Brevet FR2866778A1 — publié le 20050826

Domaine d'application Cette invention se rattache au domaine de l'éclairage par Leds (Light Emetting Diode ou Diode ElectroLuminescente en français). Les avantages des Leds par rapport à d'autres sources lumineuses sont tels, que nombres d'éclairages domestiques, publiques et architecturaux feront de plus en plus appel à cette technologie dans les années à venir. En effet, depuis peu de temps, différents fabricants sont parvenus à produire des Leds dotées d'un remarquable rendement lumineux, et chaque année voit apparaître des produits toujours plus performants. Parmi les avantages des Leds, on peut citer leur exceptionnelle durée de vie (jusqu'à 100 000 heures), leur faible consommation, leur robustesse mécanique, l'absence de rayonnement ultraviolet, la relative facilité de focalisation du flux lumineux, la gamme de couleur disponible, etc... En particulier, ces nouveaux composants permettent de réaliser très facilement des éclairages de couleur variable, allant du blanc au vert, bleu, jaune, rouge etc... grâce à l'utilisation de triplettes de Leds dites RGB , c'est à dire en mixant une Led rouge, une verte et une bleue. Ces nouveaux éclairages multicolores commencent à être utilisés en architectural, et s'apprêtent à gagner nos maisons. Il convient de préciser que ce type d'éclairage RGB délivre une lumière blanche bien plus agréable que les Leds dites blanches . En effet, ces dernières sont en fait des Leds bleues dont le substrat est dopé au phosphore ; lorsqu'on examine le spectre, on se rend compte qu'il y a un pic calé sur le bleu (environ 470 nm) et un rebond dans le jaune. Bleu et jaune délivrent bien du blanc, cependant le vert et surtout le rouge sont pratiquement absents du spectre. Lorsqu'on sait que bien évidemment les objets n'ont pas de couleur intrinsèque, mais réfléchissent tout ou partie de la lumière, on comprend que si ladite lumière ne comporte pas de composante rouge, les objets ainsi éclairés n'apparaîtront pas rouges... La lumière RGB comporte, elle, toutes les couleurs de l'arc-en-ciel ! Limitation de la technologie actuelle L'inconvénient de ces illuminations RGB réside dans la complexité de mise en u̇vre, puisque chaque couleur doit être gérée séparément pour pouvoir obtenir la palette de couleurs. En câblage classique, il faut au minimum 4 fils pour alimenter ces éclairages, ce qui peut être une difficulté majeure dans certaines installations. D'une façon très concrète, ces câbles multiples posent un problème important dans le cas des installations électriques existantes. En effet, lorsqu'on désire remplacer un ancien luminaire par un dispositif RGB, on est obligé de refaire tout le câblage de l'installation, et cela constitue souvent un obstacle majeur. Pour exemple, la plupart des fontaines publiques sont illuminées par des lampes à incandescence ou halogènes qui posent des problèmes de durée de vie. Dans ce cas, les illuminations par Leds sont extrêmement bien appropriées, et permettent des effets spectaculaires de couleur et de variations stroboscopiques. Cependant, il est tout à fait rédhibitoire de changer le câblage existant pour l'adapter aux quatre fils nécessaires aux projecteurs RGB, car l'installation électrique est souvent enterrée et inaccessible. Objet de l'invention Le problème que se propose de résoudre la présente invention est précisément d'alimenter et de commander des projecteurs RGB par une seule paire de câbles. Ainsi, il devient possible d'installer un dispositif d'illumination RGB à Leds tout en conservant les câbles de l'installation d'origine. Cette technologie ouvre un marché considérable, puisqu'elle donne accès au marché de remplacement et de renouvellement des luminaires existants. Etat de la technique actuelle Après vérification sur Internet auprès des différents fabricants, il semble qu'un tel dispositif n'existe pas encore. Un des spécialistes des éclairages par Leds, la société LUMILED utilise pour ses projecteurs RGB LUXEON un câblage spécifique doté de 8 fils ! Une autre société américaine COLOR KINETICS emploie une connectique spécifique dotée de 4 fils pour sa gamme C-SPLASH 2 , ou éventuellement 3 fils si l'on peut se passer d'une mise à la terre. A ce jour, seuls les éclairages Leds monochromes peuvent se contenter de 2 fils. Description de l'invention Deux méthodes sont ici décrites et revendiquées : Le principe de base consiste, soit à séquencer et multiplexer des signaux de puissance destinés à l'alimentation des Leds, en y superposant une tension d'alimentation et des signaux de synchronisation ; soit à superposer des signaux binaires de commande à l'alimentation des Leds. Ces dispositifs sont spécifiques et originaux, et n'ont a priori jamais été commercialisés. Première méthode : Le système se subdivise en deux unités distinctes : - d'une part un boîtier de commande (figure 1) intégrant la plus grande partie de l' électronique - d'autre part, le projecteur RGB (figure 2) qui comporte, outre les Leds ellesmêmes, un dispositif électronique. Un câble à 2 fils relie ces deux unités. Le principe de la figure 1 est le suivant : une horloge délivrant un signal carré de 10 KHz (ou autre fréquence) cadence un compteur décimal qui délivre un créneau calibré alternativement sur 3 monostables. Ces monostables délivrent des impulsions dont la largeur est variable par une entrée de commande PWM (modulation en largeur d'impulsions ). Les impulsions de sortie des monostables sont dirigées vers 3 générateurs à courant constant, dont les sorties sont alternativement commutées sur un même fil au moyen de transistors de type MOS ou autre. Une unité de modulation et de séquencement commande les 3 entrées PWM des monostables.Cette unité produit des signaux de commande qui permettent au monostables de délivrer des impulsions très fines ou même réduites à zéro correspondant à une absence de lumière ; jusqu'à des impulsions larges pour une illumination maximale. Cette unité permet toutes sortes de mixages et d'effets : modulation automatique ou manuelle de chacune des couleurs, stroboscopie, chenillard, séquencement etc... Un tableau de contrôle permet de régler les paramètres voulus ; une interface autorise également le raccordement d'un ordinateur optionnel. En outre, un récepteur de télécommande radio ou infrarouge active la mise en fonction du dispositif, ainsi que la modification des paramètres à distance. Des signaux de synchronisation et de RAZ sont superposés au fil de sortie commun des 3 transistors, afin de synchroniser les compteurs du boîtier et du projecteur qui commandent les 3 couleurs. Lorsque le premier monostable rouge termine son impulsion, il déclenche un second monostable qui délivre une impulsion de comptage sur le fil commun, afin de faire passer le compteur du projecteur vers la couleur suivante. Quand l'horloge commande le monostable vert , le processus se déroule de la même façon que pour le rouge. Enfin, quand l'impulsion bleu est délivrée, le monostable suivant délivre non pas un signal de synchronisation provoquant un saut du compteur du projecteur, mais un signal de RAZ ordonnant au dit compteur de recommencer le cycle, à savoir, la couleur rouge.On garantit ainsi une parfaite synchronisation des compteurs du boîtier et du (ou des) projecteur(s). Une tension d'alimentation 10 V de faible courant se superpose à ce fil commun, ce qui n'est pas gênant pour les projecteurs à Leds, puisque par le jeu de la mise en série de plusieurs Leds, on reste en dessous de la tension de passage nécessaire à l'illumination desdites Leds. Enfin, une alimentation principale constituée d'un transformateur d'isolement de 24 Volts alternatif dont la sortie est redressée et filtrée par des condensateurs (10 000 à 50 OOOuF) fournit les 34 Volts commutés par les transistors de puissance. Les tensions d'alimentations stabilisées nécessaires à l'électronique sont issues de cette tension principale de 34 Volts. La figure 2 décrit le fonctionnement du projecteur à Leds : le fil d'entrée (référencé à la masse) alimente les anodes des 3 groupes de Leds. D'autre part, un dispositif de discrimination des signaux de synchronisation et de RAZ permet d'isoler et de mettre en forme lesdits signaux, et de les diriger vers des comparateurs qui délivreront les commandes de synchronisation et deRAZ au compteur. Ce dernier commute alors les cathodes des Leds par le moyen de transistors de commande MOS ou autre. Lorsqu'un signal de RAZ parvient au projecteur, le compteur se remet à zéro, et recommence le cycle par la couleur rouge. Les chronogrammes de la figure 3 permettent de mieux comprendre les séquencements : le premier graphique indique la sortie de l'horloge ; encore une fois, 10 KHz est une valeur indicative, et toute autre fréquence de 50 Hz à 100 KHz est utilisable. Le deuxième graphe indique la sortie compteur où l'on voit bien les 3 impulsions uniformes alternées. Le troisième graphe montre ce qui se passe en sortie des 3 monostables couleur : le cadencement reste fixé par le compteur, mais les largeurs d'impulsions sont variables, en fonction des commandes PWM . Enfin, le dernier graphe indique ce qui se passe sur le fameux fil commun de sortie référencé à la masse : d'abord, on constate que l'amplitude des 3 impulsions de commande des Leds s 'étend d'un niveau bas de 10 Volts à un niveau haut de 34 Volts.L'amplitude des signaux de synchronisation s'étend de 10 Volts à 5 Volts, et le RAZ de 10 Volts à 0. On voit successivement la première impulsion alimentant les Leds rouges, suivie d'une courte impulsion au niveau 5 Volts pour la synchronisation ordonnant au compteur du projecteur de passer à la couleur suivante. Arrive l'impulsion alimentant les Leds vertes, d'une largeur ici différente et donc procurant une intensité lumineuse plus élevée, suivie du même signal de 5 Volts faisant passer le compteur du projecteur à la couleur bleue. Lorsque l'impulsion alimentant les Leds bleues est délivrée, le signal qui suit n'est pas Une impulsion de synchronisation de 5 Volts, mais une impulsion de RAZ de 10 Volts d'amplitude, et donc de potentiel zéro. Tout le cycle recommence alors de la même façon. Deuxième méthode Dans la description qui vient d'être faite, une même unité électronique est capable de commander plusieurs projecteurs à Leds, avec pour seule limitation le courant de sortie maximum admissible par l'alimentation du boîtier et les transistors de commande. Cependant, l'électronique décrite ne permet pas de commander plusieurs projecteurs avec des paramètres différents à partir d'une seule électronique de commande. Pour cela, une autre méthode est utilisée. La figure 4 décrit le mode de fonctionnement du boîtier électronique de commande : on n'utilise plus une logique câblée mais un microprocesseur spécialisé de type PIC par exemple. Ce processeur inclut un programme résident qui gère les liaisons avec un tableau de contrôle, un récepteur de télécommande, une interface PC, et enfin qui génère les données de paramétrage et d'adressage des projecteurs en mode sériel. Ce train d'impulsions commande via un transistor une alimentation de 30 Volts. Un autre train d'impulsions exactement inverse au précédent commande de la même façon une alimentation de 25 Volts. Il est à noter ici que ces valeurs de tension sont données à titre indicatif, et d'autres valeurs peuvent bien évidemment être employées. En sortie, on a d'une part un fil de masse, et d'autre part un fil qui présente une série de créneaux continus qui oscillent entre 25 et 30 Volts. Ceci n'est en rien gênant au bon fonctionnement des Leds dont les anodes présentent une tension moyenne de l'ordre de 27,5 Volts. La figure 5 décrit le fonctionnement du projecteur à Leds. Comparativement à la première méthode décrite, il est un peu plus complexe du fait qu'il intègre les générateurs à courant constant. Ici également, le c u̇r du dispositif se trouve être un microprocesseur de type PIC . On utilise trois sorties pour générer des trains d'impulsions dont la largeur est variable selon le principe PWM . Ces impulsions sont dirigées sur les générateurs en courant constant, puis alimentent les cathodes des Leds via les transistors de commande. Un dispositif de discrimination et de mise en forme du train de données sériel réalise une transposition du train d'impulsions 25-30 Volts vers 0-5 Volts, puis filtre et régénère le signal pour être correctement assimilé par le microprocesseur.Le fil d'entrée 25-30 Volts alimente également le microprocesseur via un régulateur. Enfin, le microprocesseur est aussi connecté à une interface d'adressage, de type DIP-SWITCH par exemple, qui permet d'assigner une adresse au projecteur. Dans les deux méthodes décrites, on utilise des protections contre les surtensions et décharges électrostatiques au moyen de composants de type Diodes Transil , VDR etc... Cela tant pour les électroniques de commande que pour les projecteurs. Il est à noter que ce dernier projecteur décrit peut aussi bien fonctionner avec des impulsions PWM alternées sur les trois couleurs, que simultanées sur les trois groupes de Leds avec cependant des largeurs variables les unes par rapport aux autres.En d'autres termes, cela signifie que si lesdites Leds du projecteur sont capables de supporter un courant de pointe au moins 3 fois supérieur au courant continu nominal, on peut alors alterner la commande des Leds. Si les Leds ne supportent pas un courant de pointe supérieur au courant continu nominal, les Leds seront alors commandées simultanément avec des largeurs d'impulsions propres à chaque couleur. Si on désire par exemple une couleur blanche à intensité maximale, les 3 groupes de Leds seront alimentés par une tension continue. Ce point est important, car beaucoup de Leds de nouvelle génération de forte puissance (jusqu'à 1 A ! ) ne supportent pas de courant de pointe supérieur à la tension continue. Ainsi, grâce à ce dispositif, on peut tout de même les employer malgré le séquencement des données.Dans cette deuxième méthode, il a été présenté un dispositif de superposition d'alimentation et de données référencé à une masse de potentiel zéro stable. On peut toutefois aussi bien faire l'inverse, et positionner le créneau entre 0 et 5 Volts, et avoir une tension stable à 30 Volts. La figure 6 montre les graphes dans les deux cas : en haut le créneau de données varie de 25 à 30 Volts par rapport à une masse de référence stable ; en bas, le créneau de données varie de 0 à 5 volts, et le niveau de 30 Volts est stable. La deuxième méthode est également particulièrement bien adaptée à l'utilisation de ces projecteurs RGB pour une utilisation scénique (musique, théâtre...). En effet, grâce au principe d'adressage individuel de chaque projecteur, ainsi qu'aux deux seuls fils assurant tout à la fois l'alimentation et la commande des projecteurs, la mise en u̇vre est très aisée. Particulièrement dans le cas des scènes mobiles, il suffit alors de connecter les deux fils de sortie de la console de lumière sur un premier projecteur RGB, puis de connecter tous les autres en boucle sans avoir besoin de repérer le câblage. On conçoit aisément le gain de temps, de poids et de simplification du procédé.Il convient de préciser que quelques projecteurs RGB adressables existent sue le marché, mais aucun n'utilise 2 fils de connexion seulement, ce qui est le point central de la présente demande de brevet. La figure 7 indique une variante du projecteur Led RGB scénique, qui comporte en plus des caractéristiques précitées, un dispositif d'orientation X-Y du projecteur. Le projecteur inclut deux actionneurs (servomoteur sur le dessin, mais cela peut être aussi tout autre moyen d'actionnement tels que vérins électriques, moteurs asservis etc...) capables d'orienter ledit projecteur de bas en haut et de gauche à droite, balayant ainsi la scène selon les commandes assignées. Sur la figure 7, le projecteur comporte une rotule au milieu de sa face arrière, et deux servomoteurs font pivoter en X-Y le projecteur sur son support au niveau de la rotule. Bien évidemment, d'autres montages mécaniques peuvent être utilisés pour assurer la mobilité X-Y du projecteur, cet exemple n'est pas limitatif.Le point important de l'invention est que les données de commande des actionneurs X-Y transmises depuis la console de lumière transitent également par les deux mêmes fils. Le microprocesseur intégré dans chaque projecteur gère non seulement les paramètres destinés aux Leds, mais également l'orientation dudit projecteur. La figure 8 indique une autre variante de ce projecteur RGB qui comporte, en plus ou non de l'orientation précédemment décrite, un dispositif de focalisation du flux lumineux. Un ensemble optique, qui peut soit être une grande lentille unique pour l'ensemble des Leds, soit autant de petites lentilles que de Leds, est monté sur un chariot motorisé. Selon que ledit chariot sera proche des Leds ou au contraire plus éloigné, on obtiendra un angle de flux lumineux plus ou moins ouvert.Concrètement, cela permet d'éviter d'installer des projecteurs d'angles spécifiques, et on peut focaliser le flux de manière à soit éclairer une large part de la scène, soit obtenir un spot à la manière d'un projecteur de poursuite. Ici également, la solution technique retenue pour modifier la focalisation est un servomoteur de type modélisme, dont la commande en PWM est fort bien adaptée à l'électronique globale du système. On peut tout aussi bien utiliser d'autres types d'actionneurs, comme pour l'orientation précitée. De la même façon, les paramètres de focalisation sont envoyés depuis la console de lumière via les deux mêmes fils, et le microprocesseur du projecteur gère également le servomoteur de focalisation. Il est facile de comprendre la puissance et la souplesse réellement novatrices d'un tel système. En utilisation domestique, la commande des projecteurs RGB par deux fils autorise des applications véritablement nouvelles. Sans avoir besoin de refaire le câblage existant, on remplace les luminaires existants par des projecteurs RGB. Tout le monde s'accorde à dire que l'illumination de son domicile influe de façon significative le sentiment de bien-être. Grâce aux projecteurs Leds RGB, il est possible de non seulement moduler la lumière en intensité, mais également la couleur selon la palette de l'arc-en-ciel. Ainsi, on peut obtenir une lumière à dominante jaune, saumonée, bleue... tout ce que l'on souhaite selon ses humeurs du moment ! Ensuite, si l'on dispose de projecteurs RGB adressables, on peut transformer l'utilisation de l'installation précitée, parfaitement discrète et intégrée, en véritables jeux de lumière de type discothèque.Une télécommande infrarouge ou radio permet de sélectionner le mode d'éclairage voulu, de choisir les programmes et de les paramétrer. Une interface PC autorise la création de programmes de jeux de lumières complexes et inventifs. Pour exemple, on peut obtenir des effets de séquencement de couleurs, de chenillard, une modulation en fonction de la musique ambiante, de stroboscopie etc... Le caractère polyvalent d'une telle installation est sans équivalent à ce jour sur le marché ! Dans le cas de l'éclairage architectural et de fontaines, l'utilisation de deux fils présente aussi un avantage considérable. De la même façon que pour l'éclairage domestique, on peut non seulement moduler l'intensité lumineuse, mais aussi choisir la couleur. En période festive, en fin d'année par exemple, on peut commuter les éclairages de fontaines ou d'édifices enjeux d'orgues lumineux. Séquencement, chenillard, stroboscopie... tout est possible ! On peut également revêtir à l'occasion des édifices publics de lumières aux couleurs du drapeau national... Sans oublier le point central du présent brevet qui permet tout cela avec les deux fils de câblages existants seulement ! Un autre avantage des Leds est que l'on peut réduire l'intensité lumineuse sans changer la colorimétrie. Si l'on ajoute la faible consommation et la durée de vie des Leds, on comprend mieux la portée commerciale du présent procédé ! Enfin, la présente invention se révèle aussi particulièrement bien adaptée à l'éclairage des u̇vres d'art dans des lieux d'exposition publics ou privés.On peut par exemple se servir des deux fils tendus habituellement utilisés pour les spots halogènes, et y placer des projecteurs à Leds RGB miniaturisés qui procureront une intensité et une colorimétrie parfaitement adaptée à l'oeuvre. Jusqu'à présent, pour obtenir de tels effets, il fallait utiliser des fibres optiques lourdes à mettre en place, chères et peu lumineuses. Grâce au procédé décrit de la présente invention, il suffit d'un boîtier de commande central pour commander individuellement des dizaines, voire des centaines de projecteurs RGB par deux fils seulement. Marchés et domaines d'application Bien entendu, la liste suivante n'est pas limitative, et de nombreuses utilisations peuvent être concernées par la présente invention. On peut citer par exemple : éclairage architectural - éclairage de fontaines intérieures et extérieures - éclairage scénique (musique, théâtre...) fixe ou mobile - éclairage domestique, avec possibilité de jeux de lumière éclairage d'édifices publics éclairages de jardins publics ou privés etc... REVENDICATIONS Conclusion La question qui a prévalue à la mise au point de la présente invention a été la suivante : Comment est-il possible de remplacer des luminaires existants par des projecteurs à Leds RGB dont on peut moduler couleur et intensité, et éventuellement adresser individuellement, sans refaire le câblage à deux fils existant ? ou encore Comment pourrait-on simplifier le câblage fixe ou provisoire de projecteurs à Leds RGB ? A ces problèmes techniques posés, cette invention apporte une solution efficace, originale, économique et facilement industrialisable.Le marché ne fait aucun doute, et pour conclure, une récente étude a indiqué que la consommation mondiale d'énergie baisserait de façon relative de 10% d'ici à 10 ans grâce à l'utilisation des Leds pour les éclairages publics et privés ! 1) Dispositif d'éclairage par triplettes de diodes électroluminescentes rouges, vertes et bleues, constitué d'un boîtier électronique de commande et d'un ou plusieurs projecteurs à Dels RVB, caractérisé en ce que la liaison entre le boîtier et le projecteur assurant l'alimentation, la commande d'intensité lumineuse et de couleur du ou des projecteurs RVB s'effectue par le moyen de deux fils seulement. 2) Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'alimentation et la commande d'intensité lumineuse et de couleur des projecteurs s'effectue à distance depuis un boîtier de commande. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier comprend des monostables dont les impulsions de sortie sont dirigées vers trois générateurs à courant constant délivrant séquentiellement des impulsions modulées en largeur PWM , d'un niveau de tension et d'intensité suffisant pour directement illuminer les groupes de Leds. 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier et le(s) projecteur(s) comprennent des séquenceurs qui sont synchronisés par des signaux superposés aux impulsions alimentant les diodes électroluminescentes. 5) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce le boîtier comprend un microprocesseur délivrant un train d'impulsions de données sérielles, superposé à l'alimentation du projecteur RVB, et référencé à l'un ou l'autre des deux fils. 6) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce le boîtier et le projecteur comprennent un microprocesseur permettant l'adressage individuel de chacun des projecteurs avec des valeurs d'intensité lumineuse et de couleur particulières, toujours avec deux fils de liaison entre le boîtier de commande électronique et les projecteurs à Dels RVB. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le projecteur à Dels RVB intègre un dispositif motorisé d'orientation X - Y dudit projecteur, afin d'orienter le flux lumineux vers la zone voulue ; le projecteur étant commandé par des actionneurs, et cette commande étant prise en charge par le microprocesseur intégré au projecteur RVB. Ce projecteur comporte toujours deux fils uniques de liaison avec l'électronique de commande. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le projecteur RVB intègre également de façon optionnelle, un dispositif optique de focalisation motorisée permettant de modifier l'angle du flux lumineux et commandé par un actionneur. Cette commande de l'actionneur de focalisation étant prise en charge par le microprocesseur intégré au projecteur RVB, et ledit projecteur comporte toujours deux fils de liaison avec l'électronique de commande.