EP0109671B1

EP0109671B1 - Elément émetteur de lumière

Info

Publication number: EP0109671B1
Application number: EP83111537A
Authority: EP
Inventors: Erwin Nobs
Original assignee: Omega Electronics SA
Current assignee: Omega Electronics SA
Priority date: 1982-11-23
Filing date: 1983-11-18
Publication date: 1988-04-20
Also published as: CA1212711A; US4559480A; EP0109671A2; FR2536563A1; DE3376366D1; JPS59140481A; AU561918B2; FR2536563B1; AU2159183A

Description

La présente invention est relative à un tableau d'affichage selon le préambule de la revendication 1.
On a proposé jusqu'ici deux sortes d'éléments pour équiper des tableaux d'affichage: ce sont les lampes à incandescence et les tubes à rayons cathodiques.
Les inconvénients majeurs présentés par la lampe à incandescence sont sa forte consommation (entre 20 et 40 watts par élément) et son rendement relativement faible (environ 10 lumens par watt). On notera également que la lampe présente une durée de vie modeste (1000 heures en moyenne), une température de couleur qui est variable en fonction de la tension d'alimentation à ses bornes ainsi qu'une diminution progressive de sont intensité lumineuse due au noircissement intérieur du bulbe en fonction du temps d'utilisation. Il a déjà été proposé une telle source lumineuse pour équiper des tableaux d'affichage en couleur. Dans ce cas, on utilisera par élément unitaire trois lampes suivies de filtres colorés ou plus simplement trois lampes à bulbes colorés. On comprendra cependant que, pour la couleur, les inconvénients cités ci-dessus pour l'affichage noir-blanc sont conservés. On doit à la vérité de dire cependant que les lampes à incandescence sont des éléments bon marché, facilement interchangeables et faciles à trouver sur le marché.
Ainsi, dans un exemple de réalisation, l'écran noir-blanc de 4,3 m de hauteur et de 8,6 m de largeur comporte 160 lignes et 80 colonnes, ce qui implique l'utilisation de 12'800 lampes à incandescence. Si la puissance de chacune de ces lampes est de 25 W, la puissance nécessaire à les allumer toutes à pleine luminosité sera de 320 kW. On comprendra donc qu'un tel écran demandera une puissance installée considérable ainsi qu'une non moins importante dépense d'énergie.
Pour sa part, le tube à rayons cathodiques est utilisé dans les installations d'écran en couleur, comme on peut le voir dans les documents GB-A-2 053 547 et US―A―4326 150. Bien qu'il s'agisse d'un tube dont la facture est simplifiée par rapport à celle qu'on connaît des tubes TV, il n'en reste pas moins très onéreux et surtout nécessite l'emploi de très hautes tensions d'accélération, ce qui complique considérablement la réalisation de l'ensemble. Ce tube a pour lui cependant l'avantage d'une faible consommation d'énergie comparée à celle d'une lampe à incandescence.
Pour remédier aux inconvénients cités ci-dessus, la présente invention propose un tableau d'affichage selon la revendication 1.
Un tel élément est connu en soi mais on n'en a jamais proposé l'utilisation dans un tableau d'affichage matriciel. Il trouve actuellement son application dans l'éclairage domestique ou encore dans les enseignes lumineuses.
Dans le premier cas, il s'agit de tubes de longueur variable rectilignes ou recourbés, ayant à chaque extrémité des électrodes constituées par un filament recouvert d'un dépôt d'oxyde émissif. L'atmosphère gazeuse contenue dans le tube se compose d'argon pour l'amorçage, à la pression de quelques millimètres de mercure, et d'une goutte de mercure. La décharge dans la vapeur de mercure provoque essentiellement des rayons ultra-violets à la longueur d'onde de 253,7 nm. La paroi du tube apparaît blanche, aspect que lui donne la substance fluorescente (phosphor) appliquée sur la face intérieure, et destinée à convertir le rayonnement ultra-violet en lumière visible.
Certaines enseignes lumineuses utilisent aussi des tubes dits luminescents pour lesquels la décharge dans le gaz crée directement l'effet lumineux. Dans ce cas, la paroi du tube est soit transparent soit coloré sans mettre à profit le phénomène de fluorescence. L'arrangement décrit dans le document GB-A-354 908 fait état de tubes à remplissage de néon - qui donnera une couleur rouge organé - ou de vapeur de mercure - qui donnera une couleur bleue -. En plus de cela, cet arrangement ne constitue nullement un tableau matriciel puisqu'il est composé d'une multitude de segments rectilignes de longueurs diverses et imbriqués de telle façon qu'on forme telle lettre ou tel chiffre par l'allumage d'un nombre déterminé de ces segments. L'élément émetteur de lumière décrit dans le document DE-A-2 031 610 utilise également des tubes au néon pour équiper un système d'affichage à défilement d'écriture. L'élément cité comporte trois tubes émettant des couleurs différentes. Cependant, il n'est indiqué aucun moyen pour mélanger les couleurs qui permettrait d'obtenir à la sortie de l'élément une lumière dont la longueur d'onde résultante peut varier le long de tout le spectre visible. Généralement, les tubes luminescents sont mal adaptés à l'usage qu'on veut en faire dans un tableau d'affichage matriciel puisque pour obtenir les trois couleurs fondamentales on est obligé de combiner le gaz de remplissage avec la couleur du tube, ce que conduit à des éléments qui ne présentent plus la même intensité de lumière pour chacun des trois tubes.
Par rapport à la lampe à incandescence, le tube fluorescent présente plusieurs avantages. Il a un haut rendement lumineux de l'ordre de 40 lumens par watt, ce qui amène, pour un flux lumineux comparable, à une consommation nettement moins grande. Sa durée de vie moyenne dépasse les 7'500 heures, ce qui contribue à augmenter la fiabilité de tout le tableau d'affichage. Il montre aussi un dégagement de chaleur très faible, ce qui a pour effet de réduire les mouvements de convection et partant des traînées noirâtres de poussière amenées par cette convection. Enfin, le tube présente une température de couleur invariable en fonction de la luminosité qu'il produit, ainsi qu'un très faible noircissement du bulbe - localisé à l'endroit des électrodes - en fonction de sa durée de vie.
Par rapport au tube à rayons cathodiques, le tube à fluorescence présente une consommation à peu près égale, par contre son prix est nettement inférieur et il ne nécessite pas d'alimentation à très haute tension. De plus, le nombre d'électrodes est réduit à deux.
Ainsi, l'utilisation du tube à fluorescence dans les tableaux d'affichage à grandes dimensions comme prévu dans la présente invention permet de proposer un nouveau produit avantageux par sa consummation réduite, par le qualité des images transmises et par son prix raisonnable.
L'invention sera comprise maintenant à l'aide de la description qui va suivre et qui donne, à titre d'exemple et à l'aide des dessins qui l'accompagnent, plusieurs modes de réalisations pour lesquelles:

La figure 1 est une représentation schématique d'un tableau d'affichage selon l'art antérieur.
La figure 2 montre un élément émetteur de lumière blanche équipé d'un seul tube fluorescent selon une première variante de l'invention.
La figure 3 montre un élément émetteur de lumière colorée équipé de trois tubes fluorescents selon une seconde variante de l'invention.
La figure 4 présente l'élément de la figure 3 vue de face selon une première disposition des tubes.
Les figures 5 et 6 présentent des éléments émetteurs de lumière selon d'autres dispositions des tubes que celle montrée en figure 4.
La figure 7 est un schéma électrique montrant un principe d'alimentation d'un élément émetteur de lumière utilisant trois tubes fluorescents colorés.
La figure 8 est un diagramme de temps montrant la tension d'alimentation et les courants respectifs circulant dans chacun des éléments émetteurs de lumière.

La figure 1 montre un tableau matriciel tel qu'on le connaît de l'art antérieur. Le tableau proprement dit 1 est équipé d'ampoules à incandescence 2 alignées en lignes et en colonnes les unes à côté des autres. Cet arrangement couramment utilisé dans des stades peut atteindre de très grandes dimensions comme on l'a vu plus haut. Liée au tableau par le conducteur 3, on trouve une cabine de régie 4. Cette cabine est équipée de tout l'appareillage nécessaire à la transmission d'images statiques ou animées. Il est ainsi possible d'afficher des textes comme des résultats sportifs, de la réclame, des évènements animés ou des reprises desdits évènements au moyen de caméras, de disques, de bandes magnétiques, etc. A chaque élément émetteur de lumière correspond une ampoule à incandescence si l'affichage a lieu en noir-blanc. Un dispositif permet alors de varier l'intensité lumineuse produite par l'ampoule pour aboutir aux multiples dégradés de lumière qui composent une image. Dans le cas des tableaux en couleur, chacun de ces éléments comprendra trois ampoules à incandescence (rouge, vert, bleu) ou trois tubes à rayons cathodiques. En variant séparément l'intensité lumineuse produite par les trois tubes, on parvient à une lumière résultante qui peut couvrir tout le spectre visible.
Comme on l'a déjà expliqué dans le préambule, la présente invention vise à remplacer la lampe à incandescence ou le tube à rayons cathodiques par au moins un tube à décharge appelé généralement tube fluorescent pour former l'élément émetteur de lumière. La figure 2 montre un tel élément 24. Le tube fluorescent 5 est monté dans un compartiment 6. Pour répondre aux lois physiques qui le gouvernent et en rappelant que la puissance lumineuse émise est fonction de la longueur du tube, le tube 5 doit avoir une certaine longueur. Pour y parvenir, on a préféré lui donner ici une forme de U. Ainsi la face visible 7 de l'élément reste comprise dans des dimensions qui sont compatibles avec l'affichage matriciel proposé soit environ 80 cm², ce qui représente un carré de 9 cm de côté.
On comprendra cependant que pour utiliser tout le rayonnement lumineux du tube, donc aussi celui de ses parties rectilignes, il sera nécessaire de prévoir un système de réflecteur renvoyant vers l'avant de l'élément la lumière issue desdites parties rectilignes. Ceci peut être réalisé par exemple au moyen d'un réflecteur placé à l'arrière du compartiment à la place de la face 8, ce réflecteur étant complété selon la géométrie dudit compartiment par un miroir diffus formant les parois 9 du compartiment.
Le compartiment représenté dans la figure 2 est parallélipipédique. On pourrait imaginer d'autres géométries sans pour autant s'écarter de la présente invention. Ainsi, le compartiment pourrait être triangulaire, le sommet du triangle se trouvant à l'endroit des connexions du tube et ceci dans le but d'améliorer l'effet de réflexion présenté par les parois. De même, la face avant pourrait être munie d'un système anit-reflet.
L'élément émetteur de lumière qui vient d'être décrit trouve son application dans des tableaux noir-blanc. On équipera l'élément d'un socle pour les connexions électriques et de système d'attaches simples pour le rendre facilement amovible. Ainsi conçu, il sera facilement interchangeable et très accessible au personnel d'entretien.
La figure 3 montre un élément émetteur de lumière colorée 24 équipé de trois tubes fluorescents. Il ne se distingue de celui présenté en figure 2 que par la juxtaposition de trois tubes fluorescents de couleurs différentes référencés 10, 11 et 12. Comme on l'a déjà dit plus haut, c'est la substance fluorescente appliquée sur la paroi du tube qui convertit le rayonnement ultraviolet de la décharge en lumière visible. Ainsi, dans l'élément de la figure 3, le tube 10 rayonne dans le rouge (on utilise alors du borate de calcium comme substance fluorescente), le tube 11 dans le vert (willémité) et le tube 12 dans le bleu (tungstate de calcium). Avec un mélange en proportions convenables des différentes substances, on produit la lumière blanche, et c'est ce mélange qu'on utilise pour le tube dessiné en figure 2.
On mentionnera ici que les trois couleurs de base peuvent aussi être obtenues à partir de trois tubes de couleur blanche complétés chacun par un filtre coloré indépendant situé à l'avant du tube. Si cet arrangement présente le désavantage d'ajouter des composants supplémentaires et de diminuer le rendement lumineux, il a pour lui cependant de ne mettre en oeuvre que des tubes d'une seule couleur blanche ne nécessitant pas de préparation spéciale quant à leur substance fluorescente.
Si l'on varie indépendamment l'intensité de la lumière émise par chacun des trois tubes colorés, on obtient à la sortie de l'élément une lumière dont la longueur d'onde résultante peut varier du violet au rouge, c'est-à-dire de 330 à 700 nm, et ceci pour autant qu'on prenne un certain recul par rapport à la face avant de l'élément.
Les mêmes observations qui ont été faites à propos de l'élément noir-blanc peuvent être faites pour l'élément de couleur (réflecteurs, forme du compartiment, système anti-reflet, construction amovible). Pour certains arrangements particuliers, on prendra soin en outre de séparer les tubes de couleur par des cloisons 13.
La figure 4 est une vue de face de l'élément 24 de la figure 3. A partir de cette vue, on peut envisager d'autres dispositions des tubes dans l'élément émetteur où, par exemple,
la figure 5 montre une disposition où les tubes sont disposés bout à bout pour circonscrire une surface fermée, ici un triangle, et
la figure 6 montre une disposition en spirale où les tubes observés de la face avant presentent des portions de cercles. Les extrémités de ces portions sont coudées à 90° pour former des parties rectilignes qui s'étendent derrière le plan de la figure.
D'autres dispositions que celles montrées aux figures 4, 5 et 6 peuvent être envisagées sans pour autant s'écarter de l'objet de la présente invention. Ainsi, l'élément coloré n'est pas limité à l'utilisation de trois tubes. Un quatrième tube, par exemple, pourrait y être ajouté qui, dans certaines circonstances, peut améliorer la continuité du spectre lumineux.
Pour l'application dont il est question ici, on utilisera de préference des tubes fluorescents à cathodes chaudes où, à chaque extrémité du tube se trouve placée une électrode constituée par un filament. La tension d'alimentation est appliquée à chacune des électrodes pour provoquer la décharge et l'allumage de tube. Quand on utilise un tel tube pour l'éclairage domestique sur fréquence industrielle, on l'équipe en général d'un starter et d'une inductance ballast pour limiter le courant. On sait que ce dispositif provoque un certain retard à l'allumage, ce qui ne saurait naturellement convenir à la présente application où l'on souhaite afficher non seulement des textes statiques mais encore des images en mouvement issues de scènes prises sur le vif (caméra de prise de vues ou encore télécinéma). On donnera donc la préférence à une alimentation dite à haute fréquence qui permet non seulement un allumage instantané du tube, mais encore une diminution de consommation de l'ordre de 20% tant il est vrai que le rendement lumineux du tube augmente avec la fréquence. Cette disposition permet aussi de réduire le ballast quant à son volume, ce qui entraîne également une diminution de poids et de prix. Une telle alimention est décrite sommairement dans "Hex- fet Databook, International Rectifier, 1981" au paragraphe "fluorescent lighting".
La figure 7 donne un schéma possible d'alimentation d'un élément émetteur de lumière 24 selon l'invention. Ici, l'elément comporte trois tubes fluorescents 20 (rouge), 21 (bleu) et 22 (vert). Un générateur de puissance 23 dimensionné pour alimenter une pluralité d'éléments produit une tension Ug dont la fréquence est choisie entre 5 et 30 kHz à partir de la tension secteur Us. Les filaments 25 à 30 sont alimentés au moyen du transformateur 31 commun aux filaments 26, 28 et 30 et des transformateurs 32, 33 et 34 pour alimenter respectivement les filaments 25, 27 et 29. Le primaire de chacun de ces transformateurs est connecté à la source d'énergie Ug.
On mentionnera que le transformateur 31 peut également être dimensionné pour alimenter une pluralité de tubes et non seulement les trois tubes formant l'élément émetteur de lumière. Pour isoler galvaniquement les filaments 25, 27 et 29 des filaments correspondants 26, 28 et 30, il est nécessaire de mettre en oeuvre trois transformateurs séparés 32, 33 et 34 ou un seul transformateur à plusieurs enroulements secondaires. On remarquera que ces transformateurs sont de dimensions réduites puisque fonctionnant à haute fréquence.
On allume les tubes 20, 21 et 22 en agissant respectivement sur les éléments 35, 36 et 37 placés en série dans le circuit du tube et qui se présentent sur la figure sous la forme d'intér- rupteurs. Le circuit de chacun des tubes est complété respectivement par un élément 38,39 et 40 qui a pour but de stabiliser le courant circulant dans le tube. Cet élément peut être une résistance, une inductance ou encore un condensateur. Le premier cas présente peu d'intérêt car la résistance provoque des pertes supplémentaires. Dans les deux derniers cas, il s'agira d'éléments peu encombrants vu la fréquence élevée de fonctionnement.
Selon l'invention, l'intensité de la lumière fournie par chacun des tubes va dépendre dans ce système du temps pendant lequel son interrupteur va rester fermé par rapport à une période de référence qu'on se fixe. Ainsi, si l'on choisit judicieusement les couleurs élémentaires de chacun des tubes et qu'on règle séparément le flux lumineux émis par chacun d'entre eux par le truchement du temps de fermeture de leur interrupteur respectif, on obtiendra finalement une couleur qui sera le résultat du mélange de chacun des flux lumineux correspondants et qui pourra s'étendre sur tout le spectre visible.
Les interrupteurs 35, 36 et 37 peuvent se présenter sous différentes formes, par exemple, sous celle de triacs commandés par les signaux vidéo générés par une caméra de prise de vues via un convertisseur A/D et une logique de commande appropriée. On retrouve ici les moyens déjà connus de l'état de la technique et qui sont appliqués dans les tableaux matriciels en couleur qu'on trouve sur le marché.
La figure 8 est un diagramme de temps montrant la tension d'alimentation Ug appliquée aux bornes des tubes et les courants 1₂₀, I₂₁ et 1₂₂ circulant dans chacun d'eux en fonction de la fermeture respective des éléments de contrôle 35, 36 et 37. Dans ce diagramme, la première ligne représente la tension d'alimentation Ug fournie par le générateur 23 (voir figure 7). Cette tension est formée par la juxta-position de périodes de référence T, comportant chacune au moins 64 alternances T_a. On allume le tube 20 (rouge) à l'intensité lumineuse voulue en fermant l'élément 36 pendant une période T₁ et T, d'où il résulte un courant I₂₀ dans le tube. On procède de la même façon pour les tubes 21 (bleu) et 22 (vert) pendant des périodes T₂ et T₃ respectivement d'où il résultera les courants I₂₁ et I₂₂. Comme on l'a expliqué plus haut, la couleur résultante à la sortie de l'élément dépendra des temps d'enclenchement relatifs de chacun des tubes durant la période de référence. En d'autres termes, on peut dire que l'intensité lumineuse émise par un seul tube sera contrôlée par inhibition d'un nombre variable d'alternances T_a pendant la période de référence T_r. Ceci est vrai également pour un tube irradiant une couleur blanche, ce qui fait que ce type d'alimentation peut s'appliquer aussi à un tableau matriciel noir-blanc.
Dans des tableaux matriciels noir-blanc connus, on utilise aujourd'hui couramment 16 tons de dégradés entre le noir et le blanc, ce qui permet une reproduction- convenable d'images vidéo. Dans ce cas, un signal digitalisé à 4 bits suffit. Cependant, on fera remarquer que pour une image en couleur, d'une part, on souhaite un dégradé d'intensité lumineuse relative à une couleur déterminée ― comme pour le noir et le blanc - et, d'autre part, on doit être en mesure de varier séparément l'intensité lumineuse de chacun des trois tubes pour créer ladite couleur déterminée. Il résulte de cela qu'une commande basée sur un signal à 4 bits est tout à fait insuffisante. Des expériences pratiques ont montré qu'il est nécessaire de prévoir au moins 64 tons de dégradés, ce qui fait que la période de référence T_r dont il a été question à propos de la figure 8 doit comporter au moins 64 alternances, ce qui conduit à disposer d'un signal digitalisé à 6 bits. Des résultats encore meilleurs sont atteints avec 128 alternances (7 bits) et 256 alternances (8 bits), ce qui permet d'adapter le système à la perception visuelle selon une fonction logarithmique par exemple.
L'alimentation de l'élément émetteur de lumière n'est par limitée à la description donnée ci-dessus. Dans une variante non représentée au dessin, on varie non plus le nombre d'alternances pendant la période de référence, mais la largeur de ces alternances. On est conduit ainsi à une modulation par largeur d'impulsions (PWM).

Claims

1. Tableau d'affichage matriciel (1) comportant une pluralité d'éléments émetteurs de lumière (24), chaque élément comprenant au moins trois tubes (20, 21,22), la paroi interne de chaque tube étant revêtue d'une substance fluorescente apte à produire pour le premier une lumière rouge, pour le deuxième une lumière verte et pour le troisième une lumière bleue, lesdits tubes étant alimentés en énergie par un générateur, un moyen interrupteur (35, 36, 37) étant disposé en série dans le circuit d'alimentation de chaque tube, ledit moyen interrupteur étant activé en position de fermeture par un signal de commande et pendant une durée (T₁, T₂, T₃) correspondant au temps d'application dudit signal pour varier indépendamment l'intensité lumineuse de chacun des tubes et obtenir à la sortie de chacun des éléments (24) une lumière dont la longueur d'onde résultante peur varier le long de tout le spectre visible, caractérisé, en ce que les tubes sont des tubes à décharges contenant de la vapeur de mercure à basse pression et en ce que le générateur est un générateur à haute fréquence.

2. Tableau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le générateur à haute fréquence délivre un courant constitué par la succession de périodes de référence (T,) comportant chacune une pluralité d'alternance (T_a) et que le temps d'allumage de chaque tube (20, 21, 22) correspond au temps de fermeture du moyen interrupteur (35, 36, 37) correspondant, l'intensité lumineuse recherchée étant atteinte par inhibition d'un nombre déterminé d'alternances (T_a) contenues dans ladite période de référence (T_r).

3. Tableau selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la période de référence comporte au moins 64 alternances (T_a).

4. Tableau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes sont du type à cathodes chaudes.

5. Tableau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes composant un élément sont disposés côte à côte.

6. Tableau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes composant un élément sont disposés bout à bout pour circonscrire une surface fermée.

7. Tableau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes composant un élément sont courbés et imbriqués pour former une spirale.