Brevet FR2386228A1 — publié le 19781027

L'invention se rapporte à un ballast alimenté en tension alternative et destiné en particulier aux lampes à décharge dans un gaz à courant continu. Un ballast connu destiné à des lampes à décharge dans un gaz à courant continu d'émission d'un rayonnement ultraviolet (par exemple demande de brevet de la RFA DT-0S nO 24 12 997, figure 5) délivre un courant continu pulsatoire, dont le rendement est mauvais, et présente un déphasage compliqué. D'autres ballasts connus sont certes d'une réalisation plus simple, mais comprennent de grandes bobines d'inductance ou de grands condensateurs destinés à maintenir l'ondulation dans des limites admissibles. Ces appareils produisent par ailleurs aussi des impédances réactives gênantes pour le réseau d'alimentation. Selon une particularité essentielle du ballast de l'invention qui est destiné à éliminer les inconvénients mentionnés, il comprend des composants redresseurs à double alternance en amont desquels sont montés en série avec l'arrivée en tension alternative au moins deux circuits de formation de courants séparés déphasés, ces composants étant reliés à la sortie en tension continue de manière à superposer ces courants séparés redressés et déphasés et lesdits composants redresseurs à double alternance connectent chacun desdits circuits de formation de courants déphasés aux deux sorties en tension continue du ballast pour le raccorder à la même impédance terminale. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples mollement limitatifs et sur lesquels la figure i est un schéma d'un ballast à disposition symétrique des impédances série la figure 2a est un graphique représentant la courbe de la tension alternative d'entrée U1 et de la tension continue de sortie U4 la figure 2b est un graphique illustrant la courbe des courants séparés déphasés i2, ig du courant alternatif d'entrée i1 ainsi que du courant continu i qui circule dans l'impédance terminale 4 et qui se compose des courants séparés redressés et additionnésji I et ligl , tous ces courants se rapportant au circuit de la figure 1 et à une charge constituée d'une lampe à décharge dans un gaz à courant continu ; et la figure 3 est un schéma d'un ballast à disposition asymétrique des impédances série. Les références A et B désignent sur la figure 7 les entrées en tension alternative du ballast et les références C et D désignent les sorties en tension continue. Une bobine d'induction L12 et L12 connecte chacune des deux entrées A et B aux bornes à tension alternative 1 et 2 d'un circuit redresseur de Gratz 3. Le redresseur 3 comprend de manière classique quatre diodes 4, 5, 6 et 7.Chacune des entrées A et B est connectée par l'intermédiaire d'un montage en série d'un condensateur C13 et d'une bobine d'induction L13, ainsi que d'un con densateur C' et d'une bobine d'induction L13 aux bornes en tension 13 13 alternative 8 et 9 d'un second circuit redresseur de Grätz 10 qui comprend des diodes 14, 15, 16 et 17. Deux bornes à tension continue 18 et 28 des deux redresseurs 3 et 10 sont reliées et connectées à une sortie positive C en tension continue. Deux autres bornes 19 et 29 en tension continue des deux redresseurs 3 et 10 sont reliées de manière analogue et connectées à la seconde sortie D, négative, en tension continue.Une lampe à décharge dans un gaz (non représentée), de préférence une lampe à décharge à haute intensité et basse pression selon la demande de brevet de la RFA DT-OS 2 412 997, est connectée aux deux sorties en tension continue C et D. Un dispositif d'amorçage A1, qui n'est pas décrit plus en détail, est monté entre les deux bornes à tension alternative 1 et 2 et les deux bornes 18 et 19 en tension continue du premier circuit redresseur 3. Les quatre bobines d'induction L12, L12 w L13, L13 ont de préférence la meme inductance et celles de chaque circuit ont le même nombre de spires et sont bobinées deux à deux sur le même noyau de fer. L'application d'une tension alternative u1 aux entrées A et B fait circuler dans les deux branches purement inductives du circuit 12, qui comprend les bobines d'induction L12 et L12 , un courant alternatif i2 qui, après avoir passé dans le redresseur à double alternance, consiste en un courant pulsatoire formé de demi-périodes redressées à double alternance.Un second courant alternatif i3, qui consiste aussi en courant pulsatoire à demi-périodes après passage dans le circuit redresseur à double alternance de la charge, circule simulta nément dans les deux branches du circuit 13 qui comprend les montages en série d'un condensateur C13 ainsi que C'13 et d'une bobine d'induc 13 13 tion L15 et L1,3 . Il est essentiel d'adopter les réactances X12 et X13 des circuits 12 et 13 de manière que les valeurs efficaces I2 et I des courants séparés et déphasés I2 et I3 circulant dans ces circuits soient égales à plus ou moins 20 % près, comme doivent litre les valeurs | i2 |, | i3 | des courants séparés redressés i2 et i3 (voir par exemple 2' 3 2 3 les normes DIN 40 110 (février 1970)(tome 17), c'est-à-dire donc I2=I3 # 20 %, et | i2 | = | i3 | # 20 %. Ces relations se vérifient approximativement lorsque les réactances X12 et X13 des deux circuits 12 et 13 calculées pour la fondamentale de la tension alternative d'entrée u1 sont égales et opposées. Comme le montre la figure 2b, les courants séparés et déphasés i2 et i3 diffèrent fortement d'une sinusoïde et sont donc fortement affectés d'harmoniques. Le calcul de l'ensemble du circuit est donc très long. Un calcul correspondant qui a été fait et dont les détails ne sont pas indiqués a donné en particulier les résultats suivants Lorsque les valeurs efficaces (ou redressées) I2 et 13 (ou1i2j , Ji31 ) des courants séparés et déphasés i2 et i3 sont égales à+ 20 % près au maximum, la tension alternative d'entrée u1 et le courant alternatif d'entrée i1 sont pratiquement en phase, de sorte qu'aucune composante réactive ou que seules de très faibles composantes réactives apparaissent dans le réseau. Il en résulte aussi qu'il suffit de rendre égales les valeurs efficaces-I1 et I2 dans les limites indiquées pour garantir que les courants i2 et i3 aient des phases pratiquement symétriques à la tension u1 et que u1 et i1 sont pratiquement en phase à condition de faire aussi en sorte que l'un des circuits soit capacitif et l'autre, inductif. Il est par ailleurs possible de montrer que les courants séparés i2 et i3 sont déphasés d'environ 909 lorsque la puissance apparente de l'un des circuits 12 ou 13 est sensiblement égale à la moitié de la puissance apparente aux bornes de la charge. La définition de cette puissance apparente est le produit de l'intensité efficace par la tension efficace. En posant que U2 = tension efficace du circuit 12 et U3 = tension efficace du circuit 13, on a donc S2 = U2I2 # S3 = U3I3 # 0,5 . U4I4 , relations dans lesquelles U4 et 14 sont les valeurs efficaces de la tension continue de sortie u4 et de l'intensité continue i4. En désignant par ZL l'impédance terminale ou impé dance de charge à peu près purement ohmique aux sorties C et D en tension continue, le déphasage approximatif de 90 des courants séparés i2 et i3 peut aussi s'exprimer par la relation | ZL | # 2 | X12 | # 2 | X13 | , ces impédances pouvant aussi être calculées par approximations pour la fondamentale de la tension alternative d'entrée u1. Le déphasage de 900 des courants séparés i2 et i3 provoque certes une faible ondulation qui est avantageuse, mais il est préférable, pour que le courant continu i4 circulant dans la charge soit mieux indépendant des fluctuations de la tension alternative d'entrée ul, que les réactances X12 et X13 des circuits 12 et 13 soient grandes, ce qui a pour conséquence un déphasage de plus de 900.On calcule donc dans la pratique courante les réactances 112 et X13 de manière que la puissance apparente développée dans les circuits 12 et 13 soit comprise entre 0,5 et 2 fois la puissance apparente transformée dans la charge ZL et soit de préférence égale à 0,65 - 0,85 fois cette puissance apparente transformée dans la charge Z ce qui correspond à un retard de phase d'environ 1200 ou + 600 entre les courants séparés i2 et i3. Lorsque les deux bobines d'induction L12 et L'12 du circuit 12 sont légèrement différentes, non seulement les valeurs de erete, mais aussi les phases des deux courants i2 et i; sont légèrement différentes. Les passages par zéro des deux courants n'ont plus lieu simultanément et il se trouve de brefs instants pendant lesquels les courants i2 et i; sont de sens inverses. Les diodes 4 et 6 ou 5 et 7 sont alors conductrices simultanément, ce qui équivaut à chaque fois à un courtcircuit entre les bornes 1 et 2. Ces court-circuits ne diminuent certes pas le rendement du circuit, mais élèvent néanmoins la puissance réactive des bobines d'induction L12 et L'12 à même puissance de la charge ZL. Les mêmes remarques stappliquent exactement aux différences des courants séparés i3 et i; circulant dans les deux branches C13 L13 et C' L13. Il faut donc faire en sorte que i2 = i2 et i3 = i3. Il faut à cette fin 3 3 que les réactances des deux bobines d'induction L12 et L;2 ainsi que L13 et L13 faisant partie des mêmes circuits 12 et 13 soient égales et en particulier aient le même nombre de spires bobinées sur le même noyau de fer. Il est par ailleurs préférable, pour abaisser le prix de revient, que toutes les bobines d'induction L12, L12, L13 et L'13 aient la même réactance. On réalisera avantageusement en fait un circuit selon la figure 1 en fixant tout d'abord l'intensité du courant i2 par le choix de la réactance des bobines d'induction L12, L12, L13 et L;3, puis en déterminant I2 = 13 par le choix encore libre des réactances des condensateurs C13, C'13. La figure 3 illustre une variante de circuit de ballast selon l'invention. Le principe de ce mode de réalisation est fondé sur la réduction convenable des réactances des deux circuits de formation de courants déphasés du montage représenté sur la figure 1. En reliant les bornes 2 et 9 à tension alternative des circuits redresseurs 3 et 10 de la figure 1 directement à l'entrée B en tension alternative, les diodes 5, 6 étant alors en parallèle avec les diodes 15 et 16, on obtient le circuit de la figure 3. Ce circuit comprend deux entrées en tension alternative K et P et deux sorties en tension continue M et N. La borne K est connectée par l'intermédiaire d'un condensateur C22 et d'une bobine d'induction L22 en série à une première phase 30 reliée par l'intermédiaire d'une diode 32 à la sortie M en tension continue et par l'intermédiaire d'une seconde diode 46 à la sortie N en tension continue. Une autre branche comprenant une bobine d'induction L23 connecte l'entrée K en tension alternative à une seconde phase 36 branchée aussi par deux diodes 38 et 48 aux sorties M et N en tension continue.Une troisième phase 40 est reliée directement à la seconde entrée P en tension alternative et reliée aussi par l'intermédiaire de deux diodes 42 et 50 aux sorties M et N. La cathode des diodes 32, 38 et 42 est reliée à la sortie M, tandis que l'anode des diodes 46, 48 et 50 est reliée à la sortie N.Un circuit d'amorçage non décrit A1 est monté entre les phases 36 et 40 d'une part et les sorties M et N d'autre part. Le montage représenté correspond à un circuit triphasé. La somme négative des deux courants i2 et i3 qui passent dans les branches 22 et 23 circule dans le conducteur de courant alternatif correspondant à l'entrée P. Ce courant est désigné par -i1, i1 désignant de son coté le courant arrivant à la borne K. En adoptant les réactances de la fondamentale de la tension alternative d'entrée u1 des branches 22 et 23, donc du montage en série C22, L22 et de la bobine d'induction L23, de telle manière qu'elles soient égales et opposées et que leurs valeurs soient telles que la puissance apparente transformée dans une branche 22 ou 23 soit égale à 0,65 - 0,85 fois la puissance apparente transformée dans la charge ZL, les déphasages sont dans chaque cas d'environ 1200 entre les courants individuels i2 et i3, i3 et -i1, -i1 et i2, la combinaison de ces courants donnant un caurant continu i4 à très faible ondulation.Le réglage de précision s' effectue aussi dans ce circuit avantageusement en adoptant la réactance du condensateur C22 de telle manière, les deux réactances L22 et L23 étant égales, que les valeurs efficaces I2, I3 ou les valeurs redressées | i2 |, | i3 | des courants individuels i2 et i3 soient égales à + 20 ffi près au maximum. L'avantage de ce circuit est sa simplicité, car il comprend deux bobines d'induction, un condensateur et deux diodes de moins que le circuit de la figure 1. Cet avantage est toutefois partiellement annulé par le fait que les éléments doivent être plus fortement surdimensionnés que ceux du circuit de la figure 1. Un court-circuit de la charge ZL, par exemple d'une lampe à décharge dans un gaz à courant continu d'émission d'un rayonnement ultraviolet, a pour conséquence, par suite de l'élévation du courant i4, une très forte surcharge des réactances, de sorte que, pour assurer la fiabilité du circuit, il faut en particulier plus fortement surdimensionner le condensateur C22 que les condensateurs C et C' de la figure 1 lorsqu'aucune autre mesure de 13 13 protection n'est prise. De plus, le courant i4 dépend aussi plus fortement de la tension. Le ballast de l'invention convient particulièrement bien à l'alimentation d'un émetteur ultraviolet à basse pression et haute intensité dans la plage de rayonnement C, émetteur dans lequel le rayonnement est produit dans un tube à décharge comprenant une cathode à émission thermique ainsi qu'une chambre de décharge et renfermant une charge de mercure et d'argon, ce rayonnement étant produit par une décharge dans un gaz à courant continu à stabilisation sur la surface du tube et sous une pression du mercure Pg comprise entre environ 7,5 . 10-3 et 7,5 10-1 millibar et avec une densité de courant de décharge comprise entre 1 et 25 A/cm2, la chambre de la cathode étant reliée à la chambre de l'anode par l'intermédiaire d'une chambre d'équilibrage de pression et la somme des volumes de la chambre de la cathode, de la chambre de l'anode et de la chambre d'équilibrage de pression étant supérieure au volume de la chambre de décharge, la pression de l'argon p Ar étant par ailleurs comprise entre 0,015 et 0,75 millibar. La demande de brevet de la RFA DT-OS n 2 412 997 ou le prospectus de la Société BBC Brown Boveri portant la référence CH-E 5.0115.1 D, par exemple, décrivent un émetteur de ce type. Un circuit tel que celui de la figure 1 a été dimensionné de la manière suivante pour être mis en oeuvre avec un émetteur tel que mentionné L12 = L'12 = L13= L'13 = 125 mH, C13 = C'13 = 35 F. Une tension d'alimentation U1 = 310 Veff/50 Hz donne donc i1 = 3,2 Aeff et, à la sortie, une tension continue U4 = 190 V et un courant continu i4 = 5,1 A. Un circuit selon la figure 3 a été dimensionné de la manière suivante L22 = L23 = 130 mH, C22 3 37 Une tension U1 = 270 V eff/50 Hz donne donc : i1 = 3,6 A off et des grandeurs continues de sortie : U4 = 190 V et i4 = 5,0 A. REVENDICATIONS 1. Ballast alimenté en tension alternative, en particulier pour lampes à décharge dans un gaz à courant continu, carac térisé en ce qu'il comprend des composants redresseurs à double alternance (3, 10 ; 32, 38, 42, 46, 48, 50) en amont desquels sont montés en série avec l'arrivée en tension alternative au moins deux circuits (12, 13 ; 22, 23) de formation de courants séparés ou individuels déphasés (i2, i3, -i1), ces composants étant reliés à la sortie en tension continue de manière à superposer les courants séparés déphasés et redressés et lesdits composants redresseurs à double alternance (3, 10 ; 32, 46, 38, 48) connectant chacun desdits circuits (12, 13 ; 22, 23) de formation de courants séparés et déphases aux deux sorties en tension continue (C, D ;M, N) du ballast pour le branchement de ce dernier à la même impédance terminale ou de charge. 2. Ballast selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits circuits de formation de courants déphasés (12, 13 ; 22, 23) sont des lignes purement réactives dont les réactances (vs2, X13 ; X22 > X23) sont adoptées de manière que les valeurs efficaces (I2, 13) ou les valeurs redressées (i21 ,li31 1 > des courants séparés 3 et déphasés (i2, i3 ) circulant dans ces lignes et appliqués aux composants redresseurs à double alternance (3,10 ; 32, 46, 38, 48) soient égales à + 20 % près au maximum. 3. Ballast selon la revendication 2, caractérisé en ce que les composants redresseurs à double alternance sont deux circuits redresseurs de Gratz (3, 10) et les circuits de formation de courants séparés et déphasés (12, 13) sont deux branches à réactance (L12, L;2 ; L13C13, L;3C' ) dont l'une (L12, L;2) aboutit aux connexions en tension alternative (1, 2) du premier pont de Grätz (3) et la seconde (L13C13, L;3C;3) aboutit wix connexions en tension alternative (8, 9) du second pont de Gratz (10), les bornes en tension continue (18, 28 ; 19, 29) de même polarité des redresseurs de Gråtz (3, 10) étant connectées de manière à superposer les courants séparés et déphasés et étant branchées sur les sorties correspondantes en tension continue (C, D) du ballast. 4. Ballast selon la revendication 3, caractérisé en ce que les réactances de chaque branche aboutissant à un redresseur de Gratz sont symétriques. 5. Ballast selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'une des branches à réactance (12) comprend une bobine d'in duction (L12) en amont et une autre (t' ) en aval de son pont de Gratz 12 12 (3) et l'autre branche à réactance (13) comprend un condensateur (C13) en série avec une bobine d'induction (t ) en amont et un autre conden 13 sateur (c1,3) et une autre bobine d'induction (L13) en aval de son pont de Gratte (10), les réactances de toutes les bobines d'induction (L12, L'12, L13, L'13) étant égales au moins dans la même branche et l'étant de préférence toutes. 6. Ballast selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux bobines d'induction (t t' L12 ) L13, L13) de la 12' 12 ' 13' 13 même branche à réactance (12, 13) ont le même nombre de spires et sont bobinées sur le même noyau de fer. 7. Ballast selon la revendication 2, caractérisé en ce que les composants redresseurs à double alternance consistent en un circuit redresseur triphasé (32, 38, 42, 46, 48, 50) et les circuits de formation de courants séparés et déphasés (22, 23) sont deux branches à réactance (L23 ; L22C22) dont chacune est connectée à une phase en tension alternative (30, 36) du circuit redresseur triphasé et une entrée en tension alternative (P) du ballast est connectée directement à la troisième phase en tension alternative (40) du circuit redresseur. 8. Ballast selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'une des branches à réactance (23) comprend une bobine d'induction (L23) et l'autre (22) comprend une bobine d'induction (L22) montée en série avec un condensateur (C22) et ces deux branches (22, 23) sont montées entre la même entrée en tension alternative (K) du ballast et leurs phases spécifiques (30, 36) du circuit redresseur triphasé. 9. Ballast selon l'une des revendications 3 et 7, caractérisé en ce que les valeurs des réactances (X12, X13 ; X22, X23) des branches correspondantes sont adoptées de manière que la puissance apparente apparaissant dans une branche soit comprise entre 0,5 et 2 fois la puissance apparente sur la charge. 10. Ballast selon la revendication 9, caractérisé en ce que les valeurs des réactances (X12, X13 ; x22, X23) des branches correspon- dantes sont adoptées de manière que la puissance apparente apparaissant dans l'une des branches soit égale à 0,65 - 0,85 fois la puissance apparente de la charge. 11. Application du ballast selon la revendication 1 à 11 alimentation d'un émetteur ultraviolet à haute intensité et basse pression dans la plage de rayonnement C, émetteur dans lequel le rayonnement est produit dans un tube à décharge comportant une cathode à émission thermique et une chambre de décharge et contenant une charge de mercure et d'argon, ledit rayonnement étant provoqué par une décharge dans un gaz à courant continu et stabilisation sur la surface du tube, sous une pression du mercure pRg comprise entre environ 7,5 10 ) et 7,5 10 millibar et sous une densité de courant de décharge comprise entre 1 et 25 A/cm, la chambre de la cathode étant reliée à la chambre de l'anode par une chambre d'équilibrage de pression et la somme des volumes de la chambre de la cathode, de la chambre de l'anode et de la chambre d'équilibrage de la pression étant supérieure au volume de la chambre de décharge, la pression de l'argon PA étant par ailleurs comprise entre environ 0,015 et 0,75 millibar.