Brevet FR2345051A1 — publié le 19771014

L'invention se rapporte à un dispositif d'amorçage et de maintien en service d'un circuit de décharge dans un gaz, par exemple d'une lampe a décharge dans un gaz, ce dispositif comprenant des éléments céramiques piézo-électriques et des électrodes simplifiées assurant l'amorçage sans retard et une efficacité lumineuse élevée. L'élévation de l'efficacité lumineuse des lampes à décharge dans un gaz par l'élévation de la fréquence de la tension de service est connue en physique de décharge dans des gaz. Ces lampes sont classées en types différents selon qu'elles comprennent une substance fluorescente ou qu'elles n'en comprennent pas; elles se composent d'une enveloppe remplie de gaz ou de vapeur métallique et traversées par des électrodes de conduction du courant électrique. Ces circuits de décharge dans un gaz ont une caractéristique courant-tension descendante. I1 faut pour cette raison des ballasts à faible résistance interne de limitation du courant d'alimentation de ces circuits par le réseau. Donc, des circuits de réglage soit résistifs, soit inductifs, soit électroniques sont utilisés en technique pour limiter le courant. L'amplitude des tensions disponibles des réseaux etant en général insuffisante pour l'amorçage, il faut avoir recours à des expédients techniques complémentaires pour déclencher 1 'amorçage. Des filaments incondescents qui pénetrent à l'intérieur du tube de décharge sont utilisés en particulier dans les lampes contenant des substances fluorescentes. Il faut aussi un élément extérieur de commutation dit starter. Celui-ci a pour fonction de mettre la lampe à décharge à l'état de service en très peu de temps sans limiter la durée utile de la lampe par insuffisance de préchauffage. Indépendamment du fait que ce starter représente un composant supplémentaire qui élève le prix, il provoque aussi au cours du processus transitoire la vacillation de la lumière dans les lampes à décharge dans un gaz. Celle-ci doit être attribuée à la rupture de la décharge sous insuffisance de 1 'ioni- sation et donc l'amorçage doit se répéter. Des circuits électriques compliqués ont été mis au point pour éliminer cet inconvénient. Mais ils ne sont encore pas satisfaisants, ni pour le fabricant, ni pour l'utilisateur. Un ronflement du secteur qui se produit dans les lampes allumées contenant une substance fluorescente cree surtout une gêne.L'éclairage par les lampes à incandescence est en général considéré comme plus doux et plus agréable. I1 a par ailleurs éte suggéré de créer des tensions relativement élevées à l'aide de composants ou de transformateurs piézo-électriques tels que décrits dans le brevet des EUA n" 2 830 274 et dans la demande de brevet de la Republique Fedérale d'Allemagne (DT-OS) mise à l'inspection Publique sous le n" 2 047 882. Le transformateur piézoélectrique décrit dans cette littérature se compose d'une tige rectangulaire de céramique piézo-électrique dont une moitié est polarisée dans le sens de l'épaisseur et l'autre moitié dans le sens de la longueur. La forme et le support du transformateur piézo-électrique soulèvent surtout des problèmes pratiques dans les differents domaines d'application. L'invention a donc pour objet un dispositif d'amor çage et de maintien en service de circuits de décharge dans un gaz, en particulier de lampes à décharge dans un gaz, dont l'amorçage s'effectue sans retard et dont l'efficacité lumineuse est élevée. Par ailleurs, la vacillation de la lumière à la mise en service de la lampe ainsi que le ronflement du secteur pendant que la lampe est en service sont élimines. Le composant utilisé à cet effet est à autopilotage, car il procède à une adaptation d'impédance de la source de tension à la caractéristique courant-tension du circuit de décharge dans un gaz. Selon une particularite essentielle de 1 'inven- tion, un élément ae céramique piézo-électrique crée la tension haute fréquence destinée au circuit de décharge dans un gaz. Ces éléments de céramique piézo-électriques et en particulier le transformateur piézo-électrique représen- tent une source de tension à résistance interne élevée. En conséquence, la tension de sortie varie en fonction de la charge et donc il se produit automatiquement une limitation du courant. Un transformateur piézo-electrique, en particulier, représente donc entre le circuit électronique de commande et le circuit de décharge dans un gaz, qui a la caractéristique connue descendante courant-tension, une source de tension qui présente des avantages surprenants. Selon une autre particularité essentielle del 'invention, les modes d'execution géométriques et elec- triques des transformateurs piézo-électriques utilises different selon les différentes tensions de service et puissances. Donc, un composant piezo-electrique en forme de tige ou de tube et oscillant en mode transversal est utilisé pour résoudre ce problème, à savoir la réalisation d'un transformateur piézo-électrique à forte capacité de sortie, c'est - -dire à faible impédance.de sortie et faible rapport de transformation. La capacité de sortie est beaucoup plus grande et l'impédance de sortie est beaucoup plus faible dans ces composants que dans les transformateurs piézoélectriques classiques rectangulaires. Un autre avantage des transformateurs piézoélectriques en forme de tige ou de tube est qu'un composant de ce type a quatre électrodes de mêmes dimensions. En 1 'absence de charge, il se produit une surtension de résonance qui peut être utilise pour l'amorçage d'un circuit de décharge dans un gaz. A la fin de l'amorçage, le composant piezo-electrique est utilisé pour limiter le courant. Selon une autre particularité avantageuse entrant dans le cadre de l'invention, le support se compose de quatre étriers laissant sa liberté de mouvement au transformateur piezo electrique. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, une commande électrique de la tension d'entree du transformateur piézo-électrique permet de regler la luminosité de la lampe à décharge dans un gaz. Les lampes contenant une substance fluorescentes sont volontiers utilisées en particulier pour la décoration architectonique lumineuse d'intérieur de salles de spectacle et de demeures privées en raison de leur lumière douce qui n'éblouit pas et de leur bon rendu des couleurs. Le reglage en continu de la luminosité des lampes à incandescence ne soulève aucune difficulté dans une large plage.Mais les procédés de réglage ayant fait leurs preuvesne sont pas directement applicables à toutes les lampes à décharge dans un gaz et donc non plus aux lampes contenant une substance luminescente et fonctionnant à 50 Hz. Le transformateur piezo-electrique offre une bonne solution dans le cas particulier, car il est possible de régler la luminosite d'une lampe à décharge dans un gaz fonctionnant avec la tension de sortie haute fréquence du transformateur pi ézo-él ectri que dans une large plage et sans aucun phénomène de papillotement et il suffit simplement de régler la tension d'entrée du transformateur piézo-électrique au moyen du circuit électronique d'attaque. La mise en oeuvre conforme à l'invention du transformateur piéro-electrique facilite par ailleurs la construction des lampes à décharge dans un gaz, car il suffit d'introduire une unique electrode unipolaire non chauffée dans l'enveloppe remplie de gaz ou de vapeur métallique. L'invention sera decrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1,est un schéma d'un dispositif de production de tensions élevées destinées à des circuits de décharge dans un gaz et comprenant un élément de céramique piezo-electrique; la figure 2 illust.re schématiquement un transformateur piezo-électrique rectangulaire dont une moitié est polarisée dans le sens de l'épaisseur et 1 'autre, dans le sens de la longueur; la figure 3 représente schématiquement en perspective un transformateur piézo-électrique en forme de tige et o-scillant en mode transversal; ; la figure 4 représente schématiquement en coupe axiale un transformateur piézo-électrique tubulaire dont une moitié est polarisée radialement dans le sens de la paroi et 1 'autre moitié, dans la direction de l'axe; la figure 5a représente schématiquement en perspective un composant de céramique piézo-électrique en forme de tige à quatre électrodes de mêmes dimensions; la figure 5b représente schématiquement, avec arrachement partiel, un composant tubulaire de céramique piézo-électrique à quatre électrodes de mêmes dimensions; la figure 6 représente schématiquement en perspective un mode de montage d'un composant de ceramique piézo-électrique de type en tige;; les figures 7a, 7b et 7c illustrent en coupe transversale partielle une électrode monopolaire disposée dans l'enveloppe d'une lampe à décharge dans un gaz; et la figure 8 est un graphique illustrant le rendement en fonction de l'impédance de charge et des différents modes d'exécution du dispositif d'amorçage selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif selon 1 'in- vention se composant d'un circuit I de décharge dans un gaz, d'un élément de céramique piézo-électrique 2 et d'un circuit électroniqùe 3 d'attaque. Un élément 2 de ceramique piezo-electrique de ce type peut être par exemple un transformateur piezo-electrique classique tel que décrit dans la littérature et consistant en une tige rectangulaire qui de son côte se compose d'une partie 4 formant le primaire et d'une partie 5 formant le secondaire. La tension Ui appliquée au primaire 4 fait osciller la tige de céramique piézoélectrique en mode longitudinal. Ces oscillations produisent sur l'électrode de sortie 6 la tension Uo. Les directions de polarisation du primaire 4 et du secondaire 5 sont perpendiculaires da-ns ce cas, comme représenté sur la figure 2. La fréquence de la tension d'entrée doit correspondre à la frequence propre de la piece de céramique. La capacité de sortie de ce mode d'exécution est relativement faible et donc l'impédance de sortie est élevée. Comme le montre la courbe 1 du graphique de la figure 8, ce mode d'exécution a son rendement maximal lorsque l'impédance de charge est d'environ 1 M 1-2. Ce mode d'exécutian ne convient donc qu'aux circuits de décharge dans un gaz à grande résistance ohmique. Une variante de réalisation conforme à l'invention consiste à utiliser la plaque de céramique de la figure 2 non pas en mode longitudinal, mais en mode d'oscillation transversal de la manière représentée sur la figure 3. Dans ce cas, les rendements avantageux correspondent à une impedance de charge d'environ 100 K 2 comme le montre la courbe 2 de la figure 8. I1 est possible d'accroître encore la capacité de sortie et donc d'abaisser -l'impédance de sortie à l'aide d'un composant piézo-électrique tubulaire selon la figure 4, dont une moitié est polarisee radialement dans le sens d'épaisseur de la paroi et l'autre moitié, parallèlement à l'axe.Le rendement maximal de ce mode d'exécution s'obtient sous une impedance de charge d'environ 30 comme indiqué par la courbe 3 de la figure 8. Un autre mode d'exécution conforme à l'invention consiste en un composant en forme de tige ou tubulaire selon la figure 5a ou 5b à quatre electrodes de mêmes dimensions dont deux, portant la référence 14, sont des electrodes d'entrée et deux, portant la référence 15, sont des électrodes de sortie. La polarisation a toujours lieu dans l'épaisseur de ces modes de réalisation. Leur meilleur rendement s'obtient avec des impédances de charge d'environ 400 ohms, comme montré par la courbe 4 de la figure 8. Les différentes formes géométriques et leurs dif férentes surfaces de métallisation ne sont pas seules à avoir de l'importance pour l'amorçage et le maintien en service des circuits de décharge dans un gaz, mais le support des composants de ceramique piézo-électriques a aussi son importance. I1 est bien connu d'après la littérature que les composants piézo-électriques oscillants ne peuvent être supportés qu'aux noeuds des oscillations afin d'eviter l'amortissement mécanique et donc l'augmentation des pertes. Le support conforme à l'invention et tel que représenté sur la figure 6 se compose de quatre étriers.7 qui tiennent ltelement de céramique piézo-électrique dans le plan des noeuds des oscillations. Deux butées 8 empechent les déplacements dans le sens de la longueur, mais autorisent toutefois un faible jeu pour permettre à la tige d'osciller librement. La connexion électrique de la tension d'excitation Ui est assurée par deux torons 9 brasés dans un plan de noeud d'oscillation . L'amplitude élevée des oscillations mécaniques soulève des difficultes dans la connexion électrique de l'électrode de sortie 6. Les torons et fils normalement brasés se rompent après une courte durée de service. Ce problème est résolu par un mince fil d'acier en forme de filament 10 brasé perpendiculairement sur l'électrode de sortie. Les supports et raccords des autres modes d'execution sont realisés de manière correspondante. Un transducteur de céramique piézo-électrique ayant une fréquence de résonance qui varie en particulier avec la charge et la température, il faut faire en sorte que la fréquence du circuit electronique 3 d'attaque soit toujours adaptée à la frequence propre du transducteur. Un circuit auto-oscillant, à couplage à réaction, bien connu et classique en électronique, est utilisable dans ce but. Les électrodes unipolaires telles que représentées schématiquement sur les figures 7a à 7c ont des formes géométriques simples 12, par exemple de plaque , grille, anneau ou broche. Un mode d'exécution tel que celui qui est représenté schematiquement sur la figure 7b consiste en une électrode 11 montée exterieurement sur le tube de décharge et en conduction non métallique avec l'intérieur à travers ltenveloppe 13 de ce tube. Les zones 16 de la paroi de l'enveloppe qui supportent l'électrode ont une conductivité électrique supérieure à celle des autres parois de l'enveloppe. Une variante d'exécution consiste à monter l'électrode ll extérieurement sur le tube de décharge, de la maniere représentée schématiquement sur la figure 7c, et à transmettre l'énergie uniquement par capacité. Les exemples suivants décrivant un dispositif d'amorçage et de maintien en service d'un circuit de décharge dans un gaz permettront de bien faire comprendre l'invention sans toutefois aucunement la limiter. EXEMPLE 1 Une lampe de type courant de 10 W et contenant une substance fluorescente est placée dans un montage tel que decrit en regard de la figure 1. Un transformateur piézo electrique annulaire selon la figure 4 a été utilisé dans ce montage. Ce transformateur est en matière à base de zirconate et titanate de plomb qui est classique pour les transducteurs piézo-électriques de puissance. Les éléments annulaires sont réalisés par des procédés connus en céramique. Les cotes du tube sont : diamètre extérieur : 61mm, diamètre intérieur Slmm, longueur 30 mm. L'élément de ceramique piezo-électrique comporte des electrodes d'argent passées au feu.Les électrodes d'entree recouvrent la surface de l'enveloppe intérieure et la surface de 1 'enveloppe exterieure sur la moitié de la longueur du tube. Les electrodes de sortie recouvrent les surfaces extremes opposees. Le transformateur piézo-électrique est polarise dans une moitie dans le sens de l'épaisseur et dans l'autre, dans le sens de la longueur, de la manière représentée sur la figure 2. La polarisation est assurée dans l'huile a des températures de 1300C et avec des champs ayant une intensité de 3 kV/mm.Les mesures indiquées dans la récapitulation qui va suivre ont éte effectuées sur une lampe de type courant de 10 W contenant une substance fluorescente, mise sous tension de 220V à 50 Hz avec un ballast inductif classique, d'une part, et d'autre part dans le montage décrit et avec la même efficacité lumineuse. Mode d'exploitation Puissance efficace Puissance efficace Efficacité totale de la lampe lumineuse 220V/SO Hz avec ballast inductif 14,2 W 9,8 W 35 Lm/W Transformateur piezo- electrique selon 12,8 W 8,5 W 39 Lm/W l'exemple 1 EXEMPLE 2 Un transducteur de céramique piézo-électrique ayant les mêmes cotes que dans l'exemple 1, mais comportant quatre électrodes de mêmes dimensions selon la figure 5a a été utilisé dans un montage selon la figure 1. Le transducteur est polarisé uniquement dans le sens de l'épaisseur. La polarisation a été effectuée de la même manière que dans l'exemple 1. La récapitulation qui suit indique aussi des nesures effectuées sous 220 V et 50 Hz et avec un transducteur selon l'exemple 2. Mode d'exploitation Puissance efficace Puissance efficace Efficacité totale totale de la lampe lumineuse 220V/SO Hz avec ballast inductif 14,2 W 9,8 W 35 Lm/W Transducteu- piézo- électrique selon 9,5 W 8,5 W 53 Em/W l'exemple 2 Les avantages apportes par l'invention sont en particulier l'amorçage immédiat de la lampe à décharge dans un gaz ainsi qu'une élévation de l'efficacité lumineuse. Par ailleurs, le ronflement du secteur, qui crée une gêne, est éliminé lorsque cette lampe est en service. Des essais ont montré que l'efficacité lumineuse augmente avec l'élévation de la fréquence, soit d'environ 15 à 205 dans la plage des fréquences d'environ 20 à 30 kHz.Il est ainsi possible de réduire la consommation d'énergie électrique dans les mêmes proportions pour un même flux lumineux. L'amorçage immédiat élimine aussi la vaci71ation gênante provoquée par les multiples reamorçage. Il est particulièrement avantageux, du point de vue rentabilité, que la caracteristique spécifique couranttension du composant piézo-électrique élimine la nécessité des éléments de limitation- de courant ainsi que du starter d'amorçage du circuit de décharge dans un gaz. Par ailleurs, les électrodes simples et bon marché de connexion à 1 'enveloppe des lampes à décharge dans un gaz permettent au fabricant de lampes de faire des économies, car une grande partie du cout de fabrication des lampes provient des filaments coûteux L'invention est particulièrement avantageuse dans son application à l'éclairage interne des véhicules à l'aide de lampes contenant une substance fluorescente. La possibilité d'alimentation directe par le réseau de bord de véhicules et la possibilité d'utiliser des lampes d'éclairage de secours représentent certains des avantages du montage de l'invention. Les faibles cotes de l'élément de céramique piézoélectrique permettent a l'ensemble du circuit d'être miniaturisé et donc de pouvoir être avantageusement et discrètement monté dans les installations. La tension délivrée par le composant de ceramique piézo-électrique a en particulier une frequence supérieure à celle du seuil d'audibilité de 20 kHz. I1 va de soi que le dispositif décrit et représenté peut comporter d'autres variantes sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amorçage et de maintien en service de circuits de décharge dans un gaz, en particulier de lampes à décharge dans un gaz, caractérisé en ce qu'un élement de céramique piezo-éiectrique produit la tension haute frequence destinée à un circuit de décharge dans un gaz. 2. Dispositif selon 1a revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de céramique piézo-électrique en forme de tige ou de tube et oscillant en mode transversal. 3. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il comprend un élément de céramique piezo-éiectrique en forme de tige ou de tube et oscillant en mode longitudinal. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé ence qu'il comprend un élement de céramique piézo-électrique en forme de tige ou de tube et équipe de quatre électrodes de mêmes dimensions. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérise en ce que la tension produite par le composant de céramique piezo-electrique a une frequence qui dépasse la limite d'audibilité de 20 kHz. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérise en ce que le support de l'élément de céramique piézo-electrique consiste en quatre étriers. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la connexion électrique de l'élément de céramique piézo-électrique avec l'électrode unipolaire de la lampe à décharge dans un gaz est assurée par un mince fil d'acier hélicoîdal.