Brevet FR2193298A1 — publié le 19740215

La présence invention concerne des perfectionnements à des lampes à décharge fonctionnant à haute fréquence. Les lampes fluorescentes sont maintenant utilisées de plus en plus à des hautes fréquences, en désignant par là des fré qùences qui sont beaucoup plus élevées que les fréquences usuelles du secteur de distribution. Une valeur représentative est d' environ 20 kHz. Ces fréquences donnent lieu à un certain nombre d'avantages, parmi lesquels un rendement plus élevé, exprimé par le nombre de lumens par watt > une réduction du bruit de fonctionnement (étant donné que la fréquence d'alimentation est au-dessus de la plage des fréquences audibles par l'homme) et une réduction des scintillations et des parasites radio-électriques produits par la lampe.Habituellement, les lampes sont commandées par un onduleur, c'est-à-dire un dispositif qui convertit le courant continu en courant alternatif et qui est alimenté par une source de courant continu à basse tension. Il est fréquemment souhaitable de réduire l'intensité d'un système d'éclairage jusqu'à un niveau relativement faible, par exemple pour des installations dans des salles de conférences > des studios et des wagons-lits. A des hautes fréquences, la commutation par thyristor n'est pas très efficace quant on utilise des dispositifs couramment disponibles dans des circuits simples. Un procédé de réduction du courant de la lampe consiste à connecter une réactance saturable en série avec la lampe. Quand on utilise un tel système, on peut réduire sans difficulté l'intensité d'éclairage d'une lampe, d'une valeur de courant normale par exemple de 370 mA à une valeur d'environ 15 mA, ce qui correspond à 4% du flux lumineux total. Au-dessous d'environ 10 mA, la décharge de la lampe n'est plus uniforme mais est perturbée par ce qu'on appelle la formation de stries. Tout au long de la lampe, le flux lumineux passe par une série de maxima et de minima qui peuvent rester fixes ou peuvent se déplacer le long de la lampe. Les stries et leur formation sont étudiées par exemple par A.B. Stewart dans un article intitulé "Glow Discharge Resonance" dans J. Cpt. Soc. Am., Vol. 45, " 8, Août 1955, pages 651-657. Des perturbations peuvent également se produire lors du fonctionnement à haute fréquence des lampes à mercure à haute pression. Dans ce cas, la perturbation prend la forme d'une résonance acoustique de la lampe qui provoque des scintillations importantes et parfois aussi une extinction de l'arc. La résonance acoustique se manifeste par des ondes stationnaires dans le tube de l'arc, similaires aux ondes stationnaires qui sont formées par une colonne d'air vibrant dans un tuyau d'orgue fermé. La demanderesse a maintenant établi qu'on peut améliorer le fonctionnement à haute fréquence de lampes à décharge en modulant l'alimentation de la lampe par un signal dont la fréquence est inférieure à la fréquence d'alimentation de la lampe. Par exemple, si l'alimentation d'une lampe fluorescente est modulée en amplitude à des faibles valeurs d'intensité de la lampe par un signal de modulation à fréquence acoustique, on peut provoquer la disparition des stries. Ce mdme effet peut être obtenu aussi dans une certaine mesure par une modulation de fréquence. De momie, la modulation et surtout la modulation de fréquence de l'alimentation d'une lampe à mercure à haute pression peut contribuer à réduire les perturbations dues à la résonance acoustique. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre effectuée en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique des circuits selon l'invention pour le fonctionnement d'une lampe fluorescente, - la figure 2 est un schéma électrique montrant plus en détail une partie du circuit de la figure 1, - la figure 3 est un schéma électrique montrant une variante du circuit de la figure 2, et - la figure 4, enfin, est un graphique représentant le flux lumineux en fonction du courant de la lampe. Sur la figure 1, un onduleur 10 fournit du courant à haute fréquence à une lampe fluorescente 12 connectée en série avec une réactance saturable 14. Le point commun entre la lampe 12 et la réactance saturable 14 est mis à la terre. L'enroulement à courant continu de la réactance saturable reçoit une tension de réglage à partir d'une source de tension de réglage à courant continu 16. La partie du circuit qui vient d'être décrite est connue, la tension de réglage étant produite par une source réglable manuellement. Selon l'invention, le courant alimentant la lampe est modulé par un signal de fréquence acoustique. On aboutit à ce ré sultat en ajoutant une composante de courant alternatif au courant continu de sortie de la source de tension de réglage 16 à courant continu. Cette composante de courant alternatif est fournie par une source de tension 18 de modulation à fréquence acoustique. Dans un mode de réalisation, l'onduleur 10 est un onduleur transistorisé d'une puissance de 40 W du type ',R2609", la réactance saturable 14 est une réactance saturable à ferrite du type "R2608" et le tube 12 est un tube fluorescent de 120 cm, 40 W du type à amorçage rapide, tous ces éléments composants étant fabriqués par la firme Thorn Lighting Limited de Londres. La lampe fonctionne à une fréquence d'environ 20 kHz ; en fait, lorsque l'intensité de la lampe est réduite, la fréquence varie entre environ 28 kHz pour une intensité de 370 mA (flux lumineux total) et 17 kHz environ pour une intensité de 10 mA. Cette variation de la fréquence signifie que la modulation d'amplitude du courant de la lampe produira également une certaine modulation de sa fréquence Les cathodes de la lampe sont chauffées séparément. En l'absence de la tension de modulation à fréquence acoustique, la lampe 12 formera des stries lorsque l'intensité du courant tombera au-dessous de 10 mA environ. Si une modulation dans la plage des fréquences acoustiques est effectuée, on peut amener la disparition des stries. La demanderesse a réussi à faire disparaitre les stries en utilisant une modulation à basse fréquence acoustique dans la plage de 100 à 600 Hz, avec une modulation d'amplitude d'une profondeur en tension de 30 à 60%. Dans un mode de réalisation on utilise une fréquence de 155 Hz avec une modulation de 50%. La demanderesse a maintenant constaté que la forme la plus avantageuse de l'onde de modulation est la sinusoSde. Il semble possible que la modulation interrompe l'excitation périodique de la lampe par l'onduleur de sorte que le plasma est soumis à des variations d'amplitude et de fréquence et un dessin régulier de stries ne peut donc s'établir dans le plasma. La demanderesse a tenté de faire disparaitre les stries en utilisant un ballast résistif, la modulation appliquée à la lampe étant presqu'entièrement une modulation d'amplitude. Ce résultat se révèle assez facile à atteindre. La demanderesse a également cherché à appliquer à la lampe une modulation de fré quence pure et elle a réussi à faire disparattre les stries mais il fallait pour cela mettre en oeuvre des excursions de fréquence de modulation considérables. La suppression des stries ne dépend pas de la nature du ballast utilisé, qui peut être résistif, capacitif ou inductif. Le flux lumineux, exprimé en pourcentage du flux maximal, est indiqué sur la figure 4 en fonction de l'intensité de la lampe en milliampères, les deux axes étant gradués selon une échelle logarithmique. On voit que si l'on utilise des courants relativement faibles, on peut réduire le flux lumineux à environ 0,1% du flux maximal. Sur la figure 2, on a représenté plus en détail un circuit du type indiqué sur la figure 1. En particulier, on va décrire le mode de construction de la source de tension de réglage 16 à courant continu. Ce circuit comprend un système à contre-réaction du type à boucle fermée destiné à maintenir le courant de la lampe à une valeur préréglée sur la source 16. Dans ce but, un transformateur 20 est connecté en série entre la réactance saturable 14 et la lampe 12 et il fournit une tension de sortie proportionnelle au courant qui traverse la lampe 12. Cette tension est redressée dans un redresseur en pont 22, est partiellement filtrée par un condensateur 23 et est appliquée à un diviseur de tension comprenant une résistance fixe 24, un potentiomè- tre 26 et une résistance de réglage fin 28.La base d'un transistor 30 est connectée à la prise du potentiomètre 26 et, dans ces conditions, le courant qui traverse le transistor 30 est fonction de la différence de tension entre la prise du poten tiometre 26 et la cathode d'une diode Zener de référence 32. Le courant traversant la diode 32 dépend principalement de la tension aux bornes d'une résistance 33.La base d'un transistor 34 est connectée au collecteur du transistor 30 et le courant traversant le transistor 34 est appliqué à l'enroulement de courant continu de la réactance saturable 14. Le courant de base du transistor 34 est fourni par une résistance 38. Habituellement, l'alimentation en courant des bornes 36 de la source de tension de réglage à courant continu est fournie par la mdme source que celle qui alimente l'onduleur 10. Si la tension d'alimentation-diminue légèrement, le courant dans l'enroulement à courant continu de la réactance saturable 14 va diminuer et provoquer un accroissement de l'impédance dans l'enroulement à courant alternatif, et en mdme temps la puissance de sortie de l'onduleur va diminuer. Le courant de la lampe est réduit pour les deux motifs indiqués et la diminution du courant est détectée par le transformateur 20. La tension de sortie du redresseur 22 détectée par le potentiomètre 26 tombe et le courant qui traverse le transistor 30 diminue également. Cette réduction du courant consommé par le transistor 30 permet à une plus forte quantité de courant de traverser la résistance 38 et d'aboutir à la base du transistor 34, de sorte que le transistor 34 devient plus fortement conducteur. Il en résulte un renforcement du courant continu de réglage dans la réactance saturable 14, d'où une augmentation de l'intensité du courant de la lampe qui revient à sa valeur initiale. On peut régler le courant désiré de la lampe en agissant sur la position de la prise du potentiomètre 26, Pour compenser les variations de température dans le transistor 30, la diode 32 et le transistor 30 ont des coefficients de température qui sont égaux mais de signes opposés. Il est nécessaire pour permettre au courant qui traverse l'enroulement de commande d'être amené pratiquement à zéro, de réaliser l'impédance maximale des enroulements à courant alternatif sans bloquer le transistor 34 > ni saturer le transistor 30. L'enroulement de commande en courant continu de la réactance saturable est par conséquent connecté en série à une diode Zener de stabilisation 40 qui est alimentée en courant à travers une résistance 42. Une résistance 44 laisse également passer un faible courant à travers l'émetteur du transistor 44 pour maintenir un fonctionnement correct pour des courants de commande nuls ou très faibles. Le circuit présente par rapport à un système à boucle ouverte l'avantage suivant : si la lampe est éteinte pendant que la résistance 26 est réglée pour fournir un faible flux lumineux, la lampe va fonctionner de nouveau lors de son ré-allumage. Quand on opère avec des faibles courants, la tension aux bornes de la lampe est plus faible que la tension de pré-amorçage nécessaire pour amorcer la lampe. Si l'on éteint la lampe et qu'on la rallume, le transformateur 20 détecte l'absence du courant à travers la lampe et le courant de réglage alimentant la réactance saturable 14 va augmenter pour réduire son impédance. La lampe est alors amorcée, après quoi le courant de commande sera réduit à la valeur nécessaire pour maintenir le faible flux lumineux désiré. La vitesse de réaction du circuit dépend principalement de la valeur de la capacité 23. La source de tension de modulation à fréquence acoustique 18 comprend un oscillateur à basse fréquence du type à contreréaction et à collecteur accordé, dont la construction est évidente à l'examen des dessins. L'oscillateur reçoit du courant de la diode 40 de sorte que l'amplitude de l'oscillateur ne dépend pas des variations de la tension d'alimentation. Le courant de sortie-de l'oscillateur est ajouté au courant de sortie du redresseur 22 au point commun 46 entre la résistance 24 et le potentiomètre 26. Le profondeur de modulation peut être réglée par une résistance variable 48 de loscillateur 18. En vue de maintenir à une valeur sensiblement constante la valeur moyenne du courant de la lampe et par conséquent de l'intensité de la lampe, lors de l'application de la modulation, le transistor 30 ne doit pas etre voisin de la saturation et le transducteur 14 ne doit pas être au bout de sa caractéristique de transfert, autrement un redresseur de l'enveloppe de modulation pourrait se produire et provoquer une variation de la brillance de la lampe. Alors que la modulation a été décrite comme étant appliquée à un circuit de réglage à boucle fermée, on comprend qu'elle pourrait être pareillement appliquée à un circuit de réglage du type à boucle ouverte. -La figure 3 représente une forme simplifiée du circuit de la figure 2. Dans ce cas, le circuit de réglage est auto-oscillant à une fréquence de quelques centaines de hertz. Le condensateur 23 introduit un déphasage et la réactance saturable 14 fonctionne avec un certain retard si bien que le circuit assure une contre-réaction positive aux basses fréquences acoustiques. Les autres différences sont que le redresseur en pont 22 de la figure 2 est remplacé par une diode 50 et qu'une résistance 52 est connectée aux bornes de l'ensemble formé par la lampe 12 et le transformateur 20 connectés en série. A de faibles cou rants > la résistance 52 laisse passer la plus grande partie du courant étant donné que la résistance dynamique de la lampe 12 est élevée. De cette façon on diminue les exigences de 3 réactance saturable 14, tout en réduisant légèrement le rendement au flux maximal. Le transformateur 20 ne détecte que le courant réel qui traverse la lampe 12. Dans ce circuit, la barre d'alimentation négative du circuit de réglage est mise à la terre. Le circuit représenté sur la figure 3 offre, par rapport au circuit de la figure 2, l'avantage de n'exiger qu'un plus petit nombre d'éléments composants. Cependant, ce circuit est critique en ce qui concerne l'oscillation et, d'autre part, aux courants relativement élevés de la lampe, c'est-à-dire lorsque la modulation n'est pas nécessaire, la tension de la lampe subit une modulation de forte profondeur. Il en est ainsi du fait que le gain en boucle ouverte du circuit augmente avec le courant de la lampe jusqu'à ce que la caractéristique de transfert de la réactance saturable manifeste des effets de saturation. Dans le circuit de la figure 2, ce dernier problème n'est pas aussi aigu étant donné qu'avec l'augmentation du courant dans la lampe, le curseur du potentiomètre 26 se rapproche de la barre d'alimentation négative, d'où une atténuation du signal modulateur ajouté. On peut agencer le circuit de la figure 3 pour assurer par un seul et même réglage l'atténuation simultanée de plusieurs lampes. Chaque lampe est équipée d'un circuit du type représenté sur la figure 3, dont on a supprimé le potentiomètre 26 et dont les valeurs des résistances 24 et 28 ont été choisies de manière que la base du transistor 30 soit à un potentiel approprié. La diode 32 et la résistance 33 sont également supprimées dans chacun des circuits de réglage et, au lieu de cela, les émetteurs des transistors 30 de tous les circuits sont connectés ensemble et à la sortie d'une source de tension réglable stabilisée.Le réglage de la tension stabilisée provoque le réglage simultané des flux lumineux. En remplaçant la lampe fluorescente 12 de la figure 1 par une lampe à mercure à haute pression (MB), on a réussi à obtenir une certaine réduction des effets de résonance acoustique. Il est canoter qu'il n'est pas nécessaire de réduire l'intensité de la lampe. Cette lampe possède une impédance relativement faible de sorte que la modulation du courant de la lampe provoque une modulation considérable de la fréquence pour une modulation d'amplitude relativement faible. Avec une modulation d'amplitude d'environ 8%, on peut réduire les légères instabilités de la décharge. Ce taux de modulation d'amplitude produit une modulation de fréquence de l'ordre de 1 ou 2 kHz et. dans ce cas, il semble que ce soit la modulation de fréquence qui produise les effets avantageux. Cependant, même un taux important de modulation de fréquence pure est insuffisant pour supprimer les effets sévères de résonance aux fréquences de résonance les plus importantes. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en oeuvre d'une lampe à décharge à haute fréquence, caractérisé én ce qu'on module l'alimentation de la lampe par un signal dont la fréquence est inférieure à la fréquence d'alimentation de la lampe, de préférence un signal de fréquence acoustique. 2. Procédé selon la revendication 1, appliqué à une lampe fluorescente, caractérisé en ce quton module le signal en amplitude pour éliminer les stries dans la lampe aux faibles valeurs de courant. 3. Procédé selon la revendication 1 appliqué à une lampe à mercure à haute pression, caractérisé en ce que le signal est modulé en fréquence pour réduire les perturbations dues à la résonance acoustique. 4. Lampe à décharge alimentée par une source à haute fréquence, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (14, 16, 18) pour moduler l'alimentation de la lampe à l'aide d'un signal dont la fréquence est inférieure à la fréquence d'alimentation de la lampe, de préférence un signal de fréquence acoustique. 5. Lampe selon la revendication 4 qui est une lampe fluorescente, caractérisée en ce que lesdits moyens modulent en amplitude le signal pour éliminer les stries dans la lampe aux faibles valeurs de courant (fig. 1). 6. Lampe selon la revendication 5 qui est alimentée à travers une réactance saturable commandée par un signal de commande en courant continu, caractérisée en ce que les moyens de modulation (18) ajoutent un signal de modulation en courant alternatif au signal de commande en courant continu. 7. Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de modulation comprennent un oscillateur à fréquence acoustique. 8. Lampe selon l'une quelconque des revendications 6 et 7 > caractérisée en ce que le signal de réglage en courant continu est produit par une boucle fermée de contre-réaction (20, 22, 30, 34) qui détecte le courant traversant la lampe. 9. Lampe selon la revendication 4 qui est une lampe au mercure à haute pression. caractérisée en ce que lesdits moyens modulent en fréquence le Signal pour réduire les perturbations dues à la résonance acoustique.