Brevet FR2919457A1 — publié le 20090130

Domaine d'application L'invention concerne l'alimentation et la commande des Diodes électroluminescentes appelées encore DEL ou LED en anglais. Du fait de leur principe de fonctionnement, les Leds offrent un rendement lumineux élevé. Ces composants seront au coeur de tous les luminaires dans les années à venir. L'invention permet de s'adapter à toutes les Leds du marché. Situation actuelle Les fabricants de Leds sont de plus en plus nombreux, et les produits de plus en plus performants. D'une faible lueur de quelques millicandelas il y a 3 décennies, on arrive aujourd'hui à des composants qui arrivent à des rendements de plus de 100 lumens par watt, plus élevé que les tubes fluorescents. Seulement, le problème est que toutes les Leds du marché n'ont pas les mêmes caractéristiques techniques. Une part importante des Leds du marché est alimentée par un courant de 350mA ou de 700mA. Cependant, il existe également des Leds alimentées par des courants de 50mA, 150mA, 250mA, 500mA, 1A4, 1A5 etc... Parfois, pour réduire l'échauffement des Leds, il suffit de réduire légèrement le courant, de l'ordre de 10 à 15%. Cela réduit certes légèrement la luminosité, mais surtout, la température décroît de façon importante. Avec les alimentations du marché, il n'est pas possible de modifier aisément le courant délivré. Inversement, les Leds supportent souvent des courants plus importants en mode pulsé. Pour utiliser des Leds en stroboscopie, il serait donc intéressant d'augmenter le courant assigné aux Leds, puisqu'il s'agit par définition de courant pulsé. Là encore, il n'existe pas sur le marché d'alimentations capables de gérer séparément un mode continu et un mode pulsé. S'il existe effectivement pléthore de fabricants de Leds, ce n'est pas le cas pour les alimentations et les systèmes de commande. Il n'existe aucune alimentation sur le marché capable de s'adapter à toutes les Leds du marché. En particulier, on ne trouve pas d'alimentations réglables et dotées d'une double programmation de courant. Objet de l'invention. Les problèmes que se propose de résoudre la présente invention, sont les suivants : - être capable de s'adapter à toutes les Leds du marché être dotées d'un réglage continu du courant être équipées d'un moyen de contrôle du courant - disposer de plusieurs programmations de courants - s'adapter à toutes les tensions secteurs du monde ( 90 à 260Volts, 50 et 60Hz) - s'adapter à toutes les tensions de passage des Leds (2 à 48 Volts) offrir des interfaces avec tous les modes de commandes possibles : 0-10V, PWM (modulation d'impulsions), DMX, CPL (courants porteurs en ligne)... - proposer au marché une alimentation réellement universelle, économique et simple de mise en oeuvre - proposer des alimentations à découpage très économes en énergie. l0 Etat de la technologie existante. Les Leds sont des composants électroniques délicats, et doivent être alimentées d'une façon très précise. Elles ont une tension de passage liée à la nature du semi-conducteur employé, de l'ordre de 2 à 4 Volts. Elles doivent être impérativement alimentées en courant constant, sous peine d'une durée de vie de quelques 15 secondes... La qualité et la précision de ce courant constant déterminent la fiabilité des Leds. C'est donc un enjeu majeur. Presque toutes les alimentations du marché offrent une seule valeur de courant fixe. On en trouve à 350mA, 700mA ou 1,5A essentiellement. Certains fabricants proposent des alimentations dotées de modules enfichables qui déterminent le 20 courant de sortie. C'est un progrès, mais cela ne répond pas à la nécessité d'ajuster soi-même le courant facilement. L'explication est simple : les fabricants sont soucieux de ne pas faire prendre le risque de détruire les Leds. En effet, ces composants ne supportent pas de surintensité prolongée, et un mauvais réglage des courants est possible quand l'installateur a la possibilité d'intervenir sur ceux-ci. 25 C'est donc un aspect dont il faut tenir compte. Certains fabricants utilisent des alimentations à tension constante, souvent 12 ou 24 Volts, et assurent la limitation de courant avec des résistances ou des limiteurs à transistor. Cette technique peut être valide pour des Leds de faible puissance, mais n'est pas adaptée à des éclairages nécessitant des centaines de watts. De plus, cela 30 réduit le rendement qui constitue une caractéristique très importante, et de plus en plus dans l'avenir. En fait, la plupart du temps, les grands fabricants de luminaires développent leur propre alimentation qu'ils intègrent à leur produits. Il va sans dire que ces alimentations ne sont pas disponibles sur le marché, et de toutes façons, sont spécifiques à un usage déterminé. On trouve encore des alimentations très élaborées, réservées au monde du spectacle. Hélas. leur prix est très élevé, et les courants sont fixes. Force est de constater qu'il n'existe pas d'alimentations réellement universelles sur 5 le marché à ce jour. C'est un frein évident à la démocratisation de cette source de lumière révolutionnaire. Description de l'invention. Le problème posé est le suivant : proposer sur le marché une gamme d'alimentations et de périphériques de commande capable de s'adapter à tous les 10 types de Leds, d'en exploiter pleinement la quintessence en terme de rendement ou de courant en mode pulsé, d'offrir aux installateurs et utilisateurs des produits simples à mettre en oeuvre, et surtout avec un haut niveau de sécurité. La solution apportée par la présente invention consiste donc à mettre en oeuvre un ensemble de techniques nouvelles qui apportent un progrès considérable par 15 rapport à tout ce qui existe à ce jour. Il convient d'abord de rappeler que les Leds sont capables de délivrer différentes couleurs. On trouve également des Leds blanches qui sont en fait constituées de puces bleues recouvertes de sodium. Donc le mélange de bleu et de jaune délivre du blanc. Lorsqu'on examine le spectre, on se rend compte qu'il y a des trous 20 importants. C'est la raison pour laquelle un objet rouge illuminé par des Leds blanches apparaîtra plutôt brunâtre. C'est pourquoi le principe d'éclairage blanc le plus convaincant est celui de l'addition des couleurs rouge, vert et bleu. Pour cela, il faut alimenter séparément les 3 couleurs, ce qui multiplie d'autant les alimentations. 25 L'invention concerne donc une alimentation triple ou même davantage. La solution proposée au problème posé est la suivante : La figure 1/3 montre le schéma synoptique de l'alimentation, la figure 2/3 donne un exemple de construction de l'alimentation de base, quant à la figure 3/3, elle représente un exemple de la version intégrant le récepteur DMX ainsi que le 30 système CPL de courants porteurs en ligne. L'alimentation est dotée d'un réglage continu du courant, de 0 au courant maximum possible en fonction de la puissance de ladite alimentation. Afin de contrôler précisément le courant, un ampèremètre numérique est directement intégré à l'alimentation. Pour faciliter les réglages des différentes couleurs, un dispositif guide l'installateur pour permettre une mise en oeuvre facile et rapide. Normalement, l'afficheur est éteint, et l'appareil dépend des données qu'il reçoit sur le bus PWM. Lorsqu'on appuie une première fois sur la touche canal , l'afficheur s'allume, et les entrées du bus PWM sont sans effet ; le témoin canal 1 s'allume. En appuyant une fois sur la touche couleur , la couleur rouge est prête à être réglée, et le témoin correspondant s'illumine. On ajuste le potentiomètre multitours jusqu'à la valeur affichée. Ensuite, on appuie à nouveau sur couleur , et on ajuste le vert ; on appuie à nouveau, et on règle le bleu. Si on ré appuie à nouveau, l'afficheur indique la somme des trois courants R+V+B. Un nouvel appui éteint toutes les Leds témoins. Ensuite, si l'on désire régler un courant continu sur le deuxième canal, on appuie sur la touche canal pour illuminer le témoin canal 2 cont . On appuie ensuite sur la touche couleur selon la même procédure que la précédente. Si l'on souhaite utiliser un courant supérieur en mode pulsé, il faut alors appuyer encore une fois pour allumer le témoin canal 2 strob . Automatiquement, un signal de test carré prend le relais, et on peut alors régler les courants du canal 2 en mode stroboscope. Un nouvel appui sur la touche canal arrête la procédure de réglage, et l'appareil est prêt à l'emploi. Les deux réglages de courants différents par couleur, sont assignables par un bus. Ce bus commande également les trois couleurs par une modulation de la largeur d'impulsion. Un autre bus de sortie délivre les mêmes signaux, mais amplifiés. Il est alors possible de chaîner une infinité d'alimentations les unes derrière les autres, et de réaliser des installations très importantes avec exactement les mêmes couleurs. En cas de défaillance d'une des alimentations, la chaîne ne sera pas interrompue grâce à un dispositif de liaison directe automatique appelé passthrough en anglais. La figure 1/3 montre le principe de fonctionnement de l'alimentation. Il s'agit d'une alimentation à découpage qui seule permet un rendement élevé, de l'ordre de 85%, contre environ 65% pour une alimentation de type linéaire. Le retour (feedback en anglais) se fait en courant, et non en tension comme c'est habituellement le cas. L'originalité du présent circuit par rapport aux alimentations du marché est de permettre un réglage continu du courant délivré. Pour en contrôler efficacement les valeurs réglées, un ampèremètre de précision est intégré, disposant de plus d'une fonction d'auto calibrage. Un système permet en outre de contrôler facilement les voies et les canaux de courants à régler, comme cela a été décrit plus haut. La fonction unique, au coeur de la présente' demande de brevet, est la double programmation de courant. L'intérêt de ce dispositif est majeur, et les fonctionnalités offertes sont développées ci-après. La figure 2/3 montre un exemple de présentation du produit. Les dimensions sont d'environ 30cm de longueur pour 5cm de largeur et 4cm de hauteur. On distingue les connecteurs sur le pourtour, l'afficheur de l'ampèremètre et les six petites vis de réglage de courant. A noter, qu'il s'agit d'ajustables multitours. La figure 3/3 montre la variante de l'alimentation équipée d'un récepteur DMX et d'un décodeur de courants porteurs en ligne. Par rapport à la version précédente, il manque le bus d'entrée qui est remplacé par le récepteur DMX. Ce dernier utilise 5 voies : puissance générale, rouge, vert, bleu et mise en route et fréquence de stroboscopie. Si la stroboscopie n'est pas souhaitée, il est possible de limiter les voies DMX à quatre. Une touche permet de choisir la fréquence de la porteuse PWM : basse (250Hz) pour l'usage général, haute (2500Hz) pour les utilisations en spectacle, afin d'éviter un tremblement des images vidéo. Un afficheur indique l'adresse de départ des voies DMX utilisées. Un seul afficheur peut aussi assurer les fonctions d'ampèremètre et d'adressage DMX, par économie, et sans que la fonctionnalité n'en soit altérée. Le bus de sortie est le même que pour la version précédemment décrite. Ainsi, il est possible d'avoir par exemple une alimentation maître qui inclut le DMX et le CPL, et un grand nombre d'alimentations esclaves décrites plus haut. L'avantage de ce procédé est que grâce au bus numérique PWM , on obtiendra rigoureusement les mêmes couleurs sur tous les projecteurs à diodes. Les solutions techniques originales utilisées, à savoir le réglage continu du courant, l'ampèremètre intégré, la double programmation de courant et le dispositif d'aide aux réglages ouvrent des perspectives irréalisables auparavant : Installation possible par un non-professionnel - Aucun outil ou instrument de mesure spécifique n'est nécessaire. - Adaptable à toutes les tensions secteur du monde Utilisable avec toutes les Leds du marché Les Leds peuvent être câblées en série, dans la limite des 48 Volts autorisés en TBT. Possibilité d'utiliser l'alimentation seule, sans interface. - Si deux couleurs sont suffisantes, elles peuvent être directement obtenues par les réglages de courant, sur les deux canaux. Les Leds ont un pic de rendement, souvent au tiers de la puissance nominale. Le premier canal de courant peut être réglé à la valeur nominale, lA par exemple, et le deuxième à 350mA. On aura un mode normal et un mode éco . - Inversement, certaines Leds ont des valeurs nominales conseillées, par exemple 1A, et une valeur maximale, 1A5 par exemple mais au détriment de la durée de vie. Dans ce cas, on utilisera le deuxième canal en mode boost quand un surcroît de lumière est temporairement nécessaire. Pour la stroboscopie, intéressante pour les spectacles, les fontaines... on utilisera le deuxième canal à un niveau de courant bien plus important, souvent près du double. Pour cela, le dispositif d'aide aux réglages intègre un signal carré symétrique qui recréé les conditions de la stroboscopie. Le réglage est alors grandement facilité. Le bus PWM permet d'adapter l'appareil à tous les systèmes de commande de lumière du marché. En effet, une gamme d'interfaces permet une commande en tension normalisée 0 à 10 Volts, DMX etc... - L'alimentation peut aussi être directement reliée à une plaque murale qui génère les signaux PWM utiles. L'installation est alors des plus simples, et l'utilisateur peut mettre en fonction son éclairage par un bouton poussoir ou une télécommande, modifier les couleurs comme il le souhaite, et choisir le canal de programmation de courant. Cette alimentation permet de choisir aisément les couleurs voulues, et de créer 25 des ambiances uniques. De plus, elle est insensible aux petites variations de tension souvent présentes en bout de ligne. Dans une évolution de l'alimentation décrite, une version incorpore également une entrée externe 12 à 48 Volts. Cette entrée est reliée à un accumulateur en temps normal rechargé par ladite entrée. En cas de coupure. secteur, la batterie 30 prend automatiquement et instantanément le relais pour permettre la continuité de la lumière. Un curseur permet de choisir le niveau de puissance voulu lors du fonctionnement sur batterie, en fonction de l'autonomie souhaitée : 25, 50, 75 ou 100% de la puissance normale sur secteur. Ce dispositif permet de combiner l'éclairage normal et l'éclairage de sécurité en une seule unité. Particulièrement utile dans les collectivités, commerces, banques etc... Une autre version de l'alimentation permet son utilisation sur batterie. Au lieu de disposer d'une entrée secteur 90 à 260 Volts alternatif, l'entrée accepte des tensions continues allant de 12 à 48 Volts. Cette version est particulièrement adaptée aux utilisations nomades telles que les campings cars ou les bateaux, ou encore aux maisons écologiques équipées de panneaux photovoltaïques ou de petites éoliennes. - Dans une autre variante de cette alimentation, un dispositif de commande de couleur par un signal normalisé DMX est intégré, ainsi qu'un système de Courants Porteurs en Ligne. L'installation est alors facilitée à l'extrême, puisque seul le raccordement au secteur est nécessaire. Les données de couleur et d'intensité sont transmises par le secteur directement. Un générateur DMX standard délivre alors les données à une interface qui les superpose au secteur. Ce système est particulièrement adapté aux installations où le passage de nouveaux câbles pose problème : monuments, musées, fontaines, éclairages de façades, de tableaux etc... En conclusion, l'apport de la présente invention est bien réel, la fabrication ne pose aucun problème particulier et répond à l'essence même du brevet : une réponse efficace à un problème clairement posé. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'alimentation à découpage de commande de diodes électroluminescentes doté de réglages continus des courants et d'un moyen de contrôle adapté tel qu'un ampèremètre par exemple, caractérisé en ce que ladite alimentation comporte au moins deux canaux de réglage des courants distincts par couleur de diode. 2) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que plusieurs canaux de réglages permettent d'avoir un canal ajusté au courant nominal, et un autre au moins réglé soit à un courant inférieur pour améliorer le rendement et/ou la durée de vie des diodes, soit à un courant supérieur pour augmenter la puissance en mode pulsé (stroboscopie) ou non. 3) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un système permettant un réglage facile, rapide et sans risque des courants. Le dit système comporte deux touches : la première dédiée au choix des couleurs (arrêt, rouge, vert, bleu, R+V+B), la deuxième dédiée au choix du canal de programmation de courant (arrêt, canal 1, canal 2 en mode continu, canal 2 en mode stroboscopie) 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un bus d'entrée reçoit des signaux modulés en largeur d'impulsion (PWM) pour commander les différentes couleurs, ainsi que le choix du canal de programmation de courant ; et qu'un bus de sortie restitue les mêmes signaux, mais amplifiés. 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en cas d'utilisation de plusieurs alimentations, le dysfonctionnement de l'une d'entre elle commute automatiquement le bus de sortie sur celui d'entrée, afin de ne pas rompre la chaîne des signaux de commande PWM. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension d'entrée peut être de 12 à 48 Volts continu, afin de s'adapter aux utilisations mobiles (caravanes, bateaux...) ou encore pour alimenter des éclairages domestiques dans des habitats dits écologiques équipés de cellules photovoltaïques ou d'éoliennes. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' une entrée optionnelle permet la connexion de ladite alimentation à une batterie dans le but de continuer à bénéficier d'éclairage en cas de coupure secteur. Cette entrée assure également la charge de la batterie en temps normal. En cas de coupure secteur, le dispositif assure alors un éclairage de sécurité qui peut être fixé à un niveau différent de la puissance nominale sur secteur. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que de façon optionnelle, un récepteur DMX ainsi qu'un décodeur CPL (Courants Porteurs en Ligne) sont intégrés à l'alimentation. Il est ainsi possible d'installer un éclairage RVB à diodes électroluminescentes à des endroits où seul le courant secteur est disponible. Cela évite la nécessité de poser de nouveaux câbles. 9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il y a au moins trois voies différentes (rouge, vert, bleu), mais peut en comporter davantage (blanc, orange, etc...). Les puissances peuvent varier de quelques watts à plusieurs milliers de watts selon les applications. Les tensions de sortie varient de 2 à 48 Volts, afin de s'adapter à toutes les tensions de passage des diodes existantes. Les courants sont réglables de façon continue de zéro au maximum disponible en fonction de la puissance de ladite alimentation. 10) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de contrôle intégré est un ampèremètre numérique doté d'un système d'autocalibrage en fonction des valeurs de courant.