Brevet FR3028709A1 — publié le 20160520

- 1 - La présente invention concerne un oscillateur analogique ultra basse fréquence, zéro condensateur, pour LEDs, permettant de mélanger de façon très lente et aléatoire des couleurs par synthèse additive. Avec seulement 3 transistors et uniquement des résistances (intégration facile, coût dérisoire), il réunit 4 fonctions : oscillation, mise en forme de l'onde, modulation aléatoire de la phase et étage final de puissance. La forte dépendance des paramètres technologiques de ce circuit produit une phase particulièrement aléatoire fortement autocorrélée (aspect lisse) qui crée une richesse chromatique incomparable. Les solutions numériques fonctionnent à nombre constant de transistors, nombre très élevé et indépendant de la tâche à accomplir. Leur vitesse entraîne tout sur leur passage, y compris leurs déchets gris (impact écologique). Elles ne sont manifestement 15 pas les mieux adaptées à la lenteur. D'autre part, le déterminisme du numérique n'est pas intrinsèquement aléatoire. Les solutions analogiques utilisent des condensateurs d'autant plus gros que la fréquence est basse. Non intégrables car trop encombrants, d'une durée de vie limitée, source de quantité de 20 pannes, leur impact écologique est négatif. Outre la forte contrainte que pose l'absence totale de condensateurs, et plus encore en très basse fréquence, la lenteur fait apparaître des défauts dans la progression de l'éclairement des LEDs : au voisinage du noir, la variation est toujours trop brusque 25 comparée à celle perçue au maximum de luminosité. (comme les variateurs de lumière qui démarrent (et s'éteignent) toujours trop vite !) Ceci vient de la courbe de luminosité des LEDs en fonction du courant qui les traverse, ainsi que de la loi logarithmique de perception de Fechner dont la concavité va dans le même sens que 3028709 - 2 - celle des LEDs ! Par conséquent, l'onde à produire doit avoir une forme spécialement arrondie au voisinage du noir (Imin) et pointue au maximum (Imax). Ceci est obtenu en alimentant T1 et T2 avec une partie du 5 signal de sortie de T3 en opposition de phase avec la somme pondérée des 2 autres (oscillateur triphasé). L'extrême lenteur vient d'une triple addition des constantes de temps des résistances géantes reliées aux invisibles capacités d'entrée des mosfets. Les résistances de grande valeur tendant à être 10 capacitives, les associer en série pour modifier la lenteur. Le réglage de Imin (seuil d'allumage des LEDs) est réalisé grâce à un diviseur fractal qui polarise en même temps les 2 sources (Ti et T2) avec 1 seul ajustable. La symétrie de l'arrondi est ainsi indépendante de Imin dans un circuit où les paramètres sont liés ! La 15 fabrication en est simplifiée et accélérée. Cette symétrie est optimisée pour une tension nominale de 12 V. Avec certaines LEDs rouges à seuil bas, il est préférable de les associer par 2 en série, ce qui relève la tension de seuil équivalente. Si, en plus, on dépasse le 12 V de 1 à 2 V, alors il faut diminuer légèrement la résistance de 20 4,3 k (symétrie de l'arrondi) pour que son rayon de courbure ne soit pas infini. 4,2 k peut convenir, en fonction du type de LEDs rouges et de l'écart au-dessus de la tension nominale. T3 sert aussi d'étage de puissance (140 mA max.) et peut piloter plusieurs dizaines de LEDs (40 LEDs sur le schéma - fig.3). 25 Ce circuit est globalement lent, par la durée importante de sa période, mais aussi localement lent, car l'arrondi de sa forme d'onde au voisinage du noir équivaut à un ralentissement localisé. Cette double lenteur explique le terme oscillenteur. 3028709 - 3 - A chaque oscillenteur chromatique correspond un groupe de LEDs de couleur et de type donnés. Ces LEDs sont sous-alimentées (fiabilité accrue) par des résistances de valeur unique de 2,2 k quelle que soit la couleur ou l'association par 2 en série pour certaines LEDs rouges à seuil bas. Elles sont à leur éclat max. seulement la moitié du temps à cause de la période. Pour ces raisons, elles ont une durée de vie considérable. Si on les change, il faut recalibrer Imin pour sa coïncidence avec le noir, car le tout début de l'allumage d'une LED ne dépend pas seulement de sa tension de seuil, mais aussi de son paramètre d'intensité lumineuse (fiche technique). Il faut régler Imin pour avoir, à l'intensité minimum, au choix, un noir plus ou moins court ou un éclairement non nul, selon le type de LED choisi. Par définition, on ne peut pas demander à un oscillateur ultra lent d'être réglable instantanément ! A la mise sous tension, il faut attendre quelques minutes de stabilisation, pour faire un éventuel réglage...par siècle ! La figure 1 représente le schéma fonctionnel de l'oscillenteur chromatique. La figure 2 représente le schéma d'application de l'oscillenteur chromatique avec les valeurs numériques optimisées des composants pour avoir, à la fois, la meilleure symétrie d'arrondi à Imin et des flancs à Imax. La tension de seuil VGS(th) identique pour les 3 mosfets (BS 170) doit se situer entre 2,27 et 2,43 V, valeurs les plus courantes. Le réglage de Imax permet d'équilibrer l'éclat max. des LEDs entre différents oscillenteurs chromatiques (on peut augmenter la valeur des 2,2 k si on augmente aussi le nombre de LEDs, mais jusqu'à 140 mA). Selon la lenteur désirée, les 3 résistances géantes, de même valeur, peuvent varier de 20 à 50 GigaOhms, avec une tolérance de plus ou moins 25 %. Si leurs capacités parasites 3028709 - 4 - sont trop importantes pour le bon fonctionnement de l'oscillenteur chromatique, faire des associations en série pour les diminuer. La figure 3 représente la charge de 40 LEDs avec leurs résistances associées (2,2 k). Si on change le type ou le nombre de 5 LEDs, il faut calibrer Imin et Imax. L'invention est destinée aux fabricants de LEDs, LEDs RVB, circuits intégrés, semi-conducteurs, résistances géantes, aux créateurs de tableaux à rétroéclairage dynamique, aux utilisateurs de la synthèse additive des couleurs et de la colorimétrie, aux fabricants 10 d'éclairages d'ambiance et de relaxation, de panneaux ou d'enseignes lumineuses, aux bureaux d'étude en ingénierie électronique, aux étudiants en préparation de l'agrégation de physique. REVENDICATIONS1/ Oscillateur en anneau pour LEDs permettant de générer une forme d'onde triangulaire particulièrement arrondie à son sommet, c'est-à-dire au voisinage du noir, et ceci avec une très grande lenteur, les fréquences obtenues sans aucun condensateur étant du domaine du milliHertz. Cet oscillateur comprend : Un premier transistor mosfet canal N (Ti) caractérisé : par une résistance de Drain (R1) reliée au point milieu du pont diviseur (R4, R5) branché en parallèle sur la charge (LEDs), par une résistance de Grille (R6) reliée au curseur d'un ajustable (R14) branché entre le Drain du troisième transistor (T3) et la masse, par une résistance de Source (R13) reliée au point milieu d'un pont diviseur (R11, R12) ; Un deuxième transistor mosfet canal N (T2) caractérisé : par une résistance de Drain (R3) en série avec une résistance (R2) elle-même reliée au point milieu du pont diviseur (R4, R5), par une résistance de Grille (R7) reliée au Drain du premier transistor (T1), par sa Source reliée d'une part, au point milieu d'un premier pont diviseur (R9, R10) branché entre le + de l'alimentation (Vdd) et la masse, et d'autre part reliée à une extrémité d'un second pont diviseur (R11, R12) dont l'autre extrémité est reliée à la masse, et le point milieu relié à la résistance de Source du premier transistor (T1) ; Un troisième transistor mosfet canal N (T3) caractérisé : par 2 charges en parallèle, la première étant un groupe de LEDs avec leurs résistances associées, la seconde un pont diviseur (R4, R5), par une résistance de Grille (R8) reliée au point commun des résistances de Drain (R2, R3) du deuxième transistor (T2), par sa Source reliée à la masse. 3028709 - 6 - REVENDICATIONS 2/ Oscillateur en anneau selon la revendication 1 caractérisé en ce que les résistances R1 à R5 arrondissent le sommet de l'onde au Drain de T3, ce qui empêche toute variation brusque de l'éclairement des LEDs au minimum d'intensité (Imin). Cet arrondi est indépendant de la fréquence car il n'utilise pas de condensateurs, uniquement des résistances (R1 à R5). 3/ Oscillateur en anneau selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que les 3 cellules de retard utilisent 3 résistances égales (R6 à R8) de très fortes valeurs associées aux 3 capacités d'entrée des mosfets (Ti à T3), capacités de très petites valeurs comparées aux gros condensateurs qui seraient requis pour atteindre le domaine de fréquences ultra basses utilisées ici, de l'ordre du milliHertz. 4/ Procédé de polarisation d'un oscillateur en anneau selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par 2 ponts diviseurs en cascade (R9, R10) et (R11, R12) qui polarisent les 2 premiers transistors (Ti, T2) d'une façon telle qu'ils maintiennent l'indépendance du réglage (Imin) du seuil d'allumage des LEDs par rapport à la symétrie d'arrondi de la forme d'onde. 5/ Procédé de polarisation d'un oscillateur en anneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par un ajustable (R14) placé entre la masse et le Drain du transistor qui pilote la charge (T3), ledit ajustable (Imax) permettant la polarisation du premier transistor (Ti). 6/ Ensemble composé de plusieurs oscillateurs en anneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait qu'il permet de piloter plusieurs groupes de LEDs en fusionnant, de façon 55 réellement imprévisible, leurs luminances et leurs chrominances.