FR3041204A1 - Gestion de la tension directe d'une source lumineuse led a micro- ou nano-fils - Google Patents

Abstract

L'invention propose un procédé de gestion de tension directe d'une source lumineuse à électroluminescence comprenant des bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques faisant saillie d'un substrat et répartis en une pluralité de groupes. En utilisant les mesures de l'invention, il devient possible d'adapter la tension directe de la source lumineuse en fonction d'une valeur de tension d'alimentation disponible.

Description

GESTION DE LA TENSION DIRECTE D’UNE SOURCE LUMINEUSE LED A MICRO- OU NANO-FILS L’invention a trait au domaine de l’éclairage et de la signalisation lumineuse, notamment pour véhicule automobile.

Dans le domaine de l’éclairage et de la signalisation lumineuse pour véhicules automobiles, il devient de plus en plus courant d’utiliser des sources lumineuses à composants semi-conducteurs électroluminescents, par exemple des diodes électroluminescentes, LED. Un composant LED émet des rayons lumineux lorsqu’une tension d’une valeur au moins égale à une valeur seuil appelée tension directe est appliquée à ses bornes. Si la tension appliquée est inférieure à la tension directe de la source, le composant semi-conducteur n’est pas conducteur et n’émet par conséquent pas de rayons lumineux.

De manière connue, une ou plusieurs LEDs d’un module lumineux pour un véhicule automobile sont alimentées par le biais de moyens de pilotage de l’alimentation, qui comprennent des circuits convertisseurs. Les moyens de pilotage de l’alimentation sont configurés pour convertir un courant électrique d’une première intensité, par exemple fourni par une source de courant du véhicule automobile, telle qu’une batterie, en un courant de charge ayant une deuxième intensité, différente de la première. Le courant de charge a en général une intensité constante.

Dans une multitude d’applications quotidiennes, la tension d’alimentation disponible n’est pas constante au cours du temps. C’est notamment le cas au sein d’un véhicule automobile. Par exemple, au démarrage du moteur thermique d’un véhicule automobile, la tension disponible à bord du véhicule automobile est typiquement limitée à 7 V pendant quelques millisecondes. Une fois que le système se stabilise, la tension disponible augmente à 12 V tant qu’un alternateur ne charge pas la batterie. D’autres tensions disponibles à valeurs intermédiaires ou supérieures sont également possibles. Lorsque la tension disponible est appliquée à tout instant aux sources lumineuses de type LED, ayant de manière connue une tension directe constante, les sources ne sont pas conductrices et n’émettent pas de rayons lumineux lorsque la tension disponible est trop basse. Un moyen connu assez coûteux et lourd à implémenter est la provision de convertisseurs de tension pour remédier à ce problème. L’invention a pour objectif de proposer une solution palliant le problème susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de gérer la tension directe d’un composant LED au cours du temps et en fonction de la tension électrique disponible. L’invention a pour objet un procédé de gestion de tension directe VF d’une source lumineuse à semi-conducteur comprenant une pluralité de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques faisant saillie d’un substrat et répartis en une pluralité de groupes. Le procédé est remarquable en ce que, en fonction d’une tension électrique disponible V|N, des moyens de gestion choisissent à chaque instant le nombre de groupes alimentés en série.

De préférence, les bâtonnets peuvent être agencés en matrice. La matrice peut de préférence être régulière, de façon à ce qu’il existe un espacement constant entre deux bâtonnets successifs d’un alignement donné, ou de façon à ce que les bâtonnets soient disposés en quinconce.

La hauteur d’un bâtonnet peut de préférence être comprise entre 1 et 10 micromètres.

La plus grande dimension de la face terminale peut préférentiellement être inférieure à 2 micromètres.

De préférence, la distance minimale qui sépare deux bâtonnets immédiatement adjacents peut être égale à 10 micromètres. L’aire de la surface éclairante de la source lumineuse peut de préférence être d’au plus 8 mm2.

La luminance obtenue par la pluralité de bâtonnets électroluminescents peut par exemple être d’au moins 60Cd/mm2.

La source lumineuse peut de préférence comprendre plusieurs groupes de bâtonnets électroluminescents reliés à des anodes différentes. Chaque groupe peut ainsi être alimenté électriquement indépendamment de l’autre ou des autres. Les bâtonnets de chaque groupe sont avantageusement tous du même type, c’est-à-dire émettant dans le même spectre. Les groupes sont avantageusement identiques et représentent une tension directe commune. De préférence, chaque groupe comprend donc sensiblement le même nombre de bâtonnets.

De préférence, les groupes peuvent avoir une tension directe VFg égale.

Le nombre de groupes N alimentés en série peut de préférence être tel que

Les moyens de gestion de la source lumineuse peuvent de préférence être aptes à reconfigurer de manière dynamique le branchement électrique relatif des différents groupes.

De préférence, les moyens de gestions peuvent être aptes à subdiviser la pluralité de groupes en une ou plusieurs branches de groupes alimentés en parallèle, chaque branche présentant un nombre de groupes alimentés en séries. Le cas échéant, le nombre de groupes par branche peut différer d’une branche à une autre.

Les moyens de gestion peuvent de préférence être apte à réorganiser le branchement série et parallèle des groupes de sorte à ce que chaque branche comporte un nombre de groupes N alimentés en série tel NVFG ^ V|N et (N+1 )VFG) > V|N.

De manière préférée, les moyens de gestion peuvent être aptes à éviter de manière sélective l’émission de lumière de M des groupes alimentés en série, en choisissant M tel que M VFq > Vin-

De préférence, les moyens de gestions peuvent être aptes à réorganiser le branchement et série et en parallèle des groupes de sorte à ce qu’une ou plusieurs branches sélectionnées pour émettre de la lumière comporte un nombre de groupes N alimentés en série tel

et pour qu’une ou plusieurs autres branches sélectionnées pour être éteintes comporte un nombre de groupes M tel que MVFg > V|N. Par exemple, les moyens de gestion peuvent être dépourvus d’interrupteur apte à court-circuiter une ou plusieurs diodes.

Le procédé de gestion peut de préférence être apte à éteindre de manière sélective une ou plusieurs branches de groupes de diodes, en choisissant un branchement résultant dans une tension directe supérieure à la tension d’alimentation disponible. L’invention a également pour objet une source lumineuse à électroluminescence, comprenant un substrat et une pluralité de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques faisant saillie du substrat. La source est remarquable en ce que les bâtonnets sont répartis en une pluralité de groupes, chaque groupe étant configuré pour être alimenté en électricité de manière sélective.

La source peut de préférence comprendre des moyens de gestion configurés pour mettre en œuvre le procédé conforme à l’invention.

De préférence, la source peut comprendre des moyens de mesure de la tension disponible V|N reliés de manière fonctionnelle aux moyens de gestion.

Les moyens de gestion peuvent de préférence comprendre un circuit électronique et/ou un élément microcontrôleur.

Le substrat de la source peut de manière préférée être en Silicium.

De préférence, les moyens de gestion peuvent être intégrés dans le substrat.

Les moyens de mesure de la tension disponible V|N peuvent de préférence être intégrés dans le substrat de la source.

La source lumineuse peut de préférence comprendre un régulateur de courant, notamment linéaire, intégré dans le substrat. L’invention a également pour objet un module lumineux comprenant au moins une source lumineuse apte à émettre des rayons lumineux et un dispositif optique apte à recevoir les rayons lumineux et à produire un faisceau lumineux. Le module est remarquable en ce que la ou les sources lumineuses sont conformes à l’invention.

Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce qu’elles permettent d’adapter les besoins de tension d’une source lumineuse à diodes électroluminescentes sous forme de nano- ou micro-fils de manière dynamique en fonction de la tension d’alimentation disponible. Ceci est particulièrement vrai dans le contexte d’un véhicule automobile, dans lequel le niveau de tension disponible est variable dans le temps. Le procédé proposé permet de reconfigurer l’interconnexion entre différents groupes de fils semi-conducteurs de manière dynamique en choisissant parmi une pluralité de configurations prédéterminées. L’utilisation d’une source à micro- ou nano-fils semi-conducteurs permet notamment d’utiliser un grand nombre de groupes, ce qui donne lieu à un grand nombre de configurations prédéterminées de la source lumineuse. En plus, lorsque le substrat de la source est en silicium, le circuit électronique implémentant les moyens de gestion peut être directement implanté sur le substrat de la source. L’invention propose donc un composant unique qui adapte sa tension directe de manière automatique. Ces avantages sont réalisés sans modifier les moyens de pilotage de l’alimentation de la source et sans prévoir l’ajout de convertisseurs de tension par rapport à des architectures connues. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description et des dessins parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation d’une source lumineuse telle qu’elle intervient dans un mode de réalisation préférentiel de la présente invention ; - la figure 2 montre de manière schématique les groupes de fils semi-conducteurs d’une source lumineuse selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention ; - la figure 3 montre de manière schématique une configuration possible des groupes montrés par la figure 2, selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention ; - la figure 4 montre de manière schématique une configuration possible des groupes montrés par la figure 2, selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention ; - la figure 5 montre de manière schématique une configuration possible des groupes montrés par la figure 2, selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention.

Sauf indication spécifique du contraire, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d’autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif.

La figure 1 illustre une source lumineuse électroluminescente 001 selon un premier mode de réalisation de l’invention. La figure 1 illustre le principe de base de la source lumineuse. La source lumineuse 001 comprend un substrat 010 sur lequel sont disposées une série de diodes ou bâtonnets à électroluminescence sous forme de fils 020 faisant saillie du substrat. Le cœur 022 de chaque bâtonnet 020 est en matériau semi-conducteur du type n c’est-à-dire dopé en électrons, alors que l’enveloppe 024 est en matériau semi-conducteur du type p c’est-à-dire dopé en trous. Une zone de recombinaison 026 est prévue entre les matériaux semi-conducteurs du type n et du type p. Il est toutefois envisageable d’inverser les matériaux semi-conducteurs en fonction notamment de la technologie choisie.

Le substrat est avantageusement en silicium et les bâtonnets ont un diamètre de moins d’un micron. En variante, le substrat comprend une couche de matériau semi-conducteur dopé en trous et les fils ont un diamètre compris entre 100 et 500 nm. Le matériau semi-conducteur dopé en électrons et en trous formant les diodes peut avantageusement être du nitrure de gallium (GaN) ou du nitrure de gallium-indium (InGaN). La hauteur d’un bâtonnet est typiquement comprise entre 1 et 10 micromètres, tandis que la plus grande dimension de la face terminale est inférieure à 2 micromètres. Selon un mode de réalisation préféré, les bâtonnets sont agencés en matrice selon une disposition régulière. La distance entre deux bâtonnets est constante et égale à au moins 10 micromètres. Les bâtonnets peuvent être disposés en quinconce. L’aire de la surface éclairante d’une telle source lumineuse est d’au plus 8 mm2. La source est capable de réaliser une luminance d’au moins 60 Cd/mm2

En référence à la figure 1, le substrat 010 comprend une couche principale 030, avantageusement en silicium, une première électrode ou cathode 040 disposée sur la face de la couche principale qui est opposée aux bâtonnets 020, et une deuxième électrode ou anode 050 disposée sur la face comprenant les bâtonnets électroluminescents 020. L’anode 050 est en contact avec le matériau semi-conducteur du type p formant les enveloppes 024 des bâtonnets 020 et s’étendant sur la face correspondante du substrat 010 de manière à former une couche conductrice entre lesdites enveloppes 024 et l’anode 050. Les cœurs ou noyaux 022 des diodes sont quant à eux en contact avec la couche principale semi-conductrice 030 et ainsi en contact électrique avec la cathode 040.

Lors de l’application d’une tension électrique entre l’anode et la cathode, des électrons du matériau semi-conducteur du type n se recombinent avec des trous du matériau semi-conducteur du type p et émettent des photons. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice des bâtonnets est la zone p car elle est la plus radiative.

Conformément à l’invention, la source lumineuse 2 comprend plusieurs groupes de bâtonnets électroluminescents reliés à des anodes différentes. Chaque groupe peut ainsi être alimenté électriquement indépendamment de l’autre ou des autres. Les bâtonnets de chaque groupe sont avantageusement tous du même type, c’est-à-dire émettant dans le même spectre. Les groupes sont avantageusement identiques et représentent une tension directe commune. De préférence, chaque groupe comprend donc sensiblement le même nombre de bâtonnets.

La figure 2 montre de manière schématique une vue de face d’une source lumineuse 101 comprenant des bâtonnets électroluminescents 120 faisant saillie d’un substrat 110. Les diodes ou bâtonnets sont réparties en une pluralité de groupes identiques 161-169. De manière exemplaire, les groupes sont montrés sous formes de carrés de dimensions identiques. D’autres dispositions et/ou géométries des groupes sont réalisables sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. La multitude de bâtonnets 120 présents sur un composant, , permet notamment de prévoir une pluralité de groupes allant au-delà des neufs groupes montrés dans cet exemple. De manière avantageuse, les fils 120 sont regroupés en groupes de manière à ce que chaque groupe présente une tension directe VFg égale. Cependant, tant que la tension directe spécifique de chacun des groupes est connue, ceci ne pose pas une contrainte.

Le procédé de gestion est décrit en référence à la source 101 de la figure 2. Les moyens de gestion non-illustrés de la source 101 sont aptes à reconfigurer de manière dynamique le branchement électrique relatif des différents groupes 161-169. Notamment, les moyens de gestion sont configurés pour adapter le nombre de groupes alimentés en série, ce qui a un impact direct sur la tension directe du branchement en série. En supposant de manière purement exemplaire que chacun des groupes 161-169 se distingue par une tension directe égale VFg = 1.5 V, la tension directe d’une branche d’un circuit électronique comprenant exclusivement N groupes est égale à N VFG = N-1.5 V. Le nombre de branches en parallèle n’a évidemment pas d’impact sur la tension directe des branches. Afin de garantir que les groupes d’une branche puissent émettre des rayons lumineux, les moyens de gestion sont configurés afin de choisir le nombre de groupes N alimentés en série tel que

V|N représentant la tension disponible à un instant donné. Des moyens de mesure de la tension disponible V|N peuvent être réalisés par un circuit électronique

Une implémentation d’un circuit électronique réalisant de tels moyens de gestion est à la portée de l’homme du métier en se basant sur la fonctionnalité décrite dans le cadre de la présente description. Par exemple, l’anode de chaque groupe est connectée à une pluralité de transistors, chacun étant connecté à une cathode d’un autre groupe. La cathode de chaque groupe est connectée à une pluralité de transistors, chacun étant connecté à une anode d’un autre groupe de sorte à interconnecter tous les groupes entre eux et à pouvoir reconfigurer le branchement respectif des groupes entre eux par activation ou désactivation de chacun des transistors.

Les moyens de gestion et de mesure de la tension disponible peuvent notamment être implantés par un circuit impliquant des interrupteurs, transistors ou d’autres composants électroniques, ou par l’intermédiaire d’un élément microcontrôleur programmable en soi connu dans l’art.

Des configurations exemplaires de branchement des groupes de diodes 161-169 sont montrées par les figures 3 à 5. Chaque groupe de diodes 161-169 est représenté par le symbole d’une seule diode électroluminescente afin de garantir la clarté des schémas. L’homme du métier saura adapter les configurations selon l’application concrète visée, selon les spécificités des groupes de sources électroluminescentes disponibles et la tension directe ciblée. L’adaptation de ces paramètres est à la portée de l’homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention.

La première configuration d’alimentation exemplaire des groupes 161-169 est montrée par la figure 3. Les moyens de mesure indiquent que la tension électrique disponible est de 6 V. Afin de pouvoir illuminer tous les groupes en utilisant ce niveau de tension, les moyens de gestion configurent les groupes en trois branches parallèles, chaque branche comprenant un montage en série de trois groupes. La tension directe de chaque branche est donc égale à 4,5 V.

La figure 4 montre une configuration alternative des groupes 161-169 alors que la tension électrique disponible est de 6 V. Cet exemple illustre les possibilités d’applications diverses du procédé selon l’invention. Une première branche comprend un montage de quatre groupes 161-164 de diodes en série, correspondant à une première tension directe VFi égale à 6V. Une deuxième branche comprend un montage en série des cinq groupes 165-169 de diodes. La tension directe de la deuxième branche correspond à VF2, elle est égale à 7,5 V. Comme les deux branches sont montées en parallèle, la tension disponible V|N est appliquée simultanément aux bornes des deux branches. Comme VFi = V|N, les groupes 161-164 émettent des rayons lumineux. Cependant, comme VF2 > V|N, les groupes 165-169 n’émettent pas de rayons lumineux. Le procédé de gestion est donc capable d’éteindre de manière sélective une ou plusieurs branches de groupes de diodes, en choisissant un branchement résultant dans une tension directe supérieure à la tension d’alimentation disponible. Le procédé implémente donc de manière indirecte un interrupteur, sans pour autant avoir recours au court-circuitage de diodes, mais en utilisant les caractéristiques semi-conductrices de celles-ci. Les applications de cette variante de l’invention sont diverses, et peuvent par exemple comprendre la provision d’un composant de source lumineuse apte à réaliser un feu défilant. Dans un tel exemple, la source lumineuse alimente de manière sélective et séquentielle des groupes de diodes différents moyennant leurs branchements respectifs. D’autres configurations seront à la portée de l’homme du métier, dépendant de l’application visée, et sans sortir du cadre de la présente invention.

Dans la configuration montrée par la figure 5, la tension disponible est de V|N= 14 V. En vue de l’émission de rayons lumineux par tous les groupes de diodes ou bâtonnets électroluminescents 161-169, ceux-ci sont tous, à titre exemplaire, alimentés en série. Ce branchement correspond à une tension directe de 13,5 V.

Le substrat de la source 101, duquel les fils semi-conducteurs font saillie, peut avantageusement être en silicium. Dans ce cas, les composants électroniques qui réalisent les moyens de gestion et/ou les moyens de mesure de la tension disponible, qui viennent d’être décrits, peuvent avantageusement être implantés directement dans ou sur le substrat de la source lumineuse. La source résultante gère donc de manière automatique sa tension directe en fonction de la tension d’alimentation disponible. De manière alternative, les moyens de gestion peuvent être réalisés sur un circuit imprimé ou substrat déporté par rapport au substrat de la source lumineuse ou rattaché à celui-ci sous forme d’un package à substrats multiples.

Claims (13)

1. Revendications

   1. Procédé de gestion de tension directe VF d’une source lumineuse (001, 101) à à semi-conducteur comprenant une pluralité de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques (020, 120) faisant saillie d’un substrat (010, 110) et répartis en une pluralité de groupes (161-169), caractérisé en ce que, en fonction d’une tension électrique disponible Vin, des moyens de gestion choisissent à chaque instant le nombre de groupes alimentés en série.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les groupes (161-169) ont une tension directe VFg égale.
3. 3. Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le nombre de groupes N alimentés en série est tel que NVFG ^ V|N et (N+1 ) VFG) > V|N.
4. 4. Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de gestion sont aptes à éviter de manière sélective l’émission de lumière de M des groupes alimentés en série, en choisissant M tel que M VFG > V|N-
5. 5. Source lumineuse (001, 101) à semi-conducteur, comprenant : - un substrat (010, 110); - une pluralité de bâtonnets électroluminescents (020, 120) de dimensions submillimétriques faisant saillie du substrat ; caractérisée en ce que les bâtonnets sont répartis en une pluralité de groupes (161-169), chaque groupe étant configuré pour être alimenté en électricité de manière sélective.
6. 6. Source lumineuse selon la revendication 5, caractérisée en ce que la source comprend des moyens de gestion configurés pour mettre en œuvre le procédé selon une des revendications 1 à 4.
7. 7. Source lumineuse selon une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que la source comprend des moyens de mesure de la tension disponible V|N reliés de manière fonctionnelle aux moyens de gestion.
8. 8. Source lumineuse selon une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que les moyens de gestion comprennent un circuit électronique et/ou un élément microcontrôleur.
9. 9. Source lumineuse selon une des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que le substrat est en Silicium.
10. 10. Source lumineuse selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens de gestion sont intégrés dans le substrat.
11. 11. Source lumineuse selon une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la tension disponible V|N sont intégrés dans le substrat.
12. 12. Source lumineuse selon l’une des revendications 5 à 11, caractérisée en ce qu’elle comprend un régulateur de courant, notamment linéaire, intégré dans le substrat.
13. 13. Module lumineux comprenant : au moins une source lumineuse (001, 101) apte à émettre des rayons lumineux ; un dispositif optique apte à recevoir les rayons lumineux et à produire un faisceau lumineux ; caractérisé en ce que la ou les sources lumineuses sont conformes à une des revendications 5 à 12.