Brevet FR2416619A1 — publié le 19790831

La présente invention a pour objet un procédé et des dispositifs pour alimenter une lampe à décharge selon plusieurs régimes successifs de luminosité afin d'économiser de l'énergie. Le secteur technique de l'invention est celui des installations électriques d'alimentation des lampes à décharge. De nombreuses installations d'éclairage de rues, de parkings, de bâtiments etc... comportent des lampes à décharge, par exemple des lampes à vapeur de mercure ou de sodium,à haute ou basse pression, qui fonctionnent toute la nuit avec la même luminosité alors qu'il serait suffisant d'éclairer avec un flux lumineux maximum pendant quelques heures et de réduire ensuite la luminosité pendant les heures où peu de gens circulent, ce qui permettrait d'économiser beaucoup d'énergie. On rappelle que les lampes à décharge nécessitent pour leur fonctionnement un dispositif d'amorçage à froid, qui nécessite une surtension et que, si l'alimentation d'une lampe est interrompue pendant une durée de l'ordre d'une milliseconde, il faut, pour réamorcer l'arc à chaud, envoyer sur la lampe une surtention de l'ordre de 2 à 3000 volts selon les types de lampes. Des solutions ont été déjà proposées pour faire fonctionner des lampes à décharge suivant deux régimes de luminosité différents. Une première solution consiste à équiper chaque lampe de deux ballasts (self et condensateur) et d'un commutateur qui permet de mettre en série avec la lampe, un seul des deux ballasts ou les deux. Cette solution est chère car elle nécessite de modifier tous les candélabres ou projecteurs existants. Une autre solution consiste à alimenter un ensemble de lampes par deux tensions alternatives successives, par exemple une premiere tension alternative ayant une valeur efficace de 280 volts et une deuxieme tension ayant une valeur efficace inférieure, par exemple 220 volts, tout en ayant une valeur de crête suffisante pour obtenir l'amorçage. Cette solution nécessite deux circuits d'alimentation différents et elle est onéreuse. Une troisieme solution consiste à alimenter les lampes par des impulsions à haute fréquence telle que la durée séparant deux impulsions soit nettement inférieure à I ms, de telle sorte que la lampe ne décroche pas pendant l'interruption séparant deux impulsions. Dans ce cas, on utilise, par exemple, des fréquences de l'ordre de 25 à 40 KHz et on réduit la luminosité et la consommation de la lampe en passant d'une premiere fréquence à une deuxième fréquence plus élevée. Cette troisième solution présente des difficultés d'utilisation. Le dispositif d'amorçage à froid des lampes doit être modifié. I1 faut également modifier les ballasts équipant chaque lampe et adapter les nouveaux ballasts à chaque type de lampe. L'adaptation de cette solution sur des installations existantes est onéreuse. Un objectif de la présente invention est de procurer des dispositifs pour alimenter une lampe à décharge selon plusieurs régimes successifs de luminosité et de consommation, lesquels dispositifs s'adaptent sur les installations existantes, quel que soit le type de lampe à décharge équipant celles-ci, sans avoir à modifier sensiblement ni les candélabres existants, ni le réseau d'alimentation en courant alternatif. Un autre objectif de l'invention est de procurer des dispositifs pour alimenter une lampe à décharge selon plusieurs régimes successifs, qui permettent d'équiper les nouvelles installations de dispositifs d'alimentation plus économiques et plus fiables que les dispositifs existants. Ces objectifs sont atteints au moyen d'un procédé pour alimenter une lampe à décharge à partir d'une source de tension alternative, selon plusieurs régimes successifs de luminosité et de consommation d'énergie. Un procédé selon l'invention comporte les opérations suivantes - on redresse la tension alternative pour produire une tension continue sensiblement égale à la tension de crête de ladite tension alternative; - on engendre,à partir de ladite tension continue, des impulsions de tension en forme de créneaux sensiblement rectangulaires, ayant une amplitude sensiblement égale à ladite tension continue et une très basse fréquence, de l'ordre de 50 à 1000 Hz; - on utilise lesdites impulsions de tension pour alimenter ladite lampe montée en série avec une self; - et on fait varier la fréquence desdites impulsions, de sorte que la luminosité et la consommation d'énergie de la lampe varie de façon inversement proportionnelle à la fréquence des impulsions. Un dispositif selon l'invention comporte - un générateur de tension continue qui délivre une tension sensiblement égale a la tension de crête du courant alternatif et qui est composé d'un pont redresseur double alternance connecté à la source de courant alternatif et d'un filtre, par exemple un condensateur; - un générateur d'impulsions de tension, à très basse fréquence, qui est alimenté par ledit générateur de tension continue et dont les bornes de sortie sont connectées aux bornes de ladite lampe montée en série avec une self; - et des moyens pour faire varier la fréquence dudit générateur d'impulsions. Le générateur d'impulsions de tension est composé d'un pont de quatre interrupteurs électroniques dont les bornes de sortie sont connectées aux bornes de ladite lampe et d'un transformateur ayant un enroulement primaire qui est placé dans la diagonale dudit pont et quatre enrou lesents secondaires, deux d'un sens et deux autres de sens inverse,et chacun des interrupteurs d'une paire d'interrupteurs situés en opposition dans ledit pont sont connectés sur un des deux enroulements secondaires de même sens. Selon un mode de réalisation préférentiel, les quatre interrupteurs électroniques sont quatre transistors et chacun desdits enroulements secondaires est connecté sur la base de l'un desdits transistors, de telle sorte que deux transistors montés en opposition dans le pont soient bloqués pendant que les deux autres sont saturés et réciproquement. Les moyens pour faire varier la fréquence du générateur d'impulsions sont constitués par un commutateur qui est situé dans le circuit du primaire dudit transformateur, lequel commutateur comporte plusieurs positions permettant de faire varier le nombre de spires de l'enroulement primaire. L'invention a pour résultat la possibilité d'alimenter des lampes à décharge selon plusieurs régimes de luminosité successifs afin d'économiser l'énergie en réduisant la luminosité pendant certaines heures où le plein éclairage n'est pas nécessaire. Un dispositif selon l'invention permet d'appliquer aux bornes de la lampe à décharge, qui est montée en série avec une self L, des impulsions de tension à trèsbasse fréquence, ayant la forme de créneaux rectangulaires d'amplitude + E, E étant sensiblement égal à la valeur de crête de la tension alternative du réseau. L'amorçage de l'arc au cours de chaque alternance n'est donc pas perturbé quelle que soit la fréquence des impulsions de tension. Au cours de chaque impulsion de tension, l'intensité i du cou rant à travers la self et la lampe suit l'équation E = L diX c' est-à-dire dt' que 1 intensité i varie linéairement au cours de chaque impulsion avec une pente égale à E et comme E change de sens, on obtient une variation du courant en dents de scie dont la hauteur est proportionnelle à la période des impulsions donc inversement proportionnelle à la fréquence. La puissance consommée par la lampe varie donc de façon inversement proportionnelle à la fréquence des impulsions. En passant d'une fréquence de 50 Hz à une fréquence de 100 Hz, on réduit de moitié la luminosité de la lampe et l'énergie mée. Le générateur d'impulsions selon l'invention composé d'un transfor mateur ayant quatre enroulements secondaires et de quatre transistors montés en pont, chaque transistor étant commandé par un des enroulements secondaires, permet d'engendrer des impulsions à très basse fréquence et de faire varier la fréquence simplement en faisant varier le nombre de spires de ltenroulement primaire. Cette variation du nombre de spires peut être commandée au moyen d'un commutateur à plusieurs positions ce qui permet d'obtenir plusieurs fréquences différentes. La fréquence augmente lorsque le nombre de spires de l'enroulement primaire diminue. Le commutateur peut être un contact de relais électromagnétique ou un interrupteur électronique commandable à distance, soit au moyen d'un fil de commande, soit par des signaux haute fréquence transmis par la ligne d'alimentation, soit par ondes électromagnétiques. Un avantage des dispositifs selon l'invention réside dans le fait qu'ils s'adaptent sur les candélabres existants sans modification importante de ceux-ci. il suffit d'enlever le condensateur du ballast existant qui perturberait le fonctionnement du générateur d'impulsions. Les dispositifs selon l'invention s'adaptent à tous les types de lampes existants. Ils s'adaptent bien sur les candélabres existants ayant un dispositif d'amorçage à froid par mise en court-circuit. Les circuits des dispositifs selon l'invention sont auto-protégés contre lescourts-årcutsbrs de l'amorçage à froid du fait que les quatre transistors se bloquent au moment du court-circuit. Un dispositif selon l'invention comporte une auto-régulation de la puissance qui augmente la durée de vie des lampes. En effet, si une surtension se produit dans le réseau d'alimentation, elle entraîne une augmentation de la fréquence des impulsions de tension donc une diminution de l'intensité moyenne et la puissance consommée reste sensiblement constante. Un avantage des dispositifs selon l'invention sur les dispositifs à haute fréquence connus réside dans le fait que les fréquences utilises sont de très basses fréquences comprises entre 50 et 500 Hz qui sont infrasonores, de sorte qu'elles ne produisent aucun ronflement audible et qu'elles ne nécessitent aucune modification des candélabres existants qui seraient nécessaires pour adapter ceux-ci à des impulsions de haute fréquence. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 est un schéma des circuits et composants électroniques du dispositif. La figure 2 est un diagramme d'impulsions de tension et de l'intensité dans la lampe. La figure 1 représente une lampe à décharge 1, par exemple, une lampe à vapeur de mercure ou de sodium qui est montée en série avec une self 2. On a représenté en pointillés un condensateur 3 qui fait habituellement partie du ballast (self + condensateur) équipant les lampes à décharge Le condensateur 3 est supprimé et c'est la seule modification à apporter à l'équipement existant qui est représenté par le rectangle 4. La lampe 1 est normalement alimentée par une source de tension alternative 5a, 5b, par exemple une tension ayant une valeur efficace de 220 V et une tension de crête de 310 V qui est suffisante pour amorcer l'arc. Le dispositif selon 1 invention comporte un générateur de tension continue qui est composé d'un pont redresseur double alternance 6 et d'un condensateur 7 faisant fonction de filtre. Ce générateur transforme la tension alternative en une tension continue ayant une valeur sensiblement égale à la tension de crête de la tension alternative, c'est-à-dire une valeur de l'ordre de 300 V. Le dispositif comporte, en outre, un générateur d'impulsions de tension à basse fréquence, par exemple des fréquences comprises entre 50 Hz et1000 Hz. Ce générateur est composé de quatre transistors T1, T2, T3 et T4 montés en pont entre les conducteurs 8 et 9 de polarité positive et négative. Ces quatre transistors font fonction d'interrupteurs électroniques et peuvent être remplacés par n'importe quel interrupteur électronique équivalent. Des selfs M1, M2, M3 et M4 destinées à limiter les courants transitoires sont placées en série avec les transistors. Chaque transistor est monté en parallèle, de façon connue, avec un condensateur C1, C2, C3, C4, une résistance R1, R2, R3, R4 et une diode D1, D2, D3, D4. Le dispositif comporte un transformateur Tr ayant un enroulement primaire P qui est placé dans la diagonale du pont, c'est-à-dire entre le point A intermédiaire entre les transistors T1 et T2 et le point B intermédiaire entre les transistors T3 et T4. Un commutateur 10 est disposé dans le circuit du primaire P. Le commutateur 10 est, par exemple, un inverseur à deux positions 10a et 10b. Lorsque le commutateur est sur la position 10a, toutes les spires du primaire sont en circuit, tandis que lorsqu'ii est sur la position 10b, une partie seulement des spires de l'enroulement primaire est dans le circuit. Bien entendu, on peut utiliser un commutateur ayant plus de deux positions si l'on désire plus de deux régimes de fonctionnement de la lampe, Le commutateur 10 peut être télécommandé. On peut utiliser, par exemple, un contact d'un relais électromagnétique Il qui est télecommandé par un fil 12. Dans ce cas, pour télécommander les changements de régime de luminosité d'une installation d'éclairage comportant de nombreux projecteurs, il faut équiper ceux-ci d'une ligne de télécommande. On peut également utiliser un relais 11 télécommandé par des signaux de fréquence qui sont envoyés aux différents projecteurs par la ligne d'alimentation en puissance ou bien un commutateur électronique comman- dé par des ondes électromagnétiques, ce qui évite d'installer une nouvelle ligne. Le transformateur TR comporte quatre enroulements secondaires S1, S2, S3, S4. Chacun des enroulements secondaires est connecté respectivement par l'intermédiaire d'une résistance sur la base d'un transistor T1, T2, T3 et T4. Les sens des enroulements secondaires sont représentés par des points qui indiquent les extrémités de même polarité. Les enroulements SI et S3, qui sont de même sens, sont connectés sur les deux transistors T1 et T3, qui occupent dans le pont des positions opposées. De même, les enroulements S2 et S4, qui sont de même sens et de sens opposé aux enroulements S1 et S3, sont connectés sur les bases respectives des transistors T2 et T4, qui sont placés en opposition dans le pont. Les deux bornes 13a et 13b, qui alimentent la lampe 1 et la self 2, sont connectées aux points A et B en parallèle avec le primaire P. Le dispositif selon l'invention comporte, en outre, un dispositif d'amorçage destiné à lancer le générateur d'impulsions. Ce circuit comporte un diviseur de tension constitué de deux résistances R5 et R6 de forte valeur par exemple de 220 Kn. Le point médian A de ce diviseur est connecté à un condensateur C5, par l'intermédiaire d'une résistance R7 montée en parallèle avec une diode D5. Le dispositif d'amorçage comporte, en outre, un circuit de décharge du condensateur C5 comportant un interrupteur à seuil 14, par exemple un DIAC ou un transistor unijonction à seuil. Le seuil de cet interrupteur est inférieur à la tension au point A. il est par exemple de 30 V, de sorte que lorsque la charRe du condensateur atteint cette valeur, il se décharge à travers l'interrupteur qui est connecté sur la base du transistor T2. Le fonctionnement est le suivant. Au repos, les quatre transistors T1, T2, T3 et T4 sont bloqués. Dès qu'une tension continue apparaît entre les conducteurs 8 et 9, les points P et A sont mis sous tension tandis que le point B est au potentiel.zéro. L'enroulement primaire P est sous tension. Le condensateur C5 se charge puis se décharge à travers le DIAC 14. Le transistor T2 est saturé. Le point A passe au potentiel zéro, le primaire du transformateur est mis brusquement hors tension ce qui crée une variation de flux dans le circuit magnétique du transformateur. Cette variation de flux engendre une tension induite dans les enroulements secondaires. Une tension positive apparaît aux bornes de deux enroulements secondaires, par exemple aux bornes de 51 et S3. Les deux transistors Ti et T3 se saturent et une différence de potentiel de 300 V apparaît brusquement entre les points A et B et provoque l'amorçage de la lampe 1. La mise sous tension du primaire P engendre une variation du flux magnétique dans le circuit magnétique du transformateur TR jusqu'à ce que le circuit soit saturé. Le nombre de spires total du circuit primaire est calculé pour que la saturation apparaisse, par exemple en 5 ms. Pendant la croissance du flux une tension est induite dans les enroulements secondaires et cette tension induite disparaît à la saturation. Les deux transistors T1 et T3 qui étaient saturés se bloquent. L'enroulement primaire est mis hors tension ce qui provoque une variation brutale du flux magnétique en sens inverse et une nouvelle tension induite, de sens inverse à la précédente, apparaît dans les enroulements secondaires. Une tension positive apparaît aux bornes des enroulements S2 et S4 et les transistors T2 et T4 sont saturés. La différence de potentiel entre les points A et B passe de + 300 V à - 300 V. La variation de flux dure jusqu'à la saturation du circuit primaire, soit environ 10 ms. A la saturation, les tensions induites disparaissent. Les transistors T2 et T4 se bloquent et les transistors T1 et T3 se saturent. La différence de potentiel entre les points A et B repasse de - 300 V à + 300 V. Le pont de quatre transistors T1, T2, T3 et T4 pilotés chacun par un enroulement secondaire du transformateur TR donne naissance entre les points A et B à des impulsions de tension en forme de créneaux sénsiblement rectangulaires ayant une amplitude égale à + 300 V qui est la tension de crête du courant alternatif. La durée de chaque créneau est égale à la durée de saturation du circuit magnétique du transformateur TR qui est de l'ordre de 10 ms lorsque toutes les spires du primaire P sont dans le circuit, c'est-à-dire lorsque l'inverseur B est sur la position 10a. Dans ce cas, la fréquence des impulsions est de l'ordre de 50 Hz. Pour passer en régime d'économie d'énergie, on augmente la fréquence en réduisant le nombre de spires dans l'enroulement primaire au moyen du commutateur 10 que l'on place sur la position 10b ce qui réduit la durée de saturation du circuit magnétique. Le diagramme de la figure 2 représente en abscisses le temps et en ordonnées, la tension V entre les bornes 13a et 13b d'un candélabre et l'intensité i qui circule dans la lampe I et la self 2. La courbe en traits pleins E représente les variations de la différence de potention entre les points A et B. Cette différence de potentiel présente, comme on l'a expliqué ci-dessus, la forme d'impulsions de tension, en forme de créneaux sensiblement rectangulaires, ayant une amplitude égale à + 300 V qui correspond à la tension continue délivrée par le pont diviseur 6 associé au filtre 7. Lorsque le commutateur 10 est sur la position 10a, c'est-à-dire en régime normal de luminosité de la lampe 1, la durée de chaque impulsion est d'environ 10 ms. La courbe en traits mixtes I représente les variations de l'in tensité i qui traverse la lampe. La valeur e représente la force contreélectromotrice de la lampe 1. Soit L la valeur de la self 2, l'intensité i obéit à l'équation différentielle E - e = L di E, e et L étant constants dt pendant la durée d'une impulsion de tension, l'intensité i varie linéai E-e rement avec une pente égale à L . La courbe I de variation de l'intensité du courant présente une forme en dent de scie. Si la fréquence des impulsions de tension augmente, la pente des dents de scie reste la même, mais la hauteur de celles-ci varie de façon inversement proportionnelle à la fréquence. L'énergie consommée, qui est égale à la surface hachurée, varie de façon inversement proportionnelle à la fréquence. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers composants du dispositif qui vient d'être décrit à titre d'exemple, pourront être remplacés par des composants équivalents remplissant les mêmes fonctions. Notamment le pont redresseur 6 est avantageusement composé de deux ou quatre redresseurs semi-commandés, par exemple des triacs ou des thyristors, qui sont commandés progressivement lors du démarrage à froid afin d'éviter un appel de courant important sur la ligne d'alimentation en courant alternatif. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour alimenter une lampe à décharge, à partir d'une source de tension alternative, selon plusieurs régimes successifs de luminosité et de consommation d'énergie, caractérisé en ce que - on redresse la tension alternative pour produire une tension conti nue sensiblement égale à la tension de crête de ladite tension alter native; - on engendre à partir de ladite tension continue des impulsions de tension en forme de créneau sensiblement rectangulaires ayant une amplitude sensiblement égale à ladite tension continue et une très basse fréquence de l'ordre de 50 à 1000 Hz; - on utilise lesdites impulsions de tension pour alimenter ladite lampe montée en serie avec une self;; - et on fait varier la fréquence desdites impulsions, de sorte que la luminosité et la consommation d'énergie de la lampe varie de façon in versement proportionnelle à la fréquence des impuslions. 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comporte - un genérateur de tension continue qui délivre une tension sensiblement égale à la tension de crête du courant alternatif et qui est composé d'un pont redresseur double alternance connecté à la source de courant alternatif et d'un filtre, par exemple un condensateur; - un générateur d'impulsions de tension, à très basse fréquence, qui est alimenté par ledit générateur de tension continue et dont les bornes de sortie sont connectées aux bornes de ladite lampe montée en série avec une self - et des moyens pour faire varier la fréquence dudit générateur d'im pulsions. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit gé nérateur d'impulsions de tension est composé d'un pont de quatre in terrupteurs électroniques, les bornes de sortie dudit pont étant connectées aux bornes de ladite lampe, et d'un transformateur ayant un enroulement primaire qui est placé dans la diagonale dudit pont et quatre enroulements secondaires, deux d'un sens et deux autres de sens inverse, et chacun des interrupteurs d'une paire d'interrupteurs situés en opposition dans ledit pont, sont connectés sur un des deux enroule ments secondaires de même sens. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits in terrupteurs électroniques sont quatre transistors et chacun desdits en-oulements secondaires est connecté sur la base de l'un desdits tran sistors, de telle sorte que deux transistors montés en opposition dans le pont soient bloqués pendant que les deux autres sont saturés et réciproquement. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractéri sé en ce que les moyens pour faire varier la fréquence du générateur d'impulsions sont constitués par un commutateur qui est situé dans le circuit du primaire dudit transformateur, lequel commutateur comporte pluseiurs positions permettant de faire varier le nombre de spires de l'enroulement primaire. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un dispositif d'amorçage qui est compo sé d'un condensateur qui est connecté aux bornes dudit générateur de tension continue par l'intermédiaire d'un diviseur de tension et d'un circuit de décharge dudit condensateur qui comporte un interrupteur à seuil, par exemple un DIAC ou un transistor unijonction à seuil qui est connecté sur la base de l'un desdits transistors.