LED RVB: comment ça marche ?

Les LEDs RVB, ce sont ces LEDs qui changent de couleur et qu’on voit de plus en plus sur les manèges. On dit RVB car pour produire ces changements de couleur, on utilise en fait 3 LEDs de couleur différente : rouge, vert et bleu d’où le nom de RVB. En anglais on dit RGB pour red, green, blue.

Newton

Newton était un chercheur anglais du 17-18^ème siècle. Il est surtout connu pour ses travaux sur la gravité et les forces, qui sont à la base des calculs de structures utilisés aujourd’hui. Par exemple pour calculer l’épaisseur de la tôle sur un manège pour qu’il résiste à une force donnée.

Il a aussi travaillé sur l’optique, on lui doit notamment le télescope. Il s’est intéressé à la décomposition de la lumière blanche par un prisme. Une de ses expériences consistait à  faire passer de la lumière blanche à travers un prisme, il obtenait  alors un arc-en-ciel  qu’il faisait passer à travers une lentille convergente puis à travers un second prisme et il en ressortait de la lumière blanche.

Il en déduisit que la lumière blanche était en fait composée de plusieurs couleurs.  Pour prouver sa théorie, il mit les 7 couleurs  de l’arc-en-ciel sur un disque qui une fois en rotation rapide devient blanc. Ceci est connu sous le nom de disque de Newton.

Disque de Newton

Si à l’époque, ses travaux sur la décomposition de la lumière n’ont pas trouvés d’applications, que ça ne servait à rien, c’est quand même grâce à ça qu’aujourd’hui on peut regarder la télé en couleurs.

La vision en trichromie

Thomas Young, physicien et médecin anglais du 18-19^ème siècle émet une hypothèse selon laquelle l’œil humain n’est sensible qu’à 3 couleurs.

Hermann Von Helmholtz, physicien allemand du 19^ème siècle poursuit les travaux de Young sur la vision en trichromie.

Il faudra attendre 1956 pour avoir la preuve que l’œil humain voit seulement le rouge, le vert et le bleu.

L’œil humain est constitué de 4 types de récepteurs :

• 3 types de cônes, sensibles au rouge, vert et bleu
• Les bâtonnets, plus sensibles à la lumière que les cônes. C’est eux qui nous servent à voir quand il y a peu de lumière, n’étant pas sensibles à une couleur particulière, c’est pour ça qu’on voit en noir et blanc en conditions de lumière faible.

Images en couleurs

James Clerk Maxwell, un physicien écossais du 19^ème siècle, en se basant sur le fait que l’œil ne voit que 3 couleurs appliqua ce principe à la photographie dans le but de faire des photos en couleurs. Selon sa théorie, en prenant 3 photos avec un filtre rouge, vert et bleu et en combinant ces 3 photos, on obtiens alors une photo en couleurs. Le résultat n’était pas vraiment celui attendu, la faute à la sensibilité des plaques qui est inégale selon la longueur d’onde de la lumière (=couleur).

Tombé dans l’oubli, ce procédé sera réinventé à la fin du 19^ème siècle avec de meilleurs résultats. Son gros défaut est sa mise en œuvre qui est lourde, il faut faire 3 photos puis les recombiner, ce qui demande un certain savoir-faire. C’est pour cela que la photo noir et blanc restera largement utilisée jusqu’à ce que les films couleurs deviennent simples d’utilisation, peu coûteux et se démocratisent dans les années 1970.

Synthèse additive et soustractive

La synthèse additive consiste à créer des couleurs en additionnant les 3 couleurs primaires qui sont le rouge, le vert et le bleu. Cela s’applique lorsque l’on mélange des sources de lumière, c’est le principe utilisé par tous les écrans couleurs et nos LEDs RVB.

La synthèse soustractive, c’est l’inverse, on soustrait des couleurs. Les 3 couleurs primaires sont le cyan, le magenta et le jaune. Cela s’applique aux mélanges de peinture, lorsque c’est une surface qui réfléchit de la lumière blanche. C’est notamment le principe de fonctionnement des imprimantes auxquelles on rajoute en plus une encre noire pour une meilleure qualité et pour éviter d’utiliser l’encre de couleur pour une question de coûts.

Remarquez que dans les 2 cas, les couleurs complémentaires de la synthèse additive, mélange de 2 couleurs primaires, sont les couleurs primaires de la synthèse soustractive et vice versa.

Avec la synthèse, qu’elle soit additive ou soustractive, on peut ainsi obtenir toutes les couleurs voulues en faisant varier la proportion de chacune des 3 couleurs primaires.

Le contrôle des LEDs RVB

Maintenant, on va parler du contrôle des LEDs, comment on fait changer leur couleur.

En informatique, le codage des couleurs se fait sur un certain nombre de bits qui vont représenter la gamme de couleurs reproductible. Un bit, c’est un 1 ou un 0, un octet, c’est une série de 8 bits, soit 8 zéros ou/et uns. Avec cela, on peut coder 2^8 = 256 combinaisons possibles.

Codages de couleurs

• Avec un codage sur 8 bits, on peut obtenir 2^8 = 256 couleurs. 3 bits pour le rouge, 3 bits pour le vert et 2 bits pour le bleu.
• Sur 16 bits, 2^16 = 65 536 couleurs. 4 bits pour le rouge, le vert et le bleu, 4 bits optionnels pour la transparence.
• Sur 24 bits, 2^24 = 16 777 216 couleurs. . 8 bits pour le rouge, le vert et le bleu. C’est ce qu’utilise le JPEG, fichiers issus d’appareils photo.
• Sur 32 bits, 2^32 = 4 294 967 296 couleurs. 10 bits pour le rouge, le vert et le bleu. C’est largement plus que ce que peut distinguer l’œil humain, environ 10 millions de couleurs, c’est ce qu’utilisent les écrans d’ordinateurs depuis plus de 10 ans.

On va admettre que notre système est en 24 bits. Chaque LED possède alors 256 niveaux de luminosité. Attention, le niveau 0 est comptabilisé dans les 256 niveaux, les niveaux vont donc de 0 à 255. Le niveau 0 correspond à une LED éteinte et le niveau 255 correspond à une LED avec le niveau de luminosité maximal. Le niveau 128 correspond à une luminosité de 50%.

Quelques exemples de niveaux pour obtenir les couleurs.

Les programmes et communication des LED

Là, c’est difficile de trouver des infos sur le fonctionnement de l’électronique, si vous en avez, vous êtes les bienvenus.

Ce que l’on retrouve dans les cabochons RVB, ce sont des LED adressables. Elles sont alimentées comme des ampoules classiques avec 2 fils. À l’intérieur de chaque cabochon, on trouve un ou plusieurs ensembles de 3 LED RVB et un microcontrôleur. Un contrôleur maître gère l’ensemble des LED, c’est là-dedans qu’il y a les programmes pour la couleur des LED. Les ordres circulent dans les fils d’alimentation via CPL, comme ces boîtiers qui servent à relier des ordinateurs en réseau en utilisant  les prises de courant. Chaque cabochon à une adresse, certains peuvent avoir la même si l’on veut qu’ils aient le même programme, un peu comme un réseau informatique où chaque ordinateur à sa propre IP.

Le contrôleur envoie un message à l’ensemble des LED, dans le circuit d’alimentation et seules les LED concernés vont récupérer l’ordre, le microcontrôleur du cabochon va décoder l’ordre et mettre les niveaux de luminosité demandés pour chaque LED. Un fois un ordre envoyé, le contrôleur maître envoie l’ordre suivant et ainsi de suite pour créer les animations. Chaque cabochon a donc une place précise et ne doit pas être mis n'importe où sous peine de voir par exemple un cabochon s'allumer en vert au milieu d'autres cabochons allumés en rouge.

Il existe aussi les pixels LED, qui sont des grosses LED servant à faire des enseignes comme celle du Magic Dance ou du GMAX. On trouve aussi des rubans dont le principe reste le même.

Là, le fonctionnement est différent. Les pixels LED sont câblées avec 4 fils:

Chaque pixel est constitué d'un contrôleur, un WS2801 spécialement fait pour ça et d'une LED RVB. Les niveaux sont contrôlés en PWM (Pulse Width Modulation) ou en modulation de largeur d'impulsion. On envoie à la LED 0 ou 100% du courant en jouant sur la fréquence de commutation. Plus la commutation est rapide, plus la LED est lumineuse. Le même principe est utilisé pour le contrôle de vitesse de moteurs électriques et même dans les fours micro-ondes pour le contrôle de la puissance.

Les pixels LED ont un sens de branchement avec une entrée et une sortie de données.

Le signal d'horloge sers à synchroniser les pixels.

Le contrôleur envoie une série de bits, le codage est sur 24 bits pour chaque LED soit 8 bits pour chaque couleur. Les données arrivent sur le premier pixel qui récupère les 24 premiers bits sur son entrée et retransmet sur sa sortie le reste des données sans les 24 premiers bits. Le pixel suivant fait la même chose et ainsi de suite jusqu'au dernier pixel de la ligne.

Si l'on a 10 pixels sur notre ligne, il faudra donc envoyer 24 x 10 = 240 bits à l'entrée de la ligne. En théorie, le nombre de pixels sur la ligne est illimité. Une fois les données envoyées, les pixels gardent leur couleur jusqu'au prochain envoi de données.

Plantages d'enseignes! Vous l'avez peut-être déjà vu sur le Magic Dance, il arrive qu'une partie de l'enseigne fasse n'importe quoi. C'est soit à cause d'un contrôleur défectueux qui ne transmet pas correctement le reste des données sur sa sortie pour les pixels suivants, soit un problème de câblage, le signal d'horloge n'arrivant pas aux pixels suivants, ils sont désynchronisés. En éteignant et en rallumant l'enseigne, ça peut résoudre le problème.

Tout est expliqué ici, en anglais: http://learn.adafruit.com/12mm-led-pixels/overview

Sources: