Prototype d’éclairage intelligent aux DELs avec unmodulateur lumineux

Mémoire

Alexandre Baril

Maîtrise en génie électriqueMaître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

© Alexandre Baril, 2017

Prototype d’éclairage intelligent aux DELs avec unmodulateur lumineux

Mémoire

Alexandre Baril

Sous la direction de:

Simon Thibault, directeur de recherche

Résumé

Avec la venue des lampes aux DELs sur le marché de l'éclairage, une forte tendance pour

un éclairage plus ecace, ecient et dirigé est apparue. Le projet se positionne à l'avant

garde de cette tendance en développant un prototype de démonstration pour faire l'évalua-

tion de nouveaux algorithmes d'éclairage intelligent. Le c÷ur du prototype de démonstration

est un modulateur lumineux aux cristaux liquides récemment développé pour ouvrir les fais-

ceaux lumineux émis par les DELs. Ces modules sont contrôlés par des signaux électriques

et possèdent une plage de fonctionnement très linéaire. Cette propriété permet d'envisager le

développement d'applications d'éclairage intelligent en boucle fermée avec une caméra comme

capteur. L'utilisation de la vision numérique est une avenue prometteuse pour le développe-

ment d'application intelligente. Le prototype de démonstration développé inclut une source de

lumière DEL haute puissance, le modulateur lumineux aux cristaux liquides, une caméra et

toute l'électronique nécessaire pour implanter une fonctionnalité de boucle fermée par vision

numérique.

iii

Abstract

Since the massive invasion of LED lighting over the illumination market, a clear trend of

need appeared for a more ecient and targeted lighting. The project leads this trend by

developing an evaluation board to test smart lighting applications with a new liquid crystal

light modulator recently developed for broadening LED light beams. These modulator are

controlled by electricals signals and they are characterised by a very linear working zone.

This feature allows the implementation of a closed loop control with a sensor feedback. We

show that the use of computer vision is a promising opportunity for closed loop control. The

developed evaluation board integrates the liquid crystal modulator, a camera, a LED light

source and all the required electronics to implement a closed loop control with a computer

vision algorithm.

iv

Table des matières

Résumé iii

Abstract iv

Table des matières v

Liste des tableaux vii

Liste des gures viii

Liste des acronymes x

Liste des variables xii

Remerciements xv

Introduction 10.1 Contexte du projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30.2 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60.3 Dés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70.4 Structure du mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1 Aspects théoriques du projet 91.1 Photométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2 Propriétés des DELs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3 Théorie de fonctionnement du modulateur lumineux aux cristaux liquides . 22

2 Concept de l'éclairage intelligent 282.1 Commande en boucle fermée et rétroaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2 Exemples de systèmes d'éclairage intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3 Caractéristiques du modulateur lumineux aux cristaux liquides 373.1 Le composant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2 Circuit de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3 Mesures des performances du modulateur lumineux aux cristaux liquides . . 41

4 Conception d'un prototype de démonstration pour des applicationsd'éclairage intelligent 464.1 Objectifs généraux pour la conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

v

4.2 Schéma fonctionnel du prototype de démonstration . . . . . . . . . . . . . . 494.3 Modulateur lumineux aux cristaux liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4 Source lumineuse à DEL avec optique secondaire . . . . . . . . . . . . . . . 514.5 Conception thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.6 Circuit de contrôle du modulateur lumineux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.7 Microcontrôleur et communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.8 Circuit gradateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.9 Alimentation à découpage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.10 Conception mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.11 Capteur d'images et vision numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5 Résultats expérimentaux du prototype de démonstration 735.1 Mesures photométriques de la source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.2 Échauement de la source lumineuse au DEL . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.3 Protocole de communication externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.4 Performances de l'alimentation à découpage réalisée . . . . . . . . . . . . . . 805.5 Comportement en dynamique avec une rétroaction par vision numérique . . 825.6 Eet de la température sur la dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.7 Applications d'éclairage intelligent avec le prototype de démonstration . . . 87

Conclusion 91

Bibliographie 94

A Calculs d'incertitude 99A.1 Cas d'une mesure directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99A.2 Cas d'une mesure indirecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

B Guide d'utilisation du prototype de démonstration 102B.1 Installation du pilote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102B.2 Connexions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102B.3 Encodage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

vi

Liste des tableaux

1.1 Tableau résumant les mesures photométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2 Extrait de la norme d'éclairage européenne EN 12464. [3] La norme canadienne

est tres similaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3 Tableau présentant la température de couleur et l'indice de rendu des couleurs

pour plusieurs sources de lumière usuelles [64] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.1 Caractéristiques de la DEL CoB Luxeon S1000® [14] . . . . . . . . . . . . . . 524.2 Dimensions mécaniques des composantes du prototype de démonstration . . . . 67

5.1 Mesures thermiques pour l'échauement du dissipateur de chaleur . . . . . . . 785.2 Protocole de communication externe implanté sur 16 bits . . . . . . . . . . . . 795.3 Table de vérité pour la sélection du périphérique à qui la commande s'adresse . 795.4 Tableau des performances de l'alimentation à découpage . . . . . . . . . . . . . 825.5 Résultats de l'identication pour les trois essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.6 Résultats de l'identication selon la température . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

A.1 Exemple de spécications données par un fabricant d'appareils de mesure . . . 99

B.1 Conversion de la commande de format décimal en format binaire . . . . . . . . 104

vii

Liste des gures

0.1 Spectre radiométrique d'une même DEL bleue avec deux épaisseurs de phos-phore diérentes. La courbe en bleu représente le spectre radiométrique d'uneDEL d'un blanc froid (6000K) et la courbe en rouge d'une DEL d'un blancchaud (3000K). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

0.2 Symbole électrique d'une DEL avec la polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . 30.3 Comparaison du rendement énergétique des diérentes sources de lumière. . . . 40.4 Schéma explicatif de la technologie Li-Fi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1 Dénition de l'angle solide [67] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2 Courbe de sensibilité spectrale de la CIE 1931 [63] . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3 Relation entre la couleur et la longueur d'onde dans le spectre du visible [44] . 141.4 Spectre des fonctions x, y et z [63] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.5 Diagramme de couleur xy avec la courbe des corps noirs de la CIE 1931 [63] . 161.6 Les huit couleurs des spectres pour le calcul du CRI (R1 à R8). R9 à R14 sont

des couleurs de la version étendue du calcul du CRI [51] . . . . . . . . . . . . . 171.7 Relation I/V d'une DEL d'un Watt de Osram Semiconductor [62] . . . . . . . 201.8 Modulateur aux cristaux liquides d'un diamètre de 50 mm . . . . . . . . . . . . 201.9 Diérentes mésophases des cristaux liquides [52] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.10 Illustration du principe de biréfringence pour une source de lumière non-polarisée

[36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.11 Représentation schématique d'un pixel d'un écran LCD quand aucune tension

n'est appliquée aux électrodes : la lumière ne passe pas [53] . . . . . . . . . . . 251.12 Représentation schématique d'un pixel d'un écran LCD quand une tension est

appliquée aux électrodes : la lumière passe [53] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.13 Illustration d'un modulateur lumineux aux cristaux liquides au repos . . . . . . 261.14 Illustration de l'eet du champ électrique sur les cristaux liquides dans la lentille 26

2.1 Diérence entre un système en boucle ouverte et un système en boucle fermée . 292.2 Figure représentant les principaux éléments du recueillement de la lumière du

jour [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3 Principe de détection du capteur PIR [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.4 Représentation du fonctionnement des pôles d'éclairage du groupe Zumtobel [18] 332.5 Algorithme d'éclairage intelligent utilisé pour le projet [20] . . . . . . . . . . . 342.6 Programme du cycle circadien utilisé par le projet [35] . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1 Modulateur aux cristaux liquides d'un diamètre de 10 mm . . . . . . . . . . . . 383.2 Modulateur aux cristaux liquides d'un diamètre de 50 mm . . . . . . . . . . . . 383.3 Schéma de l'oscillateur à relaxation classique [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

viii

3.4 Schéma du montage pour la mesure de la linéarité et de la colorimétrie à l'aided'une caméra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.5 Graphique démontrant la linéarité entre l'angle à demi-hauteur de la valeurmaximale et de la valeur ecace de la tension appliquée . . . . . . . . . . . . . 44

3.6 Image de la caméra montrant l'intensité lumineuse du patron d'éclairementlumineux en diérents segments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.7 Image de patron d'éclairement lumineux rouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.8 Image de patron d'éclairement lumineux vert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.9 Image de patron d'éclairement lumineux bleu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1 Schéma fonctionnel du prototype de démonstration . . . . . . . . . . . . . . . . 494.2 Schéma de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.3 Registre d'écriture et séquence des bits pour le MCP4912 [24] . . . . . . . . . . 584.4 Schéma du circuit gradateur avec l'interface de contrôle isolée . . . . . . . . . . 604.5 Circuit théorique de la topologie yback [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.6 Circuit théorique de la topologie forward [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.7 Circuit de rétroaction théorique pour le circuit intégré de contrôle KA5H0380R

[60] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.8 Design mécanique intégral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.9 Design mécanique avec coupe transversale pour montrer les supports de circuit 694.10 Schéma électrique du circuit de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.11 Schéma électrique de l'alimentation à découpage . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.1 Prototype de démonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.2 Montage goniométrique en laboratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.3 Intensité lumineuse en fonction de l'angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.4 Variation de la température de couleur en fonction de l'angle . . . . . . . . . . 765.5 Indice de rendu des couleurs en fonction de l'angle . . . . . . . . . . . . . . . . 775.6 Ecacité énergétique de l'alimentation à découpage en fonction du niveau de

charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.7 Réponse temporelle du modulateur lumineux aux cristaux liqudies lors de l'iden-

tication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.8 Réponse temporelle du modulateur lumineux aux cristaux liquides à une tem-

pérature de -15° C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

ix

Liste des acronymes

ACL Achage aux cristaux liquides

C Degré Celsius

cd Candela

CAO Conception assistée par ordinateur

CCT Correlated color temperature

CIE Commission internationale de l'éclairage

cm Centimètre

CMOS Complementary metaloxidesemiconductor

CoB Chip-on-board

CSA Canadian standards association

CRI Color rendering index

DAC Digital to analog converter

DEL Diode électroluminescente

EN European norm

FWHM Full width half maximum

Hz Hertz

K Degré Kelvin

kHz Kilohertz

LCD Liquid-crystal display

LED Light-emitting diode

x

Li-Fi Light delity

LSB Least signicant bit

lm Lumen

m Mètre

m2 Mètre carré

mA Milliampère

mm Millimètre

MSB Most signicant bit

nm Nanomètre

PID Proportionnel, intégral, dérivée

PIR Passive infrared sensor

PLA Acide polylactique

s Seconde

SPI Serial peripheral interface

sr Stéradian

UART Universal asynchronous receiver/transmitter

USB Universal serial bus

V Volt

W Watt

Wi-FI Wireless delity

xi

Liste des variables

I Courant (A)

Ω Angle solide (stéradian)

E Éclairement lumineux (lux)

E1 Éclairement lumineux initial (lux)

E2 Éclairement lumineux secondaire (lux)

r Rayon de la sphère (m)

S Surface (m2)

d1 Distance source-objet initiale (m)

d2 Distance source-objet secondaire (m)

EΘ Éclairement lumineux à angle (lux)

Φ Flux lumineux (lumen)

Rth Résistance thermique (°C/W)

Rtheq Résistance thermique équivalente (°C/W)

T1 Température initiale (°C)

T2 Température secondaire (°C)

Φth Flux thermique (W)

TJ Température de jonction (°C)

TA Température ambiante (°C)

Pth Puissance thermique (W)

f Distance focale (m)

xii

n Indice de réfraction

L Épaisseur de la lentille (m)

Tper Période d'une onde (s)

fHz Fréquence (1/s)

Dpe Distance du patron lumineux sur l'écran (m)

Dce Distance entre la caméra et le l'écran (m)

Rthba Résistance thermique équivalente entre le boîtier l'air ambiant (°C/W)

TJ Température de jonction de la DEL (°C)

TA Température ambiante (°C)

Rthjb Résistance thermique équivalente entre la jonction et le boîtier (°C/W)

Pe Puissance électrique (W)

effdel Ecacité lumineuse de la DEL (lm/W)

efftot Ecacité lumineuse maximale dénie par la CIE (683 lm/W)

Nprim Nombre de tour au primaire du transformateur

Vinmax Tension d'entrée maximale (V)

Dmax Taux de remplissage (%)

fmod Fréquence de modulation (Hz)

Bsat Flux magnétique maximal dans noyau magnétique sans provoquer la saturation (T)

Ae Aire de la section du noyau magnétique (m2)

Nr Nombre de tour de l'enroulement qui décharge l'énergie magnétique du transformateur

Vsec Tension au secondaire du transformateur (V)

Nsec Nombre de tour au secondaire du transformateur

Dbase Taux de remplissage au point nominal de fonctionnement (%)

J Densité de courant dans un conducteur (A/m2)

S Section du conducteur (m2)

∆I Amplitude de l'ondulation de courant dans l'inductance (A)

xiii

∆V Amplitude de l'ondulation de tension aux bornes du condensateur (V)

xiv

Remerciements

Un travail de cette envergure nécessite de l'aide extérieure et j'aimerais en proter pour nom-

mer les personnes qui ont contribué signicativement au projet. Tout d'abord, j'aimerais re-

mercier mon directeur de recherche M. Simon Thibault qui m'a guidé tout au long du projet.

Ses conseils et ses encouragements m'ont été d'une aide précieuse pour mener à terme le projet.

J'aimerais aussi remercier le professeur Tigran Galstian pour son soutien théorique et pra-

tique envers le modulateur lumineux aux cristaux liquides. Je remercie aussi toute l'équipe de

TLCL pour les nombreux échantillons que j'ai eus à ma disposition et en particulier M. Karen

Asatryan pour sa disponibilité et son soutien.

De plus, j'aimerais remercier les étudiants et les professionnels de recherche du groupe de

recherche de M. Simon Thibault pour leur aide et les bons moments passés ensemble. Le

soutien technique des techniciens du centre d'optique et de photonique a été important pour

la réussite du projet quand les dicultés se sont présentées. Finalement, je remercie aussi mes

parents de m'avoir encouragé à persévérer dans mes études graduées.

xv

Introduction

L'éclairage est l'un des principaux usages que l'humanité fait de l'électricité. Plusieurs tech-

nologies d'éclairage sont apparues au cours du dernier siècle. La première source de lumière

à partir de l'électricité fut l'ampoule incandescente. Par la suite, les lampes à décharge sont

apparues comme les ampoules halogènes ou les lampes au mercure. Les tubes uorescents ont

été inventés depuis le début du vingtième siècle et leur adoption par le grand public a été

grandement accélérée avec les avancements des ballasts électroniques. La première découverte

de l'éclairage par semi-conducteur remonte à 1907 par M. Henry Round [56]. Il avait utilisé

des cristaux de carbure de silicium sur lesquels il appliquait un potentiel électrique continu

entre 10 et 110 Volts et il observait une faible émission de lumière jaunâtre. La première DEL

commerciale fut développée chez GE dans les années soixante. Elle émettait une très faible

lumière rouge. Ensuite, la technologie DEL se développa surtout pour des applications d'indi-

cation comme l'acheur sept segments. À cette époque, on pouvait avoir les couleurs rouge,

vert et jaune pour une DEL. Cependant il était encore impossible (commercialement parlant)

de produire une DEL de couleur bleue car le procédé de fabrication n'était pas au point. [43].

C'est en 1991 que le japonais Shuji Nakamura découvrit le procédé pour produire une DEL

bleue à partir d'un substrat de nitrure de gallium en modiant le réacteur MOCVD (metal

organic chemical vapour deposition) pour inclure un apport de gaz secondaire an de réduire

la convection qui était le problème principal du procédé standard à l'époque. M. Nakamura

a obtenu le prix Nobel de physique en 2014 pour l'invention des DELs bleues commerciales

qui ont permis la révolution du monde de l'éclairage actuelle. La lecture qu'il a présentée à

l'université de Californie résume bien ses contributions. [47] À partir de cet instant, on a pu

produire la première DEL blanche en utilisant une DEL bleu avec une couche de phosphore an

de convertir les photons bleus en photon jaune-orange. La combinaison spectrale de ces deux

raies d'émission donne une lumière de couleur de blanche à l'÷il. Les premières DELs blanches

étaient très inecaces, de l'ordre de quelques lumens par watt, mais les investissements dans

cette technologie ont vite fait augmenter l'ecacité à des niveaux jamais égalés pour une

source de lumière. Le record d'ecacité pour une DEL est revendiqué par la compagnie Cree

à 303 lm/W. [48] Commercialement, on peut obtenir des ecacités lumineuses de plus de 200

lm/W.

1

Avec toutes ces diérentes sources de lumière, la science de la photométrie est apparue an

de pouvoir les comparer sur une base de mesure commune. La photométrie est une branche

de la radiométrie qui se concentre sur la lumière visible (380 à 780 nm). La photométrie se

distingue de la radiométrie, car elle prend en considération la sensibilité de l'÷il humain aux

diérentes longueurs d'onde du spectre visible. Par exemple, un ux radiométrique de 10 W

à 550 nm n'aura pas la même valeur photométrique qu'un ux de 10 W à 400 nm. C'est

la commission internationale de l'éclairage (CIE) qui a déposé en 1931 la première courbe

de sensibilité photométrique en 1931. [63] La courbe fut mise à jour en 1978 parce qu'on

avait observé une sensibilité plus importante aux ux radiométriques de lumière bleue que ce

qui était énoncé dans la première courbe de sensibilité en 1931. [68] La photométrie permet

surtout de comparer le ux lumineux, la couleur et le rendu des couleurs des diérentes sources

lumineuses. La photométrie est essentielle pour la technologie de la DEL, car les propriétés

photométriques peuvent changer énormément d'un modèle à l'autre selon la fabrication. C'est

justement l'une des particularités des sources de lumière DEL par rapport aux autres sources

de lumière énoncées précédemment. Ces dernières changent très peu en termes photométriques

outre que la puissance lumineuse. Par exemple, une ampoule incandescente change très peu

de couleur et de rendu des couleurs peu importe la puissance de l'ampoule. Les DELs peuvent

produire des spectres lumineux diérents en jouant sur la quantité de phosphore qu'on ajoute.

Plus on met de phosphore, plus les longueurs d'onde jaunes/oranges deviennent proéminentes

face au bleu original de la DEL. Donc plus la couche de phosphore est importante, plus la

lumière blanche aura une teinte chaude mais plus l'ecacité diminuera. C'est à cause de ce

phénomène que les DELs les plus ecaces sont les DELs à blanc froid (nom commercial pour

décrire une DEL produisant une lumière blanche avec peu de longueurs d'onde jaune-orange et

beaucoup de longueurs d'onde bleue. La gure 0.1 [59] permet de visualiser l'eet de l'épaisseur

de la couche de phosphore sur le spectre radiométrique d'une même DEL.

Au niveau électrique, une DEL est un composant électronique semblable à une diode classique.

Elle comprend une anode et une cathode. La DEL est donc un élément polarisé, cette dernière

fonctionne seulement si on applique le courant de l'anode à la cathode. Le symbole standard

d'une DEL dans un schéma électrique est montré à la gure 0.2. La DEL émet un ux lumineux

proportionnel au courant continu qui la traverse. Habituellement, les sources de puissance

électrique contrôlent la tension, pas le courant. C'est pourquoi une ampoule DEL doit être

équipée d'une alimentation conçue spécialement pour le comportement des DELs, surtout si

on veut pouvoir contrôler ecacement l'intensité de celle-ci.

2

Figure 0.1 Spectre radiométrique d'une même DEL bleue avec deux épaisseurs de phosphorediérentes. La courbe en bleu représente le spectre radiométrique d'une DEL d'un blanc froid(6000K) et la courbe en rouge d'une DEL d'un blanc chaud (3000K).

Figure 0.2 Symbole électrique d'une DEL avec la polarisation

0.1 Contexte du projet

Ecacité énergétique

Un des principaux avantages à utiliser l'éclairage aux DELs est leur rendement pour la conver-

sion de l'énergie électrique en ux lumineux. Ainsi, le simple fait de remplacer un éclairage

incandescent pour un éclairage aux DELs permet de sauver beaucoup d'énergie électrique. La

gure 0.3, produite par un site web pour consommateur averti [16], montre l'ecacité des dié-

rentes sources de lumière. La performance en lm/W des ampoules aux DELs est moins ecace

que celle de la DEL elle-même car on doit tenir compte des pertes dans le convertisseur élec-

tronique de l'ampoule aux DELs. L'éclairage est un secteur qui consomme beaucoup d'énergie

dans les pays développés. Par exemple, les États-Unis consomment environ annuellement 404

milliards de kilowattheures en 2015 selon département de l'énergie des États-Unis. Cela repré-

sente 10 % de consommation totale d'énergie électrique aux États-Unis. [7] Le potentiel de faire

des économies d'énergie en utilisant les DELs comme source de lumière principale est énorme.

Non seulement le consommateur pourrait en bénécier, mais l'environnement aussi quand on

3

sait que 66% l'énergie électrique des États-Unis provient de sources polluantes comme le char-

bon et le gaz naturel. [8]. Il y a donc un double avantage à utiliser l'éclairage aux DELs comme

source de lumière.

Figure 0.3 Comparaison du rendement énergétique des diérentes sources de lumière.

Éclairage intelligent et marché

Avec les avancements de l'électronique en général et surtout au niveau des capteurs bon marché,

un nouveau domaine s'est ouvert avec la conjoncture de l'éclairage DEL et des capteurs :

l'éclairage intelligent. L'éclairage intelligent repose sur l'idée de mieux utiliser l'éclairage dans

le but de faire des économies substantielles d'énergie électrique. C'est à dire, non seulement

les ampoules sont plus ecaces, mais elles sont mieux utilisées avec un contrôle automatique

pour les ouvrir ou bien les atténuer selon les conditions environnantes. Le marché de l'éclairage

intelligent s'adresse surtout au secteur commercial pour l'instant, mais l'amélioration continue

des technologies au niveau des coûts pourra permettre de bientôt intégrer le secteur résidentiel

à grande échelle. Le marché de l'éclairage intelligent est en pleine croissance. Par exemple,

l'étude de marché eectuée par la rmeMarkets and Markets estime le marché à 19,47 milliards

de dollars américains en 2022. [41] Les perspectives pour ce marché sont donc excellentes pour

l'avenir et cela se traduit par un engouement marqué des entreprises pour développer de

nouveaux produits.

Dans le domaine de la télécommunication locale, le Li-Fi est une technologie prometteuse pour

remplacer le très commun Wi-Fi. Cette technologie repose sur une modulation d'amplitude à

très haute fréquence de l'éclairage ambiant pour transporter les bits [21]. Si jamais la tech-

nologie Li-Fi venait à trouver sa place sur le marché, il serait très utile de varier le patron

lumineux de façon à éclairer spéciquement le dispositif qui reçoit l'information an de limiter

la propagation du signal et limiter les risques d'hameçonnage du signal par un tiers indésirable.

La gure 0.4 [70] montre le schéma conceptuel de la technologie Li-Fi.

L'angle de vue d'une source DEL et le modulateur lumineux aux cristaux

liquides

Présentement, peu importe le capteur utilisé, on peut seulement contrôler l'intensité de la

lumière DEL. Si l'ampoule comporte plusieurs DELs de couleur diérente, on peut faire varier

4

Figure 0.4 Schéma explicatif de la technologie Li-Fi.

la couleur de l'ampoule et c'est présentement ce qu'orent la plupart des produits d'éclairage

intelligent actuels sur le marché grand public. Dans tout les cas, le patron lumineux demeure

xe selon la conception des optiques secondaires, il ne peut que varier d'intensité ou de couleur.

Dans plusieurs applications d'éclairage intelligent, varier le patron lumineux pourrait être une

option très intéressante. Par exemple, dans l'éclairage de scène, il faut souvent changer l'angle

de vue des projecteurs lumineux. Pour ce faire, on utilise des projeteurs motorisés pour faire

varier le diamètre d'un diaphragme. Il existe aussi des systèmes avec des lentilles montées

comme optique secondaire et on fait varier la position de la lentille par rapport à la source

lumineuse pour changer l'angle. Encore une fois, ces systèmes doivent être motorisés an de les

contrôler à distance. Dans l'éclairage photographique sur téléphone cellulaire, il faut ajuster

l'éclairage de la DEL de manière à avoir un éclairage qui met en valeur les personnes dans

la photo (le fameux ash). Présentement, on peut seulement ajuster l'intensité de la DEL

ou utiliser d'autres composants externes, mais il serait pratique de pouvoir aussi modier le

patron lumineux projeté par cette dernière. Par exemple, un brevet a été déposé pour contrôler

l'éclairage de la DEL qui produit le ash en ajoutant un écran ACL où l'on module les pixels de

cet écran pour avoir un éclairage plus adapté à la situation [71]. L'utilisation d'une quelconque

motorisation est impossible dans le cas des téléphones cellulaires à cause des contraintes de

poids, de abilité et de consommation d'énergie.

Une entreprise, nommée TLCL (anciennement Lens Vector) [55], a récemment développée

un modulateur lumineux à base de cristaux liquides qui permet de faire varier l'angle de

vue d'une source lumineuse. Le modulateur est une lentille plane composée de cellules de

cristaux liquides. Techniquement, la lentille ne peut que faire augmenter l'angle de vue du

5

faisceau lumineux, c'est pour cela que la conception d'un bon réecteur pour concentrer la

lumière est importante. Puisque c'est un composant qui se contrôle de manière électronique,

il peut facilement s'intégrer à des microcontrôleurs standards. Tel que décrit précédemment,

dans les diérentes situations où le patron lumineux xe d'une ampoule pose problème, le

modulateur lumineux à base de cristaux liquides représente une opportunité de développement

très intéressante pour ces applications. Le composant est disponible en plusieurs tailles ce qui

laisse beaucoup de latitude aux concepteurs de produits.

0.2 Problématique

L'éclairage intelligent soure d'un problème assez particulier, la technologie est disponible et à

bas coût, mais les produits ne sont pas nécessairement bien conçus pour répondre aux besoins

des clients. De plus, on est pas encore capable de clairement montrer le bénéce d'ajouter

des capteurs sur des ampoules standards dans toutes les situations. Il devient dicile aux

manufacturiers de justier le coût additionnel de l'éclairage intelligent comparé à l'éclairage

standard. Un autre problème est le manque d'une plate-forme logicielle commune entre les

diérents manufacturiers. Si un client décide d'acheter une ampoule intelligente d'un manu-

facturier en particulier, il ne peut pas la faire communiquer avec une autre ampoule achetée

d'un manufacturier diérent. Pourtant, la simplicité d'utilisation est et a toujours été un cri-

tère d'une importance capitale pour percer le marché de masse. Les utilisateurs doivent être

capables d'ajuster eux-mêmes les produits d'éclairage intelligent sans avoir recours à un tech-

nicien spécialisé. Un article du IoT journal résume bien la problématique actuelle de l'éclairage

intelligent [69].

Pour augmenter la valeur ajoutée des produits actuels d'éclairage intelligent, le présent projet

propose l'utilisation d'un modulateur lumineux aux cristaux liquides pour élargir les possibili-

tés à faible coût. Récemment développé, le modulateur lumineux aux cristaux liquides permet

de contrôler l'angle d'ouverture d'une lampe sans les pièces mobiles habituellement nécessaires

pour ce genre d'action. Il a seulement besoin d'un peu d'électroniques pour fonctionner. C'est

pour cette raison que le modulateur lumineux aux cristaux liquides s'adapte très bien aux

lampes DELs parce que ces dernières ont déjà besoin d'électroniques pour fonctionner. Pour

permettre aux manufacturiers et aux utilisateurs de découvrir les possibilités du modulateur

lumineux aux cristaux liquides pour des applications d'éclairage intelligent, le projet consiste

à réaliser un prototype de démonstration. Le prototype de démonstration met en valeur les

propriétés additionnelles que procure le modulateur lumineux aux cristaux liquides face aux

applications d'éclairage intelligent actuellement disponible sur le marché. Le prototype de dé-

monstration inclut aussi les fonctionnalités déjà présentent sur le marché comme la possibilité

de modier l'intensité de la source lumineuse et une communication simple avec un ordinateur.

6

0.3 Dés

Les dés que constitue une telle aventure sont multiples. La plate-forme doit être susam-

ment modulaire pour qu'on puisse avoir accès au plus grand nombre de variables de contrôle

possible an de personnaliser les applications et de bien voir les possibilités réalisables avec

le modulateur lumineux aux cristaux liquides. Elle devra aussi être simple d'utilisation an

de permettre son adoption par le plus grand nombre de développeurs. Il est aussi important

de prendre en compte le fait que le composant n'est pas encore à l'étape de la commerciali-

sation. On ne sera peut-être pas capable de faire tout ce que l'on veut en termes d'ouverture

d'angle et de dimensions de la lentille. Idéalement, le prototype d'évaluation devrait produire

autant de lumière qu'une ampoule vendue commercialement an d'avoir un meilleur point de

comparaison. Par exemple, le prototype pourrait produire autant de lumière qu'une ampoule

incandescente de 100 W ou un projecteur incandescent de 50 W, tout deux très utilisé dans le

domaine de l'éclairage grand public. La exibilité de la plate-forme devra aussi prendre cette

incertitude en compte. L'électronique interne au prototype de démonstration devra être su-

samment intégrée pour qu'elle soit totalement transparente aux utilisateurs. Ces derniers sont

en majorité des programmeurs et des éclairagistes, leurs connaissances en électroniques ne leur

permettent pas de déboguer les problèmes qui peuvent survenir dans les circuits électroniques.

Pour des applications d'éclairage intelligent, le contrôle en boucle fermée est important. La

plate-forme devra prendre en compte cette facette et la conception de cette dernière devra

être orientée vers le contrôle en boucle fermée. Cela signie que la rapidité d'exécution des

commandes envoyées à la plate-forme est très importante. De plus, il va falloir trouver des

moyens de mesurer adéquatement le comportement dynamique de la lentille aux cristaux

liquides et de la plate-forme. En connaissant le comportement dynamique de la lentille, on

pourra plus facilement trouver des applications à sa mesure. Puisque beaucoup d'applications

d'éclairage intelligent sont conçues pour l'extérieur, il faut aussi s'assurer que le prototype de

démonstration fonctionne sur une large gamme de température. Encore une fois, le but est de

permettre l'utilisation du prototype pour le plus grand nombre de situations.

0.4 Structure du mémoire

Le mémoire est divisé en six chapitres. L'ordre des chapitres respecte la chronologie du déve-

loppement de ce mémoire en commençant par les aspects théoriques et la recherche pour nir

avec les réalisations pratiques, les mesures et les applications d'éclairage intelligent réalisées

avec le modulateur lumineux.

Le premier chapitre illustre la théorie nécessaire pour bien comprendre le projet du présent

mémoire. La première partie explique la photométrie. La deuxième partie se concentre sur

les propriétés des DELs. Finalement, la troisième partie permet au lecteur de découvrir le

fonctionnement théorique du modulateur lumineux aux cristaux liquides.

7

Le deuxième chapitre expose et explique le concept de l'éclairage intelligent. Il s'agit d'une

revue de littérature avec les recherches et les applications réalisées sur ce sujet. Quelques

projets réels d'éclairage intelligent sont présentés.

Le troisième chapitre montre l'utilisation pratique de la lentille ainsi que des performances

mesurées sur une lentille. On montre aussi la façon de les contrôler au niveau électrique.

L'eet de la température y est aussi discuté.

Le quatrième chapitre présente la conception du prototype de démonstration avec les critères

de conception de base. On montre les plans mécaniques et électriques de la plate-forme. Le

chapitre est divisé en plusieurs sections et chacune de ces sections montre une partie de la

plate-forme.

Le chapitre cinq se concentre sur les mesures pratiques de la performance de la plate-forme.

On donne les performances mesurées spéciques à chacune des parties de la plate-forme pour

faire le lien avec le chapitre précédent sur la conception. Le chapitre montre aussi l'application

d'éclairage intelligent développée pour tester les performances. Le chapitre conclut en donnant

des conseils sur la réalisation d'une boucle fermée avec le modulateur lumineux aux cristaux

liquides.

Finalement, la conclusion fait le récapitulatif du mémoire et on discute surtout des points forts

et des points à améliorer du projet.

Les annexes contiennent des suppléments sur les calculs d'incertitudes pour les mesures de

performances ainsi qu'un guide d'utilisation pratique pour le prototype de démonstration

développé.

8

Chapitre 1

Aspects théoriques du projet

Le premier chapitre présente les concepts théoriques importants pour le projet. La première

partie de ce chapitre se concentre sur la photométrie et les caractéristiques des DELs. Par la

suite, un bref aperçu théorique des cristaux liquides est exposé et le fonctionnement conceptuel

du modulateur lumineux à base de cristaux liquides développé par TLCL [55] est expliqué.

1.1 Photométrie

La compréhension de la photométrie est essentielle pour mesurer les performances d'un système

d'éclairage. La photométrie s'applique à toutes les sources radiométriques qui émettent des

ondes électromagnétiques dans les longueurs d'onde comprises entre 380 nm et 780 nm. Pour

comprendre la photométrie, il faut d'abord s'attaquer aux unités qui s'y rattachent. Par la

suite, les principales lois et propriétés de la lumière visible peuvent être expliquées ecacement.

1.1.1 Unités en photométrie

Les unités en photométrie permettent de quantier la lumière. Les unités photométriques sont

fortement liées à la géométrie. La compréhension des grandeurs géométriques de l'aire et de

l'angle solide est un préalable pour dériver les diérentes unités photométriques. Le tableau

1.1 permet de résumer les principales quantités photométriques avec les unités associées. Les

unités présentées dans le tableau ne sont pas exhaustives, mais elles sont celles retrouvées dans

le présent mémoire.

Dénition Unité principale Unité équivalente Équivalent radiométriqueFlux lumineux lumen (lm) cd · sr W

Intensité lumineuse candela (cd) lm/sr W/srÉclairement lumineux lux lm/m2 W/m2

Luminance cd/m2 lux/sr W/m2 · sr

Table 1.1 Tableau résumant les mesures photométriques

9

Les grandeurs géométriques nécessaires pour la photométrie

Avant de parler des unités photométriques, il faut comprendre les unités géométriques qui se

rattachent à la photométrie. La première grandeur géométrique à comprendre est l'aire. L'aire

permet de quantier la surface d'un objet. Elle se mesure en m2 et elle est une unité dérivée

du système international d'unité [33]. En photométrie, l'aire est nécessaire pour la mesure

de l'éclairement lumineux et de la luminance. La deuxième grandeur géométrique importante

est l'angle solide. L'angle solide est déni comme le rapport de la surface d'un arc de sphère

sur le rayon de cette dernière. On peux aussi faire l'analogie que l'angle solide est la version

tridimensionnelle d'un angle classique à deux dimensions. L'angle solide peut se calculer en

sachant la surface d'un objet par rapport à distance entre l'objet et l'observateur 1.1. On note

l'angle solide avec Ω ou bien sr.

Ω =S

r2(1.1)

Figure 1.1 Dénition de l'angle solide [67]

La gure 1.1 permet de représenter en image la dénition de l'angle solide. La surface S est

de forme sphérique, mais, dans la plupart des cas, on la suppose rectangulaire pour simplier

les calculs d'angle solide sans engendrer d'erreur majeure. La gure permet aussi de mettre en

évidence la diérence entre l'angle solide Ω et l'angle à deux dimensions θ. Si l'angle à deux

dimensions varie de 0° à 360° pour faire un cercle complet, l'angle solide varie de 0 Ω à 4π Ω

pour compléter une sphère. La plupart des unités en photométrie ont besoin de l'angle solide

pour avoir du sens.

Flux lumineux

La puissance lumineuse d'une source est dénie par le ux lumineux, qui se note en lumen.

Le lumen est une unité dérivée du système international d'unités [33]. La plupart des sources

lumineuses sont exprimées en lumen plutôt qu'en intensité lumineuse (candela) pour les com-

parer entre elles. Cela est dû au fait que l'on peut convertir directement les lumens en Watt

10

et vice versa par la courbe d'ecacité lumineuse de la CIE [63] [68], qui relie la photométrie

à la radiométrie. La gure 1.2 donne un aperçu de la conversion d'un ux radiométrique en

un ux lumineux développée par la CIE en 1931. De plus, le lumen à l'avantage de mesurer

la puissance d'une source indépendamment des réecteurs utilisés pour concentrer la lumière.

Le ux lumineux est toujours mesuré sur 4π Ω, alors on peut dire que c'est l'intégrale sur une

sphère de la puissance optique d'une source. Pour mesurer le ux lumineux, il faut sommer

toute la lumière provenant d'une même source. Pour ce faire, il faut utiliser une sphère d'Ul-

rich. Cette sphère creuse est tapissée d'une couche presque parfaitement rééchissante. Il sut

ensuite de positionner la source lumineuse au centre de la sphère et un détecteur d'éclairement

lumineux sur la paroi de la sphère pour avoir une mesure directe en lumen. Il est à noter qu'il

faut souvent faire des calibrations avec ces appareils de mesures à l'aide de sources étalonnées.

Le ux lumineux est utile pour caractériser les sources lumineuses parce qu'il est indépendant

de l'angle solide.

Figure 1.2 Courbe de sensibilité spectrale de la CIE 1931 [63]

Intensité lumineuse

L'intensité lumineuse est l'unité de base de la photométrie. C'est une des sept unités de base

du système international [33]. Elle s'exprime en lumen par stéradian. L'intensité lumineuse

est pratique pour mesurer l'eet de luminosité sur l'÷il humain. Par exemple, si deux sources

possèdent la même intensité lumineuse en candela pour un angle solide donnée, elles seront per-

çues comme égale si on les regarde dans le même angle solide. La candela n'est pas très utilisée

pour comparer des sources lumineuses parce qu'on n'a pas d'information sur la distribution

de l'intensité lumineuse en angle solide. Par exemple, si une source équipée d'un réecteur

projette la même intensité lumineuse sur un petit angle solide qu'une source sans réecteur

qui projette la même intensité lumineuse sur un plus grand angle solide, le ux lumineux de

cette source sera plus importante que celui de la source avec un réecteur. Pourtant, les deux

sources auraient la même intensité en candela et produiraient le même eet de lumière à l'÷il

11

Lieux Niveau d'éclairement lumineuxMagasins et entrepôts 100 lx

Magasins de vente, zone de vente 300 lxZones de manutention 300 lx

Salles de classe 300 lxGymnases et piscines 300 lx

Assemblage de précision et usinage 500 lxBibliothèque 500 lxBureaux 500 lx

Tables de dessins 750 lx

Table 1.2 Extrait de la norme d'éclairage européenne EN 12464. [3] La norme canadienneest tres similaire.

quand on regarde dans le même angle solide. En résumé, l'intensité lumineuse n'est pas une

unité souvent utiliser pour caractériser les sources lumineuses en raison de sa dépendance à

l'angle solide.

Éclairement lumineux

L'éclairement lumineux est la mesure de la quantité de lumière sur une surface illuminée

par une source lumineuse. Elle se mesure en lumen/m2, qu'on appelle le lux. L'éclairement

lumineux est un paramètre important pour la conception d'un système d'éclairage. Il a été

déterminé expérimentalement les niveaux d'éclairement lumineux pour diérentes tâches. Par

exemple, la norme canadienne CSA 9241-1-F00 [15] ou la norme européenne EN 12464 [3]

donnent des niveaux d'éclairement lumineux pour diérentes conditions de travail. Le tableau

1.2 présente un extrait des niveaux d'éclairage requis par la norme européenne. En fonction des

niveaux d'éclairement requis par la norme utilisée et des dimensions géométriques du bâtiment,

l'éclairagiste peut sélectionner adéquatement les lampes à utiliser. L'éclairement lumineux est

la quantité photométrique qui se mesure le plus facilement. Il sut d'utiliser un détecteur

nommé luxmètre et de le placer sur la surface à laquelle on veut connaître son éclairement. Le

luxmètre est habituellement constitué d'une cellule photosensible avec un ltre photométrique

qui atténue les diérentes longueurs d'onde du visible en fonction de la courbe de sensibilité

développée par le CIE [63] 1.2.

Luminance

La luminance est la mesure de la luminosité d'un objet selon la géométrie de la source et

de l'observateur. La luminance est dénie en candela par mètre carré. La luminance permet

de quantier la luminosité des sources et c'est une quantité qui devient très importante pour

mesurer l'éblouissement que cause cette dernière. Par exemple, un tube uorescent et une

ampoule incandescente qui émettent le même ux lumineux (lumen), n'auront pas la même

luminance parce que le tube uorescent émet sa lumière sur une grande surface alors que

12

l'ampoule incandescente possède une forte luminance parce qu'elle émet sa lumière sur un

tout petit lament. La luminance se mesure aussi souvent avec les unités héritées du sys-

tème impérial, soit le Lambert. Un Lambert équivaut à 104/π candelas. La luminance d'une

source lumineuse peut se mesurer à l'aide d'une luminance-mètre, couramment appelée un

spotmètre en photographie. Ce dernier fonctionne un peut de la même façon qu'un luxmètre,

mais on le pointe en direction d'une source lumineuse à partir de l'endroit où les gens sont

susceptibles de regarder directement la source de lumière. Il mesure qu'un tout petit cône de

lumière entrant alors cet appareil est très sensible au positionnement. La luminance est une

quantité très importante pour la photographie et l'imagerie, mais pas énormément pour la

caractérisation des sources lumineuses. Pour les sources lumineuses, la mesure de la luminance

est fondamentale pour estimer l'éblouissement qu'elles produisent. Les formules pour calculer

l'éblouissement sont en constante évolution puisqu'elles mesurent une quantité relativement

subjective. Cependant, la luminance fait et fera toujours partie de ces équations.

1.1.2 Principales lois et relations en photométrie

Pour mesurer correctement les grandeurs lumineuses, il est important de comprendre les princi-

pales lois et relations en jeu an de s'assurer de la validité des mesures des diérentes grandeurs

lumineuses. Principalement, les lois en photométrie pour la caractérisation des sources lumi-

neuses les plus importantes sont la loi en carré inverse et la loi du cosinus. Les dénitions des

lois présentées dans le mémoire peuvent être approfondies dans le manuel d'Alex Ryer sur la

mesure des grandeurs de la lumière [57].

Loi en carré inverse

La loi en carré inverse s'applique pour toutes les mesures d'éclairement lumineux. Puisque les

mesures d'éclairement lumineux sont les plus courantes en photométrie, la compréhension de

la loi en carré inverse en essentielle. Cette relation stipule que l'éclairement lumineux diminue

au carré de la distance par rapport à la source. L'équation 1.2 est la dénition mathématique

de la loi en carré inverse. Cependant, l'équation 1.3 est plus utile pour comprendre l'eet de

cette relation.

E =I

d2(1.2)

E1 · d21 = E2 · d2

2 (1.3)

Pratiquement, la loi en inverse carré veut dire que, si un détecteur mesure un éclairement

lumineux de 36 lux à 1 mètre d'une source ponctuelle, le détecteur mesurerait 9 lux à une

distance de 2 mètres. Cette loi permet de mettre en évidence l'importance de la distance entre

la source et l'objet que l'on désire éclairer. Pour un concepteur d'éclairage, cette loi est la

13

clé qui permet de calculer l'éclairement lumineux que reçoivent les postes de travail pour être

conforme aux normes d'éclairage.

Loi du cosinus

La loi du cosinus est aussi une relation à prendre en compte pour faire des mesures d'éclaire-

ment lumineux. La loi du cosinus stipule que l'intensité mesurée dépend de l'angle auquel la

lumière de la source frappe le détecteur. La perte d'éclairement lumineux dû à un angle non

normal du détecteur se calcule selon une relation cosinus 1.4.

Eθ = E · cos θ (1.4)

La loi du cosinus s'applique autant pour les sources que pour les objets éclairés. Par exemple,

si une source ponctuelle éclaire un miroir parfait à angle et que ce dernier dirige la lumière

vers le détecteur à angle aussi que l'on désire éclairer, la loi du cosinus est cumulative pour

calculer l'éclairement lumineux sur le détecteur.

1.1.3 Colorimétrie

La colorimétrie permet de caractériser la couleur de la lumière émise par les diérentes sources

de lumières du visible. Chacune des couleurs représente une longueur d'onde diérente, com-

prise entre 380 nm et 780 nm. La gure 1.3 permet de voir la conversion entre la longueur

d'onde et la couleur observée à l'÷il. La colorimétrie a deux usages pour dénir les sources de

lumière visibles. Premièrement, la colorimétrie permet de dénir la couleur résultante d'une

source lumineuse qui émet plusieurs longueurs d'onde diérentes. La méthode à préconiser

pour cette grandeur s'appelle la température de couleur de la source à l'aide des coordonnées

colorimétriques dénies par la CIE 1931 [63]. Deuxièmement, la colorimétrie caractérise aussi

le rendu de la couleur sur les objets illuminés par une source polychromatique. L'outil utilisé

pour ce genre de mesure se nomme l'indice de rendu des couleurs. Ces deux paramètres sont

très importants pour sélectionner adéquatement les sources de lumière selon les diérentes

applications d'éclairage.

Figure 1.3 Relation entre la couleur et la longueur d'onde dans le spectre du visible [44]

14

Coordonnées colorimétriques et température de couleur

La CIE 1931 dénit une méthode pour calculer la couleur d'une source lumineuse en multipliant

séparément le spectre radiométrique de la source avec trois spectres diérents. Un spectre

nommé x, un spectre nommé y et un spectre nommé z. La gure 1.4 présente l'aspect des

trois spectres que l'on doit multiplier avec le spectre de la source de lumière. Le résultat de

chacune des multiplications donne ce qu'on appelle les coordonnées colorimétriques xyz. Les

valeurs des coordonnées sont comprises entre 0 et 1. Les coordonnées sont liées par une relation

et on peut connaître la coordonnée z en sachant les coordonnées x et y selon l'équation 1.5. Il

devient donc important de seulement calculer deux coordonnées pour trouver les coordonnées

colorimétriques d'une source de lumière. La CIE 1931 a alors construit un diagramme de

couleur xy 1.5 qui permet de relier les coordonnées à une couleur.

z = 1− x− y (1.5)

Figure 1.4 Spectre des fonctions x, y et z [63]

Le diagramme de couleur xy permet de mettre en évidence qu'il existe plusieurs teintes de

blanc. La superposition de la courbe des corps noirs permet de diérencier les diérentes teintes

de blanc. C'est la méthode de l'identication de la couleur de la source de lumière blanche

par la température de couleur. L'article de C.S. McCamey propose une fonction qui permet

de calculer directement la température de couleur selon les coordonnées colorimétriques [45].

Cette méthode est décrite en long et en large dans la littérature [43] [40]. La comparaison

de la couleur avec la théorie des corps noirs est logique puisque plusieurs sources de lumière

fonctionnent selon le principe d'émission des corps noir comme une chandelle, le soleil et une

ampoule incandescente. Ainsi, un blanc à faible température (entre 2200K et 3000K) aura une

teinte jaunâtre, qualiée de blanc chaud. Un blanc à haute température (5000 à 6500K) aura

une tendance vers le bleu, qualié de blanc froid. Entre ces deux types de blanc (3000K à

5000K), on parle d'un blanc avec une teinte un peu laiteuse, qualié de blanc neutre. Il est

généralement admis qu'un éclairage avec des lampes blanches de faible température de couleur

15

Figure 1.5 Diagramme de couleur xy avec la courbe des corps noirs de la CIE 1931 [63]

produit un eet chaleureux et réconfortant. Tandis qu'un éclairage sous des lampes blanches

à haute température de couleur favorise la productivité au travail [43].

L'indice de rendu des couleurs

Dans une application d'éclairage, plusieurs objets de couleurs diérentes sont illuminés par

la même source de lumière. Les diérentes couleurs des objets apparaîtront plus ou moins

vives selon le spectre électromagnétique de la source. Par exemple, un objet vert sera vif si la

source de lumière produit beaucoup de longueurs d'onde dans le vert (environ 550 nm). La

même logique s'applique pour toute les couleurs. Connaître la température de couleur d'une

source ne donne aucune information sur la richesse du spectre de la source, car diérents

spectres peuvent donner la même couleur lors du calcul des coordonnées. C'est pourquoi la

CIE a développé un outil nommé l'indice de rendu des couleurs pour quantier la capacité

d'une source de lumière à illuminer uniformément toutes les couleurs du visible [32]. L'indice

est noté de 0 à 100. Un score de zéro signie que la source ne rend aucune couleur tandis

qu'un score de 100 indique que toutes les couleurs sont parfaitement rendues. En pratique,

une source avec un fort indice permet de mieux voir les contrastes de couleurs au sein du

même objet. Il va de soi que pour des applications d'éclairage, où les objets à illuminer sont

riches en couleur comme dans une galerie d'art, les lampes doivent posséder l'indice de rendu

des couleurs le plus élevé possible. Le tableau 1.3 permet d'avoir un aperçu des indices de

couleurs pour diérentes sources de lumière. De plus, le tableau permet de constater que la

16

Source de lumière Température de couleur Indice de rendu des couleursSodium haute pression 2100K 25

Incandescent 2700K 100Halogène 3200K 95

Halogénures métalliques 5500K 60Soleil 5000K 100

Table 1.3 Tableau présentant la température de couleur et l'indice de rendu des couleurspour plusieurs sources de lumière usuelles [64]

température de couleur d'une source est indépendante de l'indice de rendu des couleurs.

Figure 1.6 Les huit couleurs des spectres pour le calcul du CRI (R1 à R8). R9 à R14 sontdes couleurs de la version étendue du calcul du CRI [51]

L'indice de rendu des couleurs se calcule un peu de la même manière que les coordonnes de

couleur. Au lieu d'avoir trois spectres qui multiplient le spectre de la source lumineuse, on mul-

tiplie ce dernier avec huit spectres diérents qui représente chacun une couleur diérente. La

gure 1.6 donne la couleur de chacun des spectres à multiplier. Les huit premiers spectres (R1

à R8) sont ceux du standard ociel de la CIE [32] et les autres sont des suggestions an d'amé-

liorer les résultats de la méthode. On moyenne ensuite le score à chacune des multiplications

et on ramène le résultat sur 100. Les méthodes colorimétriques sont en constante évolution et

plusieurs révisions sont souvent proposées an de toujours mieux prendre en compte l'aspect

subjectif de l'÷il humain. Par exemple, l'indice de rendu des couleurs a été critiqué parce qu'il

donnait un score trop élevé pour les sources DELs à haute température de couleur par rapport

à ce que la population observait [66]. L'ajout des couleurs R9 à R14 de la gure 1.6 semble

une solution ecace pour ce problème, mais elle n'est pas ociellement entérinée par la CIE.

Malgré tout, la méthode de la température de couleur et la méthode standard de l'indice de

17

rendu des couleurs sont celles les plus utilisées dans l'industrie de l'éclairage pour caractériser

les diérentes sources lumineuses.

1.2 Propriétés des DELs

Le chapitre d'introduction a exposé les bases des DELs. Cette section amène les concepts plus

avancés sur ces dernières en expliquant le principe d'émission, la relation I/V , la relation Φ/I

et les aspects thermiques des DELs. Ces notions permettront de mieux comprendre l'intérêt

pour les DELs pour l'éclairage et les considérations prises lors de la conception du prototype

de démonstration.

1.2.1 Principe d'émission

Le principe d'émission de lumière d'une DEL est basé sur le fonctionnement des semi-conducteurs.

Les semi-conducteurs sont créés à l'aide de matériaux semi-conducteurs comme le silicium, le

nitrure de gallium, le carbure de silicium et bien d'autres. Ces matériaux sont caractérisés

par une résistance électrique à mi-chemin entre un isolant et un conducteur. Le dopage de

ces matériaux est ce qui les rend si intéressants. Le dopage consiste à ajouter un atome

diérent au cristal du matériau semi-conducteur utilisé. Certains atomes donnent au cristal

semi-conducteur une augmentation de sa conductivité, d'autres atomes augmentent la résis-

tivité. Un dopage n conduit a une augmentation des électrons libres dans le matériau et un

dopage p amène une diminution des électrons libres. Cette diminution se traduit par une aug-

mentation des "trous", soit des endroits où il manque un électron libre. Le but du dopage est

d'introduire une jonction pn à l'intérieur du matériau. Cette jonction s'obtient en combinant

un matériau semi-conducteur dopé n et un autre dopé p. À la jonction des deux matériaux

dopés diéremment, les électrons libres du dopage n vont migrer vers les trous du dopage p.

Il se crée alors une bande interdite qui est électriquement nulle. Cette bande interdite s'épais-

sit jusqu'à atteindre une taille maximale qui dépend de l'énergie des électrons libres par le

dopage n et p ainsi que de la température ambiante. La largeur de la bande interdite est un

paramètre contrôlable par le choix du cristal semi-conducteur et du dopage utilisé, parce que

ces paramètres agissent directement sur les niveaux d'énergie des électrons libres.

Le résultat de cet assemblage est la création d'une diode, composé d'une anode et d'une

cathode. La cathode est le dopage n et l'anode est le dopage p. Si on applique une tension qui

polarise la diode de l'anode à la cathode (il faut se rappeler que les électrons voyagent dans

le sens inverse du sens du courant conventionnel), les électrons qui se déplace par le courant

électrique donneront de l'énergie aux électrons libres du dopage n et ils pourront "sauter" la

zone interdite pour se combiner avec des trous du dopage p. La diode est dans son mode de

conduction. Il faut préciser que la tension appliquée à diode doit atteindre un certain seuil

avant de permettre la conduction. Ce seuil est déni par l'épaisseur de la zone interdite. Plus

18

la zone interdite est grande, plus les électrons libres ont besoin d'une tension élevée pour leur

fournir l'énergie nécessaire pour faire le "saut". La recombinaison d'un électron libre avec un

trou dégage de l'énergie sous forme de radiation. Cette radiation se traduit par une perte

thermique qui cause l'échauement du composant. Si on applique une tension de la cathode à

l'anode, la diode entre dans son mode de blocage. La tension donne de l'énergie aux électrons

libres du dopage n dans le sens inverse du dopage p. Les électrons libres ne peuvent pas se

déplacer dans ce sens parce qu'ils sont attirés par les trous du dopage p. Cependant, si la

tension est assez élevée, on peut forcer les électrons à se déplacer dans le sens de la tension.

Quand cela se produit, un grand courant traverse la diode et l'échauement thermique peut

détruire le composant. Quand ce phénomène se produit, on parle de l'eet avalanche.

Une DEL est une version spéciale de la diode. Elle fonctionne sur le même principe, un

matériau semi-conducteur dopé avec une région n et une région p qui forment l'anode et

la cathode. Diérents matériaux semi-conducteurs créent des électrons libres avec diérents

niveaux d'énergie. Dans le cas des DELs bleues, utilisé pour l'éclairage, le matériau semi-

conducteur est habituellement du nitrure de gallium. Les niveaux de dopage peuvent aussi

inuencer les niveaux d'énergie. Lors de la recombinaison d'un électron libre avec un trou,

l'énergie dissipée sous forme radiative est dans les longueurs d'ondes du visible si les niveaux

d'énergie sont bien ajustés. Il y a donc émission de lumière à la jonction de la diode. La

lumière émise de cette façon est presque monochromatique, c'est pourquoi on parle des DELs

en fonction de leur couleur. Cette conversion d'énergie électrique en énergie électromagnétique

n'est pas parfaite. Les DELs ont habituellement des rendements de l'ordre de 60 % pour cette

conversion. Le reste de l'énergie produit de la chaleur dans le matériau semi-conducteur. La

chaleur doit être évacuée parce que la température aecte grandement les propriétés des DELs.

La température aecte l'épaisseur de la zone interdite et cette dernière contrôle les niveaux

d'énergie pour l'émission de radiation dans le visible. Puisque la chaleur est générée dans la

jonction directement, il faut pouvoir conduire la chaleur hors de cette zone rapidement. La

construction d'une DEL est basée sur les méthodes de fabrication d'une diode standard, mais

il faut optimiser diérents paramètres pour la rendre plus ecace. Par exemple, il convient

d'utiliser des électrodes transparentes, ajouter un réecteur sur le substrat et prévoir des

électrodes métalliques qui ont pour fonction de conduire la chaleur à l'extérieur de la jonction

pn. Ces optimisations pour l'extraction de la lumière émise par la jonction se font généralement

au détriment des paramètres électriques de la diode. Par exemple, cette optimisation pour

l'extraction lumineuse rend les DELs particulièrement vulnérables à l'eet d'avalanche si on

les polarise de la cathode à l'anode comparativement à une diode classique.

1.2.2 Relations I/V et Φ/I d'une DEL

La fonction la plus importante pour une DEL est sa fonction I/V . Cette fonction permet

de savoir le courant qui traverse la DEL en fonction de la tension appliquée à ses bornes en

19

Figure 1.7 Relation I/V d'une DEL d'unWatt de Osram Semiconductor [62]

Figure 1.8 Modulateur aux cristaux liquidesd'un diamètre de 50 mm

mode de conduction. La tension est donc appliquée de l'anode à la cathode. Le courant qui

traverse la DEL est le paramètre le plus important puisqu'il est la mesure directe du nombre

d'électrons libres qui traversent la zone interdite de la jonction pour se combiner avec un

trou et ainsi produire une émission électromagnétique dans le visible. Cette relation entre le

courant électrique et le ux lumineux émis par la DEL est inscrite dans les ches techniques des

manufacturiers sous la fonction Φ/I. Ces deux relations sont hautement non linéaires et elles

sont valides seulement pour une température de jonction xe. Par exemple, une DEL standard

disponible sur le marché, comme la Golden dragon® de la compagnie Osram Semiconductor®

[62], possède la relation I/V présentée à la gure 1.7 et la relation Φ/I sur la gure 1.8. Il

est important de préciser que la fonction Φ/I de la gure 1.8 est relative au ux lumineux

nominal de la DEL au courant nominal de cette dernière. Dans l'exemple, le courant nominal

est de 350 mA.

Ces relations sont à la base de tout circuit permettant de gérer la DEL pour l'éclairage. Les

relations permettent d'avoir un ordre de grandeur sur le dimensionnement des composantes

électroniques qui vont alimenter la DEL. Par exemple, les gures 1.7 et 1.8 imposent une

alimentation électrique qui peut fournir un courant continu de 50 à 1000 mA avec une ten-

sion variant de 2,85 à 3,6 Volts si on veut utiliser toute la plage de ux lumineux que peut

produire la DEL. Il est important de mentionner les deux relations sont aectées négative-

ment par l'augmentation de la température à la jonction de la DEL, il faut donc penser à

surdimensionner l'alimentation électrique.

20

1.2.3 Aspects thermiques

Tel que mentionné dans la section sur le principe d'émission des DELs, la température a

un impact majeur sur les propriétés optiques. La température aecte les niveaux d'énergie

des électrons libres en augmentant l'épaisseur de la zone interdite proportionnellement. La

chaleur générée lors de la recombinaison d'un électron libre et d'un trou doit être évacuée par

conduction thermique. La conduction thermique peut être modélisée en faisant le parallèle avec

les circuits résistifs électriques classiques. On appelle cette méthode la loi d'Ohm thermique

et elle est très utilisée en électronique pour calculer l'échauement des composants. Les livres

d'électronique de puissance expliquent la méthode en détail [54]. La résistance thermique de

conduction est dénie comme étant la diérence de température aux bornes d'un élément pour

un ux de chaleur donnée 1.6. Dans la version simpliée de la loi d'Ohm thermique, on peut

calculer la température de la jonction sachant la puissance dissipée, la résistance thermique

de conduction équivalente entre la jonction et l'air ambiant et la température ambiante 1.7.

Rth =T1 − T2

Φth(1.6)

TJ = TA + Pth ·Rtheq (1.7)

Pour modéliser correctement la résistance thermique d'une DEL, il faut savoir la résistance

thermique de tous les éléments internes. Cette responsabilité revient au fabricant de donner la

résistance thermique équivalente entre la jonction pn et le boîtier de la DEL. Au l des ans,

les résistances thermiques équivalentes des DELs ont beaucoup diminué grâce aux avancées

techniques pour l'extraction de la chaleur des matériaux semi-conducteurs [43]. Cependant,

la résistance thermique équivalente totale ne dépend pas seulement des données de la che

technique du manufacturier. Les données du manufacturier s'arrêtent à la résistance thermique

entre la jonction et le boîtier de la DEL, mais un système thermique complet doit donner la

résistance thermique équivalente de la jonction à l'air ambiant. La résistance thermique du

boîtier à l'air ambiant est déterminée par le dissipateur de chaleur installé avec la DEL. Le

concepteur d'une lampe aux DELs a donc la responsabilité de bien dimensionner les compo-

santes thermiques de l'assemblage pour contrôler la température de jonction dans une plage

convenable. La température de fonctionnement d'une DEL est fortement lié à sa durée de

vie et à sa détérioration des couleurs dans le temps. La durée de vie d'une DEL est dénie

comme le nombre d'heures avant que le ux lumineux nominal de la DEL au courant nominal

soit réduit de 30 %. Il n'existe pas encore de méthode universellement reconnue pour quan-

tier la détérioration des propriétés colorimétriques des DELs temporellement. L'article Life

of Led-based white light source [19] présente des résultats de durée de vie en fonction de la

température de jonction. Il n'existe pas encore de modèle analytique parfait pour estimer la

21

durée de vie d'une DEL en fonction de la température de jonction qu'on lui impose. Il est

généralement recommandé de faire des expériences pratiques pour la déterminer.

1.3 Théorie de fonctionnement du modulateur lumineux aux

cristaux liquides

1.3.1 Les cristaux liquides et la biréfringence

Les cristaux liquides sont une substance qui est dans une phase intermédiaire entre le liquide

et le solide. Un guide explicatif de l'université de Cambridge résume bien le sujet [50]. Ils se

caractérisent par leur apparence en forme de bâtonnets au niveau moléculaire. Puisqu'ils sont

à un état intermédiaire entre un état liquide et solide, les cristaux liquides possèdent aussi des

propriétés intermédiaires entre un solide et un liquide. Puisque la phase des matériaux dépend

principalement de la température, les substances dans la phase de cristaux liquides ont des

propriétés qui varient grandement en fonction de la température. On classe les cristaux liquides

dans deux grandes catégories, les thermotropes et les lyothropes. Les propriétés des thermo-

tropes changent en fonction de la température tandis que les lyothropes ont des propriétés

en fonction du solvant que l'on ajoute à la substance pour former les cristaux liquides. Dans

notre cas, on s'intéresse principalement à la classe thermotropes. Cette classe est caractérisée

par une grande variation des propriétés des cristaux liquides en fonction de la température.

Par exemple, plus la température sera basse, plus les cristaux liquides se comporteront comme

un solide et plus la température sera haute, plus les cristaux liquides se comporteront comme

un liquide. An de bien démêler les propriétés des cristaux liquides thermotropes en fonction

de la température, on distingue plusieurs mésophases qui correspondent à diérente gamme

de température. La gure 1.9 montre les mésophases les plus courantes des cristaux liquides.

Figure 1.9 Diérentes mésophases des cristaux liquides [52]

La mésophase nématique est la phase où les cristaux liquides se rapprochent le plus des liquides.

Les molécules en forme de bâtonnet sont distribuées aléatoirement dans la substance, propriété

caractéristique des liquides. Cependant, les bâtonnets ont tendance à maintenir une direction

préférentielle malgré leur dispersion, propriété propre au solide. Sur la gure 1.9, l'image de

gauche montre bien la distribution aléatoire des molécules de cristaux liquides avec la direction

22

préférentielle. La mésophase smectique est celle de l'image au centre de la gure 1.9. Dans

cette mésophase, les molécules des cristaux liquides sont orientées vers la même direction

comme dans la phase nématique, mais les molécules ne sont pas distribuées aléatoirement.

Elles sont divisées dans des couches subséquentes ce qui démontre un ordre plus élevé dans la

substance, caractéristique se rapprochant d'un solide. La mésophase cholestérique est en faite

une phase particulière de la phase smectique dans certaines substances de cristaux liquides.

Dans chacune des couches, les molécules s'orientent vers une direction légèrement diérente de

la précédente. Cette direction n'est cependant pas aléatoire, car, quand on regarde plusieurs

couches, on remarque un eet d'hélice comme les lets d'une vis.

La propriété optique la plus importante des cristaux liquides est la biréfringence. Cette pro-

priété optique stipule que l'indice de réfraction d'un matériau optique varie selon la polarisation

de la lumière qui la traverse. La polarisation de la lumière vient de la nature ondulatoire de

cette dernière. En tant qu'onde électromagnétique, la lumière possède un champ électrique et

un champ magnétique. Il y a un déphasage de 90° entre les deux et ils sont perpendiculaires.

Le produit vectoriel de ces champs donne la direction de propagation de l'énergie (vecteur de

Poynting). Puisqu'il peut exister plusieurs combinaisons de direction des champs électriques

et magnétiques pour une même direction de propagation, on doit faire appel à la polarisation

de la lumière pour connaître l'orientation du champ électrique. La polarisation est le com-

portement spatio-temproel du champ électrique de la lumière et, dans notre cas, on peut se

contenter d'un modèle simplié qui est susant pour comprendre les cristaux liquides. Dans

le cas de la lumière incohérente non polarisée, comme une source de lumière à DEL, on peut

supposer que la polarisation de la lumière émise est composition d'une somme vectorielle entre

une polarisation horizontale et une polarisation verticale. Selon l'orientation des molécules de

cristaux liquides en bâtonnets, on peut savoir l'indice de réfraction qu'aura chacune des po-

larisations. Pour illustrer cette explication, on jette un coup d'÷il sur la gure 1.10. Le sens

de la polarisation est indiqué par les doubles èches. On voit que les rayons de la polarisation

horizontale ne sont pas déviés, mais que les rayons de la polarisation verticale le sont. Si le

bloc de vitre était une couche de cristaux liquides, on pourrait conclure que les molécules sont

orientées verticalement, car c'est la lumière polarisée verticalement qui réagit fortement et qui

cause le délai temporel.

1.3.2 Sensibilité aux champs électriques et pixel d'un écran ACL

Une autre propriété très intéressante des cristaux liquides est leur sensibilité aux champs

électriques. Les molécules en bâtonnet des cristaux liquides ont une tendance naturelle à

s'aligner dans une direction que l'on peut choisir en frottant les parois de verre qui contiennent

les cristaux liquides avec un polymère dans la direction que l'on désire imposer. Si on applique

un champ électrique proche des cristaux liquides, on va causer un réalignement des molécules

dans cette direction. Si on arrête le champ électrique, les molécules des cristaux liquides vont

23

Figure 1.10 Illustration du principe de biréfringence pour une source de lumière non-polarisée [36]

retourner dans la direction naturelle imposée par le frottement. Les propriétés de pouvoir

changer la direction des molécules électriquement et la biréfringence ont permis de créer les

écrans ACL que l'on utilise quotidiennement. Les gures 1.11 et 1.12 montrent les principaux

composants d'un pixel d'un écran ACL soient les polariseurs, les électrodes de verre frottées

dans une certaine direction et les cristaux liquides de type nématique. Les substrats sont

frottées dans des directions orhtogonales. En l'absence d'un champ électrique, les directions

de frottement sur les électrodes de verre imposent une rotation graduelle des molécules de

cristaux liquides. La lumière non polarisée traverse le premier polariseur, puisque c'est une

source de lumière non cohérente, la moitié de la lumière traverse le polariseur, celle dans la

polarisation verticale comme on voit dans la gure 1.11. L'électrode de verre étant au repos, la

lumière entre en contact avec les cristaux liquides dont la rotation change au fur et à mesure

que la lumière avance. Cette rotation graduelle des cristaux liquides change la polarisation

de la lumière de verticale à horizontale. Finalement, un dernier polariseur vertical bloque la

lumière, car elle n'est pas dans la bonne polarisation. Le pixel de l'écran ACL apparaît donc

noir. Si on applique une tension sur les électrodes, on crée un champ électrique qui aligne

toutes les molécules de cristaux liquides dans la même direction. Sur la gure 1.12, on voit

que les cristaux liquides prennent une orientation horizontale et que la forme de rotation est

détruite. La lumière ne subira pas de rotation et elle conservera donc sa polarisation verticale.

Le dernier polariseur laisse la lumière poursuivre son chemin, car la lumière est dans la même

polarisation que lui, le pixel apparaît donc blanc.

24

Figure 1.11 Représentation schématique d'un pixel d'un écran LCD quand aucune tensionn'est appliquée aux électrodes : la lumière ne passe pas [53]

Figure 1.12 Représentation schématique d'un pixel d'un écran LCD quand une tension estappliquée aux électrodes : la lumière passe [53]

1.3.3 Le modulateur lumineux à base de cristaux liquides

La lentille développée par TLCL [55] ressemble à un pixel d'écran ACL, car elle utilise les

mêmes propriétés qu'un pixel d'un écran ACL, mais de manière diérente. La diérence prin-

cipale se situe au niveau des électrodes de verre et dans l'abscence des polarisateurs ortho-

gonaux. Dans un pixel d'un écran ACL, les électrodes sont des plaques de verre conductrices

tandis que, pour la lentille, une électrode est une plaque conductrice, mais l'autre est un an-

neau conducteur. La gure 1.13 montre les éléments de base qui composent le modulateur

lumineux aux cristaux liquides. On remarque que les deux plaques de verre ont été frottées

dans le même sens an d'avoir un alignement semblable des cristaux liquides pour toute la

lentille. La distribution du champ électrique permet d'aligner les molécules en bâtonnet des

cristaux liquides pour former une sorte de courbure de manière à imiter une lentille usuelle.

La gure 1.14 met en évidence le comportement des cristaux liquides sous l'inuence d'un

champ électrique créé par les électrodes de la lentille. La lentille obtenue est de type cylin-

drique. Le modulateur lumineux aux cristaux liquides doit être alimenté par une source de

25

tension alternative d'une fréquence d'environ 1 kHz. La tension doit être alternative sinon les

charges des ions des cristaux liquides se déplaceraient toutes vers une électrode et la courbure

simulée par les cristaux liquides serait détruite. Sans courbure, la lentille n'a aucun pouvoir

de convergence et le modulateur lumineux perd son utilité. Il est aussi important de mettre

successivement deux lentilles de cristaux liquides pour faire chacune des polarisations, car une

seule lentille fonctionne seulement pour une polarisation selon la propriété de biréfringence. Un

tel ensemble de couches de cristaux liquides permet de diverger toute la lumière qui la traverse

comme une lentille cylindrique standard. Le problème, c'est que le patron lumineux généré

par une lentille cylindrique ne convient pas parfaitement pour une application d'éclairage. Le

patron lumineux à l'apparence d'une ligne lumineuse mince. Pour avoir un patron lumineux

intéressant pour l'éclairage, il faut ajouter un autre ensemble de couches de cristaux liquides

où la focale de la lentille cylindrique est dans l'autre axe perpendiculaire. Pour résumer, il faut

au moins 4 couches de cristaux liquides pour former la lentille utilisée en pratique.

Figure 1.13 Illustration d'un modulateur lumineux aux cristaux liquides au repos

Figure 1.14 Illustration de l'eet du champ électrique sur les cristaux liquides dans lalentille

Une propriété très intéressante qui ressort de la lentille aux cristaux liquides est que l'amplitude

de la courbure varie linéairement avec l'amplitude du champ électrique appliquée. Ainsi, un

faisceau lumineux qui traverse la lentille sera divergé de manière plus ou moins importante

en fonction de la valeur ecace de la tension appliquée sur ses électrodes. Il est important

de remarquer que le modulateur lumineux peut seulement augmenter l'ouverture du faisceau

26

lumineux, il ne peut pas le converger. C'est pour cette raison qu'il est important d'utiliser

un faisceau lumineux de faible divergence initiale an de proter au maximum de l'eet de

la lentille aux cristaux liquides. La puissance de la divergence se calcule avec la formule des

lentilles à gradient d'indice 1.8. Les variables de l'équation sont en mètre.

O.P. =1

f=

2 ·∆ · n · Lr2

(1.8)

L'équation de la puissance optique 1.8 permet de mettre en évidence le principal défaut d'une

telle lentille aux cristaux liquides : la puissance optique est fortement diminuée si on augmente

le diamètre de la lentille. Pour pallier à ce problème, TLCL [55] fabrique des ensembles de

microlentilles aux cristaux liquides an d'obtenir des puissances optiques acceptables pour des

applications d'éclairage. On peut même ajouter des couches de microlentilles pour augmen-

ter encore la puissance optique. On remarque aussi que la biréfringence joue un rôle dans la

puissance optique de la lentille 1.8. Puisque l'indice de réfraction d'un matériau dépend de la

longueur d'onde, un faisceau de lumière blanche présentera une certaine aberration chroma-

tique. On peut alors anticipé que la lumière rouge sera moins divergé que la lumière bleue pour

la même tension appliquée aux bornes des électrodes du modulateur lumineux aux cristaux

liquides. Cette propriété indésirable mérite d'être quantiée pour des applications d'éclairage

où le rendu des couleurs est crucial. L'ecacité lumineuse de la lentille est excellente, on parle

de plus de 95 % de la lumière incidente qui traverse la lentille sans être absorbée. Cette grande

ecacité permet d'implanter ces lentilles pour des applications d'éclairage où la propriété

d'ecacité est d'une importance capitale.

27

Chapitre 2

Concept de l'éclairage intelligent

2.1 Commande en boucle fermée et rétroaction

L'éclairage intelligent cherche à augmenter l'ecacité et l'ecience de l'éclairage standard.

L'ecacité est dénie globalement par le rapport lumen/watt. Si un système d'éclairage est

composé d'ampoules à haute ecacité, c'est-à-dire qu'elles possèdent un bon ratio lumen/watt,

on dira que l'éclairage est ecace, mais pas nécessairement ecient. L'ecience représente le

facteur d'utilité de l'éclairage pour ses utilisateurs. Par exemple, si on allume une ampoule DEL

avec un très bon rapport lumen/watt dans une pièce vide, on dira que le système d'éclairage

est très ecace, mais peu ecient. Pour augmenter son ecience, un système d'éclairage a

besoin de contrôle et de rétroaction. C'est pourquoi il faut implanter des microprocesseurs et

des capteurs en plus des ampoules pour former un système d'éclairage intelligent. Le type de

contrôle peut être en boucle ouverte ou en boucle fermée. La gure 2.1 illustre la diérence

entre les deux avec un schéma conceptuel. Le contrôle en boucle ouverte ne possède pas de

rétroaction, pour l'éclairage intelligent, cela signie que c'est seulement l'utilisateur qui peut

agir sur le système. Par exemple, une ampoule équipée d'un gradateur classique est un système

en boucle ouverte, car l'utilisateur doit intervenir pour régler l'intensité de l'ampoule. Dans

un système en boucle fermée, c'est le microprocesseur qui décide de l'intensité de l'ampoule

à régler en fonction des signaux de rétroaction qu'il reçoit de ses capteurs. Le contrôle d'un

système d'éclairage peut se faire sur plusieurs variables et plusieurs articles résument bien ces

dernières [42] [46]. On détaille les principales variables de rétroaction que l'on peut utiliser pour

des applications en boucle fermée d'éclairage intelligent avec les capteurs possibles. Il existe

d'autres variables pour la rétroaction d'un système d'éclairage intelligent en boucle fermée,

mais l'utilisation de ceux-ci ne fait pas partie de l'objet du présent mémoire.

Rétroaction selon la lumière du jour

Cette technique de rétroaction consiste à mesurer l'éclairage ambiant d'une pièce. Elle est par-

ticulièrement ecace pour les espaces vitrés ou les espaces avec des puits de lumière naturelle.

28

Figure 2.1 Diérence entre un système en boucle ouverte et un système en boucle fermée

En pratique, on retrouve cet éclairage intelligent principalement dans les bureaux. Pour mettre

en ÷uvre une rétroaction de ce type, il sut d'utiliser des capteurs de type photomètre. Ces

capteurs donnent une valeur en lux qui correspond à l'éclairement lumineux auquel le capteur

est exposé. Pour de meilleurs résultats, on essaie de placer le capteur à l'endroit où l'utilisa-

teur a le plus besoin de lumière. Dans l'exemple des bureaux, l'espace de travail devrait être

l'endroit à privilégier pour placer le capteur. Il est important de noter que, grâce aux avancées

dans la technologie du Wi-Fi et du energy harvesting (recueillement de l'énergie ambiante), on

peut positionner ces capteurs à peu près n'importe où sans avoir besoin de ls électriques pour

les connecter entre eux [34]. Une fois les capteurs positionnés dans la pièce, un microprocesseur

analyse les données de ces derniers et calcul l'intensité de l'éclairage à appliquer pour avoir

un niveau d'éclairement stable. Le microprocesseur est habituellement intégré dans l'ampoule

elle-même et il communique avec les capteurs par Wi-Fi. Cette technique de rétroaction per-

met de maximiser l'utilisation de l'éclairage au cours d'une journée. Quand il y a beaucoup

d'ensoleillement, le microprocesseur diminue l'intensité de l'éclairage articiel et, quand il n'y

a pas d'ensoleillement, le microprocesseur augmente l'intensité de l'éclairage. Avec une pro-

grammation adéquate, l'utilisateur perçoit à peine le changement de source de lumière. La

gure 2.2 permet de voir les principaux constituants d'un système d'éclairage intelligent basé

sur le recueillement de la lumière du jour. Le gain d'ecacité énergétique que l'on mesure dans

la littérature se situe entre 20-60 % selon les situations [58]. Il sut ensuite pour l'utilisateur

de calculer son retour sur l'investissement pour l'ajout des capteurs selon l'ecacité que le

système accomplira. Avec le coût qui diminue de plus en plus pour les capteurs et l'électro-

nique en général, on peut penser que de plus en plus de systèmes d'éclairage conventionnels

se convertiront en système d'éclairage intelligent basé sur la rétroaction par recueillement de

29

la lumière du jour.

Figure 2.2 Figure représentant les principaux éléments du recueillement de la lumière dujour [17]

Rétroaction par la présence des utilisateurs

Une autre variable de rétroaction très utilisée pour la mise en ÷uvre de systèmes d'éclairage

intelligent est la détection de la présence des occupants. L'idée est d'allumer ou de fermer

l'éclairage si des gens sont à l'intérieur ou à l'extérieur d'un périmètre donné. Pour détecter

les gens, la technologie la plus utilisée est les capteurs de type PIR (pour passive infrared

sensor). Ces détecteurs ne détectent pas directement les gens, ils détectent leurs mouvements.

Ils fonctionnent à l'aide de deux cellules à base d'un semi-conducteur sensible aux longueurs

d'onde dans l'infrarouge montées sur la même fenêtre du capteur [4]. Les deux cellules voient

chacune la moitié du champ de vue du capteur en alternance. Par exemple, pour un champ

de vue de 90°, chacune des cellules voit 45° par tranche de 5° de façon alternative entre les

deux cellules du capteur. L'électronique intégrée au détecteur vérie la tension générée aux

bornes de chacune des cellules semi-conductrices. Si un objet rayonnant de la chaleur (comme

une personne) se déplace devant le capteur, l'électronique va enregistrer successivement deux

petites surtensions pour chacune des deux cellules. Ces surtensions sont ensuite comparées à un

seuil prédéterminé avec un comparateur à hystérésis et si elles le dépassent, le capteur lance un

30

signal pour dire qu'il détecte un mouvement. Il faut bien ajuster ce comparateur à hystérésis

an de limiter les fausses alarmes sans pour autant limiter la détection des personnes. An

d'élargir le champ de vue de ces détecteurs, on utilise des lentilles en plastique de type Fresnel

pour concentrer la lumière sur le capteur pour obtenir un large champ de vue. La gure 2.3

montre les éléments d'un détecteur PIR ainsi que le détail de son fonctionnement. Ces capteurs

ont l'avantage d'être peu coûteux et d'être simples d'utilisation avec un signal de sortie de type

oui/non pour le mouvement. Les capteurs de ce type ont une portée de détection moyenne

d'environ 10 mètres selon le modèle. Le problème principal de ces capteurs pour une application

d'éclairage intelligent est justement qu'il détecte seulement le mouvement. Souvent, les gens

peuvent être immobiles et ils ont quand même besoin d'éclairage. Par exemple, si quelqu'un

lit dans sa chambre le soir avec un éclairage contrôlé par un détecteur PIR, l'éclairage va

s'éteindre après quelques minutes de lecture, car la personne ne bougera pas assez pour exciter

le détecteur. Cela dit, pour de nombreuses applications d'éclairage intelligent, ces capteurs

demeurent très utilisés pour leurs avantages nommés précédemment.

Figure 2.3 Principe de détection du capteur PIR [4]

Le capteur par ultrason est un autre moyen de détecter les personnes. Ces capteurs fonction-

nement toujours en pair : un capteur est le transmetteur de l'onde ultrasonique et l'autre est

le récepteur [9]. On place le transmetteur et le récepteur côte à côte à une distance xe et

connue. Cet ensemble transmetteur-récepteur constitue le capteur par ultrason. Si personne

n'est devant le détecteur, l'onde sonore envoyée par le transmettre se propage vers l'avant

sans revenir sur le récepteur (ou faiblement s'il y a un mur). Si une personne est positionnée

devant le détecteur, l'onde envoyée est rééchie sur elle et l'onde atteint le récepteur qui va

donner à l'électronique du capteur un signal indiquant la réception de l'onde transmise. On

obtient alors un détecteur qui fonctionne encore avec une logique oui/non pour le signal de

31

sortie. Il est aussi possible de faire du traitement de signal et de la triangulation pour pouvoir

déterminer la distance à laquelle la personne se trouve. On peut aussi observer la vitesse de

déplacement d'une personne par eet Doppler. Pour l'éclairage intelligent, cette complexité

additionnelle est rarement nécessaire. Les capteurs à ultrason ont une portée d'environ 10

mètres. L'avantage des capteurs à ultrason par rapport aux capteurs PIR est qu'ils détectent

les personnes immobiles en plus des personnes en mouvement. Cependant, les détecteurs à

ultrasons n'ont pas un grand champ de vue.

Rétroaction par vision numérique

Au lieu d'utiliser une multitude de capteurs pour eectuer un contrôle d'éclairage intelligent

en boucle fermée, on peut utiliser une caméra avec un algorithme de vision numérique pour

extraire les informations pertinentes de la scène pour l'éclairage. On peut extraire des in-

formations comme la lumière du jour présente, la présence de personnes, leur nombre, leur

position, leur vitesse, leur direction de déplacement et bien d'autres variables. Avec toutes

ces informations en main, on peut créer de puissants algorithmes d'éclairage intelligent an

d'ajuster chacune des ampoules à l'intensité optimale en temps réel. La exibilité du système

d'éclairage intelligent avec ce type de rétroaction par rapport aux autres capteurs est son prin-

cipal avantage. Le problème de ce type de rétroaction pour l'éclairage intelligent est que les

ressources calculatoires qu'ils demandent au processeur sont immenses quand on compare aux

autres techniques de rétroaction. L'analyse d'images en temps réel demande de traiter beau-

coup de données numériques et les processeurs embarqués dans les ampoules sont beaucoup

plus limités en termes de vitesse d'opération et de mémoire disponible que les processeurs d'or-

dinateur standard normalement nécessaires pour ce genre d'algorithme. En plus du problème

de processeur, les systèmes d'éclairage intelligent avec une rétroaction par vision numérique

ont besoin d'un capteur d'images. Souvent, le capteur d'image est une caméra CMOS de faible

résolution qui fonctionne dans le visible en raison de son faible coût. Les autres types de ca-

méras comme les caméras infrarouges, les caméras à haute résolution et les caméras à grand

champ de vue sont tous intéressants pour l'éclairage intelligent, mais le coût important de ces

caméras est trop dissuasif. Un problème fréquent que l'on rencontre en utilisant une caméra

dans le visible est que si l'éclairage est fermé, on doit quand même pouvoir voir la scène sinon

le processeur ne donnera jamais le signal d'ouvrir l'éclairage, car les images sont noires. Il faut

prendre cette particularité en note dans la conception d'un système d'éclairage intelligent avec

une rétroaction de ce type.

2.2 Exemples de systèmes d'éclairage intelligent

Pour démontrer les gains que l'on peut obtenir en optant pour un système d'éclairage intelli-

gent en boucle fermée, plusieurs expériences pratiques ont été faites. La conférence annuelle

Smart Lighting présente plusieurs projets sur le sujet. Cette conférence est organisée par The

32

InnovationFAB BV [12]. La plupart des géants de l'éclairage supportent nancièrement cet

événement. La présentation de certains d'entre eux permettra de mieux comprendre les tech-

niques de rétroaction utilisées et les bénéces que chacune apporte pour les utilisateurs. Les

bénéces peuvent se traduire par des économies d'énergie, une facilité d'utilisation ou même

une augmentation de la qualité de vie des gens dans certains cas.

Groupe Zumtobel : les pôles d'éclairage

Ce projet, réalisé par le groupe Zumtobel [18] consiste à utiliser plusieurs luminaires sem-

blables qui possèdent les mêmes capteurs et qui communiquent entre eux par Wi-Fi. Chaque

luminaire est équipé d'un capteur PIR pour détecter la présence d'une personne à proximité,

un photomètre et un capteur ultrason pour mesurer la distance entre la personne et l'ampoule

DEL. Le luminaire possède plusieurs boucles de rétroaction, essentiellement celles qui ont

été expliquées précédemment en 2.1. Avec toutes ces informations, l'algorithme tente d'op-

timiser la puissance d'éclairage selon la position des utilisateurs. La gure 2.4 montre une

représentation du fonctionnement du projet. Plus il y a de boucles de rétroaction diérente,

plus l'algorithme d'éclairage intelligent sera personnalisé pour mieux répondre aux besoins de

lumière des utilisateurs tout en maximisant l'énergie consommée. La communication Wi-Fi

permet d'avertir les autres luminaires si une personne se dirige dans leur direction avant que

les capteurs n'interviennent pour un fonctionnement plus doux du changement de l'intensité

de chaque luminaire. Une des forces les plus importantes dont le projet se targue est de la

simplicité d'utilisation. Il sut simplement de brancher les luminaires intelligents comme des

luminaires ordinaires et, grâce à la communication Wi-Fi, ils s'initialisent eux-mêmes sans

avoir besoin d'un technicien spécialisé.

Figure 2.4 Représentation du fonctionnement des pôles d'éclairage du groupe Zumtobel [18]

33

Études psychologiques sur la perception d'un éclairage de rue contrôlé par une

rétroaction par détection de la présence

Ce projet, mené par le Intelligent Lighting Institue de l'université de de technologie de Eind-

hoven [20], recueille les commentaires des gens sur un système d'éclairage de rue avec une

rétroaction sur la détection des personnes. Les lampadaires de rue sont équipés de capteurs

PIR pour détecter le mouvement des personnes dans le noir. L'algorithme d'éclairage intelli-

gent est fort simple, au repos, le lampadaire fonctionne à 10 % de sa puissance pour faire un

éclairage de fond. Si le lampadaire détecte du mouvement, il augmente sa puissance lumineuse

au maximum. Tant qu'il détecte du mouvement, il reste à ce point d'opération. Quand le lam-

padaire ne détecte plus de mouvement, il maintient sa puissance pendant encore une minute

puis redescend graduellement à son état de repos. La gure 2.5 montre le fonctionnement le

l'algorithme d'éclairage utilisé par le projet. Les résultats du projet montrent que la quantité

de kilowattheures utilisés par le système d'éclairage intelligent diminue de 30 % par rapport

au même éclairage, mais sans contrôle intelligent par la détection de mouvement. Les com-

mentaires des personnes sont généralement positifs, ils apprécient le fait que les lampadaires

permettent de voir l'activité dans leur quartier. Cependant, pour certaines personnes, cet eet

peut causer de l'anxiété. La conclusion du projet démontre que l'on peut diminuer la quantité

de lumière émise par les luminaires sans pour autant diminuer le sentiment de sécurité des

gens. Non seulement les lampadaires sont plus ecaces, mais ils sont plus ecients qu'un

éclairage de rue classique aux ampoules de sodium haute pression.

Figure 2.5 Algorithme d'éclairage intelligent utilisé pour le projet [20]

34

Système d'éclairage intelligent pour aider les personnes âgées à se déplacer à la

maison

Le projet porte sur la mise en ÷uvre d'un système éclairage intelligent dans des appartements

pour personnes âgées. Le projet a été réalisé par la compagnie allemande Bartenbach [35].

Les luminaires installés dans l'appartement sont équipés de capteur de mouvement de type

PIR et d'horloge intégrée en temps réel. Les luminaires ont des DELs de diérentes couleurs

an de faire varier la température de couleur au besoin. Le but de cette étude est d'analyser

l'eet de l'éclairage sur le cycle circadien des personnes âgées et surtout si on peut l'inuencer

positivement. La théorie du cycle circadien pour l'éclairage est que l'÷il humain est sensible à

la lumière bleue et qu'il se sert de celle-ci pour réguler certains cycles internes au corps humain

comme le cycle du sommeil. Dans le cas du cycle du sommeil, si l'÷il détecte de la lumière

bleue, le cerveau interprète l'information pour supposer qu'il fait jour et qu'il doit maintenir

le corps actif. Quand l'÷il ne détecte plus de lumière bleue, le cerveau décrète que c'est la

nuit et qu'il est temps d'aller dormir. Si on expose une personne le soir avec de la lumière

bleue, on pense que cela peut dérégler son cycle du sommeil. Cela est problématique parce

que la plupart des systèmes d'éclairage DEL commerciaux fonctionnent à des températures

de couleur de 4000K et plus pour des raisons économiques. Le système d'éclairage intelligent

utilise la rétroaction par les détecteurs de mouvement pour améliorer l'ecience du système

en allumant les ampoules seulement quand il y a des gens à proximité et il utilise la rétroaction

avec l'horloge en temps réel pour ajuster la température de couleur et l'intensité lumineuse du

luminaire selon l'heure de la journée et le cycle du sommeil des personnes. Spéciquement, le

système d'éclairage ajuste la température de couleur à 4000K le jour et 2200K la nuit. La gure

2.6 présente le cycle des températures de couleur et le cycle l'intensité lumineuse utilisée par

le système d'éclairage du projet. Les conclusions du projet montrent que les personnes âgées

apprécient le changement de température de couleur la nuit, mais n'aiment pas nécessaire le

contrôle de détection dans certaines pièces.

35

Figure 2.6 Programme du cycle circadien utilisé par le projet [35]

36

Chapitre 3

Caractéristiques du modulateur

lumineux aux cristaux liquides

Le chapitre se concentre sur le modulateur lumineux aux cristaux liquides au niveau de la

pratique. Le précédent chapitre a discuté des concepts théoriques qui s'y rattachaient alors

que ce chapitre parle en détail des résultats obtenus en pratique. La première partie du cha-

pitre discute de l'apparence du composant, des dimensions possibles et du circuit de contrôle

proposé. Ensuite, on enchaîne avec les mesures réalisées sur le composant comme la linéarité

de l'angle en fonction de la valeur ecace de la tension appliquée et la dispersion des couleurs.

Le but du chapitre est de vérier avec des mesures que le modulateur lumineux aux cristaux

liquides peut s'utiliser pour l'éclairage intelligent.

3.1 Le composant

Le modulateur lumineux aux cristaux liquides ressemble à une lentille plate transparente. En

regardant de plus près, on arrive à y voir les couches de cristaux liquides. Dans la section 1.3.3,

chacune des couches permet de contrôler la lumière dans un axe et dans une polarisation. Il

en faut au minimum quatre pour faire un modulateur lumineux qui fonctionne bien pour

l'éclairage. On peut cependant ajouter plusieurs couches pour augmenter la puissance optique

de la lentille. TLCL [55] propose des modulateurs lumineux avec des diamètres de plus en plus

gros. Initialement, au début du projet, les modulateurs faisaient un maximum de 10 mm de

diamètre. Vers la n du projet, il orait des lentilles jusqu'à 85 mm de diamètre. Les lentilles

ont tendance à être plus larges que leur diamètre actif. L'espace additionnel est nécessaire

pour les connexions sur les électrodes. Les gures 3.1 et 3.2 montrent des modulateurs aux

cristaux liquides réels de diérents diamètres actifs qui montrent l'évolution des techniques

de fabrication de ces composants. La gure 3.1 est un modulateur lumineux de première

génération, on remarque que le ratio d'espace pour la zone active versus l'espace total est

faible. Les électrodes sont connectées à partir de ruban adhésif en cuivre. On voit aussi les

37

Figure 3.1 Modulateur aux cristaux liquidesd'un diamètre de 10 mm

Figure 3.2 Modulateur aux cristaux liquidesd'un diamètre de 50 mm

diérentes couches de cristaux liquides de la lentille. La gure 3.2 est un modulateur lumineux

récent. La qualité de nition est supérieure et le ratio d'espace actif sur l'espace total est

beaucoup plus élevé. La connexion des ls électriques externes aux électrodes est intégrée

dans le rebord de la lentille. Un dernier détail que l'on remarque sur la récente lentille est

l'ajout d'un diuseur sur les couches de cristaux liquides. Ce diuseur a pour fonction de

minimiser la dispersion de couleur et d'uniformiser le patron d'éclairement lumineux projeté

par le modulateur lumineux. Les deux modulateurs lumineux n'ont pas d'ancrage mécanique

pour les xer, il revient donc à l'utilisateur de choisir adéquatement le support mécanique

qu'il compte utiliser pour installer ces optiques dans son assemblage.

3.2 Circuit de commande

Les électrodes du modulateur lumineux aux cristaux liquides fonctionnent avec une tension

alternative telle que décrite dans la section 1.3.3 sur le fonctionnement théorique. La fréquence

de la tension n'est pas particulière importante, le manufacturier recommande une fréquence de

1 kHz et, puisque c'est facilement faisable par l'électronique moderne, c'est la fréquence que l'on

va utiliser sur les modulateurs lumineux aux cristaux liquides tout au long du projet. La forme

de tension n'est pas particulièrement importante, ce qui est important c'est la valeur ecace

de la tension. Ainsi, une onde sinusoïdale et une onde carrée de même valeur ecace donnent

le même résultat sur la divergence de la lumière qui traverse la lentille. La valeur ecace de

la tension est directement liée à l'augmentation de la divergence du faisceau lumineux. La

38

lentille possède une zone linéaire de 5 à 15 volts de valeur ecace. En dehors de cette plage

de valeur, la relation entre la valeur ecace appliquée et la divergence n'est plus linéaire.

Au-delà de 15 Volts, la divergence sature malgré l'augmentation de la valeur ecace de la

tension. Le modulateur lumineux aux cristaux liquides peut supporter des tensions élevées

sans se détruire. En dessous de 5 volts, le champ électrique généré est trop faible pour aligner

les molécules en bâtonnet des cristaux liquides. En termes d'automaticien, on dira que la

lentille possède une zone morte à faible voltage. La lentille possède quatre électrodes, chaque

paire d'électrodes contrôle un axe de divergence de la lumière. Les deux axes sont totalement

indépendants. L'impédance équivalente de la lentille étant très élevée, le courant que l'on doit

fournir est extrêmement faible. À 15 volts, au maximum de la plage linéaire, la lentille a besoin

d'une dizaine de microampères seulement. Le courant nécessaire augmente légèrement avec le

diamètre du modulateur aux cristaux liquides.

Avec ces informations, on peut concevoir un circuit de contrôle à partir de quelques montages

classiques. Puisqu'on doit générer une onde alternative pour le modulateur lumineux aux cris-

taux liquides, on peut s'inspirer des circuits oscillateurs à base d'amplicateurs opérationnels.

Les circuits oscillateurs qu'on peut penser utiliser sont l'oscillateur à relaxation, l'oscillateur

à pont de Wien et l'oscillateur à double T. Les deux derniers oscillateurs génèrent des ondes

sinusoïdales tandis que l'oscillateur à relaxation produit une onde carrée. Puisque la lentille

n'est pas aectée par la forme d'onde, il est préférable de faire un circuit qui produit une

onde carrée, car ce dernier est beaucoup plus simple qu'un circuit pour générer une onde si-

nusoïdale. La gure 3.3 présente la version classique de l'oscillateur à relaxation. La fréquence

que de l'onde carrée est donnée par la formule 3.1 selon la numérotation des composants du

schéma 3.3. Le circuit fonctionne grâce au gain presque inni en boucle ouverte de l'ampli-

cateur opérationnel. À la mise sous tension, le circuit entre en saturation. La tension de sortie

est donc au niveau de l'alimentation positive de l'amplicateur opérationnel. Cette tension

provoque le chargement du condensateur. Le condensateur va donc essayer de se charger à la

tension d'alimentation, mais le diviseur de tension composé de R1 et R2 ne permet pas au

condensateur de se charger complètement. Une fois que la tension du condensateur va avoir

dépassé celle du diviseur de tension, la tension de sortie de l'amplicateur de sortie va basculer

vers la tension d'alimentation négative. Le condensateur va alors se décharger puis se char-

ger négativement vers le niveau de tension de l'alimentation négative. Encore une fois, quand

la valeur de tension du condensateur dépasse le point de bascule imposée par le diviseur de

tension, la sortie de l'amplicateur bascule vers la tension de l'alimentation positive. Le cycle

de l'oscillation du circuit se répète. L'oscillateur à relaxation génère toujours un coecient de

remplissage (duty cycle) de 50 % sans composante continue. Le fonctionnement de l'oscillateur

à relaxation est expliqué en détail dans la plupart des livres d'électroniques [10].

1

fHz= Tper = 2 ·R3 · C · ln

1 + R1R1+R2

1− R1R1+R2

(3.1)

39

Figure 3.3 Schéma de l'oscillateur à relaxation classique [10]

Le problème de l'oscillateur à relaxation est qu'il est impossible de varier l'amplitude et le

coecient de remplissage. L'amplitude de l'onde carrée générée est toujours égale aux rails

d'alimentation. Pour le modulateur lumineux aux cristaux liquides, il est primordial de pouvoir

contrôler la valeur ecace de la tension alternative générée. Théoriquement, pour une onde

carrée, la valeur ecace est égale à la valeur de l'amplitude de l'onde. Pour varier l'amplitude

de l'onde générée par le circuit d'oscillateur à relaxation, on doit varier la tension d'alimenta-

tion positive et négative de l'amplicateur opérationnel. Plusieurs méthodes peuvent faire ce

changement de tension. On pense à des alimentations linéaires par potentiomètre, des alimen-

tations à découpage, des convertisseurs numériques analogiques et des cartes d'acquisitions

d'entrées-sorties analogiques. Pour une plus grande facilité d'utilisation, le plus simple est

de coner cette tâche à une carte de sorties analogiques. Ces cartes s'interfacent facilement

avec les ordinateurs ce qui facilite leur utilisation. La plupart des cartes peuvent se contrôler

à partir de logiciels communs en ingénierie comme LabView et Matlab. Une autre diculté

est la plage de tension que doit couvrir l'amplicateur opérationnel. Le modulateur lumineux

aux cristaux liquides fonctionne dans la plage linéaire entre 5 et 15 Volts de valeur ecace.

Pour une onde carrée, 15 Volts de valeur ecace signient une tension crête à crête de 30

Volts. La plupart des amplicateurs opérationnels ne peuvent pas supporter une telle tension

d'alimentation. Il faut être rigoureux dans le choix de l'amplicateur opérationnel.

Le premier montage du circuit de contrôle utilisé pour le modulateur lumineux aux cristaux

liquides est un assemblage d'une carte avec des sorties analogiques et d'un oscillateur à re-

laxation.

40

3.3 Mesures des performances du modulateur lumineux aux

cristaux liquides

La première étape pour envisager l'utilisation du modulateur lumineux aux cristaux liquides

dans une application d'éclairage intelligent est de mesurer certains critères de performances.

Ces critères permettront de mieux aiguiller la conception d'un prototype de démonstration

en connaissant les forces et les faiblesses du modulateur lumineux aux cristaux liquides. Le

modulateur lumineux de première génération 3.1 a été utilisé pour mesurer ces critères de per-

formances, car c'était la technologie disponible à l'époque. Les performances que l'on cherche

à mesurer sont les suivantes :

Angle maximal que le modulateur lumineux peut ouvrir

Linéarité de l'angle en fonction de la tension

Apparence du patron d'éclairement lumineux

Dispersion des couleurs

L'angle à demi-hauteur de la valeur maximale (full width half maximum angle) qu'on peut

obtenir avec le modulateur lumineux est le paramètre de performance le plus important.

L'étendue des applications d'éclairage intelligent dépend de ce paramètre. La linéarité permet

de vérier la facilité d'implantation d'une boucle de contrôle sur la lentille. L'apparence du

patron d'éclairement lumineux est importante pour l'éclairage. Habituellement, on cherche

à avoir un patron d'éclairement lumineux de forme circulaire. Cependant, par la nature du

modulateur lumineux aux cristaux liquides à se comporter comme une lentille cylindrique, on

risque de déformer substantiellement le patron d'éclairement lumineux circulaire. La dispersion

des couleurs permet de voir si la lentille ne déforme pas trop l'aspect colorimétrique du patron

d'éclairage que la source lumineuse projette.

3.3.1 Montage utilisé et protocole

Pour mesurer ces trois paramètres, il faut faire un montage comprenant le modulateur lumi-

neux aux cristaux liquides, une source lumineuse avec un faible angle FWHM, le circuit de

contrôle dans la section précédente et une caméra. La source lumineuse utilisée est une DEL

d'une puissance de 1 Watt [62]. La DEL possède une température de couleur de 2700K et

un indice de rendue des couleurs de 80. La DEL est équipée d'un réecteur qui concentre la

lumière dans un faisceau étroit [23]. La caméra utilisée pour faire les mesures est une Webcam

[39] installée au-dessus de la source lumineuse pour bien voir l'écran qui permet d'imager le

patron d'éclairement lumineux obtenu. La gure 3.4 représente schématiquement le montage

utilisé avec les composants et l'interdépendance entre ceux-ci. On utilise ensuite un algorithme

pour analyser l'image et calculer les paramètres de performances résultants. L'algorithme a

été développé sur le logiciel Matlab.

41

Figure 3.4 Schéma du montage pour la mesure de la linéarité et de la colorimétrie à l'aided'une caméra

Calibration de la caméra

La caméra a besoin d'être calibrée pour convertir les données en pixel qu'elle mesure en données

d'angle. On assume que chaque pixel de la caméra voit un angle identique et que la lentille

de la caméra est exempte d'aberrations. Il sut de prendre une image de l'écran blanc et

de noter sur ce dernier où se situent les limites horizontales et verticales du champ de vue.

Ensuite, il faut mesurer la distance entre ces limites et la distance entre la caméra et l'écran.

La résolution de la caméra doit être prise en compte et, dans plusieurs cas, cela signie que

les pixels ne sont pas de forme carrée, mais bien rectangulaire. Avec ces mesures de distance

en main et la résolution de la caméra, un simple calcul trigonométrique 3.2 permet de trouver

le coecient de conversion de l'angle par pixel.

degre

pixel=

arctanDpe

Dce

Resolution(3.2)

3.3.2 Angle maximal que le modulateur lumineux peut ouvrir

Ce critère de performance est très important pour prouver la exibilité du modulateur lumi-

neux aux cristaux liquides dans diverses applications. Plus la plage d'angles que peut couvrir

le modulateur est grande, plus le nombre d'applications d'éclairage intelligent s'élargit. Pour

mesurer l'angle maximal, il sut d'appliquer la tension maximale aux électrodes de la lentille

et mesurer l'angle que l'on obtient. La comparaison de cet angle maximal avec l'angle minimal

42

permet de savoir la plage de fonctionnement du composant. La mesure expérimentale, prise

à une tension ecace de 15 Volts, donne un angle FWHM à un peu moins de 25°. La valeur

minimale étant d'environ 12°, l'ajout du modulateur lumineux permet de doubler l'angle du

faisceau lumineux initial. Cependant, on ne peut pas conclure que le modulateur lumineux

aux cristaux liquides double toujours l'angle initial imposé par le réecteur. TLCL [55] recom-

mande d'utiliser un réecteur entre 5° et 15° an d'avoir une plage de contrôle intéressante.

3.3.3 Linéarité entre l'angle de vue et la tension

La linéarité entre l'angle de vue et la tension permet de savoir si le modulateur lumineux aux

cristaux liquides peut être facilement contrôlé par les méthodes classiques de commandes li-

néaires. Pour mesurer cette linéarité, il sut de mesurer l'angle à la demi-hauteur de la valeur

maximale pour chaque valeur ecace de la tension appliquée aux bornes. Il est important de

mesurer l'angle horizontal et l'angle vertical du patron d'éclairement lumineux parce que le mo-

dulateur lumineux peut induire une déformation asymétrique sur ce dernier. Le graphique 3.5

montre les résultats obtenus expérimentalement. Le graphique démontre bien la linéarité entre

l'angle à demi-hauteur de la valeur maximale et la valeur ecace de la tension. Avec le mon-

tage expérimental utilisé, l'erreur absolue sur la mesure en degré est d'environ 2°. Cette erreur

est principalement causée par l'imprécision de la caméra utilisée. Malgré cette erreur absolue

signicative, l'erreur relative est faible alors la fonction linéaire entre l'angle à demi-hauteur et

la tension n'est pas aectée et demeure vrai. On constate aussi la grande ressemblance entre

l'axe horizontal et l'axe vertical. Ces résultats expérimentaux démontrent donc qu'il est bien

possible d'utiliser les modèles de commandes linéaires pour faire des asservissements simples

avec le modulateur lumineux aux cristaux liquides.

3.3.4 Apparence du patron d'éclairement lumineux

Le patron lumineux émis par une source lumineuse avec un réecteur standard produit un

patron d'éclairement lumineux circulaire. Le modulateur lumineux fonctionne comme une

lentille cylindrique alors le patron lumineux risque d'être déformé signicativement. La gure

3.6 montre l'image prise avec la caméra quand la tension maximale est appliquée sur les

électrodes du modulateur lumineux aux cristaux liquides. L'image du patron lumineux est

colorée en fonction de l'intensité lumineuse des diérentes zones de ce dernier. Techniquement,

le patron lumineux obtenu donne une image de la luminance à diérents angles. Plus la couleur

est rouge, plus l'intensité est élevée dans cette zone. Au contraire, plus la couleur est bleue, plus

l'intensité est faible. De prime abord, le patron d'éclairement lumineux n'est pas d'apparence

circulaire, il a plutôt une apparence carrée. De plus, l'intensité n'est pas uniforme sur le patron

d'éclairement lumineux, on voit que la partie inférieure gauche est moins lumineuse que la

partie supérieure droite. Le fait que le patron lumineux n'est pas uniforme en intensité et qu'il

n'a pas une apparence circulaire peut poser un problème pour des applications d'éclairage de

précision.

43

Figure 3.5 Graphique démontrant la linéarité entre l'angle à demi-hauteur de la valeurmaximale et de la valeur ecace de la tension appliquée

Figure 3.6 Image de la caméra montrant l'intensité lumineuse du patron d'éclairementlumineux en diérents segments

3.3.5 Variation de la colorimétrie

Puisque le modulateur lumineux aux cristaux liquides dévie la lumière en fonction de l'indice

de réfraction qu'il impose à la lumière, les diérentes couleurs risquent d'être plus ou moins

déviées, car l'indice de réfraction n'est pas le même pour chacune des couleurs. Plus la longueur

d'onde est élevée (comme la couleur bleue), plus elle est déviée parce que l'indice de réfraction

est plus important. Une caméra standard calcule la couleur d'une image en prenant trois

images en noir et blanc, chacune avec un ltre de couleur diérent : le rouge, le vert et le bleu.

En décomposant l'image du patron d'éclairement lumineux de la gure 3.6 en trois images

monochromes, la dispersion des couleurs causée par le modulateur lumineux aux cristaux

44

Figure 3.7 Image de patron d'éclairementlumineux rouge

Figure 3.8 Image de patron d'éclairementlumineux vert

Figure 3.9 Image de patron d'éclairementlumineux bleu

liquides peut être mise en évidence. Les gures 3.7 3.8 3.9 montrent que la dispersion des

couleurs mesurées avec la tension maximale appliquée. La lumière rouge est plus uniforme, mais

l'angle du patron d'éclairement lumineux est plus faible. La lumière bleue est répartie de façon

très aléatoire dans le patron d'éclairement lumineux, mais l'angle est plus élevé. La lumière

verte est un compromis entre le rouge et le bleu. Cette caractéristique du modulateur lumineux

aux cristaux liquides est à prendre en considération lors du choix de la source lumineuse du

système d'éclairage. Par exemple, le choix de la température de couleur de la DEL aura

un impact sur l'angle et l'uniformité du patron d'éclairement lumineux. Une température de

couleur basse permet d'assurer une meilleure uniformité de l'intensité lumineuse pour le patron

d'éclairement lumineux, mais l'angle sera plus faible. Au contraire, le choix d'une température

de couleur plus élevé permettra d'avoir des angles plus élevés, mais l'uniformité en sourira.

45

Chapitre 4

Conception d'un prototype de

démonstration pour des applications

d'éclairage intelligent

Le chapitre présente l'aspect conceptuel du prototype de démonstration pour le modulateur

lumineux aux cristaux liquides utilisé dans des applications d'éclairage intelligent. La première

partie du chapitre présente les objectifs de conception pour le prototype de démonstration ainsi

que la justication de chacun. Les objectifs guideront les choix pendant toute la conception

du prototype de démonstration. Ensuite, le chapitre enchaîne avec le détail de la conception.

Le détail inclut la justication du choix des composantes ainsi que les schémas électriques et

les plans mécaniques du prototype de démonstration.

4.1 Objectifs généraux pour la conception

Le but premier du prototype de démonstration est de faire des applications d'éclairage intel-

ligent. Pour ce faire, les programmeurs doivent avoir accès à quelques variables de contrôle.

Bien entendu, il faut pouvoir accéder facilement au contrôle de l'angle d'ouverture imposé

par le modulateur lumineux aux cristaux liquides. De plus, le prototype de démonstration

doit permettre la gradation du ux lumineux, car c'est la fonctionnalité de base des systèmes

d'éclairage intelligent. La mise en ÷uvre de ces fonctions de contrôle est la condition sine qua

non de la réussite du projet. Les autres objectifs subséquents sont pour l'amélioration des

performances plus secondaires du prototype de démonstration.

La conception du prototype de démonstration doit se faire selon certaines lignes directrices

an de maximiser son potentiel. Les objectifs ne sont pas totalement inexibles, ils ont plus

pour but de guider la conception plutôt que de la restreindre. Les objectifs ne sont pas né-

cessairement tous prioritaires, car certains peuvent entrer en contradiction. Les objectifs sont

46

résumés dans la liste suivante dont l'ordre n'est pas garant de la priorité :

1. Puissance lumineuse

2. Flexibilité

3. Faible coût

4. Robustesse et abilité

4.1.1 Puissance lumineuse

L'objectif de la puissance lumineuse pour le prototype de démonstration est de la maximiser.

Plus la puissance lumineuse sera élevée, plus la gamme d'application d'éclairage sera étendue.

La puissance lumineuse est contrainte par le diamètre maximal du modulateur lumineux que

l'on peut obtenir. Puisqu'il faut un réecteur pour concentrer la lumière sortant de la source

lumineuse et que les réecteurs grossissent au fur et à mesure que l'on augmente la puissance

lumineuse, il y aura une certaine limite atteignable. Le modulateur lumineux aux cristaux

liquides se retrouve au c÷ur de la conception. Plus le diamètre du modulateur lumineux aux

cristaux liquides sera grand, plus la puissance lumineuse pourra être élevée. Il faut garder à

l'esprit que l'augmentation de la puissance lumineuse se traduit aussi par une augmentation

de la chaleur dégagée. Même en sélectionnant une DEL très ecace, la chaleur dégagée peut

être très importante. À cause de ce lien direct, la puissance lumineuse contraint la conception

thermique du module. En plus de la puissance lumineuse, on peut aussi dire que la colorimétrie

de la source est importante parce que le modulateur lumineux aux cristaux liquides est sensible

à la température de couleur de cette dernière. La caractérisation du modulateur lumineux aux

cristaux liquides 3.3.5 a permis de voir qu'une couleur près du rouge produit un éclairage

plus uniforme qu'une couleur bleue même si l'angle FWHM est légèrement plus faible. Une

température de couleur basse indique un blanc avec plus de longueurs d'onde longue comme

le rouge alors qu'une température de couleur élevée contient plus longueurs d'onde courtes.

Pour des applications d'éclairage, il est préférable de favoriser l'uniformité et la qualité du

patron d'éclairage. Il est donc souhaitable de choisir une source de lumière avec une faible

température de couleur.

4.1.2 Simplicité d'utilisation

Le prototype de démonstration doit être le plus simple d'utilisation possible. Par simplicité

d'utilisation, il faut que les programmeurs d'applications d'éclairage intelligent aient le moins

d'action à poser sur le matériel possible. La connectique du module doit être réduite au mi-

nium. Toutes les fonctions essentielles du prototype de démonstration doivent être accessibles

par logiciel et de manière simple. C'est pourquoi le protocole de communication doit être

facile à implanter et utiliser le moins de bits de contrôle possible pour limiter les erreurs de

programmation. Cependant, même si cet objectif est plutôt subjectif, il ne faut pas le négliger

47

si on ne veut pas reléguer le prototype de démonstration aux oubliettes parce qu'il est trop

dicile de l'utiliser.

4.1.3 Flexibilité

La exibilité du module est importante pour qu'il puisse s'adapter aux diérentes applica-

tions programmées. Pour avoir une bonne exibilité, il faut que les composants internes du

prototype de démonstration soient modulaires. L'aspect modulaire permet de réaliser facile-

ment des améliorations sur le prototype de démonstration en cours de développement et de

l'adapter avec diérents capteurs de rétroaction. La exibilité doit aussi être d'un point de

vue du logiciel. Par exemple, le module doit pouvoir fonctionner sur les diérents systèmes

d'exploitation et avec plusieurs langages de programmation. La taille du module doit aussi être

prise en considération pour la exibilité, car un prototype de démonstration trop volumineux

peut restreindre le nombre d'applications potentielles.

4.1.4 Faible coût

Le coût du prototype de démonstration est important an de le promouvoir comme un outil de

développement d'application d'éclairage intelligent. Le coût total du prototype de démonstra-

tion doit être minimisé tout en respectant le but principal de contrôle. Le choix des composants

doit donc être optimisé pour répondre aux exigences sans exagérer. De manière réaliste, le coût

du prototype de démonstration devrait se situer entre 150 et 300 dollars canadiens. Le temps

d'assemblage doit aussi faire partie de l'équation pour être équitable dans la sélection des

composantes.

4.1.5 Robustesse et abilité

La robustesse et la abilité du prototype de démonstration sont des aspects à ne pas négliger.

La robustesse dénit la plage de température et d'humidité dans lequel le module est capable

de fonctionner. La abilité représente plus la durée de vie du prototype de démonstration et du

maintien des performances dans le temps. En pratique, le module doit être assez robuste pour

tolérer des températures entre -20 °C et 50 °C et des degrés d'humidité standard pour pouvoir

couvrir la large plage d'applications d'éclairage intelligent possible. La abilité est surtout

limitée par la température d'échauement de la source lumineuse. Si la température est élevée

à la source, les propriétés optiques en souriront au long terme, ce qui n'est pas souhaitable.

Une manipulation modérée du prototype de démonstration ne doit pas compromettre son

fonctionnement. La modularité est aussi importante pour la abilité, car si un circuit fait

défaut, il faut pouvoir le remplacer facilement.

48

4.2 Schéma fonctionnel du prototype de démonstration

Pour avoir une idée globale de la conception, il est important de faire un schéma fonctionnel

4.1. Le schéma fonctionnel contient tous les éléments dont aura besoin le prototype de dé-

monstration. Le schéma fonctionnel présente aussi l'interaction entre les diérents systèmes

et sous-systèmes. Dans le schéma fonctionnel, l'objet d'intérêt est l'objectif d'éclairage. Ce

dernier peut se déplacer par rapport au prototype de démonstration. La caméra de ce der-

nier détecte ce mouvement et l'algorithme d'éclairage intelligent dans l'ordinateur personnel

du programmeur va agir en conséquence sur l'intensité de la source lumineuse et sur l'angle

d'ouverture du faisceau lumineux. Les èches du diagramme fonctionnel montrent la direction

suivie par l'information. Les èches commencent donc de la caméra pour aboutir à la source

lumineuse et au modulateur lumineux.

Figure 4.1 Schéma fonctionnel du prototype de démonstration

Le schéma fonctionnel permet de modéliser les systèmes du module et il permet d'avoir une

49

bonne vue d'ensemble, mais ce n'est pas un outil de conception à proprement parler. En

s'inspirant du schéma fonctionnel, on peut bâtir un schéma de conception 4.2 qui permet

suivre une ligne directrice pour la conception. Le schéma de conception dénit quel système

doit être conçu en premier en fonction des dépendances des systèmes. En suivant le sens des

èches sur le schéma de conception, on obtient l'ordre dans lequel il faut faire la conception

des systèmes. Les èches du schéma contiennent aussi les variables dépendantes de conception.

Chaque système à besoin des variables dépendantes indiquées dans les èches qui pointent vers

le système. Dans les sections qui suivent, on explique chacun des systèmes avec les variables

dépendantes de conception avec la justication qui s'y rattache.

Figure 4.2 Schéma de conception

4.3 Modulateur lumineux aux cristaux liquides

Le modulateur lumineux aux cristaux liquides est la pierre angulaire de la conception. C'est

à partir de cette composante que le choix des autres pièces du prototype de démonstration

découle. L'angle FWHM maximal que le modulateur peut fournir au faisceau lumineux est

50

critère important pour la conception d'une application d'éclairage intelligent, mais ce n'est pas

un paramètre qui inuence la conception des autres composantes du prototype de démonstra-

tion. Il y a trois paramètres du modulateur lumineux aux cristaux liquides qui contraignent la

conception. Le premier est l'angle FWHM du faisceau lumineux émis par la source nécessaire

pour le fonctionnement optimal du modulateur lumineux aux cristaux liquides. Le deuxième

est le diamètre actif du modulateur lumineux aux cristaux liquides. Idéalement, on cherche à

obtenir le modulateur lumineux aux cristaux liquides avec le plus gros diamètre possible an

d'augmenter la puissance lumineuse au maximum. Le troisième est la fréquence et la valeur ef-

caces de la tension alternative qu'il faut appliquer sur les électrodes du modulateur lumineux

pour qu'il fonctionne.

Le choix du modulateur lumineux a été imposé plutôt que choisi. TLCL [55], ne dispose pas

d'une capacité production très importante et le modulateur lumineux aux cristaux liquides est

en constante évolution. Les méthodes de production évoluent aussi. Le plus gros modulateur

lumineux disponible fait 50 mm de diamètre. Il s'agit de celui à la gure 3.2. Le 50 mm

de diamètre est la contrainte de base pour la conception du prototype de démonstration.

Le modulateur lumineux a besoin d'un faisceau lumineux colmaté de moins de 15° FWHM

pour avoir des performances acceptables. Le modulateur lumineux a besoin d'une fréquence

d'environ 1 kHz et d'une tension de valeur ecace variable de 0 V à 15 V. Avec ces trois

variables déterminées, on peut suivre les èches du schéma de conception 4.2 pour faire le

design de la source de lumière avec le réecteur et du circuit de contrôle du modulateur

lumineux aux cristaux liquides.

4.4 Source lumineuse à DEL avec optique secondaire

Pour concevoir la source lumineuse avec le réecteur, il faut connaître le diamètre du modula-

teur lumineux et l'angle nécessaire pour son bon fonctionnement. Puisqu'il faut une source de

lumière colmatée, de faible diamètre et puissance, une source de lumière aux DELs est idéale.

Les DELs sont caractérisées par leur faible surface d'émission, ce qui est un atout important

dans la conception d'un petit réecteur. Plus la surface d'émission est petite, moins le réec-

teur sera volumineux pour le même angle FWHM de sortie. À cause de cette interaction entre

la surface d'émission et la dimension résultante du réecteur, il est dicile de découpler le

choix d'une source DEL et du réecteur. Il est donc préférable de faire quelques assemblages

d'une DEL avec un réecteur et de les comparer par la suite. L'important est que la lumière

émise à la sortie de cet assemblage ait un angle FWHM de moins de 15° et que le diamètre

du réecteur soit de moins de 50 mm. En pratique, il existe plusieurs assemblages de ce genre

avec des DELs blanches de 1 W de puissance. Les DELs de 1 W peuvent fournir un ux

lumineux d'environ 100 à 140 lm selon la température de couleur choisie. Un ux lumineux

de cette envergure est faible pour des applications d'éclairage. Il est donc plus avantageux

de se tourner vers les DELs de type CoB. Un CoB est un assemblage de nombreuses DELs

51

Caractéristique ValeurFlux lumineux nominal 1250 lmTempérature de couleur 2700 K

Indice de rendu des couleurs 80Courant nominal 700 mATension nominale 25,6 VEcacité lumineuse 70 lm/W

Diamètre de la surface émettrice 8 mmRésistance thermique jonction-boîtier 1,3 °C/W

Table 4.1 Caractéristiques de la DEL CoB Luxeon S1000® [14]

concentrées sur un seul petit circuit. Ces circuits ont l'avantage de proposer un ux lumineux

beaucoup plus élevé et de maintenir une surface émettrice faible. Par contre, la dissipation

thermique peut devenir problématique parce que la surface est très petite et la concentration

de lumière produite par un tel assemblage lui donne une luminance très élevée, ce qui peut

causer un eet d'éblouissement important.

Après avoir analyser plusieurs assemblages de DELs CoB avec un réecteur, on a retenu

l'assemblage composé d'une DEL CoB de la marque Philips® dans la gamme de produits

Luxeon S1000® [14] et d'un réecteur à faisceau étroit d'un angle FWHM de 10° de la

compagnie TE Connectivity® [27]. Les caractéristiques de cette DEL CoB se retrouvent dans

le tableau 4.1. Le ux lumineux est beaucoup plus élevé pour cette DEL CoB que pour

une DEL standard de 1 W. Il est important de prendre en note le courant nominal et la

tension nominale de la DEL, ces informations seront importantes pour faire la conception de

l'alimentation à découpage.

Pour donner un ordre de grandeur, un ux lumineux de l'ordre 1250 lm correspond à un

ux lumineux plus élevé qu'une ampoule incandescente de 75 Watts, mais plus faible qu'une

ampoule incandescente de 100 Watts. Puisque la plupart des projecteurs commerciaux sont

équipés d'une ampoule incandescente de 50 Watts ou de 75 Watts, la puissance lumineuse du

prototype de démonstration est très intéressante. Le réecteur choisi est dans les spécications

du modulateur lumineux aux cristaux liquides soient un angle FWHM de 10° ce qui est moins

que le 15° requis et un diamètre de 50 mm ce qui est la limite. La longueur du réecteur est

de 40 mm et cette information sera importante pour la conception mécanique du prototype

de démonstration.

4.5 Conception thermique

Selon le schéma de conception 4.2, la conception thermique a besoin des variables de résistance

thermique et de puissance thermique déterminées par la conception de la source de lumière

précédemment. La conception thermique consiste à déterminer le dimensionnement du dissi-

52

pateur de chaleur. Les dissipateurs de chaleurs sont faits d'un métal qui conduit bien la chaleur

comme le cuivre ou l'aluminium. Bien que la conductivité thermique du cuivre est supérieure à

celle de l'aluminium, ce dernier est le matériau de choix en raison de sa résistance à l'oxydation

et ses propriétés mécaniques supérieures. Le coût favorise aussi l'utilisation de l'aluminium.

Pour faire le dimensionnement du dissipateur thermique, il faut connaître la puissance élec-

trique dissipée en chaleur dans la DEL, la résistance thermique de la jonction au boîtier, la

résistance thermique du boîtier à l'air ambiant, la température ambiante et la température

de jonction admissible. La résistance thermique du boîtier à l'air ambiant est dénie par le

dissipateur de chaleur. Il sut ensuite de remanier l'équation thermique 1.7 de façon à calculer

la résistance thermique du boîtier à l'air ambiant en fonctions des autres variables. Certaines

de ces variables sont obtenues indirectement alors le prochain paragraphe explique comment

les obtenir.

Rthba =TJ − TAPth

−Rthjb (4.1)

Pour faire la conception thermique du prototype de démonstration, il faut connaître la puis-

sance électrique fournie et l'ecacité lumineuse de la source. Ces variables ont été xées dans

la sélection de la source de lumière précédemment et elles sont données dans le tableau 4.1.

La puissance électrique fournie au point nominal est donnée par l'équation de base du calcul

de la puissance pour un élément électrique en courant continu 4.2.

Pe = V · I

Pe = 25, 6 V · 0, 7 A

Pe = 17, 92 W

(4.2)

Cette puissance électrique totale inclut la puissance électrique convertie en ux lumineux et la

puissance électrique qui se dissipe en chaleur dans le composant. Pour départager les deux, il

faut connaître l'ecacité lumineuse de la DEL. Selon les spécications de la DEL, l'ecacité

lumineuse est de 70 lm/W . À partir de cette valeur, on peut connaître le ratio de la puissance

électrique convertie en lumière et la puissance électrique convertie en chaleur. Selon la courbe

de sensibilité spectrale 1.2, l'ecacité maximale est de 683 lm/W. Maintenant, toutes les

variables sont connues pour connaître la puissance électrique convertie en chaleur. L'équation

4.3 donne le détail du calcul.

53

Pth = (1− effdelefftot

) · Pe

Pth = (1− 70 lm/W

683 lm/W) · 17, 92 W

Pth = 16, 08 W

(4.3)

Selon l'équation 4.1, il reste simplement à déterminer la température de jonction admissible et

la température ambiante admissible. Selon la che technique de la DEL [14], la température de

jonction idéale est de 85 °C et maximale à 115 °C. Pour les calculs, il faut utiliser la température

de jonction idéale de 85 °C pour avoir une bonne durée de vie de la composante et une certaine

délité des couleurs pendant celle-ci. La température ambiante est généralement de 20 °C, mais

il est plus sage d'utiliser 25 °C pour se garder une marge de man÷uvre. L'application de la

formule 4.1 permet de calculer la résistance thermique que doit avoir le dissipateur de chaleur

an de maintenir la jonction de la DEL à une température de fonctionnement normale.

Rthba =TJ − TAPth

−Rthjb

Rthba =85 C − 25 C

16, 08 W− 1, 3 C/W

Rthba = 2, 43 C/W

(4.4)

Le dissipateur de chaleur doit donc avec une résistance thermique entre le boîtier de la DEL

jusqu'à l'air ambiant inférieur à 2,43 °C/W . En cherchant dans les catalogues des manufactu-

riers de dissipateur thermique, le choix s'arrête sur le dissipateur thermique de la compagnie

Aavid thermalloy®. La che technique du dissipateur thermique [65] indique une résistance

thermique de 2 °C/W . Avec cette résistance thermique, on peut réutiliser l'équation 1.7 pour

trouver la température de jonction de la DEL. La température de jonction de la DEL se situe

à 78 °C avec une température ambiante de 25 °C. Il est important de préciser que le calcul

thermique ne constitue qu'une approximation de la température réelle de la jonction. Les va-

leurs de résistances thermiques possèdent des incertitudes et on néglige la résistance thermique

induite par la surface de contact entre le boîtier et le dissipateur thermique. Si la DEL est

utilisée à un courant plus élevé que le courant nominal, il faut utiliser un ventilateur sur le

dissipateur thermique an d'abaisser sa résistance thermique. Une fois le tout assemblé, la

mesure de la température sur le dissipateur thermique à l'aide d'un thermocouple permet de

valider les calculs théoriques eectués.

De plus, la forme mécanique du dissipateur est bien adaptée pour le montage d'une DEL

dessus. Le montage de la DEL s'eectue à l'aide d'une petite pièce de plastique qui vient

comprimer la DEL sur le dissipateur thermique avec des petites vis. Le dissipateur thermique

54

contient des endroits pour être vissé sur le prototype de démonstration. La section sur le design

mécanique du prototype de démonstration contient les détails de cette partie de l'assemblage.

4.6 Circuit de contrôle du modulateur lumineux

Le circuit de contrôle du modulateur lumineux aux cristaux liquides pour le prototype de

démonstration est sensiblement le même que celui développé pour la caractérisation des pro-

priétés de ce dernier à la section 3.2. Le circuit de l'oscillateur à relaxation est réutilisé (gure

3.3). Ce circuit produit une onde carrée de 1 kHz avec un taux de remplissage de 50 % et

une amplitude xe. Cependant, il faut pouvoir varier l'amplitude de l'onde carrée générée

par l'oscillateur à relaxation. Auparavant, cette variation d'amplitude était produite par une

carte d'acquisition commandée par un ordinateur qui agissait sur la tension d'alimentation de

l'amplicateur opérationnel de l'oscillateur à relaxation. Dans le prototype de démonstration,

la variation de l'amplitude est réalisée par un convertisseur numérique analogique commandé

par le microcontrôleur intégré. Le schéma électrique complet du circuit de contrôle est donné

dans la gure 4.10. Le convertisseur numérique analogique DAC1 injecte une tension entre 0

V et 5 V aux bornes d'alimentation de l'oscillateur à relaxation. Les commandes numériques

proviennent du connecteur qui représente le microcontrôleur. Pour maintenir la bipolarité de

l'onde, la tension variable est envoyée dans un circuit tampon d'amplicateurs opérationnels

U1A, U1B, pour générer le rail d'alimentation positive et négative. U1A forme un montage

suiveur de tension. U1B est dans un montage d'amplicateur inverseur réglé avec un gain

unitaire avec les résistances R1, R2. Le circuit tampon envoie la tension variable bipolaire

au circuit de l'oscillateur à relaxation qui va créer l'onde carrée d'amplitude variable de -5 V

à 5 V. Le circuit d'oscillateur à relaxation est composé de UA3 et de UA4. Les composants

passifs sont réglés pour produire une onde carrée à une fréquence de 1 kHz. Puisqu'il faut

une amplitude de 15 V, l'onde carrée est envoyée dans l'amplicateur opérationnel U5A et

U5B dans un montage d'amplicateur inverseur avec un gain de 3 réglé par les résistances de

rétroaction R8 et R9. Il faut un total de quatre amplicateurs opérationnels pour contrôler

une polarisation du modulateur lumineux aux cristaux liquides. Il y a deux polarisations, ho-

rizontale et verticale, sur le modulateur lumineux aux cristaux liquides alors il faut doubler

tout le circuit, pour un total de huit amplicateurs opérationnels. La doublure est présentée

sur le circuit 4.10. Le circuit du haut est exactement le même que le circuit du bas. La seule

diérence est que chacun utilise une sortie du convertisseur numérique analogique diérente.

La conception de cette partie du prototype de démonstration ne nécessite pas vraiment de

calcul. Excepté le calcul simple des valeurs de résistance pour le montage d'amplicateur in-

verseur, l'important dans ce circuit est le choix des amplicateurs opérationnels et du conver-

tisseur numérique analogique. Le choix du convertisseur numérique analogique est déterminé

par le protocole de communication numérique utilisé, la plage de fonctionnement en tension,

la résolution et le coût. Pour sa simplicité, le protocole de communication choisi est le SPI.

55

La grande majorité des microcontrôleurs disponibles sur le marché sont compatibles avec ce

protocole de communication qui est réputé pour sa facilité d'implantation. Le convertisseur

numérique analogique doit posséder deux canaux de contrôle analogique an de contrôler in-

dépendamment chacune des polarisations du modulateur lumineux aux cristaux liquides. La

plage de fonctionnement doit être de 0 V à 5 V. La résolution est un compromis entre le coût et

la précision. La résolution d'un convertisseur numérique analogique est donnée par l'équation

4.5. Une résolution de 10 bits est un bon compromis entre la précision et le coût. Avec 10

bits de résolution, la précision analogique est de 5 mV selon l'équation 4.5. Cela correspond

à une erreur analogique de 0,1 %. Avec ces critères de sélection, le convertisseur numérique

analogique retenu est le MCP4912 de la compagnie Microchip® [24].

Res =Vmax2Nbits

(4.5)

Habituellement, les amplicateurs opérationnels sont choisis en fonction de leur paramètre de

gain en fréquence et de temps de montée/descente. La fréquence de fonctionnement de 1 kHz

n'est pas assez élevée pour poser un problème de gain en fréquence et de temps de montée.

Le choix des amplicateurs opérationnels se fera plutôt s'ils possèdent la caractéristique rail

à rail pour la tension de sortie et la tension maximale qu'on peut appliquer sur les rails

d'alimentation de l'amplicateur opérationnel sans le détruire. La caractéristique rail à rail

permet à la tension de sortie de l'amplicateur opérationnel de monter ou de descendre au

même niveau que ses rails d'alimentation. La tension de sortie d'un amplicateur opérationnel

qui ne possède pas cette caractéristique risque de saturer à un niveau inférieur que la tension

d'alimentation. Par exemple, un amplicateur opérationnel est alimenté par une tension -5 V

et 5 V. Si l'amplicateur opérationnel est du type rail à rail, la tension de sortie peut varier

entre -5 V et 5 V. Si l'amplicateur opérationnel ne possède pas la caractéristique rail à rail,

la tension de sortie sature à un niveau inférieur, par exemple de -4 V à 4 V. La tension de

saturation est variable et dépend de plusieurs paramètres comme l'impédance de sortie.

Les requis pour chaque amplicateur opérationnel dépendent du circuit dans lequel ils sont

utilisés. Dans le circuit tampon, l'amplicateur opérationnel doit pouvoir être alimenté par

une tension de -5 V à 5 V et il doit posséder la caractéristique rail à rail. Cette caractéristique

est nécessaire parce que la tension de sortie ne doit pas saturer sur toute la plage de 0 V à 5 V

du convertisseur numérique analogique. L'amplicateur opérationnel choisi pour cette tâche

est le LMC6482 de la compagnie Texas Instrument® [29]. Pour le circuit de l'oscillateur à

relaxation, le requis pour l'amplicateur opérationnel est le même, il doit posséder la caracté-

ristique rail à rail. Le circuit de l'oscillateur à relaxation utilise aussi un LMC6482. Le circuit

d'amplicateur avec un gain de 3, possède un requis diérent pour le choix de l'amplicateur

opérationnel. Dans ce cas, puisque la tension de sortie maximale est de -15 V à 15 V, il faut un

amplicateur opérationnel qui peut être alimenté par une tension diérentielle d'au moins 30

V. Les amplicateurs opérationnels qui peuvent soutenir cette tension sont rares et ceux qui

56

le peuvent possède rarement la caractéristique rail à rail. Le LF444A de la compagnie Texas

Instrument® peut supporter une tension diérentielle de 44 V [28]. Il faut cependant veiller

à lui fournir une tension diérentielle de plus de 30 V parce que ce n'est pas un amplicateur

opérationnel de type rail à rail. Une tension diérentielle de 36 V est utilisée et elle doit être

fournie par l'alimentation à découpage.

4.7 Microcontrôleur et communication

Le microcontrôleur du prototype de démonstration à une fonction purement numérique. Il agit

comme un pont de communication entre l'ordinateur personnel de l'utilisateur et l'électronique

de contrôle du modulateur lumineux aux cristaux liquides ainsi que le circuit gradateur de

la DEL. Avec l'aide du schéma de conception 4.2, le système du microcontrôleur et de la

communication a besoin de savoir le protocole utilisé dans le circuit de commande pour avoir

le même. De plus, le système de communication doit avoir un protocole de communication

externe avec l'ordinateur externe branché sur le prototype de démonstration. Pour le système

du microcontrôleur de la communication, le mot d'ordre est la facilité d'utilisation et d'im-

plantation. La facilité d'utilisation est un critère très subjectif malheureusement, mais étant

donné que la plupart des microcontrôleurs proposent les mêmes fonctions au même prix, l'ex-

périence du développeur envers une certaine marque de micro-contrôleur joue pour beaucoup.

Le microcontrôleur choisi pour le projet est le PIC16F1829 de la compagnie Microchip®[26].

4.7.1 Protocole de communication interne

Le protocole de communication se divise en deux parties. Une partie pour la communica-

tion entre le microcontrôleur et le convertisseur numérique analogique et une partie pour la

communication au gradateur de la DEL. Tel que mentionné précédemment, le protocole de

communication du convertisseur numérique analogique est le SPI. Ce protocole bidirectionnel

permet d'échanger de l'information sous forme binaire à l'aide de quatre ls de communication

et selon une relation maître esclave. Les quatre ls représentent diérents signaux : l'horloge,

le MOSI (pour Master output, slave input), Le MISO (pour Master input, slave output) et le

SS (pour Slave select). Pour le prototype de démonstration, le microcontrôleur est le maître et

le convertisseur numérique analogique est l'esclave. Pour mettre en place ce genre de commu-

nication, il faut initialiser correctement les registres dans le microcontrôleur et envoyer les bits

dans la séquence que le convertisseur numérique analogique comprend. Pour avoir cette infor-

mation, il sut de regarder dans la che technique de ce dernier [24]. La fréquence de l'horloge

n'est pas importante, tant qu'elle ne dépasse pas les 20 MHz. L'ordre des bits à envoyer est

donné par la gure 4.3. Avec un microcontrôleur huit bits, il faut envoyer deux commandes

successives, car le registre d'écriture est sur seize bits. La lecture de la che technique permet

d'en savoir plus sur l'eet de chacun des bits du registre d'écriture. Simplement, il faut dire

57

au convertisseur numérique analogique quel est le canal analogique utilisé, le gain du canal

analogique et la valeur numérique de 10 bits à être convertie en signal analogique.

Figure 4.3 Registre d'écriture et séquence des bits pour le MCP4912 [24]

La partie pour la communication entre le microcontrôleur et le circuit gradateur dépend prin-

cipalement des requis de ce dernier. Le circuit gradateur se contrôle à l'aide d'un signal à

modulation de largeur d'impulsion. La fréquence des impulsions se situe entre 250 Hz et 1

kHz. Le taux de remplissage est comparé à la valeur maximale de courant du convertisseur.

Le gradateur a un courant maximal de 1 A. Par exemple, un taux de remplissage de 25 %

sur le signal indique une commande pour un courant de 250 mA. Ce signal est généré sur une

broche du microcontrôleur à l'aide de ses périphériques internes pour la génération de signaux

à modulation de largeur d'impulsion.

4.7.2 Protocole de communication externe

La communication en SPI entre le microcontrôleur et le convertisseur numérique analogique

ainsi que la communication entre le microcontrôleur et le circuit gradateur représentent la

communication interne. La communication externe représente plutôt la communication entre

le microcontrôleur et l'ordinateur personnel du programmeur d'applications d'éclairage intel-

ligent. L'ordinateur personnel recueille les images de la caméra qui est connectée directement

à ce dernier. L'ordinateur envoie ensuite les commandes pour le modulateur lumineux aux

cristaux liquides par l'entremise du pont de communication vers le microcontrôleur. Pour des

58

raisons de exibilité et de connectique, le port USB est le câble de communication externe

tout désigné pour cette tâche. Le problème est que le protocole USB sur 64 bits n'est pas très

commode à implanter dans les microcontrôleurs. De plus, la mise en ÷uvre d'un pilote d'ex-

ploitation USB sur l'ordinateur personnel n'est pas aisée. Surtout si le pilote doit fonctionner

sur diérents systèmes d'exploitation. Heureusement, il existe sur le marché des circuits inté-

grés qui propose une solution très intéressante en convertissant le signal USB en signal UART

(pour universal asynchronous receiver transmitter). Le protocole de communication numé-

rique UART est très utilisé dans les microcontrôleurs et s'implante facilement avec seulement

quelques registres à modier. De plus, le circuit intégré permet à l'ordinateur personnel de

détecter le câble USB comme un port série virtuel. Cela évite de devoir développer un pilote

USB complexe et personnalisé pour le prototype de démonstration. Le port série virtuel s'im-

plante facilement à travers les diérents systèmes d'exploitation et il se programme aisément

dans la plupart des langages de programmation. Le circuit intégré choisi pour faire le pont de

communication USB à UART tout en créant un port série virtuel sur l'ordinateur personnel

est le MCP2221 de la compagnie Microchip®[25]. Le circuit intégré fonctionne sous une ten-

sion continue de 5 V et nécessite seulement d'être connecté sur un connecteur USB et sur les

broches du port UART sur le microcontrôleur.

4.8 Circuit gradateur

Le circuit gradateur permet de faire varier l'intensité lumineuse de la DEL en modulant le

courant qui la traverse. Le schéma de conception 4.2 montre les paramètres de conception

du circuit gradateur. Ces paramètres sont la tension de polarisation de la DEL en mode de

conduction et le courant qui peut la traverser. Un circuit gradateur pour l'éclairage DEL doit

être contrôlé en fonction du courant de sortie parce que c'est le courant qui est directement

proportionnel à l'intensité lumineuse de celle-ci, pas la tension. Habituellement, les circuits

gradateurs fonctionnent avec la topologie d'un hacheur non isolé de type dévolteur ou survol-

teur selon le rapport entre la tension d'entrée et la tension de sortie. La régulation du courant

se fait habituellement à l'aide d'une résistance de grande précision de faible valeur placée en

série avec la DEL. La tension mesurée aux bornes de cette résistance est une image directe du

courant qui traverse la DEL.

Dans le cas du prototype de démonstration, le circuit gradateur doit pouvoir contrôler le

courant dans la DEL de 0 à 1 A. Sur cette plage de courant, la tension de la DEL varie de

23 V à 27 V environ. À partir de ces paramètres, une recherche sur le marché des gradateurs

intégrés dans un petit module permet d'en isoler un tout en minimisant les coûts. Le circuit

choisi est le LDU5660S1000 de la compagnie XP Power® [31]. Ce circuit gradateur intégré

est du type dévolteur, il faut donc une tension plus élevée à l'entrée qu'à la sortie. La che

technique du module impose une tension plus élevée que la tension de sortie d'au moins 4 Volts.

Cela signie que l'alimentation à découpage qui alimente le circuit gradateur doit au moins

59

fournir une diérence de potentiel de 32 V. L'intensité désirée dépend du taux de remplissage

du signal carré que l'on envoie par le microcontrôleur. Ce signal est appliqué sur une des

broches du circuit gradateur intégré. Cette onde carrée varie de 0 V à 5 V et la fréquence est

de 1 kHz. La che technique du circuit gradateur intégré ne permet pas d'utiliser des tensions

et une fréquence de modulation plus élevée.

Le module n'a pas besoin d'énormément de composants externes pour fonctionner, ce qui

est un avantage indéniable. Le schéma électrique de la gure 4.4 permet de voir l'intégration

du module gradateur avec les composants externes dont il a besoin. Dans le prototype de

démonstration, l'alimentation à découpage fournit une tension diérentielle de 48 V au circuit

gradateur intégré sous forme d'une tension bipolaire de ±24 V. Ce choix est expliqué en détail

dans la section sur l'alimentation à découpage. Par contre, l'alimentation diérentielle pose

un problème parce que le signal de contrôle que le microcontrôleur envoie doit être référencé

à -24 V et non 0 V (c'est-à-dire le potentiel de la broche Vin- sur le circuit). Il faudrait

alors que le microcontrôler puisse générer un signal de -24 V à -19 V, ce qui est impossible

directement, car ce potentiel est trop élevé pour le microcontrôleur qui fonctionne de 0 V à

5 V. Il faut utiliser un isolateur optique entre le microcontrôleur et le circuit gradateur an

de mettre la référence au bon potentiel sans détruire le microcontrôleur. Ce requis demande

malheureusement d'ajouter quelques composants additionnels comme une alimentation isolée

et des condensateurs de découplage. Ce circuit d'interface est représenté par les composants

U1, U2 et C4 sur le schéma 4.4.

Figure 4.4 Schéma du circuit gradateur avec l'interface de contrôle isolée

60

4.9 Alimentation à découpage

L'alimentation à découpage a pour rôle de fournir la puissance électrique nécessaire à la to-

talité des systèmes électriques du prototype de démonstration. Le schéma de conception 4.2

demande que l'alimentation à découpage fournisse les tensions nécessaires pour chaque circuit

du module. Le circuit gradateur demande une tension de fonctionnement de plus de 32 V à

un courant de 1 A. Le circuit de contrôle demande une tension bipolaire de ±18 V et une ten-

sion bipolaire de ±5V. Le courant nécessaire étant de moins de 30 milliampères pour chacun

des niveaux de tension. Le circuit du microcontrôleur et de la communication demande une

tension de 5 V pour fonctionner à un courant de moins de 20 milliampères. L'alimentation à

découpage doit aussi fonctionner à une tension d'entrée de 120 V. À partir de ces requis, il

est possible de concevoir adéquatement l'alimentation à découpage pour qu'elle réponde aux

exigences des diérents circuits électriques à fournir en puissance électrique. La conception de

l'alimentation à découpage est divisée en trois sous-sections. La première parle du choix de

la topologie pour l'alimentation à découpage et de la distribution des diérents niveaux de

tension. La deuxième explique le choix des composants actifs nécessaires au fonctionnement

de l'alimentation à découpage. La dernière sous-section traite du calcul des composants passifs

qui détermine les performances de l'onde de tension résiduelle de l'alimentation à découpage.

4.9.1 Choix de la topologie et distribution des niveaux de tension

La première étape est de choisir la topologie du circuit. Dans la gamme de puissance et de ten-

sion que l'alimentation à découpage va opérer, il y a deux topologies de base. Le circuit yback

et le circuit forward. Les deux circuits sont présentés sur la gure 4.5 pour le circuit yback

et sur la gure 4.6 pour le circuit forward. La principale diérence réside dans l'utilisation du

composant magnétique. Dans le circuit yback, le composant magnétique est une inductance à

double enroulement. Un enroulement est le primaire et l'autre est le secondaire. La polarité des

bobines est inversée de sorte que la première bobine emmagasine l'énergie magnétique dans le

noyau magnétique et ensuite la deuxième bobine décharge l'énergie dans le circuit au secon-

daire. Dans le circuit forward, le composant magnétique fonctionne comme un transformateur,

l'énergie du primaire est automatiquement délivrée au secondaire. Cependant, il faut ajouter

un enroulement pour décharger l'énergie magnétique rémanente du transformateur causé par

l'onde carrée qu'on commute aux bornes du primaire. Le circuit yback a l'avantage d'être

plus compact et de nécessiter moins de composants externes, mais l'ondulation de tension à

la sortie est plus élevée que pour le circuit forward.

An de maximiser la qualité d'onde à la sortie, l'alimentation à découpage du prototype de

démonstration est réalisée avec la topologie du circuit forward. L'alimentation doit fournir des

tensions bipolaires. Dans cette situation, le transformateur du circuit forward doit posséder

deux enroulements secondaires en plus de l'enroulement primaire et de l'enroulement qui

décharge l'énergie magnétique emmagasinée. En utilisant une borne commune sur chacun des

61

Figure 4.5 Circuit théorique de la topologieyback [1]

Figure 4.6 Circuit théorique de la topologieforward [2]

enroulements secondaires, le circuit peut fournir une tension bipolaire. Pour rester dans les

standards usuels de tension, l'alimentation à découpage fournit une tension bipolaire de ±24

V pour le circuit gradateur. Ce dernier demandait une tension diérentielle de 32 V, mais

l'alimentation à découpage lui fournit 48 V de tension diérentielle parce que 32 V ne sont

pas un niveau de tension standard. L'alimentation à découpage doit aussi fournir une tension

bipolaire de ±18 V et de ±5 V. Ces tensions seront dérivées de la tension ±24 V à l'aide

d'un circuit linéaire basé sur les régulateurs Zener. Les convertisseurs linéaires ne sont pas très

ecaces, mais ils permettent un niveau de bruit ajouté minimum et la puissance demandée

n'est pas très élevé comparée à la puissance dans la DEL.

Le schéma complet de l'alimentation à découpage se trouve dans la gure 4.11. Il y a beaucoup

de composants externes pour faire l'alimentation à découpage. Chaque pièce a son rôle à jouer,

mais seulement certaines dénissent réellement les performances de l'alimentation à découpage.

Les autres composants sont surtout pour le réglage des circuits actifs ou pour ltrer certaines

fréquences parasites. Les circuits actifs importants sont le contrôleur (Ufroward), le régulateur

de courant shunt (U3) et l'opto-isolateur (Ufb). Les composants passifs importants sont le

transformateur (T1), les inductances de sortie (Lout1 et Lout2) et les condensateurs de sortie

(Cout1 et Cout2). Le détail de ces composants se trouve dans les sections qui suivent sur les

composants actifs et passifs de l'alimentation à découpage.

4.9.2 Choix des composants actifs

Pour faire la conception d'un circuit de cette topologie, il faut d'abord déterminer les com-

posants actifs. Les composants actifs à déterminer sont le circuit intégré de contrôle, l'opto-

isolateur et le régulateur de courant shunt. La première composante à choisir pour la conception

d'une alimentation à découpage est le circuit intégré de contrôle qui s'occupe de l'allumage

du transistor en fonction de la rétroaction de la tension de sortie. Il existe sur le marché

plusieurs composants capables d'eectuer cette tâche. Le circuit intégré de contrôle choisi est

le KA5H0380R de Fairchild Semiconductor® [61]. Les forces de circuit de contrôle sont sa

haute fréquence de coupure de 100 kHz, un nombre minimal de broches et une intégration du

transistor dans le circuit intégré. Une fréquence de modulation élevée permet de réduire la

taille des composants passifs de ltrage pour la même ondulation de tension.

62

La mise en ÷uvre d'une rétroaction de tension isolée est la partie la plus dicile de la concep-

tion d'une alimentation à découpage. Pour facilité le travail du concepteur, Fairchild Semicon-

ductor® fournit la note d'application AN4106 [60] qui explique un circuit de rétroaction de

tension basée sur un opto-isolateur et un circuit intégré de type régulateur de courant shunt.

La note d'application fournit le circuit théorique 4.7 de la rétroaction pour le circuit intégré de

contrôle KA5H0380R. Le fonctionnement de la boucle de régulation se base sur l'ondulation

de la tension de sortie causée par le hachage du transistor. L'ondulation a une fréquence de

100 kHz, car c'est la fréquence de hachage du transistor. Pour diminuer l'amplitude du signal

d'ondulation à la sortie, le signal passe dans un diviseur de tension à l'aide de résistances. Le

signal est ensuite envoyé au régulateur de courant shunt. Ce dernier compare en temps réel

l'ondulation de tension de sortie à une référence interne. Quand l'ondulation chute au-dessous

de la valeur de la référence interne, le régulateur de courant shunt se met en mode conduction

ce qui permet de faire conduire la photodiode à l'intérieur de l'opto-isolateur. L'opto-isolateur

reçoit alors le signal du côté du primaire qui est interprété par le circuit intégré de contrôle

KA5H0380R comme l'indication qu'il doit mettre le transistor à l'état fermé pour envoyer

de l'énergie au secondaire. C'est de cette façon que la tension de sortie de l'alimentation est

régulée. La fréquence de modulation est toujours xe à 100 kHz, ce qui change, c'est le taux de

remplissage de cette modulation an de s'adapter à la charge branchée à la sortie de l'alimen-

tation. Plus la charge est importante, plus le taux de remplissage augmente. La che technique

de circuit intégré de contrôle dénit une limite du taux de remplissage à 67 %. Le régulateur

de courant shunt est le LM431 et l'opto-isolateur est le FOD817.

Figure 4.7 Circuit de rétroaction théorique pour le circuit intégré de contrôle KA5H0380R[60]

63

4.9.3 Calculs des composants passifs

Avec les composants actifs sélectionnés, il reste à déterminer les paramètres des composants

passifs. Les composants passifs sont le transformateur, l'inductance du secondaire et le conden-

sateur de sortie. Pour le transformateur, il faut trouver le noyau magnétique à utiliser, le ratio

des enroulements et la dimension du l de cuivre des enroulements. Pour déterminer le noyau

magnétique du transformateur, il faut choisir le type de matériau utilisé. Habituellement, les

matériaux de choix pour les transformateurs sont l'acier laminé, la ferrite et la poudre de

fer. L'acier laminé possède la perméabilité magnétique la plus élevée, mais sa courbe de ma-

gnétisation comporte une hystérésis importante. L'hystérésis génère des pertes dans le noyau

magnétique à chaque fois que l'on inverse le sens du courant. Les pertes deviennent donc très

importantes à haute fréquence. Un noyau de ferrite possède l'avantage de posséder une courbe

d'hystérésis beaucoup moins importante que l'acier laminé. La perméabilité de la ferrite est

moins élevée aussi que l'acier laminé. La ferrite sature aussi à une densité de ux magnétique

plus basse que pour l'acier laminé. La poudre de fer présente des caractéristiques similaires à

la ferrite, mais de moins bonne qualité. L'avantage de la poudre de fer réside surtout dans son

coût attrayant. Pour l'alimentation du prototype de démonstration, le matériau magnétique

du transformateur est la ferrite.

Une fois le matériau du noyau magnétique choisi, il faut trouver les dimensions et la forme.

La forme choisie est le noyau de type EE parce que c'est le plus simple à bobiner malgré le

fait qu'il produise une inductance de fuite un peu plus élevée que les autres types de noyaux

magnétiques. Les dimensions du noyau magnétique sont déterminées par le ux magnétique

tolérable par la ferrite et le nombre de tour de tour au primaire. La relation est donnée par

l'équation 4.6. Malheureusement, le nombre de tours au primaire n'est pas encore déterminé.

Il s'agit donc de faire des calculs de type essais et erreurs pour trouver un compromis entre

la taille du noyau magnétique et le nombre de tours de l'enroulement primaire. Étant donné

que le dimensionnement d'un transformateur est un problème d'optimisation entre plusieurs

facteurs comme la taille, les pertes, le coût et bien d'autres, il y a plusieurs approches pour en

faire la conception. La méthode utilisée dans ce mémoire n'est pas nécessairement la meilleure

et celle à préconiser dans toutes les situations. Plusieurs méthodes sont proposées dans la

littérature [54] [38]. Avec le noyau de section Ae = 229 mm2, l'équation 4.6 donne un résultat

de 16 tours 4.7 avec une tension maximale de 120 V (il faut prendre la valeur maximale de

120√

2 au lieu de la valeur ecace), une fréquence de modulation de 100 kHz, une valeur

maximale du champ magnétique à 0, 32 T et un taux de remplissage maximal de 67 %. Cette

valeur maximale est fournie par le manufacturier du noyau de ferrite. Pour garder une marge

de man÷uvre, il est sage d'utiliser une valeur plus élevée que 16 tours au primaire. De plus

l'ecacité du transformateur dépend beaucoup de la valeur du ux magnétique. Puisqu'il y a

beaucoup d'espace pour le bobinage sur le noyau, un nombre de tours de 40 permet d'avoir

l'esprit tranquille. Avec cette valeur, on réutilise l'équation 4.6 pour trouver la densité de ux

64

magnétique. Le ux magnétique est de B = 0, 124 T dans ces conditions. Il n'y a donc aucun

risque de saturer le circuit magnétique.

Nprim =Vinmax ·Dmax

fmod ·Bsat ·Ae(4.6)

Nprim =120√

2 V · 0, 67

105 Hz · 0, 32 T · 2, 29 · 10−4 m3

Nprim = 16 tours

(4.7)

Une fois que l'on possède les dimensions du noyau magnétique et le nombre de tours de

l'enroulement primaire, il devient plus facile de trouver les paramètres des autres enroulements.

Il faut d'abord calculer l'enroulement qui décharge l'énergie magnétique. Le nombre de tours

de cet enroulement est déterminé par l'équation 4.8.

Nr = Nprim · (1

Dmax− 1)

Nr = 40 · ( 1

0, 67− 1)

Nr = 20 tours

(4.8)

Les enroulements secondaires du transformateur sont déterminés en fonction du niveau de

tension qu'on souhaite obtenir. Il y a deux enroulements secondaires sur le transformateur,

chacun doit générer une tension de 24 V. Encore une fois, le calcul du nombre de tours au

secondaire n'est pas une science exacte, car on doit prendre en compte les pertes dans les

composants de ltrage au secondaire et déterminer le taux de remplissage qualié de "base".

Ce taux de remplissage doit être inférieur au taux maximal de 67 % et il ne doit pas être

trop faible non plus sinon il va y avoir des surtensions aux bornes du transistor. Le taux de

remplissage de "base" choisi est de 40 %. L'équation 4.9 permet de calculer la tension au

secondaire en sachant la tension au primaire. Avec un nombre de tours au secondaire de 16,

la tension au secondaire développée devient de 27,2 V. Cette tension est légèrement au-dessus

de la cible de 24 V, mais elle permet de compenser la chute de tension dans les éléments

de ltrage. Il y a aussi un enroulement dit auxiliaire. Cet enroulement débite très peu de

puissance et son utilisation est de fournir l'énergie nécessaire au circuit intégré de contrôle

KA5H0380R. Ce circuit doit fournir une tension d'environ 15 V. Avec la même démarche

que pour les enroulements secondaires de puissance, le nombre de tours pour l'enroulement

auxiliaire est déterminé à 10 tours.

Vsec =Nsec

Nprim·Dbase · Vprim (4.9)

65

Pour terminer la conception du transformateur, il faut connaître la grosseur des ls utilisés pour

le bobinage. Pour ce faire, la méthode la plus couramment utilisée est de calculer la densité de

courant dans les ls. La densité de courant se calcul à l'aide de l'équation 4.10. Sachant que la

DEL 4.1 a besoin d'une puissance nominale d'environ 18 W (25, 6 · 0, 7 = 17, 92 W ), on peut

calculer la densité de courant nominale des enroulements secondaires quand la tension de sortie

est de 24 V. Les autres enroulements du transformateur ne sont pas soumis à des courants plus

élevées, car leur tension est plus élevée. Il ne faut pas oublier que les enroulements secondaires

sont en série, alors la tension totale est de 48 V. Le courant que doivent fournir les enroulements

secondaires est donc de 373 milliampères. La densité de courant est généralement limitée à

3 A/mm2 dans la conception des transformateurs. L'utilisation de l'équation 4.10 donne une

surface de conducteur de 0, 124 mm2. L'utilisation du l standard de calibre 24 AWG possède

une surface de 0, 205 mm2. C'est la grosseur de l utilisée pour tous les enroulements du

transformateur. La densité de courant résultante est de 1, 82 A/mm2.

J =I

S(4.10)

La conception de l'inductance de sortie du circuit forward dépend de l'ondulation de courant

dans celle-ci. L'ondulation de courant est importante pour que le convertisseur fonctionne

dans un régime de conduction continu. La conduction continue est un régime dans lequel

l'ondulation de courant qui traverse l'inductance ne passe jamais par zéro. Le circuit forward

doit rester en conduction continue coûte que coûte parce que sinon sa fonction de transfert

change et le contrôle devient instable. Cela impose donc une charge minimale qui doit être

connectée en tout temps. Plus l'inductance sera élevée, plus l'ondulation de courant sera faible

et plus la charge connectée en permanence devient faible. Les pertes du convertisseur en sont

donc grandement améliorées. La valeur de l'inductance en fonction de l'ondulation de courant

désirée est approximée par l'équation 4.11. Pour des raisons d'ecacité, l'ondulation de courant

est limitée à 50 milliampères. La valeur de l'inductance devient alors de 1,15 millihenry en

supposant la tension du secondaire à 24 V, la fréquence de modulation à 100 kHz et le taux

de remplissage de base à 40 %. La valeur choisie pour le circuit est de 2,2 millihenrys. Cette

valeur d'inductance donne une ondulation de courant résultante de 26 milliampères. Donc, il

doit y avoir une charge connectée en permanence sur le convertisseur qui tire un courant de

26 milliampères an d'éviter de tomber dans un régime de conduction discontinue. Avec 24 V

comme tension de sortie, cette charge doit avoir une valeur minimale d'environ 900 ohms.

L =Vsec ·Dbase(1−Dbase)

fmod ·∆I(4.11)

Le condensateur de sortie se calcule en fonction de la qualité de l'onde continue désirée. Plus

la valeur du condensateur sera élevée, plus le l'ondulation de tension résiduelle sera faible. La

qualité de l'onde est importante pour avoir un ux lumineux le plus constant pour éviter les

66

Pièce mécanique longueur profondeur hauteurAssemblage optique 105 mm 85 mm 85 mmCircuit de contrôle 128 mm 62 mm 19 mm

Circuit pont USB-UART 38 mm 19 mm 14 mmCircuit redresseur 103 mm 43 mm 38 mm

Circuit transformateur 85 mm 58 mm 59 mmCircuit secondaire et gradateur 119 mm 121 mm 28 mm

Table 4.2 Dimensions mécaniques des composantes du prototype de démonstration

variations d'intensité dans la DEL. La valeur du condensateur se calcul en fonction l'ondulation

de courant désirée et des autres variables du circuit 4.12. Par exemple, une ondulation de

tension de 1 millivolt peut être acceptable. Dans ces conditions, l'équation 4.12 donne une

valeur de condensateur minimale de 33 microfarads avec une tension au secondaire de 24 V,

un taux de remplissage de base de 40 %, une inductance de 2,2 millihenrys et une fréquence

de modulation de 100 kHz. Puisque les condensateurs sont des composants relativement peu

coûteux, une valeur de 390 microfarads a été sélectionnée. Avec ce condensateur, l'ondulation

de sortie est de 84 microvolts pour les mêmes paramètres de circuit.

C =Vsec ·Dbase(1−Dbase)

8 · L · f2mod ·∆V

(4.12)

4.10 Conception mécanique

La conception mécanique est la dernière étape du développement du prototype de démonstra-

tion selon le schéma de conception 4.2. Pour réaliser la conception mécanique, il faut connaître

les dimensions des diérents circuits et de la source lumineuse DEL avec le dissipateur de cha-

leur, le réecteur et le modulateur lumineux aux cristaux liquides. Le tableau 4.2 montre les

diérentes mesures mécaniques nécessaires. L'alimentation à découpage a été scindée en trois

petits circuits pour limiter les dimensions. Il y a un circuit pour le redresseur, un pour le

transformateur et un pour le ltrage. Le circuit gradateur est intégré sur le circuit de ltrage.

Le microcontrôleur est intégré au circuit de contrôle du modulateur lumineux aux cristaux

liquides. Le circuit intégré qui fait le pont USB-UART est sur un circuit dédié. Il y a un total

de cinq circuits dans le prototype de démonstration. L'assemblage optique dans le tableau 4.2

représente les dimensions totales de la source lumineuse avec le réecteur, le dissipateur de

chaleur et le modulateur lumineux aux cristaux liquides.

La conception mécanique prend la forme d'une sorte de boîte exotique qui doit inclure tous les

composants du tableau 4.2 en son sein. Une petite exception pour le dissipateur de chaleur, ce

dernier doit se retrouver à l'extérieur de la boîte pour dissiper l'énergie thermique de la DEL

dans l'air ambiant. Pour s'assurer que tous les composants s'agencent bien avec le boîtier, la

conception à l'aide d'un outil de CAO 3D est nécessaire. Le dessin en 3D du prototype de

67

démonstration a été faite sur le logiciel SolidWorks® [22].La conception de la boîte se fait en

deux parties. La première consiste a bien positionner l'assemblage optique en laissant un trou

pour que la lumière émise sorte et un autre trou pour le dissipateur de chaleur. La deuxième

partie désigne l'emplacement des diérents circuits avec les tours pour les xer. Une fois ces

deux parties complétées, il faut les joindre ensemble pour former un assemblage qui a du sens.

Pour maximiser les propriétés optiques du prototype de démonstration, la boîte contenant

l'assemblage optique a été placée sur le dessus de la boîte contenant les circuits électriques. De

cette façon, le prototype de démonstration peut se placer sur une table et il possède assez de

hauteur pour éclairer directement un objet d'intérêt. Au nal le prototype de démonstration

a un aspect de pyramidal. La gure 4.8 montre la conception mécanique faite avec le logiciel

Solidworks®. Pour mieux voir à l'intérieur du module, la gure 4.9 montre une vue avec

une coupe transversale. Cette coupe permet de mieux voir comment les circuits sont installés

dans le prototype de démonstration. Les petits supports sont spécialement dimensionnés pour

accueillir les diérents circuits. Les circuits sont attachés au boîtier à l'aide de vis de dimension

4-40.

Figure 4.8 Design mécanique intégral

Une fois que la conception sur ordinateur terminée, il faut produire le boîtier en question. Pour

ce faire, il convient d'utiliser une imprimante 3D avec le logiciel d'impression correspondant. Le

boîtier a été réalisé à l'aide d'une imprimante 3D Lulzbot Mini [6] avec le logiciel d'impression

Cura [30]. Le plastique utilisé est le PLA. Pour l'impression 3D, il faut scinder le boîtier en

plusieurs morceaux. Il y a quatre morceaux diérents pour faire le boîtier du prototype de

68

Figure 4.9 Design mécanique avec coupe transversale pour montrer les supports de circuit

démonstration. La description des morceaux se fait du bas vers le haut. Le premier est la base

plate qui accueille le circuit des secondaires et du gradateur, soit le circuit le plus volumineux.

Le deuxième morceau s'ancre dans la base et est de forme carrée. Ce morceau abrite les circuits

du redresseur et de contrôle du modulateur lumineux. Le troisième morceau est celui en forme

de pyramide qui fait le pont entre la base du grand carré de la base du petit cube en haut. Le

morceau contient les circuits du transformateur et du pont de communication USB-UART. Le

morceau du haut, de forme cubique avec des trous abrite l'assemblage optique. Les diérents

morceaux sont joints à l'aide de vis de type 4-40 dans les embouchures prévues à cet eet

entre les morceaux. Il y a donc seulement des vis de calibre 4-40 de deux longueurs et des vis

de calibre 8-32 d'une longueur. La première longueur, de 5 mm en bas de la tête de la vis,

est pour visser les circuits aux supports. La deuxième longueur, de 12 mm en bas de la tête

de la vis, permet de joindre les morceaux du boîtier ensemble. Les vis de calibre 8-32 d'une

longueur de 25 mm en bas de la tête de vis sont pour xer le dissipateur de chaleur au boîtier.

Au nal, les dimensions du boîtier du prototype de démonstration sont de 29 cm de haut,

19,5 cm de profondeur et de 14 cm de longueur. Ces dimensions permettent une manipulation

facile du prototype de démonstration, mais peuvent être contraignantes pour diérentes ap-

plications d'éclairage intelligent. Par exemple, il peut être dicile de suspendre le prototype

de démonstration en hauteur. Pour réduire la taille du boîtier, il faut invariablement réduire

les dimensions des circuits internes.

69

4.11 Capteur d'images et vision numérique

Le capteur d'images est un composant essentiel pour le prototype de démonstration, mais il

ne fait pas partie intégrante du boîtier. C'est pour cette raison que le capteur d'images ne

fait pas partie du schéma de conception 4.2. Le capteur d'images a un rebord sur le haut

du boîtier pour s'accrocher. Cette bordure est bien en évidence dans le haut de la gure 4.8.

Cette particularité permet de changer facilement de capteur d'images sans avoir à ouvrir le

prototype de démonstration. Le capteur d'images peut être une caméra visible ou une caméra

infrarouge. Le choix dépend de l'application d'éclairage intelligent que souhaite développer le

programmeur.

La caméra utilisée pour les tests est une caméra visible de type Webcam. La caméra utilisée

est la même que celle utiliser lors de la caractérisation du modulateur lumineux aux cristaux

liquides. Il s'agit de la C170 de Logitech® [39]. Il y a principalement deux raisons qui justient

ce choix. D'abord, le faible coût de ce type de caméra est intéressant. De deux, la exibilité

d'une telle caméra avec sa connectique USB permet une utilisation simple et facile de ce

composant. La caméra se branche directement dans l'ordinateur. Il y a donc deux câbles USB

nécessaires, un pour la caméra et un pour le pont de communication USB-UART.

70

Figure 4.10 Schéma électrique du circuit de contrôle

71

Figure 4.11 Schéma électrique de l'alimentation à découpage

72

Chapitre 5

Résultats expérimentaux du prototype

de démonstration

Le chapitre présente les résultats expérimentaux obtenus avec le prototype de démonstration.

Tout d'abord, voici une image 5.1 du prototype de démonstration réalisé selon les spécica-

tions de la conception du chapitre 4. Sur l'image, il manque cependant le modulateur lumineux

aux cristaux liquides. Les résultats permettent d'avoir une idée des performances atteignables

pour des applications d'éclairage intelligent. Les premières performances évaluées sont les ca-

ractéristiques photométriques obtenues avec la source lumineuse à la DEL, le réecteur et le

modulateur lumineux aux cristaux liquides. Les performances de dynamique sont particuliè-

rement importantes pour des applications en boucle fermée. Les caractéristiques mesurables

sur l'alimentation à découpage sont aussi quantiées. Bien que ces dernières n'inuencent que

très peu les applications d'éclairage intelligent, elles demeurent intéressantes pour valider la

conception et elles donnent des indices pour l'amélioration de la prochaine version du prototype

de démonstration.

5.1 Mesures photométriques de la source

Les mesures photométriques du prototype de démonstration sont réalisées à l'aide d'un mon-

tage goniométrique. Toutes les caractéristiques sont donc mesurées sur un graphique en fonc-

tion de l'angle en degré. Les paramètres photométriques mesurés sont l'intensité lumineuse,

la température de couleur et l'indice de rendu des couleurs en fonction de l'angle. Le mon-

tage goniométrique comporte trois éléments, une table rotative contrôlée par ordinateur, un

spectromètre dans le visible et le prototype de démonstration. Le prototype de démonstration

est monté sur la table rotative et le spectromètre est xe. La distance est de 1 mètre entre le

spectromètre et le prototype de démonstration. Les données du spectromètre peuvent ensuite

être intégrées de diérente façon pour produire une mesure de l'intensité lumineuse, de la

température de couleur et de l'indice de rendue des couleurs. L'intégration des données du

73

Figure 5.1 Prototype de démonstration

spectromètre a été réalisée à l'aide de la fonction Matlab pspectro [5]. Le montage a été pris

en photo en laboratoire an d'en avoir une représentation physique 5.2.

Figure 5.2 Montage goniométrique en laboratoire

74

Mesure de l'intensité lumineuse

L'intensité lumineuse en fonction de l'angle permet de mesurer l'angle FWHM de la source

lumineuse du prototype de démonstration. Il est important de mesurer cet angle quand le

modulateur lumineux est fermé et le mesurer une deuxième fois quand le modulateur lumi-

neux est au maximum de déviation. De cette façon, le programmeur d'application d'éclairage

intelligent a une bonne idée de la plage angulaire qu'il dispose. La gure de l'intensité lumi-

neuse se mesure en mesurant l'éclairement lumineux que donne le spectromètre. Puisque le

détecteur est à 1 mètre de distance du prototype de démonstration, l'éclairement lumineux

devient le l'intensité lumineuse (lm/m2 en lm/sr ou cd). Le graphique prend souvent le nom

de Candela Chart dans la littérature. La gure 5.3 présente les résultats obtenus. La courbe en

bleu est l'intensité lumineuse sans le modulateur lumineux et la courbe en rouge est l'intensité

lumineuse quand le modulateur lumineux est au maximum de l'ouverture qu'il peut produire.

Figure 5.3 Intensité lumineuse en fonction de l'angle

L'analyse de la gure 5.3 démontre deux caractéristiques. Premièrement, la plage d'angle

FWHM est environ le double de l'angle FWHM initial causé par le réecteur. La courbe en

bleu montre que l'angle FWHM initial est d'environ 24° et la courbe en rouge donne un angle

FWHM d'environ 48°. Deuxièmement, le modulateur lumineux aux cristaux liquides garde

un aspect assez uniforme pour le patron d'éclairage parce que la courbe en rouge n'a pas de

variation de pente très intense.

Mesure de la température de couleur

La deuxième mesure photométrique intéressante est la mesure de la variation de la température

de couleur de la source en fonction de l'angle. La mesure est répétée deux fois. Une sans

75

modulateur lumineux et une autre fois avec le modulateur lumineux activé à son maximum.

La variation de la colorimétrie est importante à mesurer pour savoir si la couleur du patron

lumineux émis par le prototype de démonstration est uniforme. La gure 5.4 présente ces

résultats. La courbe en bleu est la mesure sans modulateur lumineux et celle en rouge est avec

le modulateur lumineux. Pour eectuer la mesure de la température de couleur, on a utilisé

un spectromètre qui quantie l'intensité lumineuse pour chaque longueur d'onde du spectre

visible. Par la suite, il sut d'envoyer ces données dans un algorithme qui permet de pondérer

les valeurs d'intensité lumineuse pour chaque longueur d'onde en fonction de la sensibilité

typique de l'oeil humain. Finalement, les données sont intégrées par chacun des spectres x,

y et z, décrit à section 1.1.3 pour extraire les coordonnées colorimétriques et en déterminer

la température de couleur. Cette mesure de température de couleur est ensuite répétée pour

chaque valeur d'angle an de suivre l'évolution de la température de couleur.

Figure 5.4 Variation de la température de couleur en fonction de l'angle

Le graphique 5.4 permet de voir que la température de couleur varie signicativement sans

modulateur lumineux. La température de couleur passe de 3200K à 2500K sur la courbe en

bleu. Avec le modulateur lumineux, la température de couleur est plus basse et plus uniforme,

elle varie de 2300K à 2600K dans les extrêmes. L'utilisation du modulateur lumineux produit

donc un eet positif sur l'uniformité de la couleur de la source.

Mesure de l'indice de rendu des couleurs

La troisième mesure photométrique intéressante est l'évolution de l'indice de rendu des cou-

leurs en fonction de l'angle. Encore une fois, la mesure de l'indice de rendu des couleurs est

répétée pour un fonctionnement sans modulateur lumineux et pour un fonctionnement avec

76

le modulateur lumineux. Les mesures sont sur la gure 5.5. La courbe en bleu est la mesure

sans modulateur lumineux et la courbe en rouge avec ce dernier.

Figure 5.5 Indice de rendu des couleurs en fonction de l'angle

La courbe en bleu de la gure 5.5 présente une forme inattendue. À l'angle initial, l'indice

de rendu des couleurs est plus faible que pour un angle légèrement décentré. Habituellement,

l'angle initial est celui qui présente la plus grande quantité de lumière alors le l'indice devrait

être plus élevé à cet endroit. Somme toute, la variation peut sembler impressionnante sur le

graphique relativement aux points rapprochés, mais, en valeur absolue, les valeurs des points

de la courbe ne varient pas beaucoup. On observe une variation de 7 points, soit de 93 à 86

d'indice de rendu des couleurs. Cela correspond à une variation relative de seulement 7 %. Cela

peut sembler élevé si l'on compare à une ampoule incandescente où la couleur est identique

pour chaque angle solide, mais, si la comparaison se fait avec d'autres lampes DELs du même

type, une variation de 7 points est faible. Lors de la fabrication des DELs, le manufacturier

classe les DELs en fonction de la température de couleur et du CRI, une variation de plus de

10 points pour le CRI est commune. Le manufacturier reclasse ensuite les DELs produites en

fonction de leur colorimétrie respective. Cette technique de production s'appelle le Binning.

Un article de la compagnie Micrographics explique bien cette problématique [49]. La courbe

en rouge présente un indice de rendu des couleurs légèrement plus faible que la courbe en bleu.

Le modulateur lumineux réduit donc légèrement le rendu des couleurs. Cepedant, il augmente

beaucoup l'uniformité des couleurs sur tout le patron qu'il projette. Cette caractéristique est

particulièrement intéressante pour des applications d'éclairage où le rendu des couleurs doit

être essentiellement uniforme sur toute la plage angulaire comme pour l'éclairage d'oeuvres

d'art.

77

Pe Pth Tj théorique Tba théorique Tba mesurée6,40 W 5,744 W 41,26 °C 33,69 °C 30,8 ± 2,9 °C12,8 W 12,8 W 60,21 °C 45,27 °C 42,1 ± 3,0 °C19,2 W 17,23 W 79,17 °C 56,76 °C 54,3 ± 3,1 °C25,6 W 22,98 W 98,12 °C 68,25 °C 65,1 ± 3,3 °C

Table 5.1 Mesures thermiques pour l'échauement du dissipateur de chaleur

Conclusion des mesures photométriques

Les mesures photométriques du prototype de démonstration permettent de conclure que l'uti-

lisation du modulateur lumineux pour varier l'angle FWHM est possible pour des applications

d'éclairage intelligent. Les données photométriques de l'intensité lumineuse, de la température

de couleur et du CRI prouvent que le modulateur lumineux n'a que peu d'inuence sur la

qualité de la lumière émise, peu importe l'angle imposé. Pour les mesures colorimétriques, le

modulateur lumineux à même permis d'aller chercher des gains pour l'uniformité du patron

d'éclairage. Avec les performances photométriques obtenues, le prototype de démonstration

peut rivaliser dans les applications d'éclairage où les projecteurs halogènes d'une puissance de

50 W à 75 W règnent en maître.

5.2 Échauement de la source lumineuse au DEL

Le dissipateur de chaleur de la source DEL a été dimensionné en fonction de la puissance

thermique dégagée par celle-ci dans le chapitre précédent. Cependant, ces calculs théoriques

sont une simplication des relations thermiques complexes en jeu. Pour avoir une meilleure

idée de la température de jonction de la DEL, il faut mesurer la température sur le dissipateur

de chaleur. Certains modèles de boîtier pour les DELs permettent de mesurer directement la

température de boîtier, mais celui de la DEL utilisée ne possède pas ce point de mesure. La

température a été mesurée à l'aide d'une sonde thermocouple de type K et d'un multimètre

numérique Fluke® 179. La sonde thermique est collée sur le dissipateur thermique avec un

ruban adhésif possédant une bonne conductivité thermique. Le tableau 5.1 présente les mesures

prises à diérent niveau de charge ainsi que les valeurs attendues en théorie. La température

ambiante lors des tests était de 22, 32, 8 degC et la constante de temps thermique est d'environ

12 minutes.

Les mesures de température conrment les valeurs de la conception thermique, mais il y a un

petit problème. La conception thermique est basée sur la puissance nominale de la DEL (17,92

W) mais cette dernière peut fonctionner à plus forte puissance avec le gradateur choisi. Il est

possible d'extraire plus de lumière de la DEL, mais l'échauement thermique devient excessif

dans ces conditions. Il aurait été plus prudent de dimensionner le dissipateur de chaleur en

fonction de la puissance maximale de la DEL et non sa puissance nominale de la che technique.

Par contre, le dissipateur de chaleur aurait été signicativement plus volumineux dans ce cas.

78

MSB - - - - - - - - - - - - - - LSB15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0X ED EM S2 S1 S0 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Table 5.2 Protocole de communication externe implanté sur 16 bits

S2 S1 S0 Périphérique sélectionné0 0 0 Polarisation horizontale du modulateur lumineux0 0 1 Polarisation verticale du modulateur lumineux0 1 0 Inutilisé0 1 1 Inutilisé1 0 0 Intensité du courant dans la DEL1 0 1 Inutilisé1 1 0 Inutilisé1 1 1 Inutilisé

Table 5.3 Table de vérité pour la sélection du périphérique à qui la commande s'adresse

5.3 Protocole de communication externe

Le protocole de communication externe est celui qui permet à l'ordinateur de communiquer

des commandes vers le microcontrôleur du prototype de démonstration. La communication

se fait à l'aide d'un câble USB et avec le circuit intégré du pont de communication USB-

UART. L'ordinateur détecte le prototype de démonstration comme un port série virtuel. Le

microcontrôleur est programmé pour recevoir des commandes dans un format spécique. Le

format développé est sur 16 bits et il est inspiré du protocole de communication du DAC.

Le microcontrôleur doit recevoir les bits de l'ordinateur à une vitesse de 19,2 Kbauds. Cette

vitesse est utilisée pour que la transmission de données entre l'ordinateur et le prototype

de démonstration ne nuise pas aux performances dynamiques du modulateur lumineux aux

cristaux liquides. Le protocole est sur 16 bits. Il y a 10 bits pour la valeur de la commande et

les 6 bits restants sont pour la sélection du périphérique et le contrôle. Le tableau 5.2 présente

le protocole de communication externe implanté sur 16 bits. Le bit le plus signicatif, le bit 15,

est inutilisé. Les bits 14 et 13 sont pour l'état de la DEL et l'état du modulateur lumineux aux

cristaux liquides respectivement. À l'état 1, ces bits signient que le périphérique est activé,

sinon il est fermé. Les bits 12 à 10 dénissent le périphérique à qui la commande sur 10 bits

s'adresse. Le tableau 5.3 présente le code associé à chaque périphérique. Les bits 9 à 0 sont la

valeur de la commande.

À première vue, il peut sembler inutile d'avoir autant de bits de sélection alors qu'il n'y a

que trois périphériques dans le prototype de démonstration. Les codes de sélection inutilisés

sont vacants pour laisser une opportunité aux développeurs d'applications d'éclairage intel-

ligent d'ajouter des périphériques. Les autres périphériques pourraient être des capteurs ou

des actionneurs ajoutés au prototype de démonstration. C'est dans une optique de futures

79

améliorations que le protocole de communication a été programmé.

La rapidité des transmissions obtenues avec ce protocole de communication est d'une com-

mande de 16 bits à toutes les 1 milliseconde. La fréquence de communication est donc de 1 kHz.

Le prototype de démonstration contient trois périphériques, alors, il faut trois commandes de

16 bits successives pour rafraîchir les données de ces périphériques. En tenant compte des dé-

lais entre deux transmissions pour vider les circuits tampons, la fréquence est réduite à environ

250 Hz pour trois communications de 16 bits succesifs. Les algorithmes de vision numérique

fonctionnent habituellement à des fréquences de rafraîchissement d'environ 30 Hz. Le délai de

communication ne limite donc pas le fonctionnement du prototype de démonstration avec un

asservissement par vision numérique parce que la fréquence de communication est d'un ordre

de grandeur plus élevé.

5.4 Performances de l'alimentation à découpage réalisée

L'alimentation à découpage est un système essentiel pour le fonctionnement de la source et

des circuits de commande. Tant que l'alimentation fournit la tension et le courant requis

à chacun des sous-circuits, les caractéristiques d'éclairage et de contrôle ne changeront pas.

L'alimentation à découpage a un rôle important à jouer dans l'ecacité énergétique du proto-

type de démonstration. Si la conversion de l'énergie alternative du secteur vers les niveaux de

tension continue requis est faible, on perd l'avantage d'un éclairage DEL reconnu justement

pour son ecacité dans la conversion de l'énergie électrique en lumière. En plus de l'ecacité

de l'alimentation, d'autres paramètres électriques sont également importants. Le facteur de

puissance est une mesure de la distorsion que cause l'alimentation sur le secteur et ce dernier

doit atteindre un certain seuil pour être commercialisable à grande échelle. L'ondulation de

tension de sortie et du courant de sortie est un paramètre important pour une DEL, car il ne

faut pas induire des uctuations d'intensité lumineuse dans cette dernière. Surtout si l'ondula-

tion se produit à basse fréquence. Plusieurs études démontrent que l'ondulation de l'intensité

lumineuse d'une source lumineuse peut être dommageable pour la santé des individus [11] [37].

Les performances de l'alimentation à découpage sont mesurées à l'aide de deux instruments de

mesure. Il y a un multimètre qui mesure la tension continue et le courant continu à la sortie

de l'alimentation. L'appareil utilisé est le multimètre 8840A de la compagnie Fluke®. L'autre

instrument de mesure est un analyseur de puissance. L'analyseur de puissance utilisé est le

PA2100 de la compagnie AVpower®. L'analyseur de puissance mesure la tension alternative

et le courant alternatif à l'entrée de l'alimentation. À partir de ces mesures, l'analyseur de

puissance déduit la puissance consommée et le facteur de puissance de l'alimentation.

80

Ecacité énergétique

Comme mentionné précédemment, l'ecacité de l'alimentation est le critère de performance

le plus importante pour cette dernière. L'ecacité des alimentations à découpage dépend du

niveau de charge. Plus l'alimentation à découpage produit de la puissance, plus elle est ecace.

L'ecacité de la source se mesure en divisant la puissance de sortie de l'alimentation par sa

puissance d'entrée. La puissance de sortie se calcule en fonction des mesures de tension et de

courant avec le multimètre. La puissance d'entrée est donnée directement par l'analyseur de

puissance. La mesure de l'ecacité est répétée pour plusieurs niveaux de charge diérente.

Le niveau de charge est l'intensité du courant qui traverse la DEL et c'est ce que mesure le

multimètre. La gure 5.6 montre la courbe de l'ecacité de l'alimentation qui varie dans le

temps.

Figure 5.6 Ecacité énergétique de l'alimentation à découpage en fonction du niveau decharge

L'ecacité énergétique varie de 57 % jusqu'à 78 % selon le niveau de charge. La raison prin-

cipale de cette importante variation d'ecacité est que la puissance consommée par l'électro-

nique de contrôle des diérents systèmes est constante. Que le niveau de charge soit à 25 %

ou à 100 %, les systèmes de contrôle tirent toujours la puissance. Bien que cette puissance soit

minime, elle est relativement plus importante quand la puissance dans la DEL est de 25 %

au lieu du maximum. À son maximum d'ecacité, l'alimentation développée se compare à la

moyenne des alimentations dans cette de puissance sur le marché. L'ecacité à faible niveau

de charge est un peu décevante par contre.

81

Caractéristique Valeur IncertitudeFacteur de puissance 0,635 ± 0,002Puissance maximale 32,58 W ± 0,12

Ondulation tension de sortie 0,271 % ± 0,002 %Ondulation courant de sortie 3,77 % ± 0,23 %

Table 5.4 Tableau des performances de l'alimentation à découpage

Facteur de puissance et ondulation résiduelle

Les autres mesures de performance de l'alimentation à découpage se retrouvent dans le tableau

5.4. Les performances d'ondulation de tension de sortie et de l'ondulation de courant sont

satisfaisantes parce qu'elles sont très faibles. La DEL maintient donc un ux lumineux très

constant. La fréquence de l'ondulation est de 1 kHz. À cette fréquence, l'oeil humain est

totalement insensible aux variations d'intensité, qui sont déjà de faible amplitude. La puissance

totale consommée par le prototype de démonstration est de 32,58 W. Avec l'ecacité de 78

% du graphique 5.6, la puissance dans la source lumineuse est de 25,41 W et le reste de

la puissance est dissipée en chaleur ou dans le fonctionnement des circuits de contrôle. Le

facteur de puissance est faible lui aussi. Pour faire du prototype de démonstration un produit

commercialement viable, le facteur de puissance devrait être supérieur à 0,9. Cela est possible

en ajoutant un circuit à injection d'harmoniques de courant actif en aval du pont redresseur

à diode.

Conclusion sur les performances de l'alimentation à découpage

Les performances de l'alimentation à découpage sont satisfaisantes en générales bien que cer-

tains critères spéciques pourraient être améliorés. L'ecacité énergétique à faible niveau de

charge pourrait être améliorée en modiant les circuits de contrôle pour qu'ils soient moins

énergivores. L'alimentation devrait aussi être équipée d'un circuit à injection d'harmoniques

de courant actif pour augmenter le facteur de puissance qui est faible. Si la puissance de

la source lumineuse augmente, l'amélioration du facteur de puissance sera un enjeu de plus

en plus important. Les performances d'ondulations résiduelles en tension et en courant sont

exemplaires et l'ecacité à pleine charge est dans la moyenne.

5.5 Comportement en dynamique avec une rétroaction par

vision numérique

La dynamique du système de contrôle avec le modulateur lumineux aux cristaux liquides est

la performance la plus importante pour que les développeurs d'application d'éclairage intelli-

gent puissent mettre en oeuvre des systèmes de contrôle en boucle fermée. Cette performance

consiste à représenter le système de contrôle et le modulateur lumineux comme un système

82

linéaire avec une fonction de transfert. L'identication de la fonction de transfert permet de

connaître la constante de temps, le gain et le retard. Selon l'ordre de la fonction de trans-

fert identiée, la complexité de cette dernière varie. Idéalement, le système devrait pouvoir

être modélisé par un système de premier ou de deuxième ordre au maximum pour limiter la

complexité.

L'identication de la fonction de transfert se fait à l'aide d'un test où il faut mesurer le signal

de réponse du système en fonction du signal de commande. Le signal de réponse est l'angle

FWHM du patron lumineux et le signal de commande correspond à la valeur ecace de la

tension appliquée aux électrodes du modulateur lumineux aux cristaux liquides. Pour faire

ce test, il faut faire un montage semblable à celui de la gure 3.4. La diérence est que le

modulateur lumineux et la source sont contrôlés par le prototype de démonstration qui reçoit

les commandes de l'ordinateur personnel.

Le signal de commande est généré aléatoirement. Cela a pour eet de créer un signal qui

possède des hautes et des basses fréquences de manière à peu près uniforme. Le signal de

commande varie de 0 V à 15 V. Le signal de sortie est l'angle FWHM du patron lumineux

sur l'imageur. La caméra enregistre l'image sur l'imageur et l'angle FWHM est calculé par un

algorithme de vision numérique. L'angle FWHM varie de 24° à 48°.

La fréquence d'échantillonnage des signaux est un paramètre capital. Plus la fréquence sera

élevée, plus la résolution temporelle sur les signaux sera bonne. La fréquence doit aussi être

stable pour toute la durée de l'expérience. Lors de la prise des données, la fréquence d'échan-

tillonnage était de 30 Hz. La fréquence est limitée par la capacité de l'algorithme de vision

numérique à traiter les images pour en extraire l'angle FWHM du patron lumineux. Les valeurs

des signaux de commande et de réponse sont donc ajustées à toutes les 33,33 millisecondes

environ. L'expérience dure 10 secondes et les signaux obtenus lors d'un test sont présentés sur

la gure 5.7. La courbe en bleu est la commande et la courbe en rouge est la réponse.

Les signaux de la gure 5.7 ont subi un traitement an de procéder correctement à l'identica-

tion de la fonction de transfert. Tout d'abord, la valeur moyenne des signaux à été enlevée. Il

faut enlever la valeur moyenne des signaux an d'éliminer l'eet du point d'opération. L'am-

plitude de chacun des signaux a ensuite été ajustée sur une échelle de 0 % à 100 %. Le signal de

réponse est légèrement bruité, mais cela est normal et ne devrait pas empêcher l'identication

de la fonction de transfert.

Une fois les données recueillies et traitées, l'identication de la fonction de transfert se fait par

la méthode récursive des moindres carrées. Le logiciel Matlab propose un outil d'identication

simple qui permet d'appliquer l'algorithme d'identication sur les données. L'utilisateur doit

par contre spécier l'ordre du modèle de la fonction de transfert. Il convient de générer plusieurs

modèles de diérents ordres et de les comparer pour voir lequel optimise la véracité et la

complexité du modèle calculé.

83

Figure 5.7 Réponse temporelle du modulateur lumineux aux cristaux liqudies lors de l'iden-tication

Numéro du test Gain statique Constante de temps Retard Agencement]1 1,342 0,255 s 0,037 s 78,66 %]2 1,214 0,367 s 0,020 s 52,98 %]3 1,218 0,229 s 0,049 s 72,44 %

Table 5.5 Résultats de l'identication pour les trois essais

Pour le modulateur lumineux aux cristaux liquides, une fonction de transfert du premier

ordre est susante. La fonction de transfert dénit le gain, le temps de réponse et le retard du

modulateur lumineux aux cristaux liquides. La fonction de transfert identiée est présentée

dans l'équation 5.1.

G(s) =1, 34 · e−0,037s

0, 254s+ 1(5.1)

Par la suite, plusieurs expériences semblables ont été menées pour conrmer les valeurs de la

fonction de transfert identiée. À chaque fois, le signal de commande était diérent puisqu'il

est généré aléatoirement. La fréquence d'échantillonnage et la durée de l'expérience sont les

mêmes pour chaque expérience. Les résultats de chacune des identications sont présentés

dans le tableau 5.5.

La dernière colonne du tableau 5.5 est l'agencement du modèle de premier ordre calculé sur

les données. Le programme calcul le signal de réponse obtenue en applicant le même signal

de commande sur le modèle et il calcul l'agencement de cette manière. L'agencement est un

indice de la délité du modèle proposé par rapport à la réalité. Le deuxième test dans le

84

tableau 5.5 propose des valeurs substantiellement diérentes de deux autres essais. De plus

l'agencement du deuxième test est plus faible que pour les deux autres. Le problème est que

le signal de commande généré aléatoirement contenait trop de hautes fréquences alors il était

plus dicile pour le programme de bien calculé le modèle. Il est important de constater que

le retard des modèles identiés est proche d'une période de la fréquence d'échantillonnage. La

précision n'est donc pas terrible sur le retard des trois modèles, mais le programme de vision

numérique avec la caméra n'était pas capable de calculer assez rapidement.

Conclusion des performances dynamiques

La fonction de transfert identiée pour le modulateur lumineux aux cristaux liquides est simple

et dèle. Les méthodes classiques du contrôle de système linéaire peuvent donc s'appliquer à

ce composant. Les applications d'éclairage en boucle fermée pourront se programmer sans

avoir recours à des méthodes complexes et non linéaires pour asservir l'angle FWHM du

luminaire. La constante de temps est susamment faible pour satisfaire la grande majorité

des applications d'éclairage où les objets d'intérêt se déplacent à des vitesses de l'ordre des

déplacements des individus.

5.6 Eet de la température sur la dynamique

Les cristaux liquides qui composent le modulateur lumineux sont de la classe des thermotropes.

Donc, les propriétés du modulateur lumineux aux cristaux liquides changent en fonction de

température ambiante. Pour des applications d'éclairage extérieur, les luminaires doivent fonc-

tionner en dessous du point de congélation. Idéalement, le modulateur lumineux doit pouvoir

fonctionner jusqu'à une température de -20 °C. Pour vérier si le modulateur lumineux fonc-

tionne à ces faibles températures, les expériences pour déterminer la fonction de transfert ont

été répétées dans un environnement contrôlé en température. Théoriquement, la constante de

temps du modulateur lumineux aux cristaux liquides devrait augmenter. Plus la température

est basse, plus les cristaux liquides se rapprochent d'un état solide alors les déplacements sont

plus diciles et lents.

L'identication des fonctions de transfert selon la température s'est faite de la même manière

que la section précédente, mais le prototype de démonstration était placé à l'intérieur d'une

chambre environnementale. La chambre permet de contrôler précisément la température et

l'humidité avec un petit panneau de contrôle à l'extérieur de celle-ci. La chambre est de forme

cubique avec une face vitrée et possède de petites ouvertures utilisées pour le lage. Le faisceau

lumineux émis par le prototype de démonstration traverse la face vitrée de la chambre pour

aboutir sur l'écran. La caméra est située en dehors de la chambre environnementale pour ne

pas nuire à son fonctionnement, mais elle observe quand même l'écran.

L'identication de la fonction de transfert s'est faite à diérente valeur de température. À

85

Température Gain statique Constante de temps Retard Agencement20° C 1,381 0,242 s 0,027 s 61,85 %0° C 1,424 0,507 s 0,037 s 60,49 %-10° C 1,772 0,894 s 0,033 s 51,74 %-15° C 1,562 1,234 s 0,087 s 39,38 %-20° C 1,605 1,910 s 0,108 s 64,63 %

Table 5.6 Résultats de l'identication selon la température

chaque valeur de température, la constante de temps, le gain et le retard sont analysés. Les

valeurs identiées se retrouvent dans le tableau 5.6.

Les résultats du tableau 5.6 montrent une relation inversement proportionnelle entre la constante

de temps et la température. Plus la température baisse, plus la constante de temps augmente.

Étrangement, la relation est presque linéaire en dessous du point de congélation. Le retard est

lui aussi aecté par la température. Plus la température baisse, plus le retard augmente. Le

gain statique est plus ou moins stable en fonction de la température.

Asymétrie de la réponse temporelle

Une caractéristique intéressante constatée lors de la descente en température est l'asymétrie de

la réponse. L'asymétrie est dénie par une constante de temps diérente entre une commande

positive et une commande négative. Un échelon de commande positif cause une augmentation

du champ électrique, plus ce dernier est fort, plus les molécules de cristaux liquides s'orientent

dans les lignes de champ. Un échelon négatif est une baisse de l'intensité du champ électrique.

Les molécules de cristaux liquides retournent donc dans leur état d'alignement imposé par la

direction de frottement des électrodes lors de la fabrication. Cette asymétrie est particulière-

ment visible entre la première et la troisième seconde de la gure 5.8. Clairement, la courbe

de la réponse atteint plus rapidement le régime permanent avec la commande positive qu'avec

la commande négative. Alors, il semble que les molécules de cristaux liquides demeurent plus

sensibles aux champs électriques à basse température qu'aux lignes directrices créées par le

frottement pendant la fabrication. Lors du calcul de la fonction de transfert, l'algorithme

moyenne les deux constantes de temps ensemble pour en proposer qu'une seule. Dans des

applications de performance, il peut être intéressant d'identier deux fonctions de transfert

diérentes pour le modulateur lumineux aux cristaux liquides. Une fonction de transfert dé-

nit le comportement du système pour des commandes positives alors que l'autre fonction de

transfert sert à expliquer le système lors des commandes négatives.

Conclusion de l'eet de la température sur la dynamique

La température à un impact négatif sur les performances dynamiques du modulateur lumi-

neux. En dessous du point de congélation, la constante de temps est signicativement altérée.

86

Cette caractéristique du modulateur lumineux aux cristaux liquides est importante à garder

en mémoire si l'application d'éclairage nécessite de fonctionner aux basse température. Le mo-

dulateur lumineux est utilisable à basses températures, mais les performances sont moindres.

Techniquement, il n'y a pas vraiment de façon de compenser cette baisse de performances par

la modulation des signaux électriques. L'amélioration des cristaux liquides et de la fabrication

semble être la seule voie possible étant donné le problème provient de la lenteur des molécules

à retourner dans l'alignement imposé par le frottement des électrodes.

Figure 5.8 Réponse temporelle du modulateur lumineux aux cristaux liquides à une tem-pérature de -15° C

5.7 Applications d'éclairage intelligent avec le prototype de

démonstration

5.7.1 Application développée

Le fonctionnement du prototype de démonstration a été testé avec un asservissement par vision

numérique. L'application choisie a pour objectif de pousser le prototype de démonstration à

ses limites en plus de démontrer l'utilité du prototype de démonstration dans le monde de

l'éclairage. L'application programmée consiste à analyser l'image de la caméra avec l'ordinateur

personnel, détecter l'objet d'intérêt, extraire les dimensions géométriques de ce dernier et

envoyer la commande appropriée au prototype de démonstration. Pour que la détection ne

consomme pas trop de temps de calcul, la détection se fait seulement sur la couleur. Par

exemple, l'algorithme recherche dans l'image l'objet continu vert le plus volumineux dans

l'image et ce dernier devient l'objet d'intérêt. Le calcul des dimensions géométriques consiste

à extraire les coordonnées pixels des quatre extrémités de l'objet d'intérêt pour ensuite trouver

87

la distance horizontale et verticale en pixel de l'objet d'intérêt. Le champ de vue horizontal et

vertical de la caméra étant connu, il est possible de convertir les distances en pixel de l'objet

d'intérêt en valeur d'angle horizontal et vertical. La caméra est mécaniquement solidaire à

la source lumineuse parce qu'elles sont toutes les deux sur le prototype de démonstration.

Avec cette particularité, la valeur d'angle mesurée par la caméra peut se convertir directement

en commande d'angle pour le modulateur lumineux aux cristaux liquides. Cette conversion

demeure une approximation et si l'objet d'intérêt est trop près du prototype de démonstration,

cette approximation cause une erreur signicative.

En plus d'analyser les dimensions de l'objet d'intérêt, l'algorithme de vision numérique calcule

l'éclairement lumineux moyen de celui-ci. En comparant la valeur d'éclairement lumineux cal-

culée avec une prédéterminée, le programme envoie des commandes au prototype de démons-

tration pour ajuster l'intensité du courant dans la DEL. L'objet d'intérêt est donc illuminé

uniformément selon sa taille. Malheureusement, la caméra utilisée prétraite les images an

d'obtenir un contraste optimal. Ce prétraitement biaise les valeurs d'intensité des pixels. En

pratique, cet eet se traduit par une uniformité d'éclairage pas totalement indépendante de

la taille et de la position de l'objet d'intérêt. Par exemple, si ce dernier est trop près de la

caméra, les valeurs d'intensité de ses pixels sont réduites par rapport à leur valeur réelle par

le prétraitement.

En utilisant le logiciel de vision numériqueMatlab, la boucle d'asservissement par vision numé-

rique atteint des fréquences de rafraîchissement de l'ordre de 20 Hz à 30 Hz. Un cycle complet

comprend la prise d'image par la caméra, l'analyse de l'image par l'algorithme de vision et

l'envoie des commandes via le port série virtuel. La fréquence varie pendant que le programme

roule. Cette variation est principalement due aux tampons logiciels dans lesquels les images

et les commandes transitent. Ceux-ci nissent par saturer et il faut les réinitialiser, ce qui

fait perdre de la vitesse à la boucle d'asservissement temporairement. Par exemple, lors des

tests avec le logiciel Matlab et un ordinateur personnel avec 4 gigaoctets de mémoire vive,

la fréquence de rafraîchissement chute pendant une image à chaque dix images. Malgré cette

baisse momentanée, il est dicile d'en voir l'impact sur le patron lumineux parce que l'objet

d'intérêt ne se déplace pas très rapidement par rapport à une fréquence de rafraîchissement

de 20 Hz.

5.7.2 Considérations en boucle fermée

Le fonctionnement en boucle fermée avec le modulateur lumineux pour des applications d'éclai-

rage amène quelques particularités. L'oeil humain ne tolère pas bien les hautes fréquences,

surtout avec des éclairages intenses comme celui produit par le prototype de démonstration.

Le programme d'application d'éclairage intelligent doit prendre en note cette considération. Il

arrive qu'un cycle de vision numérique ne détecte aucun objet. Quand cela se produit, le patron

d'éclairage peut changer rapidement d'aspect. La variation brusque est souvent la conséquence

88

d'un objet d'intérêt volumineux dans l'image qui disparaît ou apparaît brusquement. Le pa-

tron d'éclairage varie alors d'un extrême à l'autre. Cette variation n'est pas très agréable à

l'oeil. Si la détection échoue pendant une image, le modulateur lumineux ltre lui-même cette

haute fréquence et l'eet sur le patron lumineux est minime. Le problème est plus apparent

quand la détection rate pendant quatre ou cinq images.

La solution à ce problème est d'ajouter dans la boucle d'asservissement un régulateur PID ou

un élément non linéaire qui discrimine les variations trop brusques. La deuxième solution est

à préférer, car l'ajout d'un régulateur PID a un impact sur toutes les fréquences tandis qu'un

élément non linéaire peut aecter seulement les hautes fréquences indésirables. Bref, la prise

en charge du modulateur lumineux quand la vision numérique ne détecte pas d'objet d'intérêt

est un état que le développeur doit programmer intelligemment en sachant que c'est un état

malheureusement assez fréquent.

Une autre considération importante pour le programmeur d'applications d'éclairage intelligent

est la source de lumière pour la caméra. S'il y a une source de lumière externe au prototype de

démonstration, même faible, la caméra prendra toujours des images de la scène complète. Dans

ce cas, il n'y a pas de problème. Si le prototype de démonstration est la seule source de lumière,

cela peut poser un problème sérieux pour l'algorithme de vision numérique. Il faut inclure dans

la boucle fermée une routine qui ouvre le faisceau lumineux au maximum pour capturer la

scène au complet et vérier si l'objet d'intérêt n'est pas caché dans la noirceur. De plus, les

algorithmes de prétraitement dans les caméras peuvent produire de drôles d'images quand

l'arrière-plan et trop sombre. Par exemple, l'algorithme de prétraitement peut augmenter

l'intensité lumineuse sur l'objet jusqu'à le rendre complètement blanc s'il n'y a que lui qui

est éclairé et que le reste de l'image est noir. La couleur de l'objet d'intérêt est perdue et

l'algorithme de détection risque de perdre la trace de ce dernier s'il se base sur la couleur pour

faire une détection. En conséquence, cela produit une haute fréquence qui déstabilise la boucle

fermée. De manière générale, il devient beaucoup plus dicile de programmer l'algorithme de

vision numérique quand la seule source de lumière est le prototype de démonstration.

5.7.3 Suggestions d'application

Les applications d'éclairage intelligent que peut faire le prototype de démonstration sont nom-

breuses en plus de celle développée. Les applications varient sur deux aspects de la vision

numérique, la détection et l'extraction d'informations à travers les images. Une application

intéressante consisterait à remplacer la détection de la couleur par la détection de personnes.

Le problème de ce type de détection est qu'il risque de taxer signicativement l'ordinateur

personnel et cela aurait pour eet de réduire la fréquence d'échantillonnage en boucle fermée.

Avec la détection des personnes directement, il est facile d'imaginer un algorithme qui ex-

trait la position des personnes dans l'image pour calculer le patron d'éclairage le plus ecace

pour toutes les éclairer. Le hall d'entrée d'un hôtel serait l'endroit idéal pour tester ce genre

89

d'application.

Les propriétés du modulateur lumineux aux cristaux liquides pourraient être mises de l'avant

dans les arts de la scène. L'éclairage est toujours un aspect très important dans les spectacles.

Les acteurs se déplacent beaucoup tout au long de l'acte. Les projecteurs suivent ces derniers

du mieux qu'ils le peuvent avec des montures mécaniques. Les remplacer par des luminaires

du même genre que le prototype de démonstration permettrait de limiter les déplacements

mécaniques et la durée de vie des équipements serait grandement améliorée. Le fonctionne-

ment en boucle fermée est aussi avantageux, car l'éclairage s'ajuste de manière autonome à

la scène en détectant les acteurs. Par exemple, dans les spectacles d'improvisation, les acteurs

font souvent des mouvements aléatoires alors il est impossible de programmer d'avance le dé-

placement des projecteurs. L'utilisation de la vision numérique avec un modulateur lumineux

aux cristaux liquides a un avantage indéniable dans ces conditions.

Le milieu de l'éclairage extérieur peut aussi bénécier des prouesses oertes par le prototype

de démonstration. Par exemple, l'éclairage d'un stationnement extérieur pourrait s'adapter en

temps réel aux déplacements des véhicules. Pour l'éclairage de rue, la détection des automo-

biles permet d'ajuster l'éclairage en fonction de l'achalandage. L'ouverture de l'angle par le

modulateur lumineux aux cristaux liquides permet aux lampadaires de s'adapter aux véhicules

dans la rue ou aux piétons sur le trottoir. L'éclairage des terrains de sports multifonctionnels

peut aussi proter de l'adaptation de l'éclairage en fonction du sport qui est joué.

Une bibliothèque est aussi un lieu qui peut bénécier de la versatilité de l'éclairage oert par

le prototype de démonstration. Lorsqu'un client cherche un livre, l'éclairage ouvre son angle

et permet à ce dernier de bien voir la sélection de livres. Si le client ouvre un livre et se

met à le lire, l'éclairage réagit en concentrant la lumière sur le livre. Ce même principe peut

s'appliquer aussi bien à une grande bibliothèque universitaire qu'à une petite bibliothèque

personnelle dans sa propre résidence.

En résumé, le prototype de démonstration est très versatile parce que les applications sont

programmées directement dans l'ordinateur personnel au lieu d'être programmées dans le

microcontrôleur du prototype de démonstration. Les applications dièrent en fonction du

type d'objet d'intérêt recherché et des actions à prendre selon l'algorithme d'éclairage. La

grande majorité des applications d'éclairage standard peuvent être remplacées par un éclairage

intelligent avec le prototype de démonstration.

90

Conclusion

Sommaire

En résumé, le présent mémoire détaille la conception d'un prototype de démonstration qui

met en valeur les propriétés optiques d'un modulateur lumineux aux cristaux liquides pour

des applications d'éclairage intelligent. La méthodologie générale de conception est détaillée et

les principaux résultats expérimentaux qui prouvent son utilité pour l'éclairage intelligent sont

étayés. Les objectifs de conception énoncés dans le chapitre 4 ont tous été atteints. Certains

mieux que d'autres, car il y a toujours place à l'amélioration.

Grâce à l'application programmée, certaines lacunes du prototype de démonstration ont pu

être trouvées. Principalement, la taille est trop importante et elle doit être réduite an d'élargir

la gamme d'application que le prototype de démonstration peut couvrir. De plus, le dimen-

sionnement thermique est un peu juste si l'application requiert des surintensités de courant

dans la DEL. Bien entendu, l'amélioration des performances du modulateur lumineux aux

cristaux liquides serait un point positif pour le prototype de démonstration. Plus il pourra

élargir l'angle FWHM du faisceau incident, plus les applications deviendront nombreuses. Son

comportement dynamique à basse température gagnerait aussi à être amélioré.

Les points forts du prototype de démonstration sont la puissance lumineuse qu'il délivre, la

simplicité et la portabilité. La puissance lumineuse est presque équivalente à une ampoule

incandescente de 100 W, pour une fraction de la puissance consommée. Avec une basse tempé-

rature de couleur, le modulateur lumineux ne déforme pas l'uniformité du patron d'éclairage.

L'indice élevé de rendu des couleurs ne limite pas le prototype de démonstration à seulement

des applications d'éclairage pour l'orientation et l'indication, contrairement à plusieurs lampes

aux DELs. La programmation d'applications d'éclairage intelligent peut se faire sur à peu près

tous les ordinateurs personnels disponibles grâce au pont de communication série virtuelle. La

connectique minimale composée d'un câble USB et d'un cordon d'alimentation 120 V permet

une portabilité maximale au prototype de démonstration.

91

Améliorations et travaux futurs

En rétrospective, certaines améliorations pour combler les faiblesses du prototype de dé-

monstration peuvent être apportées. Les améliorations proposées constituent des pistes de

recherches pour des travaux futures sur ce dernier. Les améliorations poursuivent les mêmes

objectifs de conception en espérant atteindre de meilleures performances et d'élargir la gamme

d'applications d'éclairage intelligent.

Tout d'abord, il faut réduire la taille du prototype de démonstration. Quand on regarde les

éléments volumineux qui le composent, l'alimentation à découpage occupe un gros volume,

au moins la moitié du volume total. Même en refaisant le circuit en optisant au maximum

l'espace utilisé, le circuit demeurerait volumineux parce que les composants passifs prennent

beaucoup de place. Il y aurait deux solutions à ce problème, la première serait de découpler

l'alimentation à découpage du prototype de démonstration. La deuxième serait d'utiliser un

port USB de type C. La deuxième solution à un double avantage parce que le port USB

standard (USB 2.0) pour la communication disparaîtrait lui aussi. Les ports USB C peuvent

fournir une puissance maximale de 100 W. Les mesures de puissance montrent que le prototype

de démonstration consomme 32,5 W au maximum, en deçà du maximum du port USB C.

Peut-importe la solution choisie, il faut quand même avoir des convertisseurs non isolés de

type hacheur ou survolteur pour alimenter les circuits de contrôle et le gradateur pour la

DEL. Par contre, ces circuits demandent très peu d'espace en comparaison avec l'alimentation

utilisée. En appliquant cette solution, la taille du prototype de démonstration se trouverait

signicativement réduite.

La température de jonction de la DEL est limite quand elle fonctionne à une température

supérieure à sa valeur nominale. Ce problème peut être résolu simplement en augmentant la

taille du dissipateur de chaleur. Par contre, cela irait à l'encontre du problème de taille du

prototype de démonstration mentionné précédemment. La meilleure solution est d'ajouter un

élément de refroidissement actif sur le dissipateur de chaleur existant. Un ventilateur est une

option intéressante, mais il peut gêner à cause du bruit qu'il produit. Un module Peltier est

une alternative sans bruit à ce problème. Le module Peltier demande par contre un circuit de

contrôle dédié et il est beaucoup plus coûteux qu'un ventilateur.

Une autre avenue d'amélioration pour le prototype de démonstration est la prise en charge

de la communication sans l. Le but cette communication sans l n'est pas nécessairement de

remplacer l'envoie de commande par le câble USB, mais plutôt de permettre la communication

avec des capteurs sans l. Ces capteurs risquent d'être de plus en plus nombreux dans un avenir

rapproché avec les avancements du concept energy harverting. Présentement, les capteurs

touchés par cette technologie sont principalement des photodiodes et des détecteurs PIR,

mais peut-être que, prochainement, quelques caméras pourront en bénécier. Le prototype

de démonstration doit pouvoir s'adapter aux nouvelles technologies s'il désire rester un outil

92

intéressant pour les développeurs d'application d'éclairage intelligent.

93

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98

Annexe A

Calculs d'incertitude

Cette annexe montre comment les incertitudes de mesures et de calculs ont été réalisées dans

le mémoire. Il y a deux types de calcul pour déterminer l'incertitude. Le premier type est le

cas d'une mesure directe et l'autre type est dans le cas d'une mesure indirecte. La présentation

des mesures avec les incertitudes et basées sur la méthode décrite par le bureau national de

métrologie [13].

A.1 Cas d'une mesure directe

L'incertitude d'une mesure directe se calcule en fonction des spécications de l'appareil de

mesure. En général, la précision est donnée est pourcentage de la valeur mesurée avec une

contribution de la gamme. La contribution de la gamme peut être donnée en pourcentage ou

en valeur de comptage. Dans ce cas, il sut de diviser le nombre de comptages donné par

le nombre total de comptages de l'appareil et de la multiplier par la valeur de la gamme. Le

tableau A.1 est un exemple de spécication donnée par un fabricant.

Si la valeur mesurée par cet appareil hypothétique est de 41,25678 V, l'équation montre le

détail du calcul d'incertitude.

Gamme Incertitude mesure Incertitude gamme100 1 % 0,2 %

Table A.1 Exemple de spécications données par un fabricant d'appareils de mesure

99

ContIM = 41, 25678 V · 0, 01

ContIM = 0, 4125678 V

ContIG = 100 V · 0, 002

ContIG = 0, 2 V

Incertitude = ContIM + ContIG

Incertitude = 0, 6125678 V

(A.1)

Selon la méthode de présentation des résultats, la mesure et son incertitude sont de 41, 3 ±0, 6 V . Le tableau de spécication du fabricant peut changer, mais la méthodologie pour

calculer l'incertitude d'une mesure directe reste la même.

A.2 Cas d'une mesure indirecte

Une mesure indirecte est dénie comme une mesure calculée à partir de mesures directes.

Le calcul de la puissance dissipée dans une résistance est un bon exemple. Il faut mesurer

de manière directe la tension et le courant qui traverse l'élément pour déduire la puissance

dissipée. Une fois que l'on connaît ces mesures directes avec l'incertitude correspondante, le

calcul de l'incertitude pour une mesure indirecte se fait par la méthode des extrêmes. Cette

méthode consiste à calculer la valeur maximale et minimale selon les incertitudes des mesures

directes et de diviser le résultat en deux. L'équation A.2 donne la formule de la méthode des

extrêmes.

Incertitude =∆Pmax −∆Pmin

2(A.2)

Pour reprendre l'exemple précédent du calcul d'incertitude directe, le calcul de l'incertitude

d'une mesure indirecte de puissance avec une mesure de tension directe de 41, 3 ± 0, 6 V et

d'une mesure de courant directe de 3, 76± 0, 49 A est donné par l'équation A.3.

Pmax = (41, 3 + 0, 6 V ) · (3, 76 + 0, 49 A)

Pmax = 178, 075 W

Pmin = (41, 3− 0, 6 V ) · (3, 76− 0, 49 A)

Pmin = 133, 089 W

Incertitude =178, 075 W − 133, 089 W

2

Incertitude = 22, 493 W

(A.3)

100

Le résultat présentable est donc de 155±22 W pour cette mesure indirecte de puissance. Dans

le mémoire, l'incertitude des mesures indirectes est donnée par la méthode des extrêmes, mais

d'autres méthodes existent comme la méthode diérentielle. Le choix de la méthode dépend

des circonstances.

101

Annexe B

Guide d'utilisation du prototype de

démonstration

Le prototype de démonstration est simple d'utilisation, mais il convient d'avoir un petit guide

qui explique les premiers pas. Le guide donne les étapes nécessaires pour pouvoir envoyer des

commandes à partir d'un ordinateur personnel connecté au prototype de démonstration. Les

trois étapes sont :

1. Installation du pilote

2. Connexions

3. Encodage

B.1 Installation du pilote

Le prototype de démonstration communique avec l'ordinateur personnel à l'aide du pont de

communication USB-UART de Microchip®, le MCP2221. L'ordinateur personnel doit possé-

der le pilote du MCP2221 sinon il ne pourra pas reconnaître le périphérique et créer le port

série virtuel. Le pilote est téléchargeable gratuitement sur le site internet de Microchip®. Le

lien vers la page de téléchargement est le suivant :

https ://www.microchip.com/wwwproducts/en/MCP2221

Il sut de sélectionner le système d'exploitation de l'ordinateur personnel et de suivre les

instructions de l'utilitaire d'installation.

B.2 Connexions

Il y a deux branchements à faire pour le bon fonctionnement du prototype de démonstration.

Le prototype de démonstration doit d'abord se brancher à une prise de tension murale de 120

102

V. Avant d'être opérationnel, il faut laisser une courte période de quelques secondes pour que

l'alimentation du prototype de démonstration se stabilise. Il est possible d'entendre un son sec

momentané de ce dernier dû aux inductances de ltrage à la n de ce délai d'initialisation.

Ensuite, il faut connecter le câble USB 2.0 du prototype de démonstration dans l'ordinateur

personnel. Si le pilote a été correctement installé, l'ordinateur personnel détectera automati-

quement le prototype de démonstration et il va créer un port série virtuel. Il est important

de prendre en note le numéro du port série attitré au prototype de démonstration pour la

prochaine étape. Si l'ordinateur personnel dispose de plusieurs ports USB, il est recommandé

de toujours utiliser le même an que le numéro du port série virtuel demeure le même aussi.

Pour s'assurer que l'ordinateur reconnaisse bien le prototype de démonstration, il faut vérier

la présence du port série virtuel attitré dans le gestionnaire des périphériques.

B.3 Encodage

Le développeur doit ensuite créer une fonction dans le langage de programmation de son choix.

Le langage de programmation doit prendre en charge l'utilisation d'un port série, mais ce n'est

pas tellement une contrainte puisque la plupart des langages de programmation possèdent des

librairies dédiées à la communication par port série. La fonction doit créer le port série avec

le bon numéro attitré par le port série virtuel. Cette fonction doit respecter le protocole de

communication du prototype de démonstration dénie dans la section 5.3.

Pour faire simple, la fonction créée doit prendre en argument l'état ouvert/fermé de la DEL,

l'état ouvert/fermé du modulateur lumineux aux cristaux liquides, la sélection du périphérique

et la valeur de la commande. Les arguments sont reçus en format décimal et la fonction doit les

convertir en format binaire. Par exemple, on désire envoyer la commande suivante au prototype

de démonstration selon son protocole de communication :

1. DEL à l'état ouvert

2. Modulateur lumineux à l'état ouvert

3. L'intensité de la DEL comme périphérique sélectionné

4. Une valeur d'intensité de 60 %

Le dernier terme de la commande, la valeur de l'intensité à 60 %, est codé sur 10 bits. Les

valeurs peuvent donc varier de 0 à 1023 en code décimal. Si on veut 60 %, cela correspond à

la valeur décimale de 614. Bref, en valeur décimale, la commande de l'exemple devient (1, 1,

4, 614).

La fonction programmée doit convertir cette commande décimale en commande binaire. Le

tableau B.1 donne les valeurs converties dans la dernière ligne.

103

MSB - - - - - - - - - - - - - - LSB15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0X ED EM S2 S1 S0 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

Table B.1 Conversion de la commande de format décimal en format binaire

Le prototype de démonstration s'attend à recevoir deux commandes de 8 bits successivement.

Il convient alors de scinder la commande 16 bits en deux commandes de 8 bits. Il peut être

nécessaire d'ajouté un délai d'une milliseconde entre la transmission des deux commandes de 8

bits pour permettre au microcontrôleur du prototype de démonstration de traiter l'information.

Si le programmeur désire utiliser le logiciel Matlab pour commander le prototype de démons-

tration, les chiers commande16bits.m et commande_boucle_ouverte.m sont à sa disposition.

Ces chiers conteinnent chacun une fonction pour encoder les informations de la commande

et pour gérer le port série. Le chier commande16bits.m contient la fonction qui convertit

les données du format décimal en format binaire. Le chier commande_boucle_ouverte.m

contient la fonction qui ouvre le port série et qui envoie la commande. La fonction com-

mande_boucle_ouverte.m appelle la fonction commande16bits directement alors le program-

meur a seulement besoin d'appeler la première en ligne de commande. Par exemple, si le

programmeur veut ouvrir le faisceau lumineux horizontalement à sa valeur maximale, il doit

appeler en ligne de commande : commande_boucle_ouverte(1, 1, 0, 1023). Avant de lan-

cer la commande, il est important de vérier que le numéro du port série dans la fonction

commande_boucle_ouverte.m est bien celui qui correspond au prototype de démonstration.

104