Brevet FR3038166A1 — publié le 20161230

- 1 - La présente invention concerne un banc d'oscillateurs paramétriques haut de gamme pour LEDs permettant de mélanger des couleurs par synthèse additive de façon ultra lente et aléatoire, et selon une courbe de variation de l'intensité lumineuse spécialement étudiée pour supprimer les sauts brusques au voisinage du noir, et le plafonnement au voisinage du maximum, ce qui est toujours le cas quand on utilise une forme d'onde triangulaire ou pseudotriangulaire. Les solutions numériques, qui utilisent un nombre constant de transistors, sont trop polyvalentes pour que ce nombre soit minimum pour une tâche donnée. En plus, n'ayant pas été conçues pour la lenteur, elles courent sans cesse après la vitesse et entraînent tout sur leur passage, y compris leurs déchets gris à impact écologique négatif. 15 L'aléatoire étant incompatible avec le calcul et son déterminisme, l'analogique est supérieur au numérique dans ce domaine. Les propriétés stochastiques (liées au hasard) du bruit électronique des résistances en sont un exemple. Quelle que soit la puissance des processeurs, les séquences numériques ne peuvent au 20 mieux qu'être pseudo-aléatoires, donc faiblement aléatoires. Les solutions PWM à modulation de largeur d'impulsion (Pulse Width Modulation) ne permettent pas d'avoir un noir total absolu, car une impulsion aussi courte soit-elle contient toujours une énergie non nulle. 25 L'invention supprime ces défauts et ajoute des contraintes : coût dérisoire grâce à des composants courants, en nombre réduit, et utilisés loin en dessous de leurs valeurs nominales, ce qui garantit une fiabilité maximale, fabrication simplifiée par l'absence de tri de composants et de réglages d'usine, noir total non seulement possible 3038166 - 2 - mais à durée réglable, durée indispensable car la luminosité totale résultante doit préserver sa probabilité de passage au noir même si on augmente le nombre d'oscillateurs. Chaque oscillateur doit être capable de piloter plusieurs 5 centaines de LEDs, voire plus. Un étage de puissance avec Darlington serait une solution classique dont on se passe ici en ne gardant qu'un unique mosfet monté en intégrateur, ce qui permet d'atteindre des fréquences ultra basses inaccessibles avec un branchement classique des triggers montés en astables où le condensateur est relié soit à la masse, soit au +Vdd. Pour polariser correctement ce mosfet quelle que soit sa tension de seuil Vgs(th), il faut d'abord alimenter le trigger IC1 par une fraction de la tension d'alimentation ce qui crée un décalage de tension (offset) et une modification de l'amplitude du carré sortant du trigger. C'est le rôle de R1, la fraction obtenue étant découplée par C1. Ensuite, une petite led bleue est détournée de sa fonction puisqu'elle n'éclaire pas mais est très faiblement éclairée par une petite led veilleuse. Ces 2 leds bleues ont ainsi une durée de vie illimitée. La led faiblement éclairée équivaut à une pile en série avec la Grille, ce qui réalise un mosfet à tension de seuil variable : tous les types de mosfets sont utilisables. Avec cette tension de seuil décalée vers le haut, on règle R1 pour augmenter l'amplitude du carré sortant du trigger, ce qui rend l'amplitude de sortie maximale sans Darlington quel que soit le mosfet utilisé. On peut remplacer R1, après son réglage optimal qui dépend du type de mosfets choisis pour le banc d'oscillateurs, par une résistance (1k) et une zener dont la tension est celle du point milieu de R1 (8,2V pour le prototype de réalisation). Enfin, un choix judicieux du faible courant de la veilleuse influence positivement la forme d'onde finale, contrairement au Darlington qui n'a pas ce paramètre indépendant. 3038166 - 3 - Après intégration du carré, la forme d'onde triangulaire ne convient pas pour faire évoluer la luminosité des LEDs car, au voisinage du noir, la vitesse de variation de cette luminosité est toujours trop rapide à cause de la courbe d'efficacité lumineuse des 5 LEDs qui est très raide au voisinage de l'intensité nulle. D'autre part, quand on s'approche du maximum de luminosité, cette vitesse de variation est toujours trop lente ! Un réglage de fréquence n'y change rien ! En plus, la durée de vie des LEDs et leur rendement lumineux diminuent quand on s'approche du max. de luminosité, et la loi de 10 perception de Fechner va aussi dans ce sens : une variation linéaire de luminosité réelle ne produit pas une variation linéaire de la luminosité perçue. Pour toutes ces raisons, il faut une onde triangulaire spéciale, particulièrement arrondie au voisinage du noir, donc à passage plus long, et pointue, donc à passage plus bref, au 15 max. de lumière, ces deux caractéristiques produisant une diminution de la consommation d'énergie et une augmentation importante de la durée de vie des LEDs (double impact écologique). L'utilisation classique d'un trigger de Schmitt pour produire l'onde triangulaire de base pose un problème : la fréquence ultra 20 basse requise (domaine du milliHertz) impose une constante de temps RC très élevée, constante que l'on doit pouvoir faire varier de façon continue (réglage fin de la fréquence). Nous sommes devant un dilemme : soit on prend C élevée pour avoir R suffisamment basse pour pouvoir la faire varier de façon continue, car les résistances 25 ajustables n'existent pas en valeurs très élevées ou sont extrêmement chères, mais alors C élevée impose des condensateurs électrochimiques non polarisés coûteux, encombrants et à faible durée de vie (5000 heures), à impact écologique négatif, soit on prend C petite, mais R devient tellement grande qu'on ne peut plus l'ajuster de façon continue ! Avec l'invention proposée, on résout ce 3038166 - 4 - dilemme en utilisant un optocoupleur à sortie triac (1C2), qui ne sort pas sur un triac car il est, lui aussi, détourné de sa fonction d'origine d'isolation haute tension, optocoupleur dont le diac de sortie est une résistance variable bidirectionnelle de valeur très élevée tant qu'on 5 reste dans sa zone de blocage (rappel : un triac sans gâchette est un diac ; un phototriac ou optocoupleur à sortie triac est un photodiac). Grâce à ce phototriac, on a C très petite à durée de vie illimitée (impact écologique positif). En plus du réglage fin de la fréquence, on paramètrise l'oscillateur en déformant le triangle par modulation de 10 sa vitesse de phase et non de sa fréquence car on est à l'intérieur de la période, modulation obtenue grâce à la led émettrice du phototriac connectée au Drain du mosfet. Pour d'autres applications, en connectant R2 non pas au Drain du mosfet mais à un diviseur de tension, on génère un triangle avec réglage fin de sa fréquence ultra 15 basse et sortant en puissance, donc directement utilisable et à très faible coût. Le réglage fin de la fréquence est obtenu par R2 plaçée en série avec la led émettrice du phototriac IC2. Reliée au Drain du mosfet, elle paramètrise l'oscillateur. C2 découple la charge des LEDs placée 20 entre le Drain du mosfet et le +Vdd. Le réglage fin du seuil du noir est obtenu par R3 connectée entre la masse et le Drain du mosfet. Si on veut augmenter encore plus la durée du noir, on peut supprimer R3 et placer une résistance ajustable entre le +Vdd et le Drain du mosfet. C placée entre le Drain et la Grille du mosfet forme avec le 25 diac du phototriac un intégrateur de puissance. L'entrée du trigger IC1 est reliée à l'anode de la petite led faiblement éclairée dont la cathode est connectée à la Grille du mosfet, Grille reliée non seulement à C mais au diac dont l'autre broche va à la sortie du trigger IC1. 3038166 - 5 - Certains signaux du circuit ayant une grande résistance interne équivalente, il est impératif, pour un fonctionnement correct, de fixer le circuit imprimé côté soudures avec des fines entretoises sur une feuille métallique reliée à la masse. 5 Les oscillateurs paramétriques du banc sont analogiques et asynchrones, et selon la valeur de l'ajustable R1 (1k) ou d'une résistance (1k) placée en série avec une zener (8,2V), ils peuvent s'influencer mutuellement par les micro-variations de la tension d'alimentation dûes aux charges de LEDs, ce qui, quand le nombre 10 d'oscillateurs augmente, complexifie et enrichit encore plus leur caractère déjà aléatoire, créant un éventail évolutif incomparable de teintes. En modifiant la fréquence et la durée du noir, ils peuvent aussi produire des séquences rapides de type flash. L'invention est destinée aux fabricants de LEDs, phototriacs, 15 triggers, mosfets, circuits intégrés et semi-conducteurs, aux artistes créateurs de tableaux à rétro-éclairage dynamique, aux fabricants de tous types d'éclairages à évolution ultra lente, d'ambiance, de relaxation, décorations, guirlandes, panneaux ou enseignes lumineuses, aux bureaux d'étude en ingénierie électronique, aux 20 étudiants en préparation de l'agrégation de physique. REVENDICATIONS1/ Banc d'oscillateurs paramétriques haut de gamme pour LEDs permettant de mélanger des couleurs par synthèse additive de façon ultra lente et aléatoire, et selon une courbe de variation de l'intensité lumineuse spécialement étudiée pour supprimer les sauts brusques au voisinage du noir, et le plafonnement au voisinage du maximum, ce qui est toujours le cas quand on utilise une forme d'onde triangulaire ou pseudo-triangulaire, caractérisé en ce qu'il comprend : - un trigger de Schmitt (IC1) alimenté par une fraction de la tension d'alimentation grâce à un ajustable (R1), ou une résistance en série avec une zener, cette fraction étant découplée par un condensateur (C1). - un mosfet monté en intégrateur de puissance : une capacité (C) est reliée entre son Drain et sa Grille, Grille reliée d'une part, au diac d'un phototriac (1C2), et d'autre part à la cathode d'une petite led 15 faiblement éclairée qui, en relevant la tension de seuil du mosfet, permet d'avoir un maximum de puissance en sortie sans recourir à un Darlington, et ceci quel que soit le type de mosfet utilisé. L'anode de la led est reliée à l'entrée du trigger (IC1). - un phototriac (IC2) dont la led émettrice est en série avec une 20 résistance (R2) qui assure le réglage fin de la fréquence. Cette led en série avec R2, ainsi qu'un condensateur (C2), sont en parallèle sur la charge des LEDs, charge qui est connectée entre le Drain du mosfet et le +Vdd. L'autre broche du diac d'IC2 est reliée à la sortie du trigger IC1. 25 - une résistance (R3) connectée entre la masse et le Drain du mosfet ajuste la durée du noir des LEDs. 3038166 - 7 - REVENDICATIONS - une résistance (facultative) connectée entre le +Vdd et le Drain du mosfet, c'est-à-dire en parallèle sur la charge des LEDs, qui permet d'augmenter encore plus la durée du noir, la résistance R3 pouvant alors être supprimée. 5 - une feuille métallique reliée à la masse et placée, grâce à de fines entretoises, tout près du côté soudures du circuit imprimé. 2/ banc d'oscillateurs paramétriques selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'utilisation d'un optocoupleur à sortie triac (IC2) connecté, d'un côté, à la sortie d'un trigger (IC1), et de l'autre, io à son entrée via une petite led faiblement éclairée, permet, d'une part, de paramètriser l'oscillateur en déformant l'onde triangulaire pour qu'elle soit arrondie au voisinage du noir et pointue au max. de luminosité des LEDs, et d'autre part, d'avoir un réglage fin de la fréquence ultra basse en faisant varier l'intensité du courant qui 15 traverse sa led émettrice. 3/ banc d'oscillateurs paramétriques selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'en connectant R2 non pas au Drain du mosfet mais à un diviseur de tension relié entre la masse et le +Vdd, on ne déforme plus le triangle, mais on garde le réglage fin de sa fréquence 20 ultra basse et sa sortie en puissance, donc directement utilisable et à très faible coût. 4/ banc d'oscillateurs paramétriques selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que tous les oscillateurs sont analogiques et asynchrones, ce qui garantit le caractère fortement aléatoire de la 25 luminosité des LEDs qui, mélangées, produisent un éventail évolutif incomparable de teintes.