Brevet FR2041785A1 — publié le 19710205

1. 2041785 La présente invention concerne des circuits régulateurs de puissance pour faire fonctionner des lampes gazeuses à'décharges électriques; elle concerne en particulier un nouveau circuit de commande pour faire varier continuellement le cou-5 rant fourni à une lampe gazeuse à décharges électriques par un circuit régulateur à avance, de phase. Un régulateur,- ou plus explicitement un circuit régulateur, est un dispositif à impédance positive couplé à une lampe gazeuse à décharges électriques pour compenser la résistance 10 négative de la lampe et ainsi éviter que la lampe ne brûle rapidement» Une lampe gazeuse à décharges électriques est un dispositif qui produit de la lumière lorsqu'un arc électrique produit une décharge dans un gaz ou une vapeur à pression contrôlée»Ges lampes ont une caractéristique connue sous le nom de résistance 15 négative; celle-ci permet au courant qui traverse ces-lampes a— près-allumage d'augmenter rapidement jusqu'à ce qu'elles soient brûlées » Par conséquent,, un dispositif ou un circuit à impédance positive, généralement appelé régulateur, est utilisé pour limiter 35 courant''circulant dans la lampe. De plus, le circuit régu-20 latéur est conçu pour produire la tension élevée en circuit ouvert nécessaire pour allumer la lampe parce que, dans la plupart des cas, la source d'énergie à laquelle est reliée le circuit ne possède pas des tensions d'amplitudes suffisantes pour produire l'allumage» 25 Les circuits régulateurs à: avance de phase.se sont mon trés les plus souhaitables pour le fonctionnement de lampes gazeuses à décharges électriques, au moins dans certains environ-nements» La caractéristique distinctive du circuit régulateur à - avance de phase est que l'impédance limitant le- courant passant 30 dans la lampe est essentiellement capacitive, à l'opposé d'un circuit régulateur à retard de phase dans lequel l'impédance limitant lé courant est essentiellement inductive» Les raisons qui font que le circuit régulateur à avance de phase est plus souhaitable sont principalement empiriques, du fait que les circuitsré-35 gulateurs sont calculés pour des lampes spécifiques et que, à son tour, une lampe spécifique est calculée pour un régulateur spécifique» C'est-à-dire que le fonctionnement du régulateur et celui des lampes dépendent l'un de l'autre et sont généralement adaptés pour que l'un corresponde au besoin de l'autre et vice versa» 40 Parmi les avantages d'un circuit régulateur à avance de phase sur BAD ORIGINAL ' 70 15813 ••• 2041785 le circuit régulateur à retard de phase, il y a: régulation améliorée du courant et de la" tension, courant de. ligne inférieur au démarrage, empêchement d'un redressement du courant de la lampe "du fait de la présence de la capacitance en série avec la lampe, 5 évitant ainsi les dégâts à la lampe et la surchauffe du régulateur, et, tensions d'allumage inférieures de la lampe. Un problème avec les circuits régulateurs à avance de phase a été la difficulté à faire varier le courant traversant la lampe» Lrincapacité à faire facilement varier le courant provient *10 principalement du fait que l'on ne dispose généralement pas de condensateurs variables, spécialement lorsque la -valeur de la capacitance. est grande» Par conséquent, la commande d'un courant variable dans les circuits régulateurs à avance de phase a été limitée à mettre en et hors circuits des condensateurs en parallèle. 15 La mise en et hors circuits des condensateurs n'a fournit qu'une commande par sauts du courant et n1est.normalement pas souhaitable parce que les tensions et les courants impliqués.sont très grands» . Selon la présente invention, il est maintenant fourni 20 une commande continue du courant dans la lampe, dans un circuit régulateur à avance de phase» Cette, commande continue., est réalisée en ajoutant un inducteur variable, en série', avec, la. lampe et le condensateur, et en choisissant le domaine de variation de 1' inductance pour que, lorsque l'inductance est changée, l'impédan-25 ce effective soit encore capacitive,conservant ainsi le fonctionnement en circuit régulateur à avance de phase» L'avantage immédiat de cette invention est l'élimination du besoin de commuter les tensions et les courants importants en jeu; cependant, et c' est aussi important, l'invention fournit une-commande continue et 30 non par sauts du courant de la lampe» .... . L'utilisation de l'inducteur variable de la présente invention n'est pas semblable à l'utilisation d'inducteurs variables fréquemment utilisés dans des circuits .régulateurs à retard de ph-°se, en ce que l'inducteur variable dont.question ici est 35 utilisé pour augmenter et diminuer la çapacit«'nce du circuit rA-gulrteur plutôt que 1'inductance 'du circuit. Dans la pr yente invention, une augmentation de l'inductance -augmente la valeur quadratique moyenne du courant traversant la lampe parce _que la capacitance effective est réduite., alors, que dans un circuit,, rôgu-4-0 lateur à retard de phase, une augmentation de l'inductance en- BADORKJJNAl/ 70 15813 3. 2041785 traîne une diminution de la valeur quadratique moyenne du courant dans la lampe» De plus, le présent circuit régulateur à a-vance de phase se prête à un fonctionnement en circuit fermé, permettant donc l'utilisation d'une rétroaction négative pour 5 stabiliser la lumière émise par la lampe (ou sortie de la lampe)» En accord avec ceci, un objet de l'invention est d'améliorer le fonctionnement des lampes gazeuses à décharges électriques» De façon spécifique, un objet de l'invention est de dé-10 velopper un circuit régulateur à avance de phase pour faire fonctionner des lampes gazeuses à décharges électriques, dans lequel la capacitance effective du régulateur peut être changée de façon continue sans exiger une commutation électrique ou mécanique de composants pour les mettre en et hors circuit avec le régulateur» 15 Un autre objet de l'invention est d'incorporer, dans un circuit régulateur à avance de phase, un inducteur variable dont 1'inductance peut être changée de façon substantiellement continue pour augmenter ou diminuer la capacitance effective du circuit régulateur à avance de phase» 20 Un autre objet de l'invention est encore de réaliser un système à rétroaction pour un circuit régulateur à avance de phase, de façon à contrôler la sortie de lampes gazeuses à décharges électriques« Un circuit régulateur de puissance selon 1T invention se-25 ra maintenant décrit, uniquement à titre d'êxemple, avec référence aux dessins annexés, sur lesquels ï La Figure 1 est un schéma d'un circuit régulateur à a-vance de phase utilisant un inducteur variable selon l'invention, et un autotransformateur, 50 La Figure 2 est un schéma d'un circuit régulateur à a—- vance de phase utilisant un inducteur variable selon l'invention, et un transformateur survolteur, et La Figure 5 est un schéma d'un circuit régulateur à a-vance de phase selon l'invention, utilisant une réactance satu-35 rable comme inducteur variable, et une rétroaction de la lampe vers la réactance saturableo Dans toute la description de la présente invention,!' expression "circuit régulateur" concerne un circuit dans lequel une impédance positive est couplée une lampe pour limiter le 40 courant qui traverse celle-ci. Les lampes particulièrement con 70 5 10 15 20 25 30 35 40 15813 4-, 2041785 cernées sont des lampes gazeuses à décharges électriques avec additifs métalliques qui ont j'usqu' ici exigé que les paramètres de la lampe et du régulateur soient adaptés pour se conformer les uns aux autres en vue d'obtenir un fonctionnement optimal de la lampe» De plus, le fonctionnement optimal de la lampe a été le mieux réalisé en utilisant des circuits régulateurs à avance de phase. L'expression "circuit régulateur à avance de phase" concerne un circuit régulateur dans lequel l'impédance totale limitant le courant dans la lampe est essentiellement capacitive, alors que l'expression "circuit régulateur à retard de phase"con-cerne un circuit régulateur dans lequel l'impédance limitant le courant dans la lampe est essentiellement inductive. Les circuits régulateurs à avance de phase des Figures 1, 2.et 3 peuvent être considérés comme comprenant un moyen dr entrée 1, une impédance 2, et une lampe gazeuse 3 à décharges é-lectriqueso Le moyen d'entrée est normalement un dispositif in-ductif qui peut également être shunté par un condensateur 4-, comme représenté à la ligure 1, pour corriger le facteur de puissance; ici cependant, il constitue principalement un moyen de connexion à raie ligne d'alimentation 5t crèst-à-dire une source de tension en courant alternatif (AC), et un moyen pour élever la tension de ligne à un niveau suffisant pour allumer la lampe. Le moyen drentrée de la Figure 1 comprend un autotrans— formateur 7 lui est un autotransformateur.à réactance de fuite é-levée bien connu dans la technique et que l'on appelle lui-même communément un régulateur pour la raison que 1'autotransformateur est un dispositif induetif capable de limiter le courant dans la lampe et de fournir les tensions requises pour son allumage. Le moyen d'entrée de la ^igure 3 est un autotransformateur 8 du type à entrefer à flux saturable, 'comme on le connaît bien dans la technique, de telle sorte que, lorsqu'il est combiné à un condensateur de valeur suffisante pour rendre l'impédance combinée essentiellement capacitive, il est connu comme régulateur de crête à autotransformateur, à avance de phase. Le régulateur de crête à avance de phase s'est montré le plus avantageux pour le fonctionnement de lampes, gazeuses à décharges électriques avec additifs, par exemple des halogénures métalliques. Le problème est bien sûr que, dans le passé, on n'avait pas de moyen pour faire varier la capacitance d'un type quelconque de circuit régulateur à avance de phase autrement que par une commutation électrique ou *0 15813 2041785 mécanique. Le moyen d'entrée de la Figure 2 -comprend un transformateur survolteur conventionnel 9 qui est utilisé pour obtenir la tension d'allumage requise et qui, lorsqu'il est combiné à un condensateur, forme une autre variante d'un circuit régula-5 teur à avance de phase. L'impédance 3 représentée aux Figures 1, 2 et 3 comprend un condensateur 11 et un inducteur variable, par exemple les inducteurs linéaires 12 et 13 des Figures 1 et 2 et la réactance saturable de la Figure 3- La capacité du condensateur 11 10 est choisie telle que, lorsqu'elle est combinée à l'inductance de l'inducteur variable et du moyen d'entrée, l'impédance effective du circuit est capacitive, ce qui assure un fonctionnement en circuit régulateur à avance de phase. En négligeant la résistance, l'impédance totale des 15 . circuits régulateurs représentés sur les Figures est donnée par l'expression j-(wL - 1/wC), où g est le nombre imaginaire V"--ïy w est un multiple de la fréquence de la tension de ligne alternative, L est l'inductance du circuit en henry, et C est la capacité du condensateur 11 en farad. L'impédance du circuit régu-20 lateur est essentiellement ou effectivement capacitive lorsque -l'expression ci-dessus est négative, c'est-à-dire*wLX_1/wC, et le circuit est de ce fait appelé circuit régulateur à avance de phase.- En utilisant un inducteur variable, la valeur de la capacitance du circuit peut être changée en augmentant et en diminuant 25 la valeur, de L, et en faisant ainsi varier en sens inverse la va-leur de l'expression, négative j(wL — 1/w0)o . Les inducteurs linéaires 12 et 13 sont une forme d'un inducteur variable disponible pour un usage dans les présents . circuits régulateurs. L'inducteur linéaire possède un noyau mé-30 tallique. mobile à l'intérieur d'une bobine d'induction, qui sert de conducteur du flux de l'inducteur. En déplaçant le noyau, le trajet du flux est changé et ainsi l'opposition effective du courant, c'est-à-dire 1 'inductance.. Des inducteurs linéaires sont bien connus et ne sont de ce fait représentés que schématiquement 35 aux Figures 1 et 2» ■ La réactance saturable 14 est une autre forme d'inducteur disponible pour servir, d'inducteur variable dans les présents circuits régulateurs. La réactance saturable possède une bobine 16 et une bobine de commande 17 enroulées sur un noyau communoLe 40 flux établi dans le noyau commun par le coozrant dans la bobine 70 15813 6, 2041785 de commande s'oppose ou s'ajoute au flux établi par le courant dans la bobine principale» De ce fait, en contrôlant le courant (normalement un courant continu) dans la bobine de commande,on peut faire varier l'inductance de la bobine principale. 5 A la Figure 3» la bobine principale 16 sert d'induc teur variable pour le circuit régulateur et est connectée en série avec le condensa têtu? 11 et la lampe 3.' La bobine de commande 17 est couplée à un circuit conventionnel 18 de commande du courant qui applique des tensions continues aux bornes de la bobine 10 de commande en réponse à la tension drun signal reçu d'un comparateur ou amplificateur différentiel 19» La sortie du comparateur 19 est à son tour déterminée par la sortie d'une cellule photoélectrique 21 et par une tension de référencé 22 qui sont couplées à l'entrée du comparateur» La cellule photoélectrique est 15 disposée près de la lampe et est exposée à la lumière émise par celle-cioLe niveau d'énergie de la ëortie de là lampe fait produire à la cellule photoélectrique une tension de sortie proportionnelle» La tension de référence est un niveau de tension représentatif d'une sortie désirée pour la lampe et donc d'une sor-20 tie désirée de la cellule photoélectrique. Lorsque la tension de référence et la sortie de la cellule photoélectrique sont substantiellement les mêmes, le comparateur fait que le circuit 18 de contrôle du courant applique une tension (ou un courant) continue de niveau fixé à la bobine de commande 17, établissant ain« 25 si une inductance de valeur fixée pour la bobine principale.Lors« que la sortie de la Gellule photoélectrique diffère de la tension de référence, la sortie du comparateur fait que la tension continue fixée appliquée à la bobine de commande est augmentée ou a-baisséepour augmenter ou diminuer le courant dans la lampe et 30 ainsi ramener la sortie de la lampe au niveau souhaité. La réactance saturable, le circuit de commande, le comparateur et la cellule photoélectrique constituent de ce fait un circuit à rétroaction positive pour le circuit régulateur à avance de phase de la ligure 3» 35 L'inducteur shunt 23 de la Figure 3 est ajouté en pa rallèle sur la bobine principale de la réactance saturable en vue d'éviter que l'expression j(wL « 1/wC) ne devienne nulle ou positive, c'est-à-dire pour assurer un fonctionnement en circuit régulateur à avance de phaseo Les inducteurs s'.a joutent comme 40 des résistances lorsqu'ils sont couplés en parallèles. Par con 70 15813 7 2041785 séquent, l'inductance combinée de l'inducteur shunt et de la bobine principale est toujours inférieure à la valeur inductive du plus faible inducteur»En choisissant la valeur de l'impédance de l'inducteur shunt pour qie l'expression j(wL — 1/wG) soit tou-5 jours négative, la valeur inductive de la bobine principale peut être changée sans risquer que l'expression j(wL — 1/wC) ne devienne nulle (résonance) ni positive (circuit régulateur à retard de phase)0 les précédents circuits régulateurs à avance de phase 10 fournissent une commande continue du courant ou de la puissance dans la lampe, et donc de la lumière émise par la lampe„ Cette commande est rendue possible par l'utilisation de dispositifs qui se trouvent actuellement dans le commerce, soient l'inducteur linéaire et la réactance saturable» De plus* la commande du fonc-15 tiormement de la lampe est réalisé tout en conservant un fonctionnement en circuit régulateur à avance de phase» On n'a pas jusqu'ici disposé de la faculté de faire varier de façon continue le courant dans la lampe» 70 15813 a, 2041785 HEVMPIOAQÎIOHS 1. Circuit régulateur à avance de phase pourfaire fonctionner une lampe gazeuse à décharges électriques, caractérisé par: 5 un moyen dfentrée pour la connexion à taie source de tension alternative et la fourniture d'une tension dont l'amplitude est suffisante pour allumer ladite lampe, une impédance couplée entre le moyen d'entrée et ladite lampe et possédant mi condensateur et un inducteur variable, la capacitan-10 ce du condensateur étant telle que l'impédance effective du circuit est capacitive, et les variations de l'inductance de l'inducteur variable entraînant une variation de la capacitance du circuit, entraînant ainsi une variation du courant traversant la lampe « 15 20 Le circuit de la revendication 1, dans lequel le moy en d'entrée comprend un autotransformateur0 3o Le circuit de la revendication 1 ou 2t dans lequel l'inducteur variable comprend un inducteur linéaire. Le circuit de la revendication 1 ou 2, dans lequel 20 l'inducteur variable comprend une réactance saturable. 5» Le circuit de la revendication 1, dans lequel le moyen d'entrée comprend un autotransformateur écrêteur à avance de phase possédant des bornes d'entrée pour le connecter aux bornes d'une source de tension, et possédant une première borne de eor— 25 tie connectée audit condensateur et une seconde borne de sortie connectée à une borne de la lampe, et dans lequel l1inducteur variable comprend une réactance saturable à "bobine principale et à bobine de commande, ladite bobine principale étant reliée en série avec le condensateur et la lampe, et 30 comprenant de plus un moyen à rétroaction pour faire varier le courant traversant la lampe en réponse à la lumière émise par la lampe, avec un moyen proche de la lampe et couplé à la bobine de commande pour détecter la lumière émise par la lampe et faire varier le courant dans la bobine de commande de façon à changer la 35 capacitance du circuit et ainsi obtenir line variation du courant dans la lampe* 6» Le circuit de la revendication 5» comprenant de plus un condensateur shunt couplé en parallèle avec la bobin principale de la réactance saturable et possédant une inductance dont 40 la valeur est telle que l'impédance effective du circuit est BAD ORIGINAL "" 70 15813 ?• 2041785 capacitive,,