Brevet FR2381436A1 — publié le 19780915

La présente invention concerne un procédé et un appareil de production de lumière a partir d'énergie électrique, le procédé employé permettant d'augmenter, par comparaison avec les systèmes de la technique antérieure, la quantité de lumière produite dans un tube à décharge rempli de gaz pour une application donnée d'énergie électrique. Les tubes a gaz, comme les tubes fluorescents, les tubes éclair, etc., qui comportent généralement deux électrodes écartées l'une de l'autre et placées dans une ampoule remplie de gaz transparente ou revêtue d'une substance fluorescente, sont généralement considérés comme de médiocres convertisseurs de l'énergie électrique en lumière. Lorsque ces tubes sont remplis sous faible pression de gaz tel que l'argon, le krypton et le néon et travaillent à leur tension disruptive (tension d'ionisation) a partir d'un courant alternatif ordinaire de 50 Hz (ou de 60 Hz pour d'autres pays), on constate généralement qu'une grande partie, allant jusqu'a 90%, de l'énergie électrique appliquée est dissipée sous forme de chaleur. Il a été suggéré d'augmenter le rendement de la transformation en lumière des tubes a gaz par application d'un courant alternatif de haute fréquence, par exemple de 400 a 20.000 Hz. Toutefois, dans la technique antérieure, l'augmentation de rendement obtenue avec des tubes a gaz utilisant un courant de haute fréquence n'a atteint que 10% environ. L'invention a pour premier objet un procédé de production de lumière d partir d'un tube a gaz, qui consiste à dissiper entre les électrodes du tube des impulsions d'énergie électrique dont l'amplitude est supérieure au potentiel d'ionisation et la durée est inférieure au temps de transit des ions du gaz entre les électrodes tout en étant supérieur au temps de transit des électrons, et a retirer les ions du gaz d'entre les électrodes. L'invention a pour second objet un appareil destiné à produire de la lumière à partir d'énergie électrique. Cet appareil comprend un tube à gaz doté d'electrodes de décharge et de dispositifs permettant d'appliquer entre les électrodes une énergie électrique sous forme d'impulsions d'amplitude superieure au potentiel d'ionisation du tube et de durée inférieure au tempsde transit des ions du gaz entre les électrodes, mais supérieure au temps de transit des électrons. L'appareil comprend également un dispositif permettant d'éliminer d'entre les électrodes les ions du gaz. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris a la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation illustré par les dessins annexés, sur lesquels - la figure I est une vue schématique d'un tube décharge classique rempli de gaz qui est utilisé dans le procédé de l'inventinn ; - la figure 2 est une graphique illustrant une forme préférentielle de l'énergie électrique utilisée dans l'invention, l'axe vertical représentant la tension et ltaxe horizontal le temps ; et - la figure 3 représente un circuit d'alimentation électrique qui peut entre utilisé pour produire la forme d'onde de la figure 2. Sur la figure 1, est représenté un tube b décharge classique rempli de gaz qui comprend une ampoule de verre transparente I, dans laquelle des électrodes de décharge 2 et 3 sont hermétiquement enfermées. Les électrodes 2 et 3 sont conçues pour être respectivement connectées a une source de tension par l'intermédiaire de conducteurs 4 et 5, les points auxquels les conducteurs 4 et 5 pénètrent dans l'ampoule 1 faisant l'objet d'un raccord hermétique. De façon normale, on prépare l'ampoule 1 en la vidant et en y introduisant une faible quantité de gaz, par exemple de l'argon et du krypton, la quantité introduite étant telle que la pression a l'intérieur de l'ampoule est comprise entre lO 6 et 10'1 atm. Comme le montre la figure I, la distance séparant les électrodes opposées 2 et 3 est indiquée par tg > et cette distance est ordinairement comprise entre 1 et 10.000 cm. La figure 2 présente une forme d'onde préférentielle pour l'énergie électrique qui doit être dissipée entre les électrodes 2 et 3 d u tube 1. Les trois courbes sont représentatives du potentiel qui apparat en divers points du circuit au cours de son fonctionnement cyclique normal. La courbe El, qui est une ligne continue, représente une impulsion électrique carrée étroite produite par une source d'impulsions électriques étroite de haute tension, qui peut typiquement utiliser un tube à gaz fonctionnant en commutation. La courbe Eî, qui est formée par une série de croix, représente le potentiel appliqué au tube l après passage dans une inductance convenable. La courbe Vg, qui est une ligne interrompue, représente le potentiel aux bornes de l'intervalle t g séparant les électrodes (figure 1). Comme le montre la figure 2, l'impulsion appliquée qui apparaît aux bornes de l'intervalle t est indiquée par tw. g w La période de répétition des impulsions est indiquée sur la figure 2 par Tr Sur l'axe vertical, V représente le potentiel disruptif, ou d'ionisation, associé aux électrodes 2 et 3, et Vb est la tension de polarisation qui est appliquée entre les électrodes 2 et 3 pendant les moments qui séparent les impulsions. La figure 3 illustre un circuit d'alimentation électrique sous forme d'impulsion étroite, que l'on peut utiliser pour produire la forme d'onde préférentielle indiquée sur la figure 2. Le circuit comprend un générateur d'impulsions 24 qui est connecté par un cible 26 à une alimentation continue 25. La borne positive de l'alimentation continue 25 est la terre. Le circuit comporte également un tube de commutation à gaz 27 se présentant sous la forme d'une tétrode, le fil 28 associé 9 la cathode et les fils de chauffage 29 et 30 de la cathode étant connectés à une source électrique convenable (non représentée). La tétrode 27 porte également un fil d'anode 32 et des fils 33 et 34 associés aux grilles. Le fil 34 de la grille de commande est connecté au générateur d'impulsions 24, tandis que le fil 33 de la grille écran est connecté a une source 35 de potentiel de polarisation comprenant une diode 36 connectée en série avec le secondaire d'un transformateur 37. Un enroulement primaire du transformateur 37 est en serie avec une résistance variable 38, qui est elle-meme connectée à une source de tension alternative par l'intermédiaire de câbles 39 et 40.La diode 36 est également connectée en série à un condensateur 41. Comme on l'a indiqué précédemment, une sortie de l'alimentation 35 est connectée à la grille écran de la tétrode par le fil 33, et son autre sortie est connectée a la terre. Le fil d'anode 32 est connecté à une autre alimentation continue 45 par un fil 46 qui est connecté en série avec une inductance 47 et une résistance 48. La borne négative de l'alimentation continue 45 est à la terre. Ce circuit comporte également le tube 1 rempli de gaz (figure 1), dont une électrode 3 est directement connectée au fil d'anode 32 par un fil 5. L'autre électrode 2 du tube 1 est connectée, par l'intermédiaire du fil 4 et d'une inductance 53, à un point situé entre une capacité 54 et une inductance 57 d'un fil 55 connecté à la borne de sortie positive de l'alimentation 45. L'inductance 57 est également connectée à la borne de sortie positive de l'autre alimentation continue 56, par l'intermédiaire d'un fil 58. En utilisation, les fils 4 et 5 du tube 1 sont connectés à l'alimentation continue représentée sur la figure 3. Pour determiner la forme d'onde nécessaire X l'obtention d'un fonctionnement approprié du tube, on détermine par des mesures le potentiel disruptif et la dimension de l'intervalle de décharge. En liaison avec cette détermination, qui est associée au circuit de la figure 3 et a la forme d'onde de la figure 2, on fixe les caractéristiques T , Tr, V et Vb. s Vsa qui est le potentiel disruptif du tube, est facilement déterminé par des mesures ou bien peut titre calculé de la manière indiquée ci-dessous. En ce qui concerne la largeur d'impulsion voulue Tw, elle doit entre inférieure au temps de transit (ou de parcours) des ions du gaz, scit Tison mais elle doit Autre supérieure au temps de transit des électrons Te. Pour déterminer T. , on peùt commodément utiliser les méthodes et les calculs donnés par J.D. Cobine dans "Gaseous Conductors", Dover Publications, N.Y. 1958. La valeur de T se calcule à partir de celle de T. e ion par comparaison des masses de l'électron et de l'ion du gaz considéré, à savoir T. T - ion e x masse de l'ion T = ion . e V1840 x masse de l'ion (la masse de l'ion est exprimée dans le système pourleqel la masse de l'atome d'hydrogène est égale a 1). Pour la détermination du temps de transit des ions du gaz, on procède de la maniere indiquée par Cobine où p est la pression du gaz (mm Hg) t g est la distance de séparation entre électrodes (cm) kp est une constante pour les gaz Gaz He 3868 N2 962 02 996 La période T r de répétition des impulsions (qui est l'inverse de la fréquence de répétition des impulsions) est choisie de manière à donner une lumière d'intensité voulue et due niveau de scintillement acceptable en fonction de l'application visée. L'intensité (exprimée en lumens) varie proportionnellement à la fréquence, c'est-a-dire au nombre d'impulsions par seconde.En outre, on doit noter que, si la fréquence tombe au-dessous d'une certaine limite, non seulement l'intensité diminue, mais la lumière se met à scintiller. La fréquence minimale correspondant a un éclairement normal est d'environ 50 a 60 Hz. Pour obtenir une augmentation du rendement global de production de lumière par le tube d décharge, il est nécessaire d'appliquer entre les impulsions électriques une tension de polarisation qui soit suffisante pour retirer une quantité appréciable de molécules gazeuses chargées, c'est-à-dire d'ions, créées dans l'intervalle de séparation t . Pour calculer g la valeur voulue de Vb, on effectue les calculs suivants V = 40 p.t + 1350 s g où Vb est le potentiel de polarisation (volts) T est la largeur d'impulsion (s) w T est la période de répétition des impulsions (s) V est la tension de fonctionnement op p est la pression du gaz (mm Hg) t est la distance de séparation entre les électrodes (cm) g Pour des tubes ayant une distance de séparation tg de 1 à 300 cm environ et des potentiels d'ionisation V de l'ordre de 50 à s 5000 volts, on trouve que,si lton utilise une fréquence de répétition d'impulsions qui convienne pour la production d'une lumière visible de fréquence comprise entre 50 ou 60 et 20.000 Hz, T est généralement compris w entre 0,1 et 10% environ de la valeur Tr.On montre également que, pour des tubes normaux, il faut un potentiel Vb de l'ordre de 1 à îoeo volts, lorsqu'on choisit pour Vb un potentiel continu sensiblement constant. On doit aussi comprendre que Vb peut fluctuer quelque peu et que, dans un certain nombre de cas, il peut consister en un potentiel alternatif. Dans ces cas, le calcul révèle que Vb donne une énergie d'extraction des ions qui est équivalente à la valeur indiquée ci-dessus dans le cas d'un potentiel constant. L'utilisation du circuit d'alimentation de la figure 3 demande un réglage du générateur d'impulsions 24 tel que celui-ci fournisse la fréquence voulue nécessaire a la production d'une lumière visible convenable par le tube 1. Comme cela a été indiqué ci-dessus, la fréquence est normalement comprise dans l'intervalle de 50 ou 60 à 20.000 Hz environ. Pour produire la tension de polarisation voulue, l'alimentation continue 35 et, ou bien, l'alimentation continue 56 peuvent entre réglées de façon appropriée. Pour obtenir une énergie efficace sous forme d'impulsions étroites de haute fréquence, il est extrêmement souhaitable d'utiliser un tube a gaz de commutation du type de la tétrode 27,de manière à produire initialement des impulsions carrées semblables à celles indiquées par la courbe E1 de la figure 2. Toutefois, pour minimiser les pertes résistantes qui sont obligatoirement produites par la charge brutale d'une impédance capacitive telle que le tube 1, on choisit une valeur de l'inductance 53 qui soit appropriée a la tétrode et qui produise ainsi la courbe arrondie E2. Normalement, l'inductance 53 a une valeur comprise entre lO et l henry. Les éléments du circuit de la figure 3 sont généralement classiques, en ce que le générateur d'impulsions 24 est destiné a produire des impulsions de déclenchement de l'ordre de 1 a 2000 volts en continu sous des fréquences comprises entre 50 ou 60 et 20.000 Hz. L'alimentation continue 25, qui est connectée au générateur d 'impulsions 24, peut fournir de O à 1000 volts, tandis que l'alimentation continue 45 produit de O a 10.000 volts sous une puissance de sortie de 1000 watts. De même, l'alimentation continue 56 peut produire une sortie variable et est indiquée en détail a l'intérieur de la ligne interrompue 35. Dams le circuit de la figure 3, le tube à vide 27 travaillant en commutation est une tétrode. Toutefois, on peut également envisager l'utilisation de pentodes et de triodes, leur adaptation au circuit étant chose évidente à l'homme de l'art. Après cette description des aspects fondamentaux de l'invention, l'exemple qui suit en donne des modes de réalisation particuliers illustratifs. EXEMPLE Un tube a décharge rempli de gaz ayant une distance inter-électrodes t de 100 cm, un diamètre d'environ 3 cm, et une atmosphère g interne de xénon sous 25 mm Hg, possède, comme le montre le calcul, un potentiel d'ionisation V de 6000 volts. On connecte ce tube a une source s d'alimentation semblable a celle de la figure 3. On fait travailler le générateur d'impulsions 24 à une fréquence de 60 Hz. On règle les carac téristiques de sortie du circuit de manière qu'il produise une tension E1 maximale (figure 2) de 10.000 volts, une tension E2 maximale correspondante de 4.000 volts, et une tension V maximale de 6.000 volts, ce qui correspond g au potentiel d'ionisation du tube.Le circuit fonctionne de manière que la largeur d'impulsion T se trouve dans l'intervalle de 0,1 à 10 us environ. w A l'aide d'une alimentation appropriée, on règle Vb à une valeur continue positive stationnaire de 800 volts. On montre que, pour une largeur d'impulsion T inférieure w a 5 jis, le tube produit une lumière "froide" diffuse manifestant peu d'échauffement des parois externes du tube. Lorsque l'on augmente la largeur d'impulsion jusqu'à plus de 10 ps environ, il est produit une intense lumière "chaude", qui est associée d un effet d'éclat considérable et à un dégagement de chaleur, mis en évidence par l'échauffement de la surface du tube. On conclut donc que ce tube à décharge produit plus de lumière et moins de chaleur lorsque l'on utilise des impulsions étroites. Par conséquent, l'invention constitue en un dispositif par lequel on peut augmenter le rendement électrique de tubes a décharge remplis de gaz producteurs de lumière. Bien entendu, l'homme de l'art peut apporter, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications au procédé et a l'appareil qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif de l'invention. RE vEMD ICÂTtO N S l. Procédé de production de lumière a partir d'un tube a gaz dans lequel de l'énergie électrique est appliquée aux électrodes du tube sous une tension dépassant le potentiel d'ionisation, le procédé étant caractérisé en ce que des impulsions d'énergie électrique dissipées entre les électrodes du tube ont une amplitude dépassant le potention dz ionisation V et-une durée inférieure au temps de transit des ions du gaz,TiOn, d'une - électrode a l'autre et supérieure au temps de transit des électrons,Te, et en ce que les ions du gaz sont retirés d'entre les électrodes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance dissipée a une fréquence de répétition d'impulsions l/Tr de 50 ou 60 a 20.000 Hz. 3. Procédé selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que le potentiel d'ionisation V est compris entre 50 et 100.000 volts. s 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les impulsions étroites ont une durée T comprise entre 0,1 et 107. de v la période T r de répétition des impulsions. - 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 18 4, caractérisé en ce qu'un potentiel de polarisation Vb de faible amplitude est maintenu entre les électrodes de façon å retirer les ions du gaz d'entre les électrodes. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le potentiel de polarisation Vb est une tension continue positive ou négative et, ou bien, une tension alternative et a une amplitude comprise entre 0,1 et 107. du potentiel d'ionisation. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 6, caractérisé en-ce que le tube est rempli d'un gaz, qui est le néon, l'argon, le krypton, le xénon, des vapeurs de mercure ou des vapeurs de sodium. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le gaz a une pression comprise entre O,l et lO 7 atm. 9. Appareil utilisent le procédé de la revendication i pour produire de la lumière a partir d'énergie électrique, l'appareil comprenant un tube à gaz doté d'électrodes de décharge et un dispositif permettant- l'application d'énergie électrique entre les electrodes, et étant caractérisé en ce que le dispositif d'application d'énergie électrique est conçu-pour produire des impulsions d'amplitude supérieure au potentiel d'ionisation Vs du tube et de durée Tw inférieure au temps de transit des ions du gaz,T onX d'une électrode à l'autre du tube, et est supérieure au temps de transit des électrons,Te et en ce qu'il comprend un dispositif destiné à éliminer les ions du gaz d'entre Les électrodes. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'élimination des ions du gaz est constitué par un dispositif appliquant entre les électrodes un potentiel Vb qui est inférieur au potentiel d'ionisation V 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif d'élimination des ions du gaz consiste en un dispositif qui applique entre les électrodes une tension continue positive ou négative et, ou bien, une tension alternative Vb d'amplitude comprise entre 0,1 et 107. du potentiel d'ionisation Vs. s 12. Appareil selon la revendication 9, 10 ou ll, caractérisé en ce que le tube est rempli de néon, d'argon, de krypton, de xénon, de vapeurs de mercure ou de vapeurs de sodium. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le tube est un tube fluorescent. 14. Appareil selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le dispositif d'application d'énergie électrique produit des impulsions d'énergie électrique de fréquence de répétition l/Tr comprise entre 50 ou 60 et 20.000 Hz, d'amplitude V comprise entre 50 et 100.000 volts, s et de durée T comprise entre 0,1 et 10% du temps de transit T ion des ions w de gaz monovalents d'une électrode à l'autre. 15. Appareil selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que la pression du gaz dans le tube est comprise entre 0,1 et 10 7 atm.