Brevet FR2976150A1 — publié le 20121207

Dispositif de commande de diodes électroluminescentes à très grande dynamique de luminance pour écran de visualisation Le domaine de l'invention est celui du rétro éclairage des écrans de visualisation passifs encore appelés LCD pour « Liquid Crystal Display ». Ces écrans sont des modulateurs de lumière et nécessitent une source d'éclairage externe pour fonctionner. Dans un certain nombre d'applications, en particulier dans le domaine aéronautique, ces écrans sont utilisés de jour comme de nuit. Par conséquent, la source d'éclairage doit posséder une grande dynamique de luminance de façon à assurer à la fois un contraste correct de jour sous fort ensoleillement et une image faiblement lumineuse de nuit de façon à ne pas gêner la vision nocturne du pilote. Ainsi, des dynamiques de luminance de l'ordre de 1000 à 10 000 peuvent être spécifiées. Techniquement, pour réaliser ces grandes dynamiques, on utilise des signaux de commande modulés en rapport cyclique, encore nommés « PWM » pour « Pulse Width Modulation ». Ces signaux périodiques comportent, pendant chaque période, un temps d'activation variable. Cependant, la dynamique de luminance spécifiée peut être supérieure à la dynamique du signal de commande PWM fourni. Par exemple, la dynamique du signal PWM peut être limitée à 100 alors que la dynamique demandée est de l'ordre de 1000. Pour certaines sources d'éclairage, la commande en rapport cyclique se révèle suffisante. On citera notamment les lampes fluorescentes de type « HCFL » signifiant « High Cathode Fluorescent Lamp » ou « CCFL » signifiant « Cold Cathode Fluorescent Lamp ». En effet, lorsque le temps d'activation est très faible, compte-tenu de la nature technique de ces sources, la lumière émise n'est pas proportionnelle au temps d'activation mais lui est bien inférieure alors que, lorsque le temps d'activation est plus important, la lumière émise devient proportionnelle au temps d'activation. Par exemple, pour un temps d'activation correspondant à 1% de la période du PWM, la quantité de lumière émise sera de 0.1% du maximum possible, alors que, pour un temps d'activation correspondant à 50% de la période du PWM, la quantité de lumière émise sera proche de 50% du maximum possible. Ainsi, naturellement, on obtient la dynamique de luminance accrue recherchée. Cependant, certaines sources d'éclairage comme les diodes électroluminescentes ou LEDs ont des temps de réponse très faibles. Compte-tenu de leurs performances tant en dimensions, rendement lumineux et durée de vie, les LEDs sont de plus en plus utilisées pour réaliser des sources d'éclairage d'écrans d'affichage. Dans ce cas, l'effet précédent n'est plus présent. Si on commande uniquement les diodes électroluminescentes par le signal PWM, la luminance émise est directement proportionnelle au temps d'activation du PWM, ne permettant plus d'obtenir l'effet recherché, c'est-à-dire une grande dynamique d'éclairage. Pour pallier cet inconvénient, la modulation de la luminance des LEDs se fait soit en modulant l'amplitude du courant qui les traverse, soit en modulant le temps d'activation sur une période donnée par un signal PWM, soit en combinant les deux modulations pour obtenir une très grande profondeur de modulation. Techniquement, pour réaliser cette répartition modulation de l'amplitude/modulation du temps d'activation, on utilise une fonction de calcul arithmétique et logique qui travaille sur des signaux numériques. La figure 1 représente un dispositif de commande numérique utilisant ce principe. Ce dispositif 1 comporte un contrôleur numérique 2 qui reçoit une consigne de luminance CL. Ce contrôleur 2 génère deux signaux numériques. Le premier signal est un signal SPwM temporel modulé en rapport cyclique ayant un temps d'activation déterminé, fonction de la consigne de luminance. Le second signal SA_N est un signal de commande du courant traversant le réseau de diodes électroluminescentes. II est transformé en signal analogique SA_A au moyen d'un convertisseur numérique-analogique 3 ou « DAC » puis appliqué aux circuits de commande électroniques 4 du réseau 5 de LEDs. Un dispositif d'asservissement permettant d'ajuster finement la luminance émise par les diodes peut éventuellement compléter le dispositif. Il est représenté par une flèche en pointillés sur la figure 1. Cependant, cette solution technique peut présenter certains inconvénients. Dans le contexte aéronautique, même si ces ressources de calculs sont justifiées par d'autres besoins, la fonction de calcul de répartition PWM/amplitude est soumise aux procédures les plus contraignantes de développement et de certification de type RTCA/DO-254, intitulée « Design Assurance Guidance For Airborne Electronic Hardware » ou RTCA/DO-178, intitulée « Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification ». D'autre part, pour des problèmes d'obsolescence liée à la disparition progressive des lampes fluorescentes, les équipementiers sont amenés à assurer le remplacement de rétro-éclairages à lampes fluorescentes par des blocs d'éclairage à LEDs. Or, comme on l'a vu, les lampes fluorescentes sont commandées par un simple signal PWM. Dans ces cas, l'équipementier ou l'avionneur souhaitent ne pas introduire de modifications des fonctions de calcul numérique existantes pour éviter toute re-certification du dispositif de visualisation et ne pas ajouter de circuit numérique nécessairement complexe réalisant le calcul de répartition PWM/amplitude. Le dispositif selon l'invention permet de pallier ces différents inconvénients. En effet, il comporte des moyens électroniques analogiques permettant de générer un signal de commande de l'intensité du courant électrique traversant les diodes électroluminescentes qui, combiné à une commande par un signal PWM classique, permet d'atteindre de grandes dynamiques de luminance. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de commande en luminance d'un dispositif d'éclairage comprenant des diodes électroluminescentes, ledit dispositif de commande étant piloté par un signal d'entrée cyclique de période déterminée, chaque période comportant un temps d'activation représentatif d'un niveau de luminance déterminé, ledit signal d'entrée cyclique commandant l'allumage des diodes électroluminescentes pendant ledit temps d'activation, ledit dispositif de commande comprenant des moyens électroniques analogiques générant un second signal de commande de l'intensité du courant électrique traversant les diodes électroluminescentes, Caractérisé en ce que l'amplitude du second signal de commande est une fonction croissante du temps d'activation de façon que la combinaison du signal d'entrée cyclique et du second signal appliqués sur les diodes électroluminescentes donnent une dynamique de luminance supérieure à la dynamique du signal d'entrée cyclique. Avantageusement, dans un premier mode de réalisation, les moyens électroniques analogiques comportent un circuit intégrateur, le second signal correspond au signal de sortie dudit circuit intégrateur, la constante du temps dudit circuit intégrateur étant supérieure à un temps minimal d'activation prédéterminé. Avantageusement, dans un second mode de réalisation, les moyens électroniques analogiques comportent un circuit générateur de rampe d'amplitude agencé de façon que l'amplitude du second signal soit en forme de dent de scie, la période de la dent de scie étant celle du signal cyclique. L'invention concerne également un dispositif de visualisation comportant un écran d'affichage à modulation de lumière, un dispositif d'éclairage comprenant des diodes électroluminescentes et un dispositif de commande dudit dispositif d'éclairage tel que défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 20 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 déjà décrite représente le synoptique d'un dispositif de commande en luminance d'un dispositif d'éclairage selon l'art antérieur ; La figure 2 représente le synoptique d'un dispositif de commande en luminance d'un dispositif d'éclairage selon l'invention ; 25 La figure 3 représente un premier mode de réalisation du dispositif de commande selon l'invention ; La figure 4 représente la dynamique de luminance obtenue avec le dispositif de commande de la figure 3 ; Les figures 5, 6 et 7 représentent, pour trois temps d'activation 30 différents, la variation d'amplitude du courant appliqué aux diodes du dispositif d'éclairage commandé par le dispositif de la figure 3 ; La figure 8 représente un second mode de réalisation du dispositif de commande selon l'invention ; La figure 9 représente la dynamique de luminance obtenue avec 35 le dispositif de commande de la figure 8 ; Les figures 10, 11 et 12 représentent, pour trois temps d'activation différents, la variation d'amplitude du courant appliqué aux diodes du dispositif d'éclairage commandé par le dispositif de la figure 8. A titre d'exemple, la figure 2 représente le synoptique d'un dispositif 11 de commande en luminance d'un dispositif d'éclairage selon l'invention. L'éclairage 5 est un éclairage à diodes électroluminescentes. Les diodes sont préférentiellement des diodes dites « blanches » émettant sur la totalité du spectre visible. Mais, il est également possible de piloter des triplets de diodes colorées rouges, vertes et bleues avec un dispositif selon l'invention. Les diodes sont classiquement disposées en série. Les moyens d'alimentation 4 en courant des diodes sont classiques et bien connus de l'homme du métier. Le dispositif de commande 11 est piloté par un signal d'entrée cyclique noté comme précédemment SPwM. Ce signal a une dynamique insuffisante pour couvrir la totalité de la dynamique de luminance exigée des diodes. Par exemple, la dynamique du signal PWM est de 1 à 100 alors que la dynamique de luminance est de 1 à 1000. Le signal SPwM commande directement l'allumage du réseau de diodes. Cette commande est symbolisée par un interrupteur I sur la figure 2. Le signal SPwM est utilisé également comme signal d'entrée des moyens électroniques analogiques 11. La fonction de ces moyens est de produire un signal analogique SA_A qui est appliqué aux circuits de commande électroniques 4 du réseau 5 de LEDs. On sait que le signal SPwM est un signal périodique, chaque période de durée T comprenant un temps d'activation TA pendant lequel ce signal a une valeur de consigne constante, le signal étant nul en-dehors de ce temps d'activation TA. La fonction des moyens électroniques 11 est d'appliquer sur le signal SPwM en forme de créneau une fonction électronique générant un signal de sortie SA_A croissant avec la durée du temps d'activation. Ce signal SA_A est appliqué comme consigne d'amplitude pour la commande du courant dans les LEDs. Ce signal crée donc une dynamique supplémentaire qui vient s'ajouter à celle du signal SPwM. Par exemple, si la dynamique du signal SPwM initial est de 1 à 100, ce qui signifie que le temps d'activation peut varier dans un rapport 100 et si, en fonction du temps d'activation, l'amplitude du signal SA_A varie de 1 à 10, c'est-à-dire que ce signal vaut une certaine valeur pour les très faibles temps d'activation et 10 fois cette valeur pour le temps d'activation maximal, la dynamique totale de luminance varie alors de 1 à 1000, ce qui est le résultat recherché. II existe différents moyens simples permettant de réaliser les moyens électroniques 11. A titre de premier exemple de réalisation, les figures 3, 4, 5, 6 et 7 représentent respectivement le synoptique des moyens électroniques, la dynamique de luminance obtenue grâce à ses moyens et les variations d'amplitude du courant appliqué aux diodes pour trois temps d'activation différents. Le circuit électronique le plus simple permettant de réaliser cette fonction est un circuit intégrateur ou RC comprenant essentiellement une résistance R et un condensateur C. Ce circuit est représenté sur la figure 3. La variation d'intensité dépend de la constante du temps de l'intégrateur, c'est-à-dire du produit RC, le niveau de l'amplitude dépend d'une tension de référence VREF. La figure 4 représente la variation de luminance LOG(L) en fonction du pourcentage du temps d'activation TANT du signal SPWM en échelle logarithmique pour deux constantes RC différentes. La première courbe Cl en pointillés représente la variation de luminance si on applique uniquement le signal SPWM. C'est une droite. La dynamique de luminance est dans ce cas égale à la dynamique du signal SPWM. La seconde courbe C2 en trait gras continu est représentative d'une constante de temps faible. Dans ce cas, la dynamique de luminance est dans ce cas supérieure à la dynamique du signal SPWM. On voit que l'on gagne environ un facteur 5. La troisième courbe C3 en trait gras pointillé est représentative d'une constante de temps plus importante. Dans ce cas, la dynamique de luminance est dans ce cas nettement supérieure à la dynamique du signal SPWM. On voit que l'on gagne un facteur supérieur à 10. Les figures 5, 6 et 7 représentent les variations d'amplitude du courant appliqué aux diodes pour trois temps d'activation différents, la figure 5 pour un temps d'activation très court, typiquement de l'ordre de 1 pourcent, la figure 6 pour un temps d'activation moyen, typiquement de l'ordre de 10 pourcent, la figure 7 pour un temps d'activation voisin de la durée de la période du signal PWM, typiquement de l'ordre de 100 pourcent. Chaque figure comporte trois courbes, fonction du temps t pour environ une période T du signal PWM. La courbe du haut représente l'activité binaire du signal SPWM, la courbe intermédiaire la variation d'amplitude du signal SA_A appliqué au circuit de commande des diodes, la courbe basse l'intensité du courant ILED qui traverse effectivement les diodes et qui est modulée à la fois par le signal SPWM et le signal SA-A. Le temps TA d'activation de la figure 5 est très court et compte-10 tenu de la constante de temps du filtre RC, l'amplitude du signal SA_A n'a pas le temps d'atteindre sa valeur maximale. Le temps TA d'activation de la figure 6 est plus important et compte-tenu de la constante de temps du filtre RC, l'amplitude du signal SA-A a le temps d'atteindre sa valeur maximale SMAX. Cependant, la valeur 15 moyenne de l'amplitude du signal pendant le temps TA reste bien inférieure à cette valeur maximale SMAx. Le temps TA d'activation de la figure 7 est proche de la période du signal PWM. Compte-tenu de la constante de temps du filtre RC, l'amplitude du signal SA-A est pratiquement toujours à sa valeur maximale SMAX durant ce 20 temps TA. Les courbes en pointillés des figures 6 et 7 représentent les variations du signal SA_A pour différentes valeurs de la constante de temps RC des moyens électroniques 11. A titre de second exemple de réalisation, les figures 8, 9, 10, 11 et 25 12 représentent respectivement le synoptique des moyens électroniques de ce second exemple, la dynamique de luminance obtenue grâce à ses moyens et les variations d'amplitude du courant appliqué aux diodes pour trois temps d'activation différents. Le circuit électronique de la figure 8 permet de créer une 30 variation du signal SA_A en forme de rampe temporelle. Ce circuit comporte principalement un détecteur de front de montée DFM, une source de courant SC et un condensateur C. La charge du condensateur à courant constant génère une tension de sortie croissant linéairement avec le temps. En théorie, ce schéma électronique dit à rampe parfaite donne un signal SA-A 35 variant linéairement avec la durée TA de l'impulsion PWM. On peut noter K.TA la variation d'amplitude de SA-A en fonction de la durée TA. La valeur moyenne de la luminance L obtenue pendant la période T du signal SPwM est donc proportionnelle à (TA)2. Dans un certain nombre de cas, il n'est pas possible de réaliser une rampe s'étendant temporellement sur l'intégralité de la période du signal PWM. Typiquement, la dynamique du signal PWM peut faire deux à trois décades alors que la dynamique de la rampe s'étend uniquement sur une décade. Dans ce cas, l'amplitude du signal SA_A devient une fonction affine du temps d'activation TA uniquement lorsque TA devient supérieure à une certaine valeur TA0 : On peut écrire : TA TA0 SA_A = KI + K2.(TA-TAo) etona: TA TA0 L KI .TA + K2.(TA-TAo).TA C'est ce qui est illustré sur la figure 9 qui représente la variation de luminance LOG (L) en fonction du pourcentage du temps d'activation TAIT du signal SPwM en échelle logarithmique dans deux cas de figures possibles. Comme sur la figure 4, la première courbe Cl en pointillés maigres représente la variation de luminance si on applique uniquement le signal SPwM. C'est une droite. Lorsque la durée de la rampe couvre la presque totalité de la période T, on obtient également une seconde courbe C2' représentée par la courbe en trait gras continu. Dans ce cas, la dynamique de luminance est dans ce cas très supérieure à la dynamique du signal SPwM. Lorsque la durée de la rampe couvre une partie seulement de la totalité de la période T, on obtient la troisième courbe C3' en trait gras pointillé. Dans ce cas, la dynamique de luminance L est inférieure à la précédente. Les figures 10, 11 et 12 représentent les variations d'amplitude du courant appliqué aux diodes pour trois temps d'activation différents dans le cas où la durée de la rampe est voisine de la durée de la période du signal PWM. La figure 10 représente ces variations pour un temps d'activation très court, typiquement de l'ordre de 1 pourcent, la figure 11 pour un temps d'activation moyen, typiquement de l'ordre de 10 pourcent, la figure 12 pour un temps d'activation voisin de la durée de la période du signal PWM, typiquement de l'ordre de 100 pourcent. Comme dans l'exemple précédent, chaque figure comporte trois courbes, fonction du temps t pour environ une période du signal PWM. La courbe du haut représente l'activité binaire du signal SpWM, la courbe intermédiaire la variation d'amplitude du signal SA_A appliqué au circuit de commande des diodes, la courbe basse l'intensité du courant ILED qui traverse effectivement les diodes et qui est modulée à la fois par le signal SpWM et le signal SA-A. Bien entendu, on peut réaliser à partir de ces deux exemples de réalisation de nombreuses variantes possibles. On peut notamment jouer sur les durées de retour au niveau minimum du niveau de consigne du courant dans les LEDs lorsque l'on interrompt la conduction dans les LEDs à la fin du temps d'activation TA. II est à noter que pour chacun des différents modes de réalisation possibles, il est toujours possible d'ajouter un dispositif d'asservissement permettant de régler la durée d'activation de façon à obtenir exactement la luminance souhaitée. Les avantages du dispositif de commande selon l'invention sont les suivants : - Une grande facilité de mise en oeuvre par l'utilisation de fonctions électroniques simples avec les économies de coûts que cela entraîne ; - Une grande robustesse et une grande fiabilité des moyens électroniques mis en oeuvre dues à leur simplicité ; Une grande facilité d'adaptation à la dynamique de luminance souhaitée en changeant simplement des composants électroniques basiques comme des résistances ou des condensateurs ; Une utilisation de technologiques analogiques qui évite d'une part l'utilisation de composants numériques complexes nécessaires pour faire les calculs de luminance comme des FPGAs et d'autre part, les coûts de développement et de certification du logiciel associé ; 10 Une grande facilité pour remplacer les sources de lumière fluorescentes par des éclairages à diodes sans changer les moyens de contrôle de type microcontrôleurs ou CPLD pour « Complex Programmable Logic Device » et leur programmation de type software ou configuration VHDL pour « VHSIC Hardware Description Language ». Il y a là un très grand intérêt à conserver ces parties strictement inchangées comme les programmes, les séquences de test, les protocoles de dialogue avec l'amont du système de visualisation. 10 REVENDICATIONS1. Dispositif de commande (10) en luminance d'un dispositif d'éclairage (5) comprenant des diodes électroluminescentes, ledit dispositif de commande étant piloté par un signal d'entrée (SpWM) cyclique de période déterminée (T), chaque période comportant un temps d'activation (TA) représentatif d'un niveau de luminance déterminé, ledit signal d'entrée cyclique commandant l'allumage des diodes électroluminescentes pendant ledit temps d'activation, ledit dispositif de commande comprenant des moyens électroniques analogiques (11) générant un second signal de commande (SA_A) de l'intensité du courant électrique traversant les diodes électroluminescentes, caractérisé en ce que l'amplitude du second signal de commande (SA_A) est une fonction croissante du temps d'activation (TA) de façon que la combinaison du signal d'entrée cyclique et du second signal appliqués sur les diodes électroluminescentes donnent une dynamique de luminance supérieure à la dynamique du signal d'entrée cyclique. 2. Dispositif de commande en luminance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électroniques analogiques comportent un circuit intégrateur (RC), le second signal correspond au signal de sortie dudit circuit intégrateur, la constante du temps dudit circuit intégrateur étant supérieure à un temps minimal d'activation prédéterminé. 3. Dispositif de commande en luminance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électroniques analogiques comportent un circuit générateur de rampe d'amplitude agencé de façon que l'amplitude du second signal soit en forme de dent de scie, la période de la dent de scie étant celle du signal cyclique. 4. Dispositif de visualisation comportant un écran d'affichage à modulation de lumière, un dispositif d'éclairage comprenant des diodes électroluminescentes et un dispositif de commande dudit dispositif d'éclairage selon l'une des revendications précédentes.