FR2924298A1 - Reglage des leds blanches - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un circuit de réglage de luminosité de diodes électroluminescentes (leds), caractérisé en ce que des leds, à tension de fonctionnement élevée supérieures à 3 volts, sont mises en série de 4 et alimentées par une tension continue à l'aide d'un régulateur de tension ajustable. Ce dernier est muni sur sa gâchette d'un potentiomètre et d'une résistance de seuil montés en série, et il peut comporter une résistance placée en parallèle pour optimiser la plage effective de tension des leds sur toute sa course de réglage.

Description

REGLAGE DES LEDS BLANCHES

Ce nouveau mode de connexion concerne tout particulièrement les leds blanches émettant la lumière blanche ou lumière du jour, à peine coloré dans le spectre, blanc chaud ou leds de caractéristiques équivalentes .

Le domaine technique concerné est celui de l'optronique, particulièrement l'éclairage très basse tension continue, à base de diodes électroluminescentes ou led. (2)

Nous connaissons bien la technique précédente, dit à base 5 pour la connexion de 5 leds de couleur rouge, jaune, vert, orange, rapportée par la demande de brevet N° 04 013549 La tension de seuil et la tension de fonctionnement étant assez basse, cette distribution et son système de réglage ajustable, sont liées à une échelle de tension cumulée bien connue, relative à la résistivité interne de chaque diode, celle-ci étant d'environ 400 ohms maximum

Elles ont été disposées série par 5 et multiple pour correspondre à un rendement et ou 1s' un travail optimum, dans la limite des 12 V. Cette tension maximale dite de sécurité, est donc égale au total cumulé des tensions de travail optimum, de chaque diode.

La notion de tension de seuil inéfficace, qui correspond à la différence de tension entre la tension de mise sous tension et la tension de seuil, pour laquelle la led commence à émettre, 2/0 a été remise en évidence. Cette définition correspond donc à la zone de tension pour laquelle la led est inactive, inopérante, et elle est d'autant plus grande qu'il y a de leds mises en série .

La résistance de seuil (13) a été crée pour combler ces tensions inefficaces cumulées. Le cumul des tensions inefficaces pour les leds mentionnées plus haut, disposées série était égale dans ce cas, à 1.5 V / 1.6 V, soit pour 5 leds, à environ à 8.V. pour des valeurs en fonctionnement unitaire variant entre 1.7 / 2.5 volts, et en série, bridé, vers les 12.5 Volts.

Cette disposition par série de 5 qui leur permet d'obtenir une tension équitablement répartie, de par leur même résistivité, est très acceptable au vu de leur capacité émissive, est 3 surtout, rendu réalisable par le type même des leds utilisées. Ce sont en particulier les L53 ou L7113 Kingbright, de 2 à 80 milli-candélas, avec un substrat semi-conducteur à Gap direct, à faible tension de polarisation et à basse résistivité intrinsèque. Ces leds à bas niveau d'énergie de fonctionnement sont formées par des matériaux tel que le phosphure de gallium, ou indium gallium, aluminium, ou arséniure de gallium, 3; 1/ GaP , phosphure de gallium, émettant à 568 nanomètres, vert, jaune 2/ INGaAIP, phosphure d'indium-galium-aluminium, ou 525/630 nanomètres, orange 3/ GaA/AS , arséniure de gallium, 640 nanomètres, rouge La valeur ohmique de la composition de ces jonctions P/N du semi-conducteur, avec des seuils de tension compris entre 1.5 et 2 V, a rendu possible le réglage en tension de ces 4 3 diodes de couleur, par un régulateur de tension ajustable jusque dans la zone des 12 volts

Cependant, ce système et ce mode sont inopérants, et conviennent pas dutout aux leds lumière blanche ou haute luminosité, lesquelles ont une tension de fonctionnement plus élevée Cette tension de fonctionnement élevée fait donc obstacle à l'utilisation des ces leds dans les 4 f séries de 5, empêchant leur utilisation complète dans les réglages, notamment manuel. Cette distribution est donc inadapté pour ces leds, et provoque un problème technique irrésolu à ce jour, laissant dans une impasse totale pour tous réglages par potentiomètre sous une tension autour des 12 volts. ç fo Selon l'invention, cette importante difficulté technique a été relevée, en y apportant une solution nouvelle, complète et définitive à l'utilisation de ce type de leds à tension de fonctionnement élevée (TFE) particulièrement entre 2 et 5 volts. Plus précisément selon l'invention entre 3 et 3.8 volts unitaire, spécialement pour les S couleurs lumières du jour ou dérivées composées, notamment les waters blue, et pour des valeurs à partir de 1000 milli-candelas .

Ces leds de couleur blanche notamment, ont en effet, un substrat semi-conducteur, à Gap indirect. Ce type veut dire que la bande de valence et la bande de conduction n'ayant pas 10 la même valeur du vecteur d'onde, cela implique un apport supplémentaire de tension à fournir par rapport au Gap direct..

Ces leds à tension de fonctionnement élevée, sont donc formées par jonction PIN à base de nitrures, et plus spécialement aux nitrures d'indium-gallium, ou de gallium 1/ InGaN, nitrure d'indium gallium, 2/ GaN, nitrure de gallium

Elles émettent sous des longueurs d'ondes comprises entre 450 et 530 nanomètres, comprenant les blanches, mais également des couleurs bleues ou vertes très clairs, couleurs 2D composées, et qui toutes présentent des tensions de fonctionnement allant de 3. à 3.8 Volts.

La valeur électrique exploitable des ces leds s'établit entre 2 et 3.25 volts unitaire Cette dernière valeur étant un maximum, sous tension continue, afin de ne pas endommager, voire détruire la jonction P/N par avalanche

Si V min = 2 V, Dl à n, limité à 4 Diodes, d'où V D min = 8 V Si V max = 3.V , Dl à n, limité à 4 Diodes d'où V D max = 12 V.

Il s'agit donc de mettre en série des diodes D par 4, pour obtenir un système à large 3D balayage (4.5 volts environ) permettant de régler le passage de l'état éteint à l'état allumé, ici bridé vers 12.5 volts, en jouant sur la tension de gâchette du RTA par un potentiomètre spécifique monté sur la gâchette et en série avec une résistance de seuil

Le système permettant d'effectuer un tel balayage est composé d'un potentiomètre 3'i modifié à l'aide d'un shunt, afin d'ajuster la tension de sortie V/out du RTA, entre 8 et 12.5 v et proportionnellement à l'avancement du curseur du potentiomètre sur toute sa course

La mise au point de l'invention a tenu compte des objectifs et des critères suivant

G{ o 1/ la réalisation d'un flux lumineux et puissant 2/ la réalisation d'un flux lumineux ajustable et réglable 3/ la réalisation d'un flux lumineux progressif depuis la tension de seuil 4/ la réalisation d'un flux lumineux dont l'optimum correspond à la plage de travail unitaire 5/ la réalisation d'un flux lumineux avec toutes les caractéristiques ci-dessus et qui 4S rentre en totalité dans la norme des 12 Volts, ou aux alentours proches.

Selon l'invention, et pour une disposition propre à un réglage maximum aux alentours des 12 volts, et pour une luminosité s'approchant de l'optimum, les leds à forte tension de fonctionnement, entre 3 à 3.8 volts, telles que décrites ci-dessus, sont disposées en série de 4.

Cette disposition série de 4, peut être multiple indéfiniment, en tracé parallèle pur ou parallèle filiforme, sur la sortie V/out (15) d'un régulateur de tension ajustable anode (5) de la première led connectée à la ligne V/out positive (16) et cathode (4) de la dernière led sur le retour négatif (17) Cette tension de fonctionnement élevée et interne à la led, est d'une caractéristique et importance fondamentale, et la conséquence pratique, en est qu'il faille restreindre le nombre de ces leds en série (base de nitrures) à valeur ohmique importante, pour que leurs tension de fonctionnement cumulé, proche de leur optimum unitaire, avoisine celle limitative des 12 V..

io Selon l'invention, ces leds sont disposées en série de 4, éventuellement séries multiples selon les ensembles lumineux à réaliser, réglables par un même potentiomètre, ou plusieurs, ou par rotocontacteur (20), ou gradateur (s) avec circuit intégré ou autres micro- processeurs. Par ailleurs, la résistance interne de ces nouvelles leds est passé à plus de 860 ohms environ, soit plus du double par rapport à celles citées et utilisées précédemment. ls, Ce mode de réglage correspond donc à la plage s'étendant entre la tension de seuil et la tension de fonctionnement optimum, soit vers les 12 volts, c'est à dire entre 7.5 volts et 12 volts, soit une variation de tension présente sur le circuit d'application de 4. 5 V , variation obtenue par réglage d'un potentiomètre (12) placé sur la gâchette, et sur l'intégralité de sa piste 1.0 ou de sa course. Cette tension de fonctionnement du circuit d'application, s'établit donc entre les tensions de seuil et les tensions optimum de fonctionnement de chaque led, cumulé à une série formée de 4 leds, pouvant comporter un nombre de séries parallèles illimitées. (10)

Ce nouveau mode de fonctionnement, adapté aux leds à forte chute typique V/F ou à tension de fonctionnement élevée, TFE, avec également une tension de seuil plus importante, est basé sur la restriction du nombre de leds mises en oeuvre d'une part, sur la présence d'une résistance de tension basse ajustée, dite de seuil, supérieure de plusieurs centaines d'ohms, par rapport à l'ancien montage.

Cette résistance de seuil est destinée à combler la somme des tensions inefficaces et cumulées des leds, par un équivalent résistif placé sur la gâchette série avec le potentiomètre, ceci pour ajuster le début de la session électrique de réglage de quelques millivolts avant le démarrage de l'éclairage des leds, tension de puissance réglée se trouvant sur la sortie V/out..

Toute cette course du potentiomètre est calculée par rapport à la tension reçue sur la gâchette, Adj. du RTA, mais également par rapport et en conséquence de la valeur de tension à la sortie V/out de celui-ci et aussi en fonction de la charge ohmique du circuit d'application, mais pour tous les cas, rester aux alentours des 12 volts sur ce circuit, donc en V/out

Le réglage du flux lumineux s'effectue donc par une variation de tension à la hausse ou à la baisse, obtenue par réglage continu analogique, de la tension de gâchette d'un RTA, régulateur de tension ajustable, réglage de gâchette par potentiomètre .

Le réglage ou ajustement de la résistivité du potentiomètre, est réalisé en vue de la plage de tension minimum et maximum, couvrant la tension de seuil de début d'éclairement ou la tension de sortie maximum, éclairage optimum, pour l'obtention de la tension de sortie V/out déterminé du RTA, soit aux alentours de 12 volts 2V 3 GF0 Seule cette plage de tension utile ou de travail nous intéresse, les différentes valeurs de tension des composants périphériques étant secondaires

Les différentes valeurs à donner aux composants sont les suivantes

- potentiomètre Kilo ohms entre 500 et 5 kilo ohms , vers 750 ohms ou potentiomètre de 4.7 ohm shunté à 900 ohms ou autre valeur - résistance de seuil .ohms entre 100 et 10 kilo ohms , vers 1500 ohms - type de régulateur de tension ajustable .LM 317 T, supérieur et inférieur, et low drop /0 - type de transfo d'alimentation .entre 14/ 18 volts, vers 15 volts CC 0.5 A - zener de 10 à 14 volts sur gâchette après potentiomètre

Les séries peuvent être disposées parallèles pures ou parallèles déployées type filaire ou mixtes entre ces deux polaritées. En effet les séries sont parallèles parce que toutes reliées au même négatif, et au même positif, ce qu'un tracé peut ne pas laisser forcement deviner.

La série de 4 leds fonctionne (et multiple) selon la loi d'ohm en tension, universelle. V R x I et le calcul de la résistivité du montage, s'apparente très fortement à la mise en 20 parallèles de plusieurs résistances, même si ce sont des semi-conducteurs R totale = 1 1/R1+1/R2+ +1/Rn Chaque série de 4 leds représentant une résistance, et le nombre n , représente le nombre de séries (résistances) branchées en parallèle 2S Soit pour une tension constante de 12 volts, la consommation s'accroît, et la résistivité des séries s'abaisse, pour des montages de plus en plus important, ce qui est vérifié au niveau des consommations, on a pour des leds blanches 25 000 milli candelas volts milli ampères ohms p/ total séries nombre leds / séries 11.92 21.1 564 20/5 d 24.2 492 24/6 d 26.7 446 28/7 d 29.6 402 32/8 d 31 384 36/9 d 33 361 40/10 Ces consommations sont plus de la moitié inférieure par rapport à la distribution par 5, pour un même nombre de leds

Ce type de led, à lumière blanche, est connu, comme par exemple, les SMLO11BBT, 012BCT, 011EBT, 012ECT de chez Rohm, ou encore celles de la série KPH-1005VGC/PBC ou KP1608VGC/PBC de Kingbright, pour lesquelles aucun système de réglage manuel à base de potentiomètre n'a été proposé.

Selon l'invention, le système de mise en réglage se décompose en plusieurs parties - le montage des leds série de quatre sur les branches V/out et négatif - le montage de la gâchette résistance compensatrice de seuil RCS `ç le système de réglage potentiomètre shunté sur la gâchette série RCS -le limiteur de tension régulateur de tension ajustable - le système de contrôle diodes zeners sur potentiomètre - ordre des composants composants montés série dans un ordre précis

En effet, le seuil élevée de tension d'activation et de fonctionnement de ces leds TFE, presque du double des leds à phosphure, permet de réaliser des diodes très haute luminosité, tel que super puissantes, super lumineuses, ou à très forte luminosité, voire de puissance jusqu'à 150 candelas, ce qui nécessite de changer le système et le mode de fonctionnement. lo Celui-ci doit pouvoir reprendre la partie de tension exploitable de chaque led, entre les deux extrémités formées par la tension de seuil d'une part, et d'autre part par la zone optimum de rendement, avant claquage de la led, mais aux alentours des 12 volts pour la série de 4, ou 3 volts pour chaque led, ce qui est suffisant pour des leds qui accroissent brutalement leur l( consommation au environ du pic de la tension caractéristique VF

La création de cette distribution limité, et la limitation en tension de ces séries, permet d'exploiter la résistivité cumulée de ces leds en série de 4 et multiple, en réseau, au vue de leur qualités émissives optimum dans le visible sans compromettre leur qualités physiques d'origine. 20 Cette disposition série de 4 leds série, sur la plus grande partie sensible de la bande émissive, permet un ajustage fin et précis de l'éclairement.

Au niveau de l'implantation des composants sur le circuits imprimé, tous ceux étant propres au circuit de réglage sont placées sur un circuit de commande (18) dit circuit mère, qui LS assez souvent pour la commodité de l'installation, est séparé du circuit d'application (19) dit aussi circuit fille, souvent détaché, pour une face-avant. Les deux circuits sont reliés par des jacks de connexion rapides ou autres systèmes.

Selon, l'invention, si le nombre de leds mise en série est de 4, le nombre de segments 3o indépendants et inter-leds, ou espaces de connexion (6), propre à créer un réseau de gravure pour des dispositions filaires ou parallèles a été ramené à 3. Ces segments de distribution par série de 3, inter-leds, de forme parallélépipédique, connectent les quatre leds entre elles par leur bases soudées, les reliant électriquement.

Ces séries de leds, peuvent avoir au moins une base commune de connexion, positif ou négatif, voire les deux, que ce soient pour des séries filaires, parallèles, ou mixte et l'arrivée d'une série peut correspondre au départ d'une autre

Ces segments de forme rectangulaire comportent à leurs extrémités le point de 40 soudure (7) ou de connexion de l'anode ou de la cathode de la série de led, suivant le sens du branchement coté cuivré, le corps de la led se trouvant du coté époxy du circuit imprimé (1)

Ces trois segments indépendants, permettent la connexion des quatre leds, en les disposant en série, chaque fin de série rejoignant la plage de départ et/ou l'arrivée d'une autre Lfj série, et par un système de gravure dite à l'anglaise, permettant de détourer les secteurs ou les sections entre les polarités opposées ou différentes Selon l'invention, le nombre de segments de base, crées, sont au nombre de trois par série de quatre diodes, soir série de 4 diodes connectées grâce à 3 segments, pour des distributions ou montages de type filaire (9), filaire série ou parallèles, ou séries mixtes (8) Selon l'invention, nous avons donc 4 diodes mises en série avec 3 segments ou pavés ou secteurs de connexion individuels des électrodes (3) des diodes en série et de tension de fonctionnement au dessus de 2.2 V, jusqu'à 3.8 V et au dessus de 1000 milli candelas Dans cette dernière disposition, les séries limitées à 4 leds et 3 espaces de connexion électriques indépendants, sont disposées les unes sous les autres, en parallèles en nombre illimité, jusqu'à 10 000 séries soit 40 000 leds Ce type de gravure est également extrapolable pour des leds colorées classiques, mais (D dont la courbe de tension récupérée ou utilisable, par le régulateur sortie V/out est compatible avec leur tension optimum de fonctionnement, avec ou sans dissipateur Si la tension de seuil globale de 7 volts dans une série de 4 est plus faible que dans une série à 5 , il n'en reste par moins qu'unitairement elle est plus élevé, respectivement de 1.75 V Lr contre 1.6 V soit 10 % d'écart unitaire. Cette disposition série de 4 leds et multiple, dans la limite des 12 volts, soit sur la plus grande largeur de la bande émissive, fonctionnelle, permet un réglage ponctuel et précis de l'éclairement.

9 Ces leds à tension de fonctionnement élevée, supérieure à 3 volts unitaire, sont mise en série par 4, et alimentées par une tension continue, à l'aide d'un régulateur de tension ajustable. Ce régulateur (11) porte sur la gâchette, une résistance de seuil ou compensatrice de tension de seuil, et d'un potentiomètre, les deux étant montés en série. <tf Dans la mesure ou le potentiomètre ne satisfait pas au travers de la totalité de sa course, au réglage entre la tension de seuil et les 12 volts, un shunt (14) lui est apporté, pour amener sa valeur ohmique à un coefficient lui permettant de remplir ce rôle. il peut être remplacé par un rotocontacteur ou un gradateur aménagé pour régler la tension de sortie 3 V/out, entre la tension de seuil et celle limite des 12 volts La résistance de seuil a pour but de compenser cette tension inefficace de seuil, cumulé Le régulateur de tension ajustable est du type LM317T, non limitatif des RTA Les leds à tension de fonctionnement élevé sont formées de semi conducteurs à Gap 5r indirect, à base de nitrure de gallium, ou de nitrure d'indium gallium Les leds mise en série par 4, ont une valeur ohmique individuelle supérieure à 500 ohms, et que la tension de 12 volts , répartie unitairement, correspond à plus de la moitié de leur plage de tension de fonctionnement individuelle correspond à une distribution parallèle déployée filaire correspond à une gravure de distribution filaire parallèle correspond à une gravure de distribution parallèle pure carrée 4x4 correspond à une gravure de distribution parallèle multiple correspond à une gravure d'un circuit de distribution complet circuit de réglage et circuit d'application se trouvant sur le même plan d'époxy correspond au schéma du circuit électrique électronique générale avec 4 leds --------------- --------------- ~o la planche 1 la planche 2 la planche 3 la planche 4 ria planche 5 la planche 6 /o 2,5 N° DESIGNATION Planches 1 circuit imprimé epoxy 1.2.3.4.5 2 led à gap indirect TFE supérieur à 3,0 volts , aux nitrures 1.2.5 3 électrode 5 4 cathode 1.2.4. 5 , anode 1.2.4.5 6 secteurs 1.2.3.4.5 7• soudure 5 8 série 1.2.3.5 9 ' série filaire 1.2 série parallèle 3.4.5 11 régulateur de tension ajustable RTA Type LM 317 T 5 12 sfernice, beckman 5 _potentiomètre 13 résistance de seuil compensatrice de U 5 14 shunt potentiomètre 5 v/out régulateur RTA 5 16 positif 4.5 17 négatif 4.5 18 circuit de commande ou mère 5 _ circuit d'application ou fille _ 19 5 rotocontacteur type lorlin ou autre 5

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Circuit de réglage de luminosité de leds, caractérisé en ce que des leds (2 ) à tension de fonctionnement élevée supérieure à 3 volts, sont mises en série de 4 , et alimentées par une tension continue, à l'aide d'un régulateur de tension ajustable (Il) lequel est muni sur sa gâchette ( ) d'un potentiomètre (12) et d'une résistance de seuil (13 ) montés en série

2. Circuit selon revendication 1, caractérisé en ce que le potentiomètre comporte une résistance (14) placée en parallèle pour optimiser la plage effective de réglage de la tension des leds, sur toute sa course de réglage

3. Circuit selon revendication 1, caractérisé en ce que la tension basse avant le début de luminance est déterminée par la valeur ajustée donnée en entré de circuit par la résistance R2 , dite compensatrice ou remplaçante de tension seuil, de manière a éliminer la tension de seuil inéfficace et éliminer la course inutile du potentiomètre

4. Circuit selon revendication 1, caractérisé en ce que le potentiomètre comporte une résistance de valeur d'entrée ou de seuil rendant son réglage effectif des la mise sous tension de la série de leds

5. Circuit selon revendication 1 , caractérisé en ce que les leds à tension de fonctionnement élevée sont formées de semi-conducteurs à Gap indirect, et à base de nitrure de gallium, ou de nitrure d'indium gallium

6. Circuit selon revendication 1 , caractérisé en ce que les séries de leds TFE, se connectent anode à la sortie V/out, cathode au négatif, et que leur extension multiple, s'effectue toujours selon le même mode parallèle

7. Circuit selon revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de leds mise en série ont une valeur ohmique individuelle supérieure à 500 ohms et que la tension de 12 volts répartie unitairement, correspond à plus de la moitié plus de leur plage et tension de fonctionnement

8. Circuit selon revendication 1, caractérisé en ce que le réglage de ces leds peut aussi être obtenir de manière séquentielle par un gradateur, ou par un rotocontacteur, intégrant les différentes résistances de rattrapage de tension, pour balayer le plateau de tension entre la tension de seuil et les 12 volts