CA2950054A1 - Methode et systeme pour gradateur de lumiere sans scintillement sur un reseau d'alimentation alternatif - Google Patents

Abstract

Un conditionneur de signal est divulgué. Le conditionneur de signal permet généralement de filtrer, convertir, segmenter ou de généralernent réaliser une forme d'onde d'une source électrique en un signal électrique d'alimentation d'un appareil électrique, tel une lampe aux DELs, de façon à ce que la lecture du signal électrique qu'en fait l'appareil puisse permettre de réaliser une fonction pratiquement exempte de variation induite par les fiuctuations de la source.

Description

Numéro de dossier 11439-043 Titre de l'invention Méthode et système pour gradateur de lumière sans scintillement sur un réseau d'alimentation alternatif Référence à des demandes parentes [0001] La présente demande de brevet n'est reliée à aucune autre demande de brevet.
Domaine de l'invention

[0002] La présente invention concerne de manière générale les systèmes et méthodes permettant de moduler et de corriger précisément la source électrique d'une tension alternative qui influence l'intensité de l'éclairage d'une lampe électronique telle des lampes à diode électroluminescent (DEL) avec ou sans circuit de régulation.
L'invention concerne aussi tous autres domaines d'application de contrôle où la précision de l'angle de phase et la correction du signal électrique sont requis pour commander un équipement électrique qui régule une fonction ou un procédé tel la vitesse d'un moteur électrique.
Historique de l'invention

[0003] Pour des questions de rétrocompatibilité avec les ampoules incandescentes, les manufacturiers de lampes DEL intègre généralement un mécanisme électronique permettant de détecter l'angle de conduction de l'alimentation afin de faire varier l'intensité lumineuse. Contrairement à l'ampoule incandescente, l'intensité
lumineuse de la lampe DEL varie grandement pour de très faible variation d'amplitude du signal électrique, spécialement près de son point d'allumage. La résultante est qu'à
faible intensité, la moindre perturbation ou variation du signal électrique alimentant la lampe DEL crée des effets de scintillement stressant pour les humains et les animaux.

[0004] Une méthode populaire pour faire varier l'intensité lumineuse utilise le contrôle à
triac.

[0005] Le scintillement des lampes à faible intensité est souvent produit par l'activation de la gâchette dans la zone où l'amplitude du signal électrique est en-dessous de la tension de conduction des LEDs ou lorsque l'énergie résiduelle cumulée dans les divers composants électriques est restituée ou superposée à la tension du secteur.

Numéro de dossier 11439-043

[0006] Ainsi, il y a des besoins pour une méthode améliorée de variation du courant visant généralement à limiter l'effet de scintillement dans une lumière ou un système d'éclairage.
Résumé de l'invention

[0007] L'invention consiste généralement à créer un conditionneur de signal capable de filtrer, convertir, segmenter ou de généralement réaliser une forme d'onde d'une source électrique en un signal électrique d'alimentation d'un appareil électrique, tel une lampe aux DELs, de façon à ce que la lecture du signal électrique qu'en fait l'appareil puisse permettre de réaliser une fonction pratiquement exempte de variation induite par les fluctuations de la source.

[0008] Dans un autre aspect de l'invention, une charge absorbant rapidement l'énergie résiduelle de la ligne électrique est appliquée lorsque le conditionneur coupe l'alimentation de l'appareil. Contrairement à une charge passive qui dissipe typiquement une quantité élevée d'énergie durant la phase de conduction des interrupteurs électroniques, l'énergie dissipée par la charge lors de la phase de conduction est quasi nulle car elle se limite à l'alimentation des composants électroniques qui contrôlent ce circuit.

[0009] Les caractéristiques de la présente invention qui sont considérées comme nouvelles et inventives seront décrites avec plus de détails dans les revendications présentées ci-après.
Description des dessins

[0010] Les avantages, objectifs et caractéristiques de la présente invention seront plus facilement observables en se référant à la description détaillée suivante qui sera faite à
l'aide des figures dans lesquelles :

[0011] La figure AA illustre le résumé de l'invention.

[0012] La figure A illustre le schéma bloc du circuit électronique alimenté
par une tension alternative du réseau électrique.

[0013] La figure B illustre le schéma bloc du circuit électronique alimenté
par une tension double alternance.

Numéro de dossier: 11439-043

[0014] La figure C illustre le circuit de détection de passage par zéro de l'alimentation du secteur électrique.

[0015] La figure D illustre le circuit de commutation alimenté par une tension alternative du réseau électrique.

[0016] La figure E illustre le circuit de commutation alimenté par une tension double alternance.

[0017] La figure F illustre le circuit de charge active alimenté par une tension alternative du réseau électrique.

[0018] La figure G illustre le circuit de charge active alimenté par une tension double I 0 alternance.

[0019] La figure H illustre le circuit protection contre les surcharges.

[0020] La figure 1 illustre le circuit de détection de court-circuit au démarrage.

[0021] La figure J illustre le circuit de rétroaction optique pour stabiliser l'intensité
lumineuse.

[0022] La figure K illustre le mode de contrôle de type Trailing Edge .

[0023] La figure L illustre le mode de contrôle de type Leading Edge .

[0024] La figure M illustre le mode de contrôle de type Bande Centrale .

[0025] La figure N illustre le mode de contrôle de type Bande Décentrée .

[0026] La figure 0 illustre le mode de contrôle de type Peigne .

[0027] La figure P illustre le mode de contrôle de type Double Bande .

Numéro de dossier 11439-043 Description détaillée de l'incarnation préférée

[0028] Une nouvelle méthode et un système pour gradateur de lumière sans scintillement sur un réseau d'alimentation alternatif seront décrit ci-après. Même si l'invention sera décrite en prenant pour exemple une ou plusieurs incarnations préférées, il est important de comprendre que ces incarnations préférées sont utilisées afin d'illustrer l'invention et non afin d'en limiter la portée.

[0029] En référence à la Figure AA, une incarnation possible de l'invention et de son interconnexion avec l'appareil ou une suite d'appareils branchés en parallèle y est présentée. Le système, ici nommé le conditionneur, reçoit une alimentation source alternative AA1. Le conditionneur applique des transformations à l'onde électrique pour la restituer vers un appareil AA4. L'appareil AA4 peut être une lampe, un moteur ou tout autre appareil qui convertit le signal électrique de son alimentation en une fonction quelconque telles que de la lumière, une force motrice, un mouvement, etc.

[0030] Électrique

[0031] En se référant maintenant aux figures A et B, deux incarnations préférées de circuits ou systèmes électroniques de contrôle utilisé par la présente invention sont présentées. Le circuit de la figure A fonctionne avec une tension alternative AC où le courant circulant dans l'interrupteur (A.4) est bidirectionnel. Le deuxième circuit illustré
à la figure B possède un pont de diodes (B.3) qui redresse la tension alternative du réseau en une forme d'onde double alternance où le courant circulant dans l'interrupteur (B.4) est unidirectionnel. Le circuit de filtration et de protection (A.1/B.1) en amont protège l'électronique contre les surtensions réseau et limitent les émissions conduites sur le réseau électrique. Un circuit de détection du passage par zéro de la tension réseau (A.2/B.2) permet au contrôleur principal (A.14/B.14) de se synchroniser sur chaque début de cycle de la tension réseau. Une consigne de luminosité donnée par une interface usagée ou par un circuit électrique externe non représenté ici, enclenche une séquence d'activation de l'interrupteur (A.4/B.4) en fonction du temps pour permettre le contrôle de l'intensité des lampes à LED. Le circuit de type snubber (A.6/B.6) permet d'absorber l'énergie emmagasinée dans l'inductance du câblage du circuit de lampe à
LED et protège (A.4/B.4) contre les surtensions. Un circuit de type bleeder actif Numéro de dossier 11439-043 permet de vider l'énergie du circuit de type snubber et des autres composantes du circuit ainsi que dans les composants du réseau de lampes à LED afin de garantir un front d'onde rapide et franc lors de la coupure de l'interrupteur (A.4/B.4). Le système peut comprendre un circuit de protection en surcharge et de protection de courts-circuits au démarrage (A.10/B.10) typiquement implanté à l'aide d'un convertisseur courant-tension (A.5/B.5). Ce circuit permet généralement de protéger les composantes électroniques et électriques du circuit de contrôle contre une surcharge de courant et contre une dissipation thermique trop importante. Le système peut également comprendre un circuit de détection, ici exprimé par une détecteur d'intensité lumineuse (A.13/B.13), visant généralement à corriger le signal de sortie alimentant, dans cet exemple, l'intensité des lampes à LED.

[0032] En se référant maintenant à la figure D, une incarnation préférée d'un circuit de commutation principal du circuit de contrôle des lampes à LED en courant alternatif AC
est présenté. La figure E illustre un circuit similaire au circuit de commutation principal de la figure D mais sous alimentation DC avec onde redressée double alternance. Le circuit comprend typiquement un contrôleur principal (D.5/E.5) configure pour commander l'activation de l'interrupteur (D.1/E.1) via un circuit avec isolation galvanique (D.3.4/E.3) et des circuits de commande de Mosfet (D.2/E.2). A
titre de préférence uniquement, des isolateurs optiques (D.3/E.3) sont utilisés dans ce circuit mais d'autres composantes comme des isolateurs magnétiques, capacitifs, hall effect ou RF
pourraient être utilisés. A titre de préférence uniquement, l'interrupteur (D.I/E.1) est formé de Mosfet mais d'autres composantes comme des transistors ou des IGBT
pourraient être utilisés dans ce circuit. L'utilisation de Mosfet de puissance monté en parallèle est aussi possible et permet de composer un interrupteur de puissance à très faible résistance et de réduire considérablement les pertes de puissance électrique convertie en énergie thermique. Un tel circuit de commutation vise généralement à
réduire la taille du dissipateur de chaleur jusqu'à le retirer si la surface en cuivre du circuit le permet.

[0033] En se référant maintenant à la figure J, une incarnation préférée d'un circuit de rétroaction permettant généralement d'interrompre ou de prolonger la période d'activation de la lampe afin de maintenir la consigne d'éclairage à l'intensité demandée est présenté.

Numéro de dossier I I 439-043 Le circuit est généralement composé d'un détecteur optique (J.2) qui convertit la lumière émît par les lampes à LED en un signal électrique proportionnel à l'intensité
lumineuse.
Le signal électrique est ensuite amplifié par un amplificateur (J.3) à un niveau acceptable afin d'être converti en valeur numérique par le convertisseur analogique/numérique (J.4).
Sans s'y limiter, et à titre de préférence, une photodiode (J.2) est utilisée dans ce circuit, mais d'autres convertisseurs optiques tels que phototransistor, cellule photoélectrique ou pile solaire peuvent être utilisés. Une autre approche possible de ce circuit est le remplacement du convertisseur analogique/numérique par un oscillateur avec modulation de la largeur d'impulsion (PWM) commandé par la sortie de l'amplificateur (J.3) et couplé sur une entrée logique du contrôleur principale (.1.5).

[0034] La charge active bleeder vise généralement à atténuer l'énergie résiduelle restaurée par l'inductance de ligne qui est emmagasinée dans le snubber et dans les autres composants électroniques sur la ligne afin de permettre une coupure plus franche de chaque cycle d'éclairage et généralement éviter que cette énergie soit transmise aux lampes. Une coupure franche de chaque cycle vise à bien contrôler des lampes à
LED qui possèdent des circuits de détections temporelles de front d'onde à titre de signaux de commande en mode dimmer .

[0035] En se référant maintenant à la figure F, une incarnation préférée d'un circuit de charge active en courant alternatif AC est présentée. La figure G, pour sa part, illustre une autre incarnation du circuit de la Figure F mains en mode courant continu redressé double alternance DC. Le circuit de charge active comprend typiquement une charge résistive (F.6/G.6) qui est enclenchée en parallèle avec les lampes à LED à l'aide d'un commutateur (F.3/G.3) lorsque l'interrupteur (F.1/G.1) est ouvert. A titre de préférence uniquement, des Mosfets (F.3/G.3) sont utilisés pour activer la charge résistive (F.6/G.6) mais d'autres composantes comme des transistors ou des 1GBT peuvent être utilisés dans ce circuit. Le contrôleur principal (F.5/G.5) commande l'activation du commutateur (F.3/G.3) via un circuit avec isolation galvanique (F.4/G.4) et des circuits de commande de Mosfet (F.2/G.2). A titre de préférence uniquement, des isolateurs optiques (F.4/G.4) sont utilisés dans ce circuit mais d'autres composantes comme des isolateurs magnétiques, capacitifs, hall effect ou RF peuvent être substitué. Sans s'y limiter, la séquence d'activation de l'interrupteur (F.1/G.1) et du commutateur (F.3/G.3) est Numéro de dossier 11439-043 déphasée de 1 80 degrés mais peut aussi comporter une séquence différente qui permet un meilleur contrôle des lampes à LED.

[0036] Un circuit limiteur de courant avec intégrateur permet généralement de retirer le fusible et de protéger les interrupteurs de puissance contre les surcharges.
Une incarnation préférée du circuit limiteur est illustré à la figure H et peut notamment fonctionner en mode alternatif ou avec onde redressée double alternance. La mesure du courant dans l'interrupteur (H.1) se fait typiquement à l'aide d'un convertisseur courant-tension (H.2), préférablement une résistance de faible valeur. Sans s'y limiter, le circuit de mesure du courant (H.2) peut aussi comprendre un transformateur de courant ou un capteur hall effect . La sortie du convertisseur de courant (H.2) est généralement dirigée vers un amplificateur (H.3) dont la sortie pilote une source de courant variable (H.6) dont l'intensité est proportionnelle au courant circulant dans l'interrupteur (H.1).
Un intégrateur de courant formé par la source de courant (H.6), le condensateur (H.4) et l'interrupteur (H.5) permet d'intégrer le courant circulant dans le circuit des lampes à
LED. La sortie de l'intégrateur est comparée à une tension de référence à
l'aide du comparateur (H.7). Un dépassement de seuil sur le comparateur (H.7) fera ouvrir le circuit à l'aide de l'interrupteur (H.1) protégeant ainsi les composantes électroniques. Le passage par zéro de l'alimentation électrique remet à zéro la charge du condensateur (H.4). Le circuit limiteur de courant est typiquement isolé galvaniquement à
l'aide de circuit isolateur optique. A titre de préférence uniquement, des isolateurs optiques (H.8) sont utilisés dans ce circuit mais d'autres composantes comme des isolateurs magnétiques, capacitifs, hall effect ou RF pourraient également être utilisés. Le circuit pourrait également comprendre une alarme indiquant une surcharge dirigée vers le contrôleur principal (H.9) pour y être traitée.

[0037] Un circuit de protection contre les courts-circuits au démarrage permet généralement d'éviter une surcharge sur les composantes électrique et électronique en cas de mauvais branchement de l'utilisateur. Une incarnation préférée d'un circuit de protection est illustrée à la figure 1 et fonctionne, notamment, en mode alternatif ou avec onde redressée double alternance. La mesure du courant dans l'interrupteur (1.1) se fait typiquement à l'aide d'un convertisseur courant-tension (1.2), préférablement une résistance de faible valeur. Sans s'y limiter, le circuit de mesure du courant (1.2) peut Numéro de dossier 11439-043 aussi être fait avec un transformateur de courant ou un capteur hall effect . La sortie du convertisseur de courant (1.2) est générlament dirigée vers un amplificateur (1.3) suivie d'un comparateur (1.4) et d'un circuit mémoire (1.5). L'intensité du courant instantané
circulant dans l'interrupteur (1.1) est typiquement limitée par l'ouverture de l'interrupteur (1.1) lorsqu'il y a dépassement sur chaque demi-cycle de la tension réseau en mode alternatif ou sur chaque demi-cycle de la tension réseau redressé en mode double alternance. Le passage par zéro de l'alimentation électrique remet à zéro le circuit mémoire (1.5) Le circuit de protection contre les courts-circuits est généralement isolé
galvaniquement à l'aide de circuit isolateur optique. A titre de préférence uniquement, des isolateurs optiques (1.6) sont utilisés dans ce circuit mais d'autres composantes comme des isolateurs magnétiques, capacitifs, hall effect ou RF peuvent être substitué. Une alarme indiquant un court-circuit au démarrage est dirigée vers le contrôleur principal 1.7 pour y être traitée.

[0038] La détection du passage par zéro de l'alimentation électrique se fait avec un détecteur de niveau ayant une discrimination franche et précise de la tension réseau afin de réduire le jitter causé par la non-linéarité de la LED de l'isolateur optique. Le circuit de détection de passage par zéro est illustré à la figure C. La tension d'alimentation réseau alternatif charge un condensateur (C.3) à la tension limite déterminée par le circuit limiteur (C.2). Le comparateur (C.4) est activé
lorsque la tension réseau passe généralement en dessous du seuil déterminé par la tension de référence accumulée dans le condensateur (C.3). Sans s'y limiter, mais comme préférence, la sortie du comparateur (C.4) active la LED de l'isolateur optique (C.5) qui transmet le signal de passage par zéro au contrôleur principal (C.6). D'autres composantes agissant à titre d'isolateur galvanique peuvent également être utilisées pour remplacer l'isolateur optique comme des isolateurs magnétiques, capacitifs, hall effect ou RF.

[0039] Dans des incarnations où le système comprend 2 sorties et plus, l'instant de commutation active de la période d'éclairage est déphasé de quelques microsecondes 1 afin de viser à réduire l'atténuation de l'amplitude de la source lors de l'application de la charge.

Numéro de dossier 11439-043

[0040] Dans d'autre incarnations de l'invention, des configurations permettent d'éliminer le scintillement des lampes à LED due aux fluctuations de l'alimentation du réseau électrique en redressant l'alimentation électrique afin de l'emmagasiner dans des banques de condensateurs pour la restituée de façon contrôlée vers les lampes.

[0041] La restitution électrique peut alors prendre différentes formes dont par exemple, une tension constante, une forme sinusoïdale dont l'amplitude crête et la fréquence sont contrôlées, une modulation trapézoïdale qui permet une meilleure constante de l'intensité
que la forme sinusoïdale tout en maintenant des transitions lentes qui réduisent l'émission par conduction et radiation électromagnétique.

[0042] [0012] Le circuit proposé est constitué d'un modulateur ON/OFF à onde carrée dont le cycle utile varie de façon temporelle toutes au long de la période cyclique. Cette forme d'onde est ensuite filtrée avec un filtre passif ou actif afin de conserver la composante DC et la transmettre au circuit de lampe à LED. La résultante est une composante DC qui varie rapidement en amplitude pour former une onde cyclique complexe.

[0043] Logiciel

[0044] En se référant maintenant à la Figure N, une incarnation possible d'une méthode de contrôle "bande décentrée" est présentée. La méthode de contrôle vise généralement à
offrir plusieurs avantages dont entre autres, dans de nombreux cas, une meilleur stabilité
fonctionnelle à faible intensité de l'appareil AA4 et un appel de courant moins important que dans le mode Bande Centrale (Figure M) et "Bord d'attaque" (Figure L).

[0045] La technique consiste généralement à positionner l'instant d'activation de l'interrupteur électronique A4/B4 lorsque la tension alternative atteint une tension prédéterminée dans le modus operandi de l'appareil. La quantité d'énergie transmise à
l'appareil AA4 est généralement déterminée par la durée de l'activation de l'interrupteur électronique A4/B4. L'augmentation progressive d'énergie est typiquement transférée à
l'appareil et de la manière suivante: à la valeur minimum, l'activation de l'interrupteur électronique se fait par exemple en N3 et désactivation en N4. Puis progressivement, de N3 à N5, de N3 à N6, jusqu'à ce que la fenêtre de conduction atteigne N3 à
N11. Après quoi, l'augmentation se poursuit en augmentant la période de conduction de N2 àNI 1.

Numéro de dossier 11439-043 La transmission d'énergie est totale lorsque la conduction se fait de NI à
N11. La régression de l'énergie transmise se fait à l'inverse de la progression soit:
NI à N11, N2 à
N I 1, N3à NI 1, N3à NIO, N3 à N9, jusqu'à la durée de conduction minimum de N3 à N4.
Dans la Figure N, l'intervalle de temps entre NI, N2,N3...N11 est à titre suggestif et est adapté en fonction de l'appareil cible.

[0046] Dans des incarnations où la lampe est composée de multiples segments de DELs, l'algorithme de contrôle peut permettre de multiples cycles afin de commuter chaque segment dans la zone de conduction des diodes. Comme illustré à la figure P, l'activation peut d'abord se faire en Pl lorsque la tension de ligne dépasse le seuil prédéterminé de la première série de LEDs. L'intensité est ensuite progressivement augmentée en retardant la première coupure P2. Lorsque l'intensité a P2 approche le seuil d'allumage de la seconde série de LEDs, un second pulse centré sur la pleine tension de la ligne est activé.
Éventuellement, le second pulse se fusionne avec le premier lorsque P2 et P3 se rencontrent. Enfin, Pl et P4 se déplacent vers leur passage à zéro P5 pour obtenir une pleine onde.

[0047] Dans des incarnations typiques d'une lampe composée de multiples segments de DELs, l'algorithme de contrôle peut permettre de multiples cycles afin de commuter chaque segment dans la zone de conduction des diodes. Comme dans l'exemple d'une lampe avec deux segments de DELs, la progression de l'intensité se fait comme suit. En se référant à la figure P, l'activation du premier cycle se fait d'abord en Pl au point d'amorce du segment de DELs ayant la plus basse tension d'allumage.
L'accroissement de l'intensité lumineuse se fait généralement progressivement en augmentant la durée de la conduction jusqu'à atteindre le point d'amorce de la seconde série de DELs P2.
A partir de ce point, un second cycle de conduction centré sur la tension crête de la ligne est activé P3 à P4. L'accroissement de l'intensité lumineuse se fera en augmentant l'angle de conduction de façon symétrique centré sur la tension crête jusqu'à ce que le début du 2e cycle de conduction P3 atteigne l'angle de conduction de la fin du 2e cycle P2, Après ce stage, l'intensité poursuit typiquement sa progression en augmentant l'angle de conduction de façon symétrique, i.e. Plen réduisant son angle de phase vers le 0 degré et P4 en augmentant son angle de phase vers 180 degré jusqu'à atteindre un angle de conduction total de 180 degrés entre PI et P4.

Numéro de dossier I 1439-043

[0048] Sans s'y limiter, le système supporte généralement 6 modes de contrôle, le mode le plus adéquat étant sélectionné en fonction du meilleur fonctionnement de la lampe. La liste suivante présente des modes typiquement supportés :
a. Leading edge (Figure L);
b. trailing edge (Figure K);
c. période active centrée sur le centre de la période (Figure M);
d. période active décentré (Figure N);
e. modulation en peigne (Figure 0);
f. et double bandes (Figure P).

[0049] Afin de produire un conditionnement acceptable de l'onde électrique, le conditionneur vise généralement une intégration électronique alimentée par une tension alternative du réseau électrique ou un circuit électronique alimenté par une tension double alternance combiné à l'un des modes de contrôle d'onde présenté dans les différentes figures K, L, M, N,0 et P.

[0050] Bien qu'elle ait été décrite à l'aide d'une ou plusieurs incarnations préférées, il faut bien comprendre que la présente invention peut être utilisée, employée et/ou incarnée dans une multitude d'autres formes. Ainsi, les revendications qui suivent doivent être interprétées de façon à inclure ces différentes formes tout en restant à
l'extérieur des limites fixées par l'art antérieur.
- Il -

Claims (2)

Revendications

1. Une méthode pour gradateur de lumière sans scintillement sur un réseau d'alimentation alternative telle que décrite ci-dessus.

2. Un système pour gradateur de lumière sans scintillernent sur un réseau d'alimentation alternative telle que décrite ci-dessus.