Brevet FR2016673A1 — publié le 19700508

La présente invention se rapporte à des circuits électriques de contrale pour contrôler le courant vers un dispositif à impédance variable, tel qu'une lampe à décharge gazeuse. Des lampes à décharge de vapeur telles que des lampes fluorescents, des lampes au mercurey des lampes à argon-mercure, des lampes à mercure-xOnon et des lampes à xénon présentent une caractérisque de résistance très élevée Jusqu a ce que le gaz soit ionisé. Les circuits de contrôle ou d'entraînement pour ces lampes doivent fournir une tension initiale élevée pour 11 allumage. Par exemple, des lampes à démarrage instantané- et des lampes à arc court exigent généralement une tension en circuit ouvert supérieure à 400 volts, pour éjecter les électrons par émission de champ afin de commencer la décharge. Après l'ionisation, les lampes présentent une caractéristique de résistance négative et, en conséquence, le courant à 1tétant permanent vers ces lampes doit être limité. Des transformateurs ballasts à haute réactance ont généralement été utilisés dans le passé pour fournir une tension de démarrage élevée et pour limiter le courant à ltétat permanent vers des lampes à décharge gazeuse. Des ballasts inductifs ont été également utilisés dans ce but. Dans de nombreux cas, on a aussi employé un condensateur avec le ballast pour fournir la tension initiale élevée et/ou pour fournir une correction de facteur de puissance. Un condensateur qui fournira une telle tension de démarrage initiale doit avoir une grande capacitance, par exemple 100 microfarads, et un calibrage de 450 volts ou davantage.La plupart des condensateurs non polaires convenant à cette utilisation sont très grands et très motteux. Les condensateurs électrolytiques sont moins coûteux et plus petits que la plupart des condensateurs non polaires mais pré- sentent plusieurs inconvénients. Par exemple, les condensateurs électrolytique s exigent un temps considérable pour accumuler-une charge complète. Egalement, les condensateurs électrolytiques sont sensibles à la direction du courant. Une inversion de direction de courant peut amener le condensateur à exploser. Par-suite, une connexion à la terre vers les circuits d'entraînement employant des condensateurs électrolytiques a généralement été exigée. Ces connexions à la terre rendent difficile l'installation des circuits. Ces inconvénients et d'autres encore dans les circuits d'entraRne- ment de lampes de la technique antérieure ont été surmontés par la présente invention. Selon la présente invention, un circuit d'entraRnement est connecté i une source de tension alternative pour fournir une tension initiale élevée et un courant limité, à l'état permanent, A une charge d'impédance variablsJtellpqutune lampe à décharge gazeuse. Le circuit d1entratnement comprend un multiplicateur de tension pour fournir une tension de sortie en courant continu qui est approximativement égale à un multiple de la valeur de pic de la tension de la source, en l'absence de charge. Des moyens qui peuvent comprendre un dispositif à courant unidirectionnel sont connectés entre le multiplicateur et la charge pour appliquer la tension de sortie du multiplicateur sur la charge lorsque la chute de tension sur la charge est inférieure à la tension de sortie.Lorsque la tension initiale exigée pour allumer la lampe dépasse la charge de tension de sortie du multiplicateur, des moyens d'emmagasinage tels qu'un condensateur peuvent être connectés entre la source et la charge. Le condensateur est connecté dans le circuit pour être chargé jusqu'à la tension de sortie du multiplicateur, durant une alternance de la tension de source, et pour fournir une tension qui s'ajoute à la tension de source durant l'autre alternance. La présente invention sera maintenant décrite en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels La figure 1 est un diagramme de circuit schématique d'un exem- ple de réalisation préféré de la présente invention. La figure 2 est un graphique présentant les formes d'ondes des tensions à des points prédéterminés dans le circuit de la figure 1, et La figure ) est un diagramme de circuit schématique d'un autre exemple de réalisation de la présente invention. En se référant maintenant à la figure 1, on représente une source de courant 10 à tension alternative, connectée entre deux bornes d'entrée 12 et 14 d'un multiplicateur de voltage 16 par l'intermédiaire d un commutateur 18. Le multiplicateur 16 est un circuit classique doubleur, redresseur des deux alternances, et comprend deux condensateurs d'emmagasinage d'énergie 20 et 22. Un condensateur d'uniformisation 24 est connecté sur les condensateurs 20 et 22 tel que reprdsenté. Le condensateur 20 est chargé par une diode 26 durant les alternances positives de la tension appliquée courant alternatif. Le condensateur 22 est chargé durant 1al- . . . . ternance négative de la tension alternative appliquée par l'inter mddiaflredrune diode 28. Chacun des condensateurs 20 et 22 est chargé approximativement jusqu'à la valeur de pic de la tension al ternative appliqué., en l'absence de charge. Les condensateurs 20 et 22 sont etfectivement en série pour le circuit de sortie de multiplicateur qui est connecté b deux bornes de sortie 30 et 32 par l'intermédiaire d'un dispositif porteur de courant unidirectionnel ou diode 34. La tension de sortie du multiplicateur est égale à la somme des tensions sur les condensateurs 20 et 22. Une lampe à décharge gazeuse 36 et une résistance inductive 38 sont connectées sur les bornes de sortie 30 et 32, tel que représenté. L'inducteur 38 est adapté à la fréquence de résonance de la lampe et sert d'élément à retard de temps. L'inducteur 38 retarde et limite le transfert d'énergie des condensateurs 20 et 22 à la lampe après que la lampe ait été allumée. La diode 34 est polarisée dans le sens direct seulementquandlachute de tension sur la charge (lampe et inducteur) est inférieure à la tension de sortie du multiplicateur 16. Des moyens d'emmagasinage de charge sous forme d'un condensateur 40 sont connectés entre la borne d'entrée 12 et la borne de sortie 30. Le condensateur 40 est chargé jusqu'à la tension de sortie du multiplicateur durant les alternances négatives de la tension appliquée. Durant ces périodes, la borne de sortie 32 est connectée à la borne d'entrée 12, par la diode 28, polarisée dans le sens direct, et le condensateur 40 est connecté en parallèle avec le eir- cuit de sortie de multiplicateur ou condensateur 24. Durant les alternances positives de la tension appliquée, la tension sur le condensateur 40 est ajoutée à la tension appliquée.Durant la même alternance, la tension sur le condensateur 22 est également ajoutée à la tension appliquée en fournissant ainsi une tension de pic sur les bornes de sortie, en l'absence de charge qui est quatre fois la valeur de pic de la tension appliquée. En se référant maintenant spécifiquement au graphique de la figure 2, la tension appliquée alternative est désignée par V10. Les tensions apparaissant sur les condensateurs 20, 22, 24 et 40 sont désignées par les symboles V20, V22 > V24 et V40, respectivement. La tension apparaissant sur les bornes de sortie 30 et 32 est désignée par le symbole V34. La tension en circuit ouvert sur les bornes de sortie du circuit d'entratnement est représentée par des lignes en pointillé sur le graphique V34.Cette tension en circuit ouvert varie entre approximativement quatre fois la valeur de pic de la tension appliquée et deux fois la valeur de pic de la tension appliquée, puisque la tension d'entrée appliquée s'ajoute aux tensions sur les condensateurs 40 et 22 durant des alternances positives et se soustrait à ces tensions durant les alternances négatives. Ainsi, la tension de sortie en circuit ouvert du circuit ressemble à une onde sinusoIdale qui est symétrique autour dtun niveau de tension continue, égal approximativement à trois fois la valeur de pic de la tension appliquée. Par exemple, si la tension appliquée V10 a une valeur efficace de tension de 120 volts, qui fournit une valeur de pic de 165 volts, la tension de sortie variera entre 330 et 660 volts. La tension d'amorçage de la lampe 36 doit être, bien sûr, inférieure à la tension maxima appliquée sur les bornes de sortie. Dans les graphiques représentés sur la figure 2, la tension d'allumage de lampe est atteinte au temps tl. Lorsque la lampe 36 s'allume, une faible impédance apparatt entre les bornes de sortie. Immédiatement après l'allumage, le condensateur 40 est ddchargé par l'intermédiaire de la lampe 36, tel que représenté par la courbe V40. Au temps tl, les condensateurs 20, 22, 24 commencent également à se décharger. Au temps t2, le condensateur 22 commence à se recharger jusqu'à la valeur de pic de la tension appliquée t10 Au temps t3, la source 10 commence à recharger le condensateur 20. La tension V24 apparaissant sur le condensateur 24 est bien sûr égale à la somme des tensions apparaissant sur les condensateurs 20 et 22. La tension sur les bornes de sortie, le courant traversant la lampe, sera approximativement égale à la tension sur le condensateur 24. Les condensateurs 24 et 40 sont petits par rapport aux condensateurs 20 et 22. La valeur des condensateurs variera selon la puissance de sortie exigée. Par exemple, on a trouvé qu'une valeur de 30 microfarads pour les condensateurs 20 et 22 et de 7 microfa- rads pour les condensateurs 40 et 24 fournira approximativement une puissance de sortie de 400 watts pour approximativement 170 volts. Tous les condensateurs sont de préférence du type non polaire pour éliminer la nécessité d'avoir une connexion à la terre vers le circuit d'entraînement. Les condensateurs 20 et 22 doivent avoir un calibrage de tension au moins égal à la valeur de pic de la tension alternative appliquée. Les condensateurs 24 et 40 doivent avoir un calibrage de tension qui est au moins deux fois cette valeur de pic. Le circuit d'entratnement illustré sur la figure 1 limite le courant de sortie pour fournir une source stable d'énergie pour les charges, telles qu une lampe à décharge gazeuse, qui présentent une caractéristique d'impédance négative. Les bornes de sortie du circuit doivent être court-circuitées et, dans ce cas, la puissance de sortie est nulle et le circuit ressemble seulement à une charge de capacitance. On a trouvé que le circuit était extrêmement utile pour fournir une tension initiale élevée afin d'ioniser le gaz dans la lampe à gaz et pour limiter ensuite le courant et la puissance consommés par la lampe jusqu'à une valeur correcte pour la sécurité. Un ballast standard pour contrôler le courant vers des lampes à arc court à vapeur métallique, pour allumer l'éclairage public, exige un ballast à bobine et à bottier. Un tel ballast standard pèse approximativement 20,4 kg, est excessivement coûteux à fabriquer et à entretenir et fonctionne approximativement à 800C. -Un ballast utilisant les principes de la présente invention pour contrôler une lampe pèse moins de 2,25 kg, fonctionne approximativement à 980C et est beaucoup moins coûteux à fabriquer et à entretenir que le ballast standard. En se référant maintenant à la figure 3 où des éléments semblables reçoivent les mêmes références que sur la figure 1, une bobine de choc 50 est connectée en série avec la source 10, tel que représenté. La bobine de choc fournit une réactance inductive pour corriger le facteur de puissance du circuit par la compensation du courant vers l'avant entraîné par le multiplicateur 16. La valeur de réactance de la bobine de choc 50 est de préférence présentée pour fournir un facteur de puissance d'ensemble compris entre 0,9 et 1,0. L'exemple de réalisation de la figure 3 comprend aussi un commutateur 52, actionné par une ligne, pour inverser la polarité de la tension appliquée sur la lampe 36 chaque fois que le commutateur 18 est fermé. Ce circuit est particulièrement utile avec des lampes (c'est-à-dire avec des lampes au mercure) dans lesquelles une matière émettant des électrons, telle que du thorium, est portée par des filaments, ou des électrodes constitués de tungstène. L'inversion périodique de la polarité de la tension continue appliquée minimise ou élimine la-tendance à la matière émettant les électrons à migrer vers une électrode. Le commutateur d'inversion 52 comprend deux commutateurs calibrés 54 et 56 actionnés par un solénoïde 58. Le solénoïde 58 est connecté sur les bornes d'entrée 12 et 14 pour faire tourner les contacts 54a et 56a du commutateur 52 sur 1800 chaque fois que la puissance est appliquée au circuit. Les contacts tournants 54a et 56a sont connectés aux bornes de sortie 30 et 32, tel qu'illustré. Des contacts fixes 54b et 54c sont connectés à des bornes opposées de la lampe 36 par les inducteurs 38, tel que représenté. Des contacts stationnaires 56b et 56c sont également connectés à des bornes opposées de lampe. Les contacts tournants 54a et 56a s'engagent dans les contacts 54b et 56b, respectivement, lorsque le commutateur est dans une position. Une rotation de 180 amène les contacts tournants 54a et 56a à s'engager dans les contacts fixes 54c et 56c, respectivement. Diverses modifications du circuit d'entratnement apparattront aux personnes expérimentées dans la technique. Par exemple, le circuit multiplicateur pourrait être modifié pour fournir une tension de sortie triplée ou quadruplée. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Circuit d'entratnement pour appliquer une tension initiale élevée et une tension inférieure à l'étant permanent, pour un courant limité, à une charge d'impédance variable à partir d'une tension alternative, caractérisé en ce qu'il comprend un multiplicateur de tension connecté à la source pour produire, à deux bornes de sortie adaptées pour être connectées à une charge, une tension de sortie continue qui est approximativement égale à un multiple de la valeur de pic de la tension de source, lorsqu'il n'y a pas de charge pour le multiplicateur, des moyens d'emmagasinage de charge adaptés pour une connexion entre la source et une des bornes de charge, afin de recevoir une charge proportionnelle à la tension de sortie de multiplicateur durant une alternance de la tension de source, la tension sur les moyens d'emmagasinage de charge s1ajoutant à la tension de source durant autre alternance de la tension de source, pour fournir une tension initiale élevée pour la charge, et des moyens pour appliquer la tension de sortie continue du multiplicateur à la charge lorsque la tension exigée par la charge est inférieure au multiple de la valeur de pic. 2 - Circuit d'entraînement selon la revendication 1, caractérisé sé en ce que le multiplicateur comprend un premier et un second condensateurs, et un premier moyen pour charger un des condensateurs durant une alternance de la tension de source et un second moyen pour charger le second condensateur durant l'autre alternance. 3 - Circuit d'entraenement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier moyen pour charger un condensateur comprend le premier condensateur et une diode connectés en série sur la source, et l'autre moyen comprend le second condensateur et une autre diode connectés en série sur la source. 4 - Circuit d'entratnement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le multiplicateur est un circuit doubleur de tension sur les deux alternances et comprend, en outre, un troisième condensateur connecté en parallèle sur le premier et le second condensateurs connectés en série. 5 - Circuit d'entranement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'emmagasinage de charge comprend un condensateur d'emmagasinage de charge, et les moyens pour appliquer la tension de sortie continue du multiplicateur à la charge comprennent une diode connectée entre la sortie du multiplicateur et la jonction du condensateur d'emmagasinage de charge et une borne de charge. 6 - Circuit dtentratnement selon la revendication 5, caractérisé en ce que la capacitance du condensateur d'emmagasinage de charge est faible par rapport à la capacitance du premier et du second condensateurs. 7 - Circuit d'entratnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une réactance inductive connectée entre la sortie du multiplicateur et une borne de charge pour améliorer le facteur de puissance du circuit. 8 - Circuit d'entratnement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la réactance inductive maintient le facteur de puissance du circuit entre l'unité et 0,9. 9 - Circuit d'entratnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge comprend une lampe à décharge gazeuse. 10 - Circuit d'entratnement selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on prévoit un commutateur d'inversion pour inverser la lampe par rapport à la tension sur les deux bornes de sortie de charge, afin de minimiser les migrations de matière émettant les électrons à l'intérieur de la lampe.