FR3038166A1 - HIGH QUALITY PARAMETRIC OSCILLATOR BENCH FOR LEDS - Google Patents

Abstract

Il permet 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. Il comporte un réglage fin de la fréquence ainsi que de la durée du noir qui peut être total. Il inclut un mosfet de puissance permettant de piloter des centaines de LEDs, voire davantage, de façon réellement aléatoire, et ceci pour un 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. Sa fabrication est simplifiée par l'absence de tri de composants et de réglages d'usine. Il s'adresse aux fabricants de LEDs, phototriacs, 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 étudiants en préparation de l'agrégation de physique.It allows to mix colors by additive synthesis in an ultra slow and random way, and according to a curve of variation of the luminous intensity specially studied to suppress sudden jumps in the vicinity of the black, and the cap near the maximum, which is always the case when using a triangular or pseudo-triangular waveform. It includes a fine adjustment of the frequency as well as the duration of the black which can be total. It includes a power mosfet that can drive hundreds of LEDs, or more, in a truly random manner, and this for a derisory cost thanks to current components, in small numbers and used far below their nominal values which guarantees a maximum reliability. Its manufacture is simplified by the absence of sorting of components and factory settings. It is intended for manufacturers of LEDs, phototriacs, triggers, mosfets, integrated circuits and semiconductors, artists creating dynamic backlighting, manufacturers of all types of ultra-slow lighting, ambience lighting, of relaxation, decorations, garlands, panels or illuminated signs, to the electronic engineering design offices, to the students in preparation for the aggregation of physics.

Description

- 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.The present invention relates to a bank of high-end parametric oscillators for LEDs making it possible to mix colors by additive synthesis in an ultra-slow and random manner, and according to a variation curve of the light intensity specially designed to suppress jumps. abrupt in the vicinity of black, and the cap near the maximum, which is always the case when using a triangular or pseudotriangular waveform. Digital solutions, which use a constant number of transistors, are too versatile for this number to be minimum for a given task. In addition, not being designed for slowness, they run constantly after the speed and cause everything in their path, including their gray waste negative ecological impact.

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.Since randomness is incompatible with computation and its determinism, analogue is superior to digital in this domain. The stochastic (random) properties of the electronic noise of resistors are an example. Whatever the power of the processors, the digital sequences can at best be pseudo-random, and therefore only slightly random. Pulse Width Modulation (PWM) solutions do not have absolute black, because a pulse as short as it is always contains non-zero energy.

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.The invention eliminates these defects and adds constraints: derisory cost thanks to current components, reduced in number, and used far below their nominal values, which guarantees maximum reliability, manufacture simplified by the absence of sorting of components and factory settings, total black not only possible 3038166 - 2 - but with adjustable duration, a necessary time because the resulting total brightness must preserve its probability of going black even if the number of oscillators is increased. Each oscillator must be able to control several hundred or more LEDs. A power stage with Darlington would be a classic solution that is happening here by keeping only one mosfet mounted as an integrator, which allows to reach ultra low frequencies inaccessible with a conventional connection triggers mounted in astables where the capacitor is connected to either ground or + Vdd. To correctly polarize this mosfet regardless of its threshold voltage Vgs (th), it is first necessary to supply the trigger IC1 with a fraction of the supply voltage, which creates an offset of the voltage (offset) and a modification of the voltage. amplitude of the square leaving the trigger. This is the role of R1, the fraction obtained being decoupled by C1. Then, a small blue led is diverted from its function since it does not light but is very dimly lit by a small led night light. These 2 blue LEDs have an unlimited life. The dimly lit led is equivalent to a stack in series with the grid, which realizes a mosfet with variable threshold voltage: all types of mosfets are usable. With this threshold voltage shifted upwards, R1 is set to increase the amplitude of the square leaving the trigger, which makes the maximum output amplitude without Darlington regardless of the mosfet used. We can replace R1, after its optimal setting which depends on the type of mosfets chosen for the oscillator bank, by a resistance (1k) and a zener whose voltage is that of the midpoint of R1 (8.2V for the prototype of production). Finally, a judicious choice of the low current of the night light positively influences the final waveform, unlike the Darlington which does not have this independent parameter. 3038166 - 3 - After integrating the square, the triangular waveform is not suitable for changing the brightness of the LEDs because, in the vicinity of the black, the speed of variation of this brightness is always too fast because of the curve of luminous efficiency of the 5 LEDs which is very stiff in the vicinity of zero intensity. On the other hand, when we approach the maximum brightness, this speed of variation is always too slow! A frequency setting does not change anything! In addition, the lifespan of LEDs and their luminous efficiency decrease when approaching the max. of brightness, and Fechner's law of perception also goes in this direction: a linear variation of real brightness does not produce a linear variation of the perceived luminosity. For all these reasons, it requires a special triangular wave, particularly rounded in the vicinity of black, so longer passage, and pointed, so shorter passage, at 15 max. These two features produce a reduction in energy consumption and a significant increase in the life of LEDs (double ecological impact). The conventional use of a Schmitt trigger to produce the basic triangular wave poses a problem: the ultra-low frequency required (milliHertz domain) imposes a very high constant RC time constant which must be made vary continuously (fine adjustment of the frequency). We are faced with a dilemma: either we take C high to have R low enough to be able to vary it continuously, because the adjustable resistors do not exist in very high values or are extremely expensive, but then high C imposes capacitors expensive, bulky and short-lived (5000 hours) non-polarized electrochemicals, with a negative ecological impact, or we take C small, but R becomes so great that we can not adjust it continuously! With the proposed invention, this dilemma is solved by using a triac output optocoupler (1C2), which does not come out on a triac because it too is diverted from its original high isolation function. voltage, optocoupler whose output diac is a bidirectional variable resistor of very high value as long as one remains in its blocking zone (reminder: a triggerless triac is a diac, a phototriac or optocoupler with a triac output is a photodiac) . Thanks to this phototriac, we have C very small with unlimited lifespan (positive ecological impact). In addition to the fine tuning of the frequency, the oscillator is parameterized by deforming the triangle by modulation of its phase velocity and not of its frequency because it is within the period, modulation obtained by means of the transmitting LED of the phototriac connected to the drain of the mosfet. For other applications, by connecting R2 not to the Drain of the mosfet but to a voltage divider, a triangle is generated with fine-tuning of its ultra low frequency and outgoing in power, so directly usable and at very low cost. The fine tuning of the frequency is obtained by R2 placed in series with the emitting led of phototriac IC2. Connected to the Drain of the mosfet, it parameterizes the oscillator. C2 decouples the LED load placed between the mosfet drain and the + Vdd. The fine adjustment of the black threshold is obtained by R3 connected between the mass and the drain of the mosfet. If we want to increase the duration of the black even more, we can remove R3 and place an adjustable resistance between the + Vdd and the Drain of the mosfet. C placed between the Drain and Grid mosfet form with 25 diac phototriac a power integrator. The input of the trigger IC1 is connected to the anode of the small, dimly lit led whose cathode is connected to the grid of the mosfet, Grid connected not only to C but to the diac whose other pin goes to the output of the trigger IC1 . Since some of the circuit signals have a large equivalent internal resistance, it is imperative for correct operation to fix the solder-side printed circuit with thin spacers on a grounded metal foil.

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.The parametric oscillators of the bank are analog and asynchronous, and depending on the value of the adjustable R1 (1k) or a resistor (1k) placed in series with a zener (8.2V), they can influence each other by the micro-variations of the supply voltage due to LED loads, which, when the number of oscillators increases, further complicates and enriches their already random character, creating an unparalleled range of hues. By changing the frequency and duration of the black, they can also produce fast flash sequences. The invention is intended for manufacturers of LEDs, phototriacs, 15 triggers, mosfets, integrated circuits and semiconductors, artists creating dynamic backlighting boards, manufacturers of all types of ultra-slow evolution lighting, atmosphere, relaxation, decorations, garlands, signs or illuminated signs, electronic engineering design offices, 20 students in preparation for the aggregation of physics.

Claims (4)

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.CLAIMS1 / Bench parametric high-end oscillators for LEDs for mixing colors by additive synthesis ultra slowly and randomly, and a light intensity variation curve specially designed to suppress abrupt jumps in the vicinity of black, and the ceiling in the vicinity of the maximum, which is always the case when using a triangular or pseudo-triangular waveform, characterized in that it comprises: a Schmitt trigger (IC1) fed by a fraction of the supply voltage through an adjustable (R1), or a series resistance with a zener, this fraction being decoupled by a capacitor (C1). a mosfet mounted as a power integrator: a capacitor (C) is connected between its drain and its gate, grid connected on the one hand, to the diac of a phototriac (1C2), and on the other hand to the cathode of a small led 15 poorly lit which, by raising the threshold voltage of the mosfet, allows to have a maximum power output without resorting to a Darlington, and this regardless of the type of mosfet used. The anode of the LED is connected to the trigger input (IC1). - A phototriac (IC2) whose emitting led is in series with a resistor (R2) which provides the fine adjustment of the frequency. This led in series with R2, as well as a capacitor (C2), are in parallel on the charge of the LEDs, charge which is connected between the Drain of the mosfet and the + Vdd. The other pin of the diac of IC2 is connected to the output of the trigger IC1. A resistor (R3) connected between the ground and the mosfet drain adjusts the duration of the black of the LEDs. A resistor (optional) connected between the + Vdd and the mosfet drain, that is to say in parallel with the charge of the LEDs, which makes it possible to increase even more the duration of the black, the resistance R3 can then be removed. 5 - a metal sheet connected to the ground and placed, thanks to thin spacers, close to the solder side of the printed circuit. 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.2 / parametric oscillator bank according to claim 1 characterized in that the use of a triac output optocoupler (IC2) connected, on one side, to the output of a trigger (IC1), and the other, io at its entrance via a small led dimly lit, allows, firstly, to parametrize the oscillator by deforming the triangular wave so that it is rounded in the vicinity of black and pointed to max. brightness of the LEDs, and secondly, to have a fine adjustment of the ultra-low frequency by varying the intensity of the current that crosses its emitting led. 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.3 / parametric oscillator bank according to claim 1 characterized in that by connecting R2 not to the Drain mosfet but to a voltage divider connected between the mass and + Vdd, it no longer deforms the triangle, but we keep the fine adjustment of its ultra-low frequency and its output in power, so directly usable and at very low cost. 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.4 / parametric oscillator bank according to claims 1 and 2 characterized in that all the oscillators are analog and asynchronous, which guarantees the highly random nature of the brightness of the LEDs which, mixed, produce an unparalleled range of colors.