un bleu lumineux. On a répété les mesures pour 3 spécimens différents et l'on a obtenu les mêmes résultats pour chacun d'entre eux. On a espacé la LED de 25 mm du luxmètre (Minolta Luxmeter). io On a mesuré la capacité d'éclairage par sa sortie de Lux (un environnement de travail éclairé est typiquement de 500 à 800 Lux). Ce type de mesure tient compte de la réponse de l'oeil à des couleurs différentes. Les essais ont montré que, avec l'intensité, la lecture de Lux a augmenté, atteint un plateau et commencé à tomber. Ceci signifie que, pour l'oeil, I'aptitude à agir comme source d'éclairage se détériore réellement au-delà d'environ 75 mA. Ceci ne signifie pas que toute la sortie de lumière de la LED tombe, mais plutôt qu'il y a un décalage vers l'extrémité du bleu du spectre et, puisque l'oeil est moins sensible aux longueurs d'ondes du bleu, la valeur de Lux diminue. Exemple 2 Résultats de spectre optique On a mesuré les spectres optiques à différentes intensités de LED. Ceci a montré la façon dont la puissance de sortie relative varie avec la longueur d'onde d'un bout à l'autre de tout le spectre visible. Les résultats (données non fournies) ont démontré un pic de courant à l'extrémité du bleu du spectre et un large plateau s'étendant vers l'extrémité du rouge. On a espacé la LED de 3 mm de la fibre optique de spectrophotomètre. Comme spectrophotomètre, on a utilisé un dispositif Ocean Optics PC 1000-4. La tendance générale des graphiques montre une augmentation de sortie relative à mesure que l'on augmente l'intensité jusqu'à environ 70 mA, les niveaux atteignant un plateau et tombant à des intensités plus hautes. La forme du spectre varie également, la bande se trouvant entre 500 nm et 600 nm étant supprimée à des intensités plus hautes. Ceci est une autre explication du décalage vers le bleu dû à une suppression des composantes verte et rouge du spectre. En intégrant la puissance à toutes les longueurs d'ondes de chacun des spectres, on peut trouver la puissance totale émise, comme le montre la figure 2. Celle-ci montre également un pic et un plateau et une retombée éventuelle. Le pic se produit à une intensité d'attaque d'environ mA. La raison pour laquelle celui-ci est légèrement plus haut que le résultat de Lux de la figure 1 est que les valeurs de Lux tiennent compte du pic de la réponse de l'oeil dans la zone de vert du spectre. 1 5 On peut obtenir une autre vue des mêmes données en traçant la performance à des longueurs d'ondes spécifiques d'un bout à l'autre de la plage d'intensités d'attaque. La figure 3 montre des points pour 475 nm et 550 nm. La conclusion est que la réponse à 550 nm atteint un pic à 80 mA, tandis que la puissance à 475 nm continue à augmenter. Exemple 3 Résultats de sortie avec une LED verte classique On a choisi une LED verte classique à faible résistance interne pour des essais comparatifs. On a recueilli le même ensemble d'informations pour la LED verte que pour la LED blanche. Celle-ci a montré la même performance électrique globale avec toutefois une tension de seuil et une résistance en pente plutôt plus basses. Du point de vue optique, la couleur est un vert pur. Les niveaux de Lux montent jusqu'à un pic à environ 130 mA, mais le niveau est pratiquement divisé par deux par rapport à celui de la LED blanche. Les figures 4 et 5 montrent les résultats. Exemple 4 Essais de durée de service On a fait fonctionner les LED blanches Nichia à des intensités différentes jusqu'à une valeur maximale de 250 mA. A ce point, le dispositif a démarré par tout ou rien comme si un déclenchement thermique était intervenu, bien que ceci pourrait être dû simplement à une déconnexion de fil à des températures élevées produites par l'intensité de fonctionnement relativement haute. Des essais supplémentaires d'un dispositif fonctionnant à cette intensité ont montré qu'il a subi un endommagement, sa sortie étant réduite d'environ 50 % à une intensité d'essai de 70 mA. On a effectué un essai de longue durée, sur 24 heures de fonctionnement continu, à 100 mA. Celui-ci a montré que la sortie de lumière n'a changé que très légèrement à la fois en termes de niveau et de couleur. La tension aux bornes n'a pas non plus été affectée. Exemple 5 Essais de piles On a effectué tous les essais suivants sur des piles utilisées, I'état des piles et leur capacité restante n'étant pas connus. 5.1 Piles boutons simples On a testé celles-ci en circuit ouvert et avec une charge de 100 ohms. On a obtenu des résultats pauvres avec une chute de tension importante et sans stabilisation adéquate de sortie, la tension continuant à tomber très rapidement. Lorsque l'on a retiré la charge, il a fallu pratiquement une minute pour restaurer la tension de circuit ouvert. Résultats d'essai: Tension de circuit ouvert 3,01 V typique Tension sous charge 2,55 V moyen après 2 secondes A partir de là, on peut obtenir par calcul la résistance efficace série de pile de 18 ohms. 5.2 Empilement de 3 piles boutons Celui-ci a présenté une chute très raide de tension de' sortie sous charge. Résultats d'essai: Tension de circuit ouvert 8,99 V Tension sous charge 4,4 V après 2 secondes, charge de 100 ohms. A partir de là, on peut obtenir par calcul la résistance efficace série de pile de 104 ohms. Si on la partageait entre les 3 piles, la résistance série de chacune serait alors de 35 ohms. Dans ce cas, plus de la moitié de la puissance de la pile se perd dans la pile elle-même. Des essais effectués avec la LED blanche ont montré un appel d'intensité d'environ 1 1 0 mA, mais celle-ci a chuté rapidement. 5.3 Pile au lithium plate modèle 3 V Tension de circuit ouvert 3,22 V Tension sous charge 3,06 V après 2 secondes, charge de 100 ohms. A partir de là, on peut obtenir par calcul la résistance efficace série de pile de 5,2 ohms. Ceci est un bon résultat par comparaison avec les piles boutons. Des essais effectués avec la LED blanche ont montré un appel d'intensité d'environ 8 mA avec une chute de tension de pile à 3,17 V. 5.4 Pile au lithium plate modèle 6 V Tension de circuit ouvert 6,36 V Tension sous charge 5,85 V après 2 secondes, charge de 100 ohms. A partir de là, on peut obtenir par calcul la résistance efficace série de pile de 8,7 ohms. C'est, là encore, un bon résultat par comparaison avec les piles boutons. Des essais effectués avec la LED blanche ont montré un appel de courant d'environ 115 mA avec une chute de tension de pile à 5,17 V. Analyse de pile On peut utiliser les résultats d'essai de pile ci-dessus pour évaluer la meilleure combinaison de pile et de LED. On appelle analyse de ligne de charge le procédé que montre la figure 6. Le point o une tension de sortie de pile quelconque donnée coupe le tracé tension/intensité de LED représente le point de fonctionnement de cette combinaison. Le graphique donne les points de fonctionnement suivants: 2 piles boutons 60 mA 3 piles boutons 50 mA pile au lithium plate de 3 V 10 mA pile au lithium plate de 6 V 150 mA. Ces résultats sont basés de façon théorique sur une supposition de résistance en ce qui concerne la résistance de sortie des piles. En pratique ceci n'est pas vrai, la résistance efficace augmentant avec l'augmentation d'intensité de charge. On peut cependant utiliser les résultats pour effectuer des choix savants de la façon dont on attaquera le mieux les LED. A partir des résultats ci-dessus, la performance des 3 piles boutons apparaît inférieure du fait de la perte de puissance a l'intérieur de la pile elle-même, la pile au lithium de 3 V n'est pas optimale du fait que la tension aux bornes et la tension résultante sont trop faibles ni, non plus, de façon potentielle, la pile au lithium de 6 V du fait qu'elle donne une intensité qui procure une sortie de lumière inférieure aux états de fonctionnement optimaux. Les 2 piles boutons semblent être un compromis raisonnable. Conclusions Le travail mène aux conclusions suivantes: Bien que l'intensité continue maximale du dispositif soit de 25 mA, on a constaté que le dispositif pourrait continuer à fonctionner jusqu'à 250 mA, bien qu'il puisse éventuellement en résulter un endommagement. Bien que des intensités plus hautes aient provoqué une augmentation du total de puissance émise, pour l'oeil, la sortie de Lux nécessaire à n'importe quel système d'éclairage montre un pic net à Il environ 75 mA. On a une sortie réellement moins utile lorsque l'intensité augmente au-delà de ce niveau. Le résultat de sortie de Lux suggère qu'il faut être prudent lors de la conception d'une lampe torche utilisant les LED, il est possible que l'on doive inclure une série de résistances avec les LED (la façon normale d'attaquer le dispositif) pour garantir une limite de l'intensité au niveau de Lux maximal. Il apparaît que le dispositif est extrêmement robuste même pour une surcharge/surattaque d'un facteur de 10. La surattaque de longue io durée à 100 mA n'a pas fait apparaître de modification des caractéristiques de LED, même si celle-ci constitue une surattaque d'un facteur de 4. A des hautes intensités, le dispositif chauffe. La chaleur passe par les conducteurs et n'importe quelle conception de lampe torche doit garantir un trajet pour ce flux de chaleur. Il semble que ce soit un compromis chanceux entre la combinaison de 2 piles boutons et leurs caractéristiques de tension et de résistance et la résistance série de LED, qui permet à la LED de fonctionner à, ou proche de, sa capacité optimale à des fins d'éclairage. Il est nécessaire de réduire l'intensité maximale de fonctionnement précisée par le fabricant lorsque la température ambiante augmente (par exemple, que l'intensité continue maximale soit fixée à 10 mA pour une température ambiante de 60 C). Bien qu'une température ambiante de ce niveau soit peu probable, I'effet de chauffe dû au transfert de chaleur de la/les LED vers l'intérieur du boîtier de lampe torche augmente la température interne au-delà de la température ambiante. Le choix de pile est important. Les piles boutons semblent avoir une résistance efficace série qui est trop élevée si elles sont mises en oeuvre en empilement de 3 piles. La pile plate de 3 volts fonctionne à une intensité plutôt trop faible, et sa tension aux bornes est trop proche de la tension de seuil de la LED, ce qui mène à des problèmes de chute de sortie de lumière dramatique avec une augmentation de la température ambiante. REVENDICATIONS 1. Lampe électrique portative caractérisée en ce qu'elle comprend un boîtier, une source d'énergie électrique, et en ce qu'elle comporte, comme source de lumière, une LED (diode émettrice de lumière) à haute résistance interne. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la LED est surchargée. 3. Lampe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la source d'énergie électrique fournit une sortie de courant continu. 4. Lampe selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de LED à haute résistance interne. 5. Lampe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lampe a la forme d'une lampe torche à main ou d'une lampe de poche. 6. Lampe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la LED a une tension de seuil d'environ 3 volts, ou plus. 7. Lampe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend, en tant que source de lumière, une LED NSPW 310AS Nichia. 8. Lampe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle a une forme aplatie latéralement de façon à se placer dans une poche de pantalon ou de veste.