Brevet FR2789258A1 — publié le 20000804

SOURCE LUMINEUSE A DIODES ELECTROLUMINESCENTE. La présente invention concerne la réalisation de sources lumineuses utilisant des diodes électroluminescentes et à même de fournir des intensités lumineuses très élevées. Les sources lumineuses réalisées selon l'invention peuvent être utilisées dans de très nombreuses applications et notamment pour la signalisation routière ou ferroviaire, le balisage des aéroport et d'une manière générale chaque fois qu'il sera nécessaire d'avoir une source lumineuse intense, fiable et à consommation électrique réduite. Il existe déjà de nombreuses applications des diodes électroluminescentes (ou diodes en abrégé) dans des dispositifs d'éclairage et en remplacement d'ampoules à filament. Généralement, plusieurs diodes sont placées sur un support généralement plan, un circuit imprimé par exemple, et, afin d'obtenir une grande intensité lumineuse pour une surface émissive donnée, les diodes sont rangées d'une façon aussi serrées que possible. L'intensité lumineuse obtenue dépend donc directement du rendement des diodes et de la surface disponible. Pour certaines applications, les balises d'aéroport par exemple, les normes d'éclairement sont telles qu'il n'est pas possible de remplacer les lampes à filament par des diodes électroluminescentes occupant le même emplacement. La présente invention apporte un avantage important puisqu'elle permet, à surface de source et rendement de diode constant, d'augmenter l'intensité lumineuse d'une source dans une proportion pouvant aller jusqu'à 70% et ceci tout en conservant la même fiabilité. L'invention consiste à augmenter le nombre de diodes en les plaçant sur plusieurs niveaux, un niveau inférieur et un niveau supérieur par exemple, et en faisant en sorte que la lumière - 2 - émise par les diodes des niveaux inférieurs traverse sans pertes importantes les niveaux supérieurs, les corps des diodes desdits niveaux supérieurs constituant un élément optique pour ladite lumière. L'invention concerne donc une source lumineuse à diodes électroluminescentes du type comportant: - un arrangement de plusieurs diodes électroluminescentes, - des moyens d'assemblages des dites diodes, - des moyens d'alimentation, caractérisée en ce que les diodes électroluminescentes sont réparties sur au moins deux niveaux, un niveau supérieur et un niveau inférieur, de sorte que la lumière émise par les diodes dudit niveau inférieur traverse un espace du niveau supérieur occupé par les diodes placées sur ledit niveau. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une présentation d'un arrangement typique d'une source lumineuse à diodes électroluminescentes selon l'art antérieur, La figure 2 est un schéma deux vues d'une diode électroluminescente typique utilisée dans les sources lumineuses, La figure 3 est une présentation en trois vues du principe d'un arrangement des diodes électroluminescentes selon l'invention appliqué à une source lumineuse de forme rectangulaire, La figure 4 est un exemple d'application de l'invention à une source lumineuse de forme circulaire, La figure 5 est une présentation en trois vues d'une variante de la figure 3, comportant trois niveaux de diodes, et appliqué à une source lumineuse de forme rectangulaire, - 3 La figure 6 est une présentation en deux vues d'une variante de l'invention, appliqué à une source lumineuse de forme rectangulaire La figure 7 est un second exemple d'application à une source lumineuse de forme rectangulaire de la variante de la figure 5, La figure 8 est un exemple d'application à une source lumineuse de forme circulaire de la variante de la figure 5, La figure 9 est une présentation en trois vues d'une variante de la figure 6, comportant trois niveaux de diodes, et appliqué à une source lumineuse de forme rectangulaire, La figure 10 est une variante de l'invention appliquée à une source lumineuse de forme circulaire, et La figure 11 est une présentation d'une variante à large champ d'une source lumineuse selon l'invention. La figure 1 montre un exemple d'une source lumineuse circulaire selon l'art antérieur dans laquelle des diodes électroluminescentes 1 sont disposées en rangées, 2, 3, 4 etc. Ces rangées peuvent être placées côte à côte, 2 et 3 par exemple, ou imbriquées, 3 et 4 par exemple, pour optimiser l'utilisation de la surface disponible. La puissance lumineuse totale est évidemment limitée à la surface disponible et au nombre de diodes électroluminescentes qui peuvent y être disposées. La figure 2 montre l'une des dispositions typiques d'une diode électroluminescente 5 qui peut être utilisée dans l'invention. Une telle diode comporte un corps 6 sensiblement cylindrique ou elliptique d'axe 7, terminé à l'une de ses extrémités par une surface 8 sensiblement hémisphérique ou ellipsoïdale, ayant un sommet 9 placé sensiblement sur l'axe 7, et à l'autre par une surface sensiblement plane 10. La lumière est émise par une source rayonnante 11 placée sensiblement au centre de ladite - 4 - surface hémisphérique ou ellipsoïdale 8 d'o elle sort dans un cône 12 dont la forme dépend des caractéristiques de construction de la diode et ayant un axe 13 sensiblement colinéaire à l'axe 7 du corps 6 de ladite diode. L'alimentation électrique se fait par des connexions 14 qui sortent de la face plane 10. Il est bien entendu possible d'utiliser des diodes électroluminescentes dont le corps 6 soit carré ou rectangulaire et non cylindrique ou encore dont la surface de sortie 8 soit plane sans sortir du cadre de l'invention. Il est également possible de mélanger divers types de diodes sur les différents niveau et également d'utiliser, notamment pour le niveau inférieur, des diodes du type Composant Monté en Surface (CMS)sans sortir du cadre de l'invention. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, ainsi que le montre les trois vues de la figure 3, les diodes électroluminescentes 1 sont disposées sur deux niveaux, un niveau supérieur 15 et un niveau inférieur 16 de sorte que la lumière émise par les diodes du niveau inférieur traverse un espace 17 ou se trouvent les diodes du niveau supérieur. Le niveau supérieur 15 comporte au moins une rangée 18 d'au moins deux diodes 1, ayant un axe 19, et de préférence deux rangées ou plus, placées parallèlement, deux diodes adjacentes étant séparées par un pas 20, au moins égal à leur largeur et de préférence inférieur à deux fois leur largeur, les rangées 18 étant séparées par un entre-axe 21. Le niveau inférieur 16 comporte de préférence le même nombre de rangées de diodes 22 que le niveau supérieur 15, d'au moins une diode chacune, et placées en dessous des diodes du niveau supérieur, leurs axes 19 étant sensiblement superposés, de telle sorte que les diodes 22 du niveau inférieur soient décalées sensiblement d'un demi pas 20, le long de l'axe 19, par rapport aux diodes 1 du niveau supérieur et qu'ainsi leur sommet 9 se trouve en face d'une zone 23 o deux diodes du niveau supérieur sont proches ou tangentes. cette disposition permet de faire passer les - 5 - connexions 14 des diodes du niveau supérieur de chaque côté d'une zone 24 o les diodes 22 du niveau inférieur sont proches ou tangentes. Les diodes 1 du niveau supérieur 15 peuvent être choisies avec un faisceau de sortie 25 formant un angle x large. Dans le cas le plus fréquent o la source lumineuse doit couvrir un champ plus large que haut, il est intéressant d'utiliser des diodes ayant un faisceau de sortie 25 elliptique et de les orienter de façon à ce que la plus grande largeur dudit faisceau soit sensiblement parallèle à la plus grande dimension du champ à couvrir. Les diodes du niveau inférieur 16 sont avantageusement choisies avec un faisceau de sortie 26 plus étroit. Les rayons des faisceaux 26 émis par les diodes 22 du niveau inférieur 16, entrent dans les diodes 1 du niveau supérieur 15 par leur partie plane 10 en subissant une réfraction qui tend à resserrer légèrement lesdits faisceaux. Ceux-ci traversent ensuite les diodes 1 dudit niveau supérieur 15 en passant à côté des sources rayonnantes 11 desdites diodes 1 et ressortent par leur partie hémisphérique ou ellipsoïdale 8 en subissant une nouvelle réfraction, beaucoup plus importante que la précédente. Cette dernière réfraction tend à écarter largement les rayons et à créer des faisceaux de sortie 27 ayant un angle analogue à l'angle x des faisceaux de sortie 25 des diodes du niveau supérieur 15. Le corps 6 et l'extrémité hémisphérique ou ellipsoïdale 8 des diodes 1 du niveau supérieur constituent ainsi un élément optique complémentaire de mise en forme de la lumière émise par les diodes 22 du niveau inférieur. Toutes les diodes électroluminescentes sont raccordées à une alimentation de préférence par l'intermédiaire d'un circuit imprimé 28 sur lequel les connexions 14 desdites diodes sont soudées. Cette disposition peut évidemment être appliquée avec un nombre quelconque de rangées 18 et un nombre quelconque de diodes 1 ou 22 sur chacun des deux niveaux pour réaliser des sources de - 6- formes quelconque et qui peuvent notamment être carrées, rectangulaires ou circulaire. La figure 4 montre une disposition typique de l'application de l'invention à une source de forme circulaire 29 comportant, par exemple, 8 rangées 30 à 37. Dans une telle application, chaque rangée de niveau inférieur peut comporter un nombre de diodes 22 inférieur, égal ou même supérieur au nombre de diodes 1 de la rangée correspondante du niveau supérieur. Dans cet exemple, les rangées 30, 31, 33, 34, 36 et 37 comportent, au niveau supérieur, une diode 1 de plus que le nombre de diodes 22 du niveau inférieur. Par contre, et parce que la géométrie le permet dans cet exemple, les rangées 32 et 35, qui sont décalées d'un quart d'entre-axe 20, le long de leur axe 19, par rapport aux autres rangées, comportent un nombre identique de diodes sur chacun des deux niveaux. La figure 5 montre une variante du principe de la figure 4 dans laquelle des diodes électroluminescentes sont réparties sur trois niveaux. A cet effet, outre les diodes 1 et 22 placées sur les niveaux supérieur 15 et inférieur 16, au moins une et de préférence plusieurs diodes électroluminescentes 38, éventuellement de taille plus réduite que celle des diodes 1 ou 22, des diodes CMS par exemple, sont placées sur un troisième niveau 40, sensiblement sous les diodes 22 du niveau inférieur, de préférence entre le circuit imprimé 28 et la face plane 10 des dites diodes 22 du niveau inférieur 16. En choisissant des diodes 38 suffisament petites, il est possible de placer, immédiatement sous les rangées 18, deux fois plus de diodes 38 qu'il n'y a de diodes 1 ou 22 sur les dites rangées 18. Pour compléter le dispositif, des diodes 39 supplémentaires peuvent être placées entre les diodes 38 sensiblement au milieu de l'entre-axe 21 séparant les rangées 18. Il est également possible de resserer les rangées des diodes 38 et 39 de façon à ce qu'elles ne correspondent plus ni aux rangées 18 ni au milieu de leur entre-axe. Le nombre desdites diodes 38 et 39 peut ainsi être encore augmenté et ceci en fonction de leur taille et de l'encombrement de leurs connexions. - 7 - Dans une variante de l'invention, ainsi que le montre les figure 6, 7 et 8 et 9, les diodes électroluminescentes sont également disposées sur deux ou trois niveaux. Dans le cas de la figure 6, le niveau supérieur 15 comporte lui aussi au moins deux rangées 18 d'au moins deux diodes 1 placées parallèlement, deux diodes 1 adjacentes étant séparée par un pas 20 au moins égal à leur largeur et de préférence inférieur à deux fois leur largeur, les rangées 18 étant séparées par un entre-axe 21. Le niveau inférieur 16 comporte au moins une rangée d'au moins une diode 22, décalée d'un demi pas 20 le long de l'axe 19 et d'un demi entre-axe 21 perpendiculairement audit axe, de telle sorte que ladite diode 22 émet la plus grande partie de sa lumière dans un espace 41 délimité par quatre quarts de cercle et laissé libre entre quatre diodes, 42, 43, 44 et 45 par exemple, adjacentes deux à deux sur deux rangées 18 du niveau supérieur 15. Cette disposition peut être appliquée avec un nombre quelconque de rangées d'un nombre quelconque de diodes au niveau supérieur. La figure 7 montre l'application avec trois rangées 18 de diodes 1 au niveau supérieur et deux rangées 48 de diodes 22 au niveau inférieur. Il est évident qu'il est possible de placer au niveau inférieur un nombre de rangées de diodes électroluminescentes égal ou supérieur à celui du niveau supérieur, sans sortir du cadre de l'invention. La figure 8 montre l'application de cette variante à une source de forme circulaire. La figure 9 montre l'application de cette variante à une source rectangulaire ayant trois niveaux de diodes. A cet effet, au moins une et de préférence plusieurs diodes électroluminescentes 38, éventuellement de taille plus réduite que celle des diodes 1 ou 22, des diodes CMS par exemple, sont placées sur un troisième niveau 40, sous les diodes 22 du niveau inférieur 16, de préférence entre le circuit imprimé 28 et la face plane 10 des dites diodes 22. Elles peuvent être disposées en formant des rangées 46 perpendiculaires aux rangées 18 des niveaux supérieurs. Les diodes 38 sont séparées par un intervalle 47 qui peut être aussi réduit que possible ou - 8 - par exemple égal à la moitié d'un entre-axe 21 séparant deux rangées 18. Cette variante peut évidemment être appliquée à une source de forme circulaire ou quelconque. Dans une autre variante de l'invention, telle que décrite dans la figure 3, et pour une application à une source circulaire, les rangées de diodes 18 peuvent être courbées et ainsi les diodes des deux ou trois niveaux peuvent être disposées en cercles concentriques, ainsi que le montre la figure 10 pour deux niveaux. Dans cette variante, les diodes 1 du niveau supérieur 15 sont placées, par exemple, sur trois cercles, autour d'une diode centrale 49. Le cercle le plus petit comporte au plus six diodes, le cercle suivant au plus douze diodes, le troisième cercle au plus dix-huit diodes et ainsi de suite si l'on rajoute d'autres cercles. Le niveau inférieur 16 comporte également au moins un cercle comportant également au plus six diodes 22. Par rapport à une direction de référence , passant par le centre d'une diode 1 de chacun des trois cercles de diode du niveau supérieur 15, le cercle intérieur du niveau inférieur est décalé d'un angle 6 égal à environ 30 degrés de façon que chacune de ses diodes 22 soit situées sensiblement sous une zone 23 o les diodes 1 du cercle intérieur du niveau supérieur 15 sont proches ou tangeantes. Dans l'exemple présenté à trois cercles concentriques, le deuxième cercle est décalé d'un angle x égal à environ 15 degrés de façon à obtenir le même résultat. Le troisième cercle est lui décalé d'un angle s égal à environ 10 degrés et ainsi de suite si l'on rajoute d'autres cercles. Cette variante peut également recevoir un troisième niveau de diodes sous le deuxième niveau. Le nombre et la disposition de ces diodes pouvant être très divers en fonction du type de diodes choisies. Dans une autre variante de l'invention, le circuit imprimé 29 de l'une des variantes décrites précédemment peut être décomposé en deux ou plusieurs plans, trois par exemple, 51, 52 et 53, inclinés les uns par rapport aux autres, ainsi que le montre la figure 11, de façon à orienter les diodes 9 électroluminescentes dans au moins deux directions différentes et à assurer ainsi un éclairement sur un angle y plus large que les angles a ou D obtenus avec un circuit imprimé plan. L'utilisation d'un circuit imprimé moulé courbe, sous la forme d'une portion de cylindre, d'une portion de sphère ou encore de toute autre forme, permet d'obtenir des répartitions d'éclairement très variées et donc de répondre aisément à toute sorte de spécification d'éclairement. Les différentes variantes de l'invention peuvent recevoir des diodes de formes différentes sur un même niveau ou d'un niveau à l'autre sans sortir du cadre de l'invention. Enfin, il peut être intéressant d'utiliser, pour les différents niveaux, des diodes de couleurs différentes, ou encore de répartir lesdites diodes de couleurs différentes sur chacun des niveaux pour obtenir des effets particuliers tant sur le champ couvert que sur l'aspect produit. - 10 - REVENDICATIONS 1. Source lumineuse à diodes électroluminescentes du type comportant: - un arrangement de plusieurs diodes électroluminescentes, - des moyens d'assemblages des dites diodes, - des moyens d'alimentation, caractérisée en ce que les diodes électroluminescentes sont réparties sur au moins deux niveaux, un niveau supérieur (15) et un niveau inférieur (16), de sorte que la lumière émise par les diodes dudit niveau inférieur traverse un espace (17) du niveau supérieur occupé par les diodes placées sur ledit niveau. 2. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon la revendications 1, caractérisée en ce que chaque niveau de diodes comprend au moins une rangée (18), ayant un axe (19), de diodes électroluminescentes et de préférence plusieurs rangées placées cote à cote et ayant entre elles un entre-axe (21), chaque rangée du niveau supérieur ayant au moins deux diodes (1) et de préférence plusieurs placées sensiblement côte à côte et alignée avec un pas (20) au moins égal à la largeur d'une diode et de préférence inférieur à deux fois cette largeur, chaque rangée du niveau inférieur ayant au moins une diode (22) et de préférence plusieurs également placées sensiblement côte à côte et alignée avec un pas sensiblement égal au pas (20) des diodes (1) du niveau supérieur, au moins une rangée du niveau inférieur étant placée sous une rangée du niveau supérieur, leurs axes (19) étant ainsi sensiblement superposés, avec un décalage le long desdits axes (19) sensiblement égal à la moitié d'un pas (20), de sorte qu'un faisceau (26) de lumière émis par une diode de cette rangée du niveau inférieur traverse une zone (23) o deux diodes (1) du niveau supérieur sont proches et de préférence tangentes, une partie de ladite lumière entrant dans au moins une desdites diodes, par une face plane (10) formant une des deux extrémités de ladite diode, et ressortant par l'autre extrémité (8). - 11 - 3. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon la revendications 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un troisième niveau (40) comprenant au moins une et de préférence plusieurs diodes électroluminescentes (38) placées sous les diodes (22) du niveau inférieur (16). 4. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que les rangées de diodes (18) sont courbées. 5. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que les rangées de diodes (18) sont courbées en arcs de cercle et de préférence en cercles concentriques. 6. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon la revendications 1, caractérisée en ce que chaque niveau de diodes comprend au moins une rangée de diodes électroluminescentes et de préférence plusieurs rangées placées cote à cote et ayant entre elles un entre-axe (21), chaque rangée (18) du niveau supérieur (15) ayant au moins deux diodes (1) placées sensiblement côte à côte et alignées avec un pas (20) au moins égal à la largeur d'une diode et de préférence inférieur à deux fois cette largeur, chaque rangée (48) du niveau inférieur (16) ayant au moins une diode (22) et de préférence plusieurs également placées sensiblement côte à côte et alignée avec un pas sensiblement égal au pas des diodes du niveau supérieur, au moins une rangée du niveau inférieur étant décalée de la moitié d'un pas (20) parallèlement à l'axe (19) d'une rangée (18) et d'un demi entre-axe (21) perpendiculairement audit axe, de sorte que la plus grande partie de la lumière émise par les diodes (22) de la dite rangée (48) du niveau inférieur (16) passe dans des espaces (41) délimités par quatre diodes, du niveau supérieur (15), adjacentes entre elles deux à deux (42, 43, 44 et 45). - 12 - 7. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon la revendications 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un troisième niveau (40) comprenant au moins une et de préférence plusieurs diodes électroluminescentes (38) placées sous les diodes (22) du niveau inférieur (16). 8. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les diodes électroluminescentes de ladite source sont orientées dans au moins deux directions différentes de façon à obtenir un angle d'éclairement plus étendu. 9. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que les diodes électroluminescentes de ladite source sont de formes et éventuellement de couleurs différentes sur un même niveau. 10. Source lumineuse à diodes électroluminescentes selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que les diodes électroluminescentes de ladite source sont de formes et éventuellement de couleurs différentes d'un niveau à l'autre.