Brevet FR2379967A1 — publié le 19780901

On sait que l'on utilise, comme sources usuelles d'éclai- rage, des lampes à incandescence ou des tubes fluorescents. Dans les lampes à incandescence, le courant électrique d'alimentation provoque, par effet Joule, une augmentation de la température du filament et I'irradiation lumineuse steffectue à partir du filament ainsi chauffé.Dans les tubes fluorescents, on établit entre deux électrodes une différence de potentiel suffisante pour provoquer le passage d'un arc dans une atmosphère raréfiée contenant des particules de mercure ; les particules de mercure, sous lteffet du flux d'électrons issu des électrodes, irradie sur une longueur d'ondes dans l'ultra-violet, ce qui provoque émission lumineuse visible d'une couche de matériau fluorescent constituant le rev- tement interne du tube fluorescent.Dans le fonctionnement d'un tube fluorescent alimenté en courant alternatif, la différence de potentiel existant entre les électrodes, communément appelées "cathodes", s' inverse alternativement à une fréquence égale à celle du courant d'alimentation. I1 en résulte que l'arc entre les cathodes s'établit pendant les périodes où la différence de potentiel est suffisante et s'éteint dans les autres périodes ; cependant, la radiation lumineuse du tube, telle qu'elle est perçue par l'oeil, est continue car, entre deux périodes d'établissement de l'arc, la couche fluorescente a une rémanence suffisante pour permettre une prolongation de émission lumineuse externe. Les dispositifs permettant l'alimentation électrique des tubes fluorescents sont appelés de façon générique "ballast" : ces dispositifs comportent toujours au moins un enroulement selfique permettant de limiter le passage du courant dans l'arc qui s'établit entre les cathodes. Les cathodes peuvent être préchauffées avant l'allumage du tube, auquel cas le flux d'électrons dmis par une cathode est suffisant pour permettre l'établissement de l'arc pour une relativement faible différence de potentiel entre les cathodes ; ou bien, les électrodes peuvent également ne pas entre préchauffées, auquel cas il est nécessaire d'établir une différenoe de potentiel relativement plus importante entre les cathodes pour provoquer l'établissement de l'arc dans le tube.La différence de potentiel entre les-cathodes est obtenue par les enroulements selfiques du ballast. La présence de ces enroulements entrasse une consommation de puissance réactive, de sorte qu'on est souvent amené à compenser l'action des selfs par des condensateurs pour rétablir un facteur de puissance convenable et voisin de 1. L'inconvénient des dispositifs connus, constituant actuellement les ballasts, provient du fait que les enroulements selfiques ont une résistance propre et sont alimentés en permanence par le courant électrique du réseau, ce qui entrasse une dissipation d'énergie assez importante. Par ailleurs, l'arc qui s'éta- blit entre les cathodes du tube consomme également une énergie que l'on dissipe partiellement en chaleur, de sorte qu'au total le rendement d'un tube fluorescent n'est pas très bon, c'est-à-dire que, pour un nombre de lumens prédéterminé, la consommation électrique est relativement importante. La situation se présente de façon encore plus défavorable pour les lampes à incandescence, de sorte qu'il est souhaitable de trouver un dispositif permettant d'utiliser des moyens éclairants de type classique en augmentant leur rendement. La présente invention a pour but de proposer un procédé d'alimentation de moyens éclairants susceptibles d'améliorer le rendement afférent au fonctionnement de ces moyens, ctest-à-dire de permettre l'obtention d'une émission lumineuse prédéterminée avec une consommation d'énergie réduite. La présente invention a pour objet un nouveau procédé d'alimentation électrique d'un moyen éclairant, caractérisé par le fait qu'entre les deux bornes dudit moyen, on établit une différence de potentiel variant sous forme d'impulsions périodiques ayant une fréquence comprise entre environ 5 et environ 50 kHz, le maximum de la valeur de la tension atteinte au cours de chaque impulsion étant suffisant pour obtenir une émission lumineuse du moyen éclairant. Dans un mode préféré de mise en oeuvre, les impulsions sont toutes de meAme signe ; si on appelle t0 la durée d'une impulsion et tl le temps entre deux impulsions successives, le rapport t0 tl est compris entre 0,06 et 0,99 ; pour des tubes fluorescents de type classique, la tension maximum obtenue pendant chaque impulsion entre les deux cathodes est comprise entre 200 volts et 375 volts par mètre d'écartement des cathodes. La présente invention a également pour objet un dispositif mettant en oeuvre le procédé d'alimentation ci-dessus défini. Elle a donc pour objet le produit industriel nouveau que constitue un dispositif d'alimentation électrique de Doyen éclairant, caractérisé par le fait que les bornes du moyen éclairant alimenté sont reliées à un générateur d'impulsions produisant des impulsions dont la fré quence est comprise entre environ 5 et environ 50 kHz. Dans un mode préféré de réalisation, lorsque le dispositif selon l'invention est utilisé pour l'alimentation de tubes fluorescents, la liaison entre le générateur d'impulsions et au moins un des tubes à alimenter s'effectue par un condensateur de couplage de valeur appropriée ; la tension maximum des impulsions fournies par le générateur d'impulsions est suffisante pour obtenir une émission lumineuse sur au moins une partie de la longueur du tube ; le générateur d'impulsions fournit des impulsions toutes de mame signe pour lesquelles le rapport t et tl de la durée d'une impulsion sur l'espacement de deux impulsions successives est compris entre 0,06 et 0,99. On peut avantageusement prévoir que le générateur dtimpul- sions soit alimenté en courant continu à partir d'une source alternative par l'intermédiaire d'un dispositif redresseur ; le générateur d'impulsions peut avantageusement Aetre constitué d'un transistor sur le collecteur duquel on branche un premier enroulement selfique, relié par un de ses points à l'une des bornes d'un moyen éclairant, l'émetteur du transistor étant relié, d'une part, à au moins une autre borne dudit moyen éclairant et, d'autre part, à la base du transistor par I'intermédiaire d'un deuxième enroulement self tique et d'un condensateur, le premier et le deuxième enroulement selfique étant en induction mutuelle ; on préfère que les deux enroulements selfiques associés au transistor soient enroulés sur un meme noyau, ledit noyau pouvant avantageusement ttre-construit en ferrite. Au sens de la définition ci-dessus donnée pour le générateur, il faut entendre par "moyen éclairant" tout ensemble susceptible de fournir un éclairage ; un moyen éclairant pourra, par exem- ple, entre constitué de plusieurs tubes fluorescents, auquel cas le générateur dtimpulsions ne sera pas nécessairement relié aux deux cathodes de chaque tube, mais sera né3essairement relié à deux des électrodes de ensemble des tubes, les autres électrodes pouvant entre reliées entre elles pour constituer des électrodes à potentiel intermédiaire. Le transistor du générateur d'impulsions peut avantageusement entre un transistor au silicium. Le choix ou l'ajustement des valeurs des enroulements selfiques et des condensateurs associés au transistor du générateur d'impulsions s'effectue de façQn à obtenir la fréquence d'impulsions désirées dans la gamme allant de 5 à 50 kHz et pour obtenir la tension maximum d'impulsions désirée On constate que si l'on fait varier la tension maximum des impulsions fournies par un tel générateur, le rapport t0 varie, sans que ce t1 la constitue un inconvénient pour le fonctionnement du dispositif. On a constate de façon surprenante que, lorsque l'on utilise le procédé et le dispositif selon l'invention, on obtient pour un éclairement prédéterminé, une économie considérable de la consommation d'énergie, économie que l'on nta pas expliquée à ce jour de façon précise. En ce qui concerne les tubes fluorescents, si l'on fait varier, à partir de zéro, la tension maximum des impulsions fournies par le générateur d'impulsions, on constate qu'à partir d'une première valeur, on voit apparattre une zone éclairée au voisinage des cathodes, que cette zone augmente progressivement en direction de la zone médiane du tube lorsqu'on augmente la tension des impulsions produits et que, pour une deuxième valeur, on arrive à obtenir I'éclairage sur toute la longueur du tube.On constate donc qu'avec le dispositif selon l'invention, on peut faire varier de façon continue l'éclairage d'un tube fluorescent depuis la valeur maximum jusqu'à la valeur zéro ou inversement, ce qui jusqu 'à présent ne pouvait pas être effectué en raison de la nécessité qu'il y avait d'allumer un arc à l'intérieur du tube. On-pense en effet qu'avec ledispositif selon l'invention, le rayon- nement lumineux de la couche fluorescente est obtenu sans qu'il existe à l'intérieur du tube un établissement d'arc. Ce phénomène se produit aussi pour des valeurs de la fréquence du générateur d'impulsions supérieures à 50 kHz, mais dans cette zone, les bornes des moyens éclairants commencent à constituer des antennes émettrices d'ondes radioélectriques gênantes pour l1 environnement et, en particulier, pour les émissions radiophoniques ou analogues. Ceci explique la limitation, qui a été indiquée dans la définition de l'invention, en mentionnant la borne supérieure de 50 kHz, bien que le phénomène se poursuive au-delà de cette borne. Le phénomène d'allumage semble disparattre au contraire lorsque la fréquence des impulsions décrott jusqu'à une valeur inférieure à 5 kHz, ce qui explique la limitation inférieure indiquée dans la définition générale de l'invention.Cependant, on pense que cette limite inférieure dépend en partie de la réalisation des moyens éclairants et elle ne doit donc pas entre considérée de façon stricte pour la délimitation de l'invention. e Les tubes fluorescents alimentés par un dispositif selon l'invention peuvent ou non comporter des cathodes préchauffées, étant entendu que stil existe un préchauffage, l'éclairement du tube pourra entre obtenu pour des tensions maxima d'impulsions légèrement inférieures aux tensions nebessaires pour l'obtention d'un meme résultat sans préchauffage des cathodes. En utilisant le procédé et le dispositif selon l'lnvention, on a constaté que l'on pouvait obtenir, par rapport aux alimenta- tions classiques, des économies de consommation d'énergie supérieures à vingt pour cent pour une production lumineuse identique des moyens éclairants considérés et sans que l'on note une détérioration plus rapide au cours de l'utilisation desdits moyens éclairants. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, deux modes de réalisation représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 représente le schéma-bloc d'un dispositif selon l'invention destiné à l'allumage d'un tube fluorescent - la figure 2 représente le schéma d'un dispositif selon la figure 1 destiné à l'allumage d'un seul tube fluorescent ; - la figure 3 représente le schéma d'un dispositif selon l'invention analogue à celui de la figure 2 mais destiné à l'allumage de deux tubes fluorescents. En se référant à la figure 1, on voit que l'on a désigné par 1, les bornes d'alimentation alternatives du réseau électrique et par 2, le moyen éclairant, en l'occurence, un tube fluorescent alimenté par les bornes 1. Les bornes 1 alimentent un organe redresseur 3 qui fournit un courant continu servant à l'alimentation d'un générateur d'impulsions -4, qui est relié au tube 2 par l'intermédiaire d'un condensateur de couplage 5. On a supposé, sur ce schéma, que l'une des polarités du générateur de courant continu 3 et du générateur d'impulsions 4 était mise à la masse ; dans ces conditions, l'une des électrodes du tube 2 est reliée au condensateur de couplage 5 alors que l'autre électrode est reliée à la masse. La figure 1 représente le schéma de principe de la mise en application du procédé selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent une mise en oeuvre de ce principe. Dans les dispositifs représentéssur les figures 2 et 3, la partie correspondant au générateur de courant continu, au générateur d'impulsions et au condensateur de couplage est exactement la meAme. Seule, la disposition des tubes fluorescents alimentés par ce dispositif est différente. La partie commune de ces deux réalisations ne sera donc décrite qu'unie seule fois. Le générateur de courant continu 3 est constitué d'un pont redresseur comportant quatre diodes 6, les extrémités d'une diagonale du pont étant reliées à l'alimentation électrique alternative constituée par les bornes 1 et les extrémités de l'autre diagonale du pont étant reliées pour l'une, à la masse - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - et pour l'autre, au générateur d'impulsions 4 et à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur électrolytique 8 de 40MF Le générateur d'impulsions 4 est constitué d'un transistor 9 associé à un enroulement selfique en deux parties et à d'autres composants cl-après décrits. Le transistor 9 est un transistor NPN au silicium du type "BU 206" produit par la Société dite "Téléfunken". Le collecteur du transistor 9 est relié à un bobinage 10 et l'émet. teur est relié à la masse et à un bobinage 11. Les bobinages 10 et 11 sont enroulés sur un meme noyau 12 constitué de ferrite. Les bobinages 10 et 11 sont constitués de spires de 25 mm de diamètre réalisées avec un fil de cuivre d'environ 1 mm de diamtère, ledit fil étant isolé par un film surmoulé de polycarbonates. La bobine réalisée par l'ensemble des enroulements 10 et lia une hauteur d'environ 30 mm. L'enroulement 10 comporte 803 spires ; l'enroulement 11 comporte 60 spires. L'alimentation continue issue du générateur 3 est envoyée d'une part, sur celle des extrémités de l'enroulement 10, qui n'est pas reliée au collecteur du transistor 9, et d'autre part, sur la base du transistor 9 par l'intermédiaire d'une rdsis tance 13 de 330 k # . La base du transistor 9 est relide à l'émet- teur par l'intermédiaire d'un consensateur 14 de 0,022 pF et de l'enroulement 11, ces deux composants étant disposés en série. Le condensateur de couplage 5 est branché en un point A de l'enroulement 10 ; il a une valeur de 0,047 F. Selon la position du point A sur l'enroulement 10, on peut faire varier la tension maximum des impulsions issues du générateur 4. Dans le dispositif de la figure 2, le condensateur de couplage 5 assure la liaison entre le point A et l'une des cathodes 15 d'un tube fluorescent 16 de type classique, dont l'autre cathode a été désignée par 17. Les cathodes 15 et 17 comportent des dispositifs de préchauffage, c'est-à-dire qu'elle sont alimentées respectivement par des bobinages 18 et 19 induits dans un transformateur par un bobinage 20 branché sur le réseau. Le bobinage 20 est branché par l'intermé- diaire d'un interrupteur 21 qui constitue un 'starter" et que l'on ferme uniquement au moment où lton veut allumer le tube, de façon à préchauffer les cathodes 15 et 17 pendant le temps d'allumage. La cathodes 17 est reliée à la masse.- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -Le préchauffage des cathodes s'effectue en consommant une puissance de 2 watts par cathode. Le dispositif de la figure 3 montre l'alimentation par le générateur dtimpulsions 4 d'un ensemble de deux tubes fluorescents 23 et 24 comportant chacun deux cathodes 23a, 23b et 24a, 24b respectivement. Les cathodes 23a et 24a sont préchauffées par des enroulements induits 25 - 26 et les cathodes 23b et 24b sont préchauffées par un enroulement induit 27, les enroulements induits 25 - 26 - 27 constituant le secondaire d'un transformateur, dont l'enroulement primaire 28 est alimenté par le réseau par l'inter- médiaire d'un interrupteur 29. Les cathodes des tubes 23 et 24 sont préchauffées tant que l'interrupteur 29 est fermé.La cathode 24a est reliée à la masse, la cathode 23a est reliée au condensateur de couplage 5 et les cathodes 23b et 24b sont mises à un potentiel intermédiaire en raison du couplage s'effectuant dans le transformateur 25 - 26 - 27 - 28. Le générateur d'impulsions 4, q;i a été ci-dessus défini, permet d'obtenir des impulsions ayant une tension maximum inférieure ou au plus égal à 600 Volts. Le rapport de la durée t0 d'une impulsion à la durée t1 de l'espacement entre deux impulsions successives est égal à 1/3 . La fréquence des impulsions émises par le générateur 4 est de 10 kHz. Si l'on utilise comme tube fluorescent 16 - 23 - 24 des tubes classiques du commerce ayant une longueur de 120 cm et un diamètre d'environ 38 mm, on constate que l'on peut obtenir avec de tels tubes un éclairement de 2800 lumens lorsque l'on effectue une alimentation classique du tube. Avec une alimentation classique, on consomme pour un tel tube une puissance de 40 watts. On a constaté qu'en utilisant le dispositif de l'alimentation selon l'invention telle qu'il vient autre décrit, on obtenait le même éclairement avec une puissance totale consommée de 22 watts. Cet avantage considérable est obtenu sans que le dispositif d'alimentation soit onéreux car les composants constitutifs du générateur de courant continu 3 et du générateur d'impulsions 4 sont des composants classiques et relativement peu onéreux.Le générateur de courant continu 3 et le générateur d'impulsions 4 sont réalisables sous un faible volume et remplacent les ballasts de type classique qui sont asso- ciés aux tubes fluorescents dans les supports de tubes. Si l'on fait varier la position du point A sur l'enroule- ment 10, on fait également varier la tension maximum des impulsions produites par le générateur 4 et, dans ce cas, on constate que l'on peut obtenir progressivement en diminuant la tension maximum des impulsions, une extinction du tube > les zones éclairantes diminuant à partir du milieu en direction des cathodes jusqu'à lTetinction complète. Il est bien entendu que les modes de réalisation ci-dessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de invention En particulie, le procédé selon l'invention peut être ut lisé pour des puissances beaucoup plus importantes que celle consommée par un tube fluorescent de type classique, la limitation pratique de la puissance ne provenant que des caractéristiques des des composants utilisés. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'alimentation électrique d'un moyen éclairant, caractérisé par le fait qu'entre les deux bornes dudit moyen, on établit une différence de potentiel variant sous forme d'impulsions périodiques ayant une fréquence comprise entre environ 5 et environ 50 kHz, le maximum de la valeur de la tension atteinte au cours de chaque impulsion étant suffisant pour obtenir une émission lumineuse du moyen éclairant. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les impulsions alimentant les bornes du moyen éclairant sont toutes de mme signe. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que si l'on appelle t0 la durée d'une impulsion et t1 le temps entre deux impulsions successives, le rapport to tl est compris entre 0,06 et 0,99. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, appliqué à l'alimentation d'un tube fluorescent, caractérisé par le fait que la tension maximum obtenue pendant chaque impulsion entre les deux cathodes du tube est comprise entre 200 volts et 375 volts par mètre d'écartement des cathodes. 5 - Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les bornes du moyen éclairant alimenté sont reliées à un générateur d'impulsions produisant des impulsions dont la fréquence est comprise entre environ 5 et environ 50 kHz. 6 - Dispositif selon la revendication 5, utilisé pour l'alimentation de tubes fluorescents, caractérisé par le fait que la liaison entre le générateur d'impulsions et au moins un des tubes à alimenter s'effectue par un condensateur de couplage. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la tension maximum des impulsions fournies par le générateur d'impulsions est suffisante pour obtenir une émission lumineuse sur au moins une partie de la longueur du tube. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que si l'on appelle t0 la durée d'une impulsion et tl le temps entre deux impulsions successives du générateur d'impulsions, le rapport tO est compris entre 0,06 et 0 > 99 tl g - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, carac térisé par le fait que le générateur d'impulsions est alimenté en courant continu à partir d'une source alternative par l1intermé- diaire d'un dispositif redresseur. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le générateur d'impulsions est constitué d'un transistor sur le collecteur duquel on branche un premier enroulement selfique relié par un de ses points à l'une des bornes d'un moyen éclairant alimenté par le dispositif, l'émetteur du transistor étant relié, d'une part, à au moins une autre borne dudit moyen éclairant et, d'autre part, à la base du transistor par l'intermédiaire d'un deuxième enroulement selfïque et d'un condensateur, le premier et le deuxième enroulements selfiques étant en induction mutuelle. 11 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les deux enroulements selfiques associés au transistor sont enroulés sur un meme noyau constitué, par exemple, en ferrite. 12 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé par le fait que le transistor du générateur d'impulsions est un transistor au silicium.