Brevet FR2399062A1 — publié le 19790223

L'invention coneerne l'alimentation de sources lumineuses à décharge gazeuse, telles que les tubes au néon, les tubes à l'argon, les lampes à vapeur de mercure, les lampes à vapeur de sodium haute pression, etc. Dans une première catégorie de dispositifs d'alimentation, l'alimentation se fait à la fréquence du secteur alternatif. Si la tension d'arc de la source lumineuse est de l'ordre de 100 à 200 volts, on met simplement une inductance ballast en série entre le secteur alternatif et la source lumineuse. Sinon, on utilise un transformateur à fuite magnétique, lorsque la tension d'arc est plus élevée. Le principe de fonctionnement est le mEme dans les deux cas : le courant traversant la source lumineuse est un courant alternatif à la fréquence du secteur, et ce courant est limité par la réactance apparaissant en série avec cette source, soit du fait de la présence physique de l'inductance ballast, soit du fait des fuites du transformateur. Il est clair que de tels dispositifs sont volumineux et coûteux. Dans un second type d'alimentation, on utilise une alimentation en haute fréquence, ce qui présente l'avantage d'augmenter très sensiblement le rendement lumineux de la source. Cette alimentation en haute fréquence part d'un courant continu, obtenu la plupart du temps lui-même à partir du secteur alternatif. L'alimentation proprement dite est donc réalisée par un convertisseur de courant continu en courant alternatif haute fréquence. Dans un tel convertisseur, l'entrée de courant continu alimente tout d'abord un circuit de base de temps, tel qu'un oscillateur à transformateur et élément de commutation (oscillateur "blocking" > . Cet oscillateur à transformateur définit la valeur de la haute fréquence d'alimentation. D'autre part, un circuit à transformateur de puissance reçoit l'entrée de courant continu d'une manière contrôlée par le circuit de base de temps. Ainsi, le circuit à transformateur de puissance alimente en courant alternatif de haute fréquence la source lumineuse à décharge gazeuse. Là encore, on retrouve le problème consistant à limiter le courant appliqué à la source lumineuse. Les solutions sont les mêmes que précédemment, et on utilise généralement un transformateur à fuite pour l'alimentation de puissance de la source lumineuse. La présente invention fournit une nouvelle solution du type alimentation en courant alternatif de haute fréquence, mais dans laquelle il n'y a pas de transformateur à fuite. Le dispositif selon l'invention est fiable, simple, souple et peu coûteux. Selon l'invention, entre les boxes de l'entrée de courant continu sont montés en série un enroulement du transformateur de puissance, un enroulement du transformateur de base de temps, ainsi que la maille de courant principale de l'élément de commutation. La limitation du courant appliquée à la source lumineuse est obtenue par le fait que la haute fréquence d'alimentation s'établit pour fournir à la source lumineuse un courant sensiblement constant, et en tout cas indépendant de la tension continue d'alimentation ainsi que de la tension d'arc de la source lumineuse. Dans de nombreux cas, il peut être avantageux que les deux enroulements en série appartenant au transformateur de puissance et au transformateur de base de temps soient constitués d'un seul enroulement, bobiné à la fois sur les circuits magnétiques de ces deux transformateurs. Dans un mode de réalisation préférentiel, le transformateur de base de temps présente un circuit magnétique en ferrite saturable, de cycle d'hystérésis sensiblement rectangulaire. Il est également avantageux que le transformateur de puissance soit réalisé en ferrite . Puisqu'on n'utilise plus les fuites du transformateur afin de limiter le courant d'alimentation, on peut alors réaliser au moins l'un des deux transformateurs, et de préférence les deux, avec des noyaux magnétiques toriques sur lesquels sont bobinés des fils divisés, de manière à réduire les pertes ohmiques dues à l'effet de peau bien connu pour les courants de haute fréquence. L'élément de commutation du circuit de base temps peut être un transistor, ou encore un thyristor à gachette d'extinction. L'invention couvre également l'association du convertisseur ainsi obtenu avec une alimentation continue branchée au secteur alternatif. L'invention s'applique particulièrement dans le cas d'un tube à décharge multiélectrode. Un tel tube comprend une série de segments de tubes qui communiquent entre eux, mais qui sont chacun délimités par une paire d'électrodes. En pareil cas, on utilise une pluralité de convertisseurs, chaque convertisseur a ses bornes de sortie d'alimentation branchées sur une paire d'électrodes délimitant l'un des segments des tubes à décharge. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et sur lesquels - la figure 1 représente le schéma électrique d'un premier mode de réalisation de l'invention, où les transformateurs de puissance et de base de temps sont séparés - la figure 2 représente une variante de ce mode de réalisation, où les deux transformateurs sont placés côte à côte, et comportent un enroulement commun ; et - la figure 3 illustre schématiquement l'application d'une pluralité de convertisseurs selon l'invention pour la commande d'un tube à décharge multiélectrodes, permettant l'affichage bien connu à sept segments. Pour les modes de réalisation des figures 1 et 2, une source d'alimentation continue, non représentée, fournit,à partir du secteur alternatif par exemple, une tension continue + V relativement à une connexion de masse. Sur la figure 7, la tension continue + V traverse tout d'abord un interrupteur de commande 1, Elle aboutit ensuite à ltenroulement primaire Il d'un transformateur de puissance 10, dont l'enroulement secondaire 12 possède deux bornes de sortie 14 et 15 alimentant un tube à décharge 13. En série sur l'enroulement primaire Il se trouvent également l'enroulement primaire 21 d'un transformateur de base de temps 20, puis la maille de courant principale d'un élément de commutation, qui est ici un transistor 23. Comme on le sait, la maille de courant principale d'un transistor est la maille collecteur-émetteur. Ici, le transistor étant du type NPN, c'est son collecteur qui est relié à l'enroulement primaire 21, tandis que son émetteur est relié à la connexion de masse. Le transistor 23 coopère avec le transformateur de base de temps 20 pour constituer un oscillateur du-type "blocoking. Ainsi, l'enroulement secondaire 22 du transformateur de base de temps 20 est relié d'une part à un ensemble parallèle constitué d'un condensateur 26 et d'une résistance 25 dont les autres bornes vont à la masse. L'autre extrémité de l'enroulement secondaire 22 est reliée à la base du transistor 23, qui est elle-mSme reliée à la masse par l'intermédiaire d'une diode 24 montée en inverse. Enfin, la base du transistor 23 est reliée à la ligne positive + V par l'intermédiaire d'une résistance 27 qui permet le démarrage de l'oscillateur de baside temps. Lorsque le transistor 23 n'est pas conducteur, le condensateur 26 se charge par l'intermédiaire de la résistance de démarrage 27 et de l'enroulement secondaire 22 du transformateur de base de temps 20. Le transformateur 23 devient conducteur dès que la tension aux bornes du condensateur 26 dépasse son seuil de tension base émetteur. Dès que le transistor 23 est conducteur, un courant s'établit à travers sa maille collecteur-émetteur, et les enroulements Il et 21. La montée de ce courant tient compte du fait que la tension du condensateur 26 est appliquée à la base du transistor 23 par l'intermédiaire de l'enroulement 22, lequel est magnétiquement couplé à l'enroulement 21. Dès que le condensateur 26 est suffisamment déchargé, le transistor 23 revient vers un état non conducteur. On notera la présence de la diode 24 en inverse entre base et émetteur du transistor 23 ; cette diode évite que la tension de base du transistor 23 ne devienne négative en raison de l'énergie emmagasinée dans l'enroulement secondaire 22 du transformateur de base de temps. On voit donc que la conduction du transistor 23 va produire à chaque fois une brève impulsion de tension et de courant, qui traverse à la fois l'enroulement 21 du transformateur de base de temps et l'enroulement Il du transformateur de puissance 10. il en résulte que l'enroulement secondaire 12 du transformateur de puissance applique à chaque fois une impulsion d'excitation à la source lumineuse 13. La demanderesse a observé que la fréquence de fonctionnement du circuit de base de temps s'établit de manière que le courant consommé par le montage soit sensiblement constant, c'est-à-dire sensiblement indépendant de la tension d'alimenta tison aussi bien que de la tension d'arc de la source lumineuse. Bien que cet effet ne soit pas encore complètement expliqué, il semble que l'indépendance relativement à la tension d'alimentation soit due au fait que les impulsions de conduction du transistor 23 ont une durée qui varie en raison inverse de la valeur de la tension d'alimentation. Quant à l'influence de la tension d'arc, il semble que le circuit de base de temps fonctionne lui-même avec us très faible consommation tant que l'arc n'est pas amorcé. Par contre, l'influence du transformateur de puissance 10 sur le circuit de base de temps devient significative dès que l'arc est amorcé, puisque l'impédance branchée aux bornes 14 et 15 du secondaire 12 de ce transformateur de puissance devient alors nettement plus faible. Doù l'indépendance relativement à la tension d'arc de la source lumineuse. La demanderesse a alors observé qu'il n'est plus nécessaire de prévoir des fuites magnétiques ni des pertes ohmiques dans le transformateur de puissance. L'invention permet donc de réaliser le transformateur de puissance 10 avec un très bon rendement, dans l'utilisation d'un circuit magnétique torique en ferrite, puisque ce matériau fonctionne bien en haute fréquence , ainsi que de fils divisés (fils de Litz), qui réduisent les pertes ohmiques dues à l'effet de peau bien connu pour les courants de haute fréquence. Bien entendu, il est aussi très avantageux de rea- liser le transformateur de base de temps 20 de la même façon, c'est-à-dire à laide d'un circuit magnétique en ferrite à cycle d'hystérésis sensiblement rectangulaire. Là encore, on prendra de préférence un circuit magnétique torique, et des fils divisés. La fréquence de fonctionnement de la base de tenus est avantageusement de l'ordre de 10 kHz. Le convertisseur de lfinvention se distingue également par une consommation électrique nettement plus faible que ceux de la technique antérieure. Dans une réalisation particuliere, un tube au néon de 25 cm alimenté par le convertisseur de l'invention consomme une puissance électrique de 8 watts, alors que le même tube, à éclairement égal, alimenté par un transformateur à fuites consomme environ 15 watts. La figure 2 illustre une variante de réalisation du convertisseur de l'invention. Les memes éléments sont désignés par les mêmes références que sur la figure 1. On notera simplement que, sur la figure 2, les enroulements Il et 21 sont réunis en un enroulement commun 30, bobiné à la fois sur le transformateur de puissance 10 et sur le transformateur de base de temps 20. Pour le reste, le fonctionnement est le même que dans le mode de réalisation de la figure 1, et les mêmes variantes peuvent être envisagées. D'autres variantes consistent à utiliser un élément de commutation qui soit autre qu'un transistor. On peut utiliser notamment un thyristor à gachette d'extinction, également denomé "Latching transistor", vendu par la société américaine GENERAL ELECTRIC. Un tel élément de commutation supporte une tension continue assez élevée, par exemple à celle que lon obtient en redressant directement la tension secteur de 220 volts. il en résulte un avantage évident : pour alimenter en courant continu le convertisseur de l'invention, on peut se contenter de le branchersms transformateur aux bornes du secteur à 220 volts, par l'intermédiaire d'un simple pont redresseur. Enfin, le convertisseur de l'invention présente l'avantage que lton peut en utiliser plusieurs à la fois sur le même tube à décharge, sans risque d'interaction entre l'alimentation des différentes sections du tube. On décrira plus particulièrement cette application dans le cadre d'un tube à décharge multi-électrodes, présentant la forme d'un afficheur à sept segments. Sur la figure 3, on retrouve les segments 31 à 37, agencés suivant laforme-bien connue d'un afficheur à sept segments. Chacun des segments individuels 31 à 37 est délimité par-deux électrodes montées à ses extrémités. Et la paire d'électrodes associée à chacun des segments 31 à 37 est branchée respectivement aux bornes de sortie de l'un des convertisseurs 41 à 47. Pour réaliser la commande classique de cet afficheur à sept segments, il suffit d'actionner de la manière convenable les interrupteurs 1 (figure 1 ou 2) associés à chacun des convertisseurs 41 à 47, ou mieux en agissant sur la base du transistor 23 de la base de temps, pour inhiber ou non celleci, et par là l'ensemble du convertisseur. Comme le gaz circule dans l'ensemble du tube d'affichage, il est ainsi possible de réaliser de plus petits afficheurs que si les différents segments étaient séparés, et avaient leur propre réserve de gaz, comme c'était nécessaire avec les dispositifs d'alimentation de la technique antérieure, puisque en raison de l'interaction, ceux-ci ne pouvaient pas être branchés aux bornes de plusieurs segments de tube qui étaient mis en communication. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de courant continu en courant alternatif haute fréquence pour l'alimentation de sources lumineuses à décharge gazeuse, du type comportant une entrée de courant continu à laquelle est connecté un circuit de base de temps tel qu'un oscillateur à transformateur et élément de commutation, qui définit la valeur de la haute fréquence d'alimentation, ainsi qu'un circuit à transformateur de puissance qui reçoit l'entrée de courant continu d'une manière contrôlée par le circuit de base de temps et alimente ainsi en courant alternatif de haute fréquence la source lumineuse à décharge gazeuse, caractérisé par le fait qu'entre les bornes de ltentrée de courant continu sont montés en série un enroulement du transformateur de puissance, un enroulement du transformateur de base de temps, ainsi que la maille de courant principale de 11 élément de commutation, la haute fréquence d'alimentation s'établissant ainsi pour fournir à la source lumineuse un courant sensiblement indépendant de la tension continue d'alimentation, ainsi que de la tension d'arc propre de la source lumineuse. 2. COnvertisseur d'alimentation selon la revendication ?, caractérisé par le fait que ltenroulement du transformateur de puissance et l'enroulement du transformateur de base de temps qui sont mis en série sont réunis en un enroulement commun bobiné à la fois sur les deux transformateurs. 3. Convertisseur d'alimentation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le transformateur de base de temps possède un circuit magnétique en ferrite saturable à cycle d'hystérésis sensiblement rectangulaire. 4. Convertisseur d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le transformateur de puissance possède un circuit magnétique en ferrite saturable à cycle d'hystérésis sensiblement rectangulaire. 5. Convertisseur d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le circuit magnétique de l'un au moins des transformateurs de puissance et de base de temps est de forme générale torique, et que ses enroulements sont constitués de fils divisés. 6o Convertisseur d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ltélément de commutation est un transistor. 7. Convertisseur d'alimentation selon lVune des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'élément de commutation est un thyristor à gachette dtextinction. 8. COnvertisseur d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait quVil est associé à une alimentation continue à partir du secteur alternatif. 9. Une pluralité de convertisseurs selon l'une des revendications précédentes, associés à un tube à décharge multi-électrodes, caractérisée par le fait que le tube à décharge comporte une série de segments remplis de gaz délimités chacun par une paire dVélectrodes, et communiquant entre eux, et par le fait que-chaque paire d'électrodes est alimentée par l'un respectif des convertisseurs de ladite pluralité.