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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