WO2018086842A1 - Procede d'emission d'un signal lumineux module de type li-fi - Google Patents

Procede d'emission d'un signal lumineux module de type li-fi Download PDF

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WO2018086842A1 PCT/EP2017/076785 EP2017076785W WO2018086842A1 WO 2018086842 A1 WO2018086842 A1 WO 2018086842A1 EP 2017076785 W EP2017076785 W EP 2017076785W WO 2018086842 A1 WO2018086842 A1 WO 2018086842A1
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light
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diode
junction temperature
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Suat TOPSU
Jaouad GHAYMOUNI
Jorge GARCIA-MARQUEZ
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication

Definitions

  • the invention relates to the field of the emission of modulated light signals of the Li-Fi signal type.
  • radio waves used in wireless communications are close to the resonance frequency of the water molecule, and have been identified as a risk factor for some diseases.
  • LEDs light-emitting diodes
  • the Li-Fi technology is therefore perfectly adapted to transmit and receive music, videos, internet data, measurement data (temperature, brightness, etc.), alarms (fire, presence of toxic fumes, etc.). .), to network sensors or other types of devices, to geolocate a device indoors using Li-Fi signals emitted by LED lamps, etc.
  • the object of the invention is to improve the reliability of an emitter of modulated light signals of the L-Fi signal type.
  • a method for transmitting a modulated light signal of the Li-Fi signal type implemented in a circuit comprising a light-emitting diode, a measurement resistor and a series-connected carrier voltage source and a switch connected in parallel with the measurement resistor, the method comprising the steps of:
  • the emission method according to the invention makes it possible to estimate the remaining lifetime of the electroluminescent diode, and thus the aging of the electroluminescent diode.
  • the remaining service life and the aging of a light-emitting diode depend on environmental factors (in particular the temperature prevailing in the environment of the light-emitting diode), electrical parameters (in particular the stability of the light-emitting diode). supply of the light-emitting diode), or else the quality of manufacture of the light-emitting diode.
  • the remaining life of the light-emitting diode has a direct impact on the remaining life of a light emitter the light emitting diode, while the aging of the light-emitting diode reduces the quality of the emission of the light signals.
  • the emission method according to the invention thus makes it possible, by estimating the remaining lifetime of the light-emitting diode and the aging of the light-emitting diode, to anticipate a possible failure or degradation of the emission of the light signals, and therefore of improve the reliability of the transmitter.
  • FIG. 1 represents a device for transmitting and receiving Li-Fi signals in which the transmission method according to the invention is implemented, a circuit interrupter being closed;
  • FIG. 2 is a figure similar to FIG.
  • FIG. 3 represents the implementation of the emission process according to the invention.
  • the method for transmitting a modulated light signal of the Li- Fi signal type is here implemented in a device for transmitting and receiving Li-Fi signals. 1 integrated in a light emitting diode lamp (or LED lamp).
  • the LED lamp comprises a light emitting diode 2 thanks to which the LED lamp illuminates its environment.
  • the light-emitting diode 2 is also used by the device for transmitting and receiving Li-Fi signals 1 to emit Li-Fi signals containing data to be transmitted, among which there is an identifier of the LED lamp. as well as position data of the LED lamp.
  • an apparatus equipped with a Li-Fi signal receiver receives the identifier of the LED lamp, communication may be established between the apparatus and the LED lamp.
  • the device in question may for example be a mobile phone, a tablet, a laptop, etc.
  • the device for transmitting and receiving Li-Fi signals 1 comprises a circuit comprising, in addition to the light-emitting diode 2, a power supply module 3, a transmitter and receiver module 4, a control module 5, a resistor measure 6 (which here has a resistance value equal to 33k ⁇ ), a switch 7, and an acquisition module 8.
  • the power supply module 3 supplies a supply current and a supply voltage enabling the circuit to operate (and, in particular, the light-emitting diode 2 to illuminate its environment).
  • the transmitter and receiver module 4 is adapted to co-ordinate, decode, transmit and receive LID signals.
  • the transmitter and receiver module 4 comprises a carrier voltage source V p .
  • the carrier voltage source V p / the measurement resistor 6 and the light-emitting diode 2 are connected in series.
  • the switch 7 is connected in parallel with the measuring resistor 6.
  • the acquisition module 8 is adapted to measure a voltage across the electroluminescent diode 2.
  • the control module 5 is intended to control the switch 7, that is to say to open and close, to control the transmitter and receiver module 4, that is to say to activate, to disable to enable it to trigger the transmission of the digital data signal S n mentioned earlier, and to acquire data demodulated by the transmitter and receiver module 4.
  • the digital signal S n data is composed of a succession of high states and low states clocked at a high f3 ⁇ 4 frequency or a low frequency f b.
  • the high frequency f h corresponds to a bit of a first value
  • the low frequency fb corresponds to a bit of a second value.
  • the digital data signal Sn is therefore a frequency modulated signal.
  • the communication protocol used here complies with the IEEE 802.15.7 standard.
  • the control module 5 passes a digital data signal Sn coming from the transmitter and receiver module 4, and modulates the carrier voltage V p as a function of the digital signal. S n data to generate a modulated voltage V m .
  • the control module 5 closes the switch 7.
  • the modulated voltage V m is applied directly across the terminals of the light-emitting diode 2 to transmit the Li-Fi signal. This situation corresponds to Figure 1.
  • the control module 5 opens the switch 7 at regular intervals T M , for a measurement time t m .
  • This situation corresponds to Figure 2.
  • the voltage across the light-emitting diode 2 is lower than that of the operating point of the light-emitting diode, and is equal to a diode voltage V ⁇ j, which corresponds approximately to the threshold voltage of the electroluminescent diode 2.
  • the current flowing in the light emitting diode 2 is also very low when the switch 7 is open, of the order of lA.
  • the voltage Vt across the light-emitting diode 2 is therefore equal to the voltage V p , except when the switch 7 is open for the duration tm, during which the voltage V t becomes equal to the diode voltage V d .
  • the resulting voltage V r across the light-emitting diode 2 can be likened to the multiplication, by a multiplier 9, of the digital data signal S n by the voltage V t (see FIG. 3).
  • the acquisition module 8 measures the diode voltage V d , and estimates the junction temperature of the light emitting diode 2 from the diode voltage V d .
  • the junction temperature is estimated as follows.
  • a calibration step takes place, during which the device for transmitting and receiving signals Li-Fi 1 (and therefore the light emitting diode 2) is positioned in a thermal chamber.
  • the diode voltage V d at The terminals of the light-emitting diode 2 are measured as a function of the junction temperature of the electroluminescent diode 2.
  • a reference curve is then produced from a linear regression of the evolution of the diode voltage Va. function of the junction temperature.
  • the values of the reference curve are stored in a look-up table 11 (or look-up table) programmed in the acquisition module 8.
  • the estimation of the junction temperature of the light-emitting diode 2 consists in comparing the diode voltage V d with values of the reference curve stored in the correspondence table 11 , and to deduce the junction temperature.
  • junction temperature is then used to estimate the remaining life and the aging of the light-emitting diode 2.
  • the estimation of the remaining lifetime of the light emitting diode 2 consists of comparing the junction temperature with a reference temperature value.
  • the estimate of the remaining life is shortened when the junction temperature is higher than the reference temperature value, and is lengthened when the junction temperature is lower than the reference temperature value.
  • an overheating of the junction of the light emitting diode 2 causes a degradation of the semiconductor thin layers constituting the light emitting diode 2.
  • the lifetime of the electroluminescent diode 2 then decreases, and the quality of the flux light generated by the light-emitting diode 2, as well as other photometric characteristics, are degraded.
  • the diode voltage Va and the junction temperature are, moreover, stored in a memory 12 of the acquisition module 8, which makes it possible to perform processing on these data (calculation of means, deviations, comparison with other light-emitting diodes, etc.) / to improve the accuracy of life-time and aging estimation, to detect a tendency to premature aging to anticipate a breakdown, etc.
  • An alert signal is emitted by the device for transmitting and receiving Li-Fi signals 1 when the lifetime of the light-emitting diode 2 becomes too low, and falls below a predetermined threshold.
  • the warning signal is for example followed by the replacement of the light-emitting diode 2, or the replacement of the device for transmitting and receiving Li-Fi signals 1, or any other maintenance operation.

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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
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Abstract

Procédé d'émission d'un signal Li-Fi, mis en œuvre dans un circuit comprenant une LED (2), une résistance de mesure (6) et une source de tension porteuse (Vp) montées en série, ainsi qu'un interrupteur (7) monté en parallèle de la résistance de mesure (6), le procédé comportant les étapes de : - générer un signal numérique de données (Sn), et moduler la tension porteuse (Vp) pour générer une tension modulée (Vm); - fermer l'interrupteur (7), et donc appliquer la tension modulée (Vm) aux bornes de la LED (2); - à intervalles temporels réguliers, ouvrir l'interrupteur (7), et mesurer une tension de diode; - estimer la température de jonction de la LED (2) à partir de la tension de diode, et estimer une durée de vie restante de la LED.

Description

PROCEDE D'EMISSION D'UN SIGNAL LUMINEUX MODULE DE TYPE
LI-FI
L'invention concerne le domaine de l'émission de signaux lumineux modulés de type signaux Li-Fi.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Aujourd'hui, une immense majorité des appareils électroniques communiquant via une communication sans fil utilise, pour mettre en œuvre cette communication sans fil, le domaine des ondes radioélectriques du spectre électromagnétique.
L'utilisation quasi exclusive du domaine des ondes radioélectriques pose un certain nombre de problèmes bien connus .
Parmi ces problèmes, on trouve notamment des pro- blêmes de saturation. Le nombre d'usagers des communica- tions sans fil dans le domaine des ondes radioélectriques augmente de manière spectaculaire alors que l'étendue du domaine des ondes radioélectriques est limitée, ce qui tend à perturber les communications de ces usagers qui connaissent des ralentissements ou des difficultés de connexion. Par ailleurs, on note fréquemment que, dans certains espaces intérieurs très fréquentés (par exemple, dans des grandes surfaces, des gares ou des salons d'exposition), la communication sans fil de type Wi-Fi (pour Wireless Fidelity) est difficile à utiliser à cause du grand nombre d'utilisateurs par borne émettrice, mais aussi parce que le nombre élevé de surfaces réfléchis- santes des ondes radioélectriques produit de fortes in- terférences .
Parmi ces problèmes, on trouve aussi des problèmes de santé. Certaines ondes radioélectriques utilisées dans les communications sans fil sont proches de la fréquence de résonance de la molécule d'eau, et ont été de ce fait identifiées comme étant un facteur de risque pour cer- taines maladies.
L'utilisation de la technologie Li-Fi (pour « Light
Fidelity ») permet d' éviter les problèmes qui viennent d'être évoqués.
Grâce au développement de diodes électrolumines- centes (LED) présentant des capacités de commutation très importantes et de photodiodes présentant des temps de ré- ponse très courts, on peut transmettre et recevoir avec le Li-Fi des données avec un débit nettement plus impor- tant que le débit offert par exemple par la technologie Wi-Fi.
La technologie Li-Fi est ainsi parfaitement adaptée pour transmettre et recevoir de la musique, des vidéos, des données internet, des données de mesure (température, luminosité, etc.), des alarmes (incendie, présence de va- peurs toxiques, etc.), pour connecter en réseau des cap- teurs ou d'autres types d'appareils, pour géolocaliser en intérieur un appareil en exploitant des signaux Li-Fi émis par des lampes à LED, etc.
OBJET DE L' INVENTION
L'invention a pour but d'améliorer la fiabilité d'un émetteur de signaux lumineux modulés de type signaux Li- Fi.
RESUME DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé d'émission d'un signal lumineux modulé de type signal Li-Fi, mis en œuvre dans un circuit comprenant une diode électroluminescente, une résistance de mesure et une source de tension porteuse montées en série, ainsi qu'un interrupteur monté en parallèle de la résistance de mesure, le procédé comportant les étapes de :
générer un signal numérique de données, et moduler la tension porteuse en fonction du signal numérique de données pour générer une tension modulée ;
fermer l'interrupteur, et donc appliquer la tension modulée aux bornes de la diode électroluminescente pour émettre le signal lumineux modulé de type signal Li-Fi ;
- à intervalles temporels réguliers, ouvrir l'interrupteur, et mesurer une tension de diode aux bornes de la diode électroluminescente ;
estimer la température de jonction de la diode électroluminescente à partir de la tension de diode, et estimer une durée de vie restante de la diode électrolu- minescente à partir de la température de jonction de la diode électroluminescente.
Le procédé d'émission selon l'invention permet d' estimer la durée de vie restante de la diode électrolu- minescente, et donc le vieillissement de la diode élec- troluminescente .
La durée de vie restante et le vieillissement d'une diode électroluminescente dépendent de facteurs environ- nementaux (notamment de la température régnant dans l'environnement de la diode électroluminescente), de pa- ramètres électriques (notamment de la stabilité du cou- rant d'alimentation de la diode électroluminescente), ou bien encore de la qualité de fabrication de la diode électroluminescente. Or, la durée de vie restante de la diode électroluminescente a un impact direct sur la durée de vie restante d'un émetteur de signaux lumineux utili- sant la diode électroluminescente, alors que le vieillis- sement de la diode électroluminescente réduit la qualité de l'émission des signaux lumineux.
Le procédé d'émission selon l'invention permet donc, en estimant la durée de vie restante de la diode électroluminescente et le vieillissement de la diode électroluminescente, d'anticiper une éventuelle panne ou dégradation de l'émission des signaux lumineux, et donc d'améliorer la fiabilité de l'émetteur.
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode de mise en œuvre particu- lier non limitatif de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
la figure 1 représente un dispositif d'émission et de réception de signaux Li-Fi dans lequel est mis en œuvre le procédé d'émission selon l'invention, un inter- rupteur du circuit étant fermé ;
- la figure 2 est une figure analogue à la figure
1, dans laquelle l'interrupteur est ouvert ;
la figure 3 représente la mise en œuvre du pro- cédé d'émission selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
En référence aux figures 1 à 3, le procédé d'émission d'un signal lumineux modulé de type signal Li- Fi selon l'invention est ici mis en œuvre dans un dispo- sitif d'émission et de réception de signaux Li-Fi 1 inté- gré dans une lampe à diodes électroluminescentes (ou lampe à LED) .
La lampe à LED comporte une diode électrolumines- cente 2 grâce à laquelle la lampe à LED éclaire son envi- ronnement. La diode électroluminescente 2 est aussi uti- lisée par le dispositif d'émission et de réception de si- gnaux Li-Fi 1 pour émettre des signaux Li-Fi contenant des données à transmettre, parmi lesquelles on trouve un identifiant de la lampe à LED ainsi que des données de position de la lampe à LED.
Ainsi, lorsqu'un appareil muni d'un récepteur de si- gnaux Li-Fi reçoit l'identifiant de la lampe à LED, une communication est susceptible de s'établir entre l'appareil et la lampe à LED. L'appareil en question peut par exemple être un téléphone mobile, une tablette, un ordinateur portable, etc.
Le dispositif d'émission et de réception de signaux Li-Fi 1 comporte un circuit comprenant, outre la diode électroluminescente 2, un module d'alimentation 3, un mo- dule émetteur et récepteur 4, un module de commande 5, une résistance de mesure 6 (qui présente ici une valeur de résistance égale à 33kQ) , un interrupteur 7, et un mo- dule d'acquisition 8.
Le module d' alimentation 3 fournit un courant d'alimentation et une tension d'alimentation permettant au circuit de fonctionner (et, en particulier, à la diode électroluminescente 2 d'éclairer son environnement).
Le module émetteur et récepteur 4 est adapté à co- der, à décoder, à émettre et à recevoir des signaux Li- Fi. Le module émetteur et récepteur 4 comprend une source de tension porteuse Vp.
La source de tension porteuse Vp/ la résistance de mesure 6 et la diode électroluminescente 2 sont montées en série. L'interrupteur 7 est monté en parallèle avec la résistance de mesure 6. Le module d'acquisition 8 est adapté à mesurer une tension aux bornes de la diode élec- troluminescente 2.
Le module de commande 5 est destiné à commander l'interrupteur 7, c'est à dire à l'ouvrir et à le fermer, à piloter le module émetteur et récepteur 4, c'est à dire à l'activer, à le désactiver, à lui permettre de déclen- cher la transmission du signal numérique de données Sn évoqué plus tôt, et à acquérir des données démodulées par le module émetteur et récepteur 4.
Le signal numérique de données Sn est composé d'une succession d'états hauts et d'états bas cadencés à une fréquence haute f¾ ou à une fréquence basse fb. La fré- quence haute fh correspond à un bit d'une première va- leur, alors que la fréquence basse fb correspond à un bit d'une deuxième valeur. Le signal numérique de données Sn est donc un signal modulé en fréquence. Le protocole de communication utilisé est ici conforme au standard IEEE 802.15.7.
Lorsqu'il convient d'émettre un signal Li-Fi, le mo- dule de commande 5 laisse passer un signal numérique de données Sn venant du module émetteur et récepteur 4, et module la tension porteuse Vp en fonction du signal numé- rique de données Sn pour générer une tension modulée Vm.
Le module de commande 5 ferme l'interrupteur 7. Ain- si, la tension modulée Vm est appliquée directement aux bornes de la diode électroluminescente 2 pour émettre le signal Li-Fi. Cette situation correspond à la figure 1.
Le module de commande 5 ouvre l'interrupteur 7 à in- tervalles temporels réguliers TM, pendant une durée de mesure tm. Cette situation correspond à la figure 2. Pendant la durée de mesure tm, la tension aux bornes de la diode électroluminescente 2 est inférieur à celle du point d'opération de la diode électroluminescente, et est égale à une tension de diode V<j, qui correspond ap- proximativement à la tension de seuil de la diode élec- troluminescente 2. Le courant circulant dans la diode électroluminescente 2 est lui aussi très faible lorsque l'interrupteur 7 est ouvert, de l'ordre de luA.
Lorsque l'on ne tient pas compte de la modulation de la tension porteuse Vp pour émettre le signal Li-Fi, la tension Vt aux bornes de la diode électroluminescente 2 est donc égale à la tension Vp , sauf lorsque l'interrupteur 7 est ouvert pendant la durée tm, au cours de laquelle la tension Vt devient égale à la tension de diode Vd.
Ainsi, la tension résultante Vr aux bornes de la diode électroluminescente 2 peut être assimilée à la mul- tiplication, par un multiplicateur 9, du signal numérique de données Sn par la tension Vt (voir la figure 3) .
Lorsque l'interrupteur 7 est ouvert, le module d' acquisition 8 mesure la tension de diode Vd, et estime la température de jonction de la diode électrolumines- cente 2 à partir de la tension de diode Vd .
La température de jonction est estimée de la manière suivante.
Avant la mise en service du dispositif d' émission et de réception de signaux Li-Fi 1 (et de la lampe à LED) , une étape d'étalonnage a lieu, au cours de laquelle le dispositif d'émission et de réception de signaux Li-Fi 1 (et donc la diode électroluminescente 2) est positionné dans une enceinte thermique. La tension de diode Vd aux bornes de la diode électroluminescente 2 est mesurée en fonction de la température de jonction de la diode élec- troluminescente 2. Une courbe de référence est alors pro- duite à partir d'une régression linéaire de l'évolution de la tension de diode Va en fonction de la température de jonction. Les valeurs de la courbe de référence sont stockées dans une table de correspondance 11 (ou Look-Up Table, en anglais) programmée dans le module d'acquisition 8.
Ainsi, au cours d'une durée de mesure tm, l'estimation de la température de jonction de la diode électroluminescente 2 consiste à comparer la tension de diode Vd à des valeurs de la courbe de références stockée dans la table de correspondance 11, et à en déduire la température de jonction.
La température de jonction est alors utilisée pour estimer la durée de vie restante et le vieillissement de la diode électroluminescente 2.
L'estimation de la durée de vie restante de la diode électroluminescente 2 consiste à comparer la température de jonction à une valeur de température de référence. L'estimation de la durée de vie restante est raccourcie lorsque la température de jonction est supérieure à la valeur de température de référence, et est allongée lors- que la température de jonction est inférieure à la valeur de température de référence.
En effet, une surchauffe de la jonction de la diode électroluminescente 2 entraîne une dégradation des couches minces semi-conductrices constituant la diode électroluminescente 2. La durée de vie de la diode élec- troluminescente 2 diminue alors, et la qualité du flux lumineux généré par la diode électroluminescente 2, ainsi que d'autres caractéristiques photométriques, sont dégra- dées .
La tension de diode Va et la température de jonction sont par ailleurs stockées dans une mémoire 12 du module d'acquisition 8, ce qui permet d'effectuer des traite- ments sur ces données (calcul de moyennes, d'écarts, com- paraison avec d'autres diodes électroluminescentes, etc.)/ d'améliorer la précision de l'estimation de la du- rée de vie et du vieillissement, de détecter une tendance au vieillissement prématuré pour anticiper une panne, etc .
Un signal d'alerte est émis par le dispositif d'émission et de réception de signaux Li-Fi 1 lorsque la durée de vie de la diode électroluminescente 2 devient trop faible, et passe en dessous d'un seuil prédéterminé. Le signal d'alerte est par exemple suivi du remplacement de la diode électroluminescente 2, ou bien du remplace- ment du dispositif d'émission et de réception de signaux Li-Fi 1, ou bien de toute autre opération de maintenance.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais, bien au con- traire, couvre toute variante entrant dans le cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'émission d'un signal lumineux modulé de type Li-Fi, mis en œuvre dans un circuit comprenant une diode électroluminescente (2) , une résistance de me- sure (6) et une source de tension porteuse (Vp) montées en série, ainsi qu'un interrupteur (7) monté en parallèle de la résistance de mesure (6), le procédé comportant les étapes de :
générer un signal numérique de données (Sn), et mo- duler la tension porteuse (Vp) en fonction du signal nu- mérique de données pour générer une tension modulée (Va) ;
fermer l'interrupteur (7), et donc appliquer la tension modulée (Vm) aux bornes de la diode électrolumi- nescente (2) pour émettre le signal lumineux modulé de type signal Li-Fi ;
à intervalles temporels réguliers (TM) , ouvrir l'interrupteur (7), et mesurer une tension de diode (Va) aux bornes de la diode électroluminescente (2) ;
- estimer la température de jonction de la diode électroluminescente (2) à partir de la tension de diode (Vd) , et estimer une durée de vie restante de la diode électroluminescente à partir de la température de jonc- tion de la diode électroluminescente.
2. Procédé d'émission selon la revendication 1, dans lequel l'estimation de la durée de vie restante de la diode électroluminescente (2) consiste à comparer la température de jonction (Vd) à une valeur de température de référence.
3. Procédé d'émission selon la revendication 1, dans lequel l'estimation de la température de jonction de la diode électroluminescente (2) consiste à comparer la tension de diode (Vd) à des valeurs d'une courbe de réfé- rences stockées dans une table de correspondance (11) .
4. Procédé d'émission selon la revendication 3, dans lequel la courbe de référence est obtenue au cours d'une étape d'étalonnage.
5. Procédé d'émission selon la revendication 4, dans lequel l'étape d'étalonnage consiste à positionner la diode électroluminescente (2) dans une enceinte ther- mique, à mesurer la température de jonction et la tension de diode (Va) , et à produire la courbe de tension de ré- férence à partir d'une régression linéaire de l'évolution de la tension de diode (Vd) en fonction de la température de jonction.
6. Procédé d'émission selon la revendication 1, comportant l'étape d'émettre un signal d'alerte lorsque la durée de vie restante est inférieure à un seuil prédé- terminé .
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