Brevet FR2428370A1 — publié le 19800104

La présente invention concerne l'alimentation des lampes à décharge telles des lampes à vapeur de mercure, au sodium, aux iodures métalliques, au néon etc. L'alimentation de ces lampes en courant alternatif est en général faite par l'intermédiaire d'une inductance de stabilisation de courant interposée entre la lampe et une source de tension alternative. Un condensateur est en général ajouté pour annuler le-déphasage de courant-introduit par l'adjonction de l'inductance. Ces deux éléments, self de stabilisation et condensateur constituant le ballast traditionnel de ces lampes, sont très volumineux et le premier est très pesant. La présente invention vise à les supprimer tout en réalisant une stabilisation et un amorçage corrects de la lampe. L'invention vise encore à réaliser une régulation du courant d'alimentation de la lampe qui tend à augmenter lorsque la température augmente progressivement après la mise en route de la lampe. Pour atteindre ces buts, et surtout pour remplacer le ballast traditionnel par un dispositif électronique de faible encombrement et faible poids, la présente invention propose d'adjoindre à la lampe un circuit de régulation et d'amorçage comprenant - un transformateur d'amorçage et un interrupteur à semi-conducteur commandé, destinés à être mis en série avec la lampe et une source de tension alternative, - un système de déclenchement périodique de la conduction du semi-conducteur commandé, à un instant choisi par rapport à la phase de- la source de tension, - le transformateur d'amorçage comprenant un bobinage primaire, un bobinage secondaire, et un noyau ferromagnétique à très forte perméabilité magnétique, le nombre de spires au secondaire étant choisi de telle manière que le noyau se sature pour un courant secondaire très inférieur au courant d'alimentation normal de la lampe. Le nombre de spires au primaire est choisi de manière à assurer l'amorçage compte tenu de la tension dont on dispose au primaire et de l'amplitude du pic de tension nécessaire au secondaire pour l'amorçage. Ces caractéristiques du circuit selon l'invention permettent de supprimer les éléments encombrants du ballast usuel. Le semi-conducteur commandé et son circuit de déclenchement sont peu pesants et encombrants et le choix convenable de la phase des instants de déclenchement assure une relative constance du courant dans la lampe. Le transformateur d'amorçage est un petit transformateur dont les dimensions ne sont en aucun cas comparable à celles d'un self de stabilisation de courant : il s'agit d'un transformateur facilement saturable présentant une très faible inductance propre dans son état saturé. On peut choisir le nombre de spires du secondaire du transformateur d'amorçage de manière que le noyau se sature pour un courant secondaire inférieur au dixième-du courant normal d'alimentation de la lampe. Pour assurer une bonne régulation du courant, en particulier en présence de variations de température, on prévoit encore la possibilité de faire varier la phase des instants de déclenchement du semi-conducteur commandé, en fonction du couranttraversant la lampe, dans un sens tendant à maintenir ce courant au-dessous d'un valeur moyenne prédéterminée. Un circuit commun définit à la fois l'instant de déclenchement du semi-conducteur et l'instant de création d'un pic d'amorçage de la lampe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée d'un mode d'exécution préférentiel, description faite en référence au dessin annexé qui représente le schéma électrique global du circuit selon l'invention. Une lampe à décharge L est connectée à une source de tension alternative constituée par exemple par le réseau électrique à 220 volts 50 Hertz. En série avec la lampe L et la source de tension sont placés une petite résistance Rl de mesure du courant traversant la lampe (on en verra l'utilité pour la régulation de courant), un enroulement secondaire ES d'un transformateur d'amorçage TA de la lampe, et un interrupteur commandé à semi-conducteur, ici un triac TRI. Le triac TRI permet d'autoriser à volonté la circulation du courant dans ce circuit série et en particulier dans la lampe L, sous l'effet d'une impulsion de courant sur sa gâchette. L'interruption du courant dans la lampe peut se faire par supression du courant de gtchette lors d'un passage par zéro du courant alternatif passant dans le triac. Le circuit de commande de gâchette du triac est constitué essentiellement par un photothyristor PHD1 qui est passant ou non selon que la diode EL1 est tavemée pat;'n caiia ou non et çie est placée en série dans un circuit comprenant deuxréna R2,R3 formant un pont diviseur dont le point milieu est connecté à la gâchette du triac. Ce pont-diviseur reçoit une tension qui peut être prélevée dans le circuit d'alimentation de la lampe L (ici elle est prélevée aux bornes du triac), mais la gâchette ne reçoit de courant que si le photothyristor PHD1 est éclairé par EL1 et ainsi rendu conducteur. Plus précisément, afin que le photothyristor PHD1 permette lorsque il est éclairé l'alimentation de la gâchette quel que soit le signe, positif ou négatif, de l'alternance de courant dans le triac, on peut insérer le photothyristor PHD1 dani une diagonale d'un pont de quatre diodes dont l'autre diagonale est insérée entre les deux résistances R2 et R3. On décrira plus loin comment on commande à des instants déterminés de chaque période de tension alternative du réseau l'éclairement du thyristor PHD1. En parallèle sur le triac, on a prévu de manière classique un ensemble en série d'une résistance R4 et d'une capacité C1, qui permet de limiter à une valeur admissible pour le triac la vitesse de variation de la tension à ses bornes lors de la mise sous tension du circuit. Le circuit d'amorçage et de régulation de courant selon l'invention permet un amorçage de la lampe à chaque alternance de la tension alternative du réseau. En même temps qu'on déclenche la conduction du triac avec un déphasage pré déterminé par rapport au début de 1-' alternance, on émet sur l'enroulement secondaire du transformateur d'amorçage TA une surtension qui amorce la lampe. Ceci est réalisé de la manière suivante : tout d'abord un redresseur double alternance RD (pont de quatre diodes) reçoit la tension alternative du réseau et la transforme en une succession ininterrompue de demi-alternancs de signe constant. Ces demi-alternances servent tout d'abord à charger périodiquement un condensateur C2 (par l'intermédiaire d'une résistance R5 de limitation de courant et d'une diode D1 qui évite la-réinjection de courant vers la source en fin d'alternance). On notera que C2 se charge à une valeur correspondant à la tension de crête des demi-alternances (environ 300 volts). C2 est connecté aux bornes du primaire EP du transformateur d'amorçage, ou plus exactement aux bornes d'un ensemble série comprenant ce primaire EP, un thyristor TH et une résistance R6 de limitation du courant dans le thyristor. L'application d'une impulsion positive sur la gtchette du thyristor TH après que C2 se soit chargée au maximum, c'est à dire après le premier quart de période du réseau alternatif, provoque une décharge brusque de la capacité C2 dans l'enroulement primaire du transformateur, produisant ainsi au secondaire un pic de tension suffisant pour déclencher l'amorçage de la lampe L à condition que simultanément on ait déclenché la conduction du triac TRI. La conduction du triac et la décharge de C2 sont déclenchées avant la fin de chaque demi-alternance, à un moment choisi du cycle alternatif ; ce moment détermine le rapport cyclique de fonctionnement du triac et de la lampe, le triac restant conducteur entre le moment où on le déclenche et le retour à zéro de la demi-alternance en cours. Ce moment est déterminé avec précision à chaque demialternance grâce à un comparateur (ici constitué par un transistor unijonction UJT) qui reçoit d'une part une tension proportionnelle à la tension de réseau redressée et d'autre part une tension croissant linéairement, avec une pente déterminée, à partir du début de chaque demi-alternance. Le comparateur fournit un signal de commande lorsque la tension croissant linéairement dépasse la tension proportionnelle à la tension redressée du réseau. Une modification éventuelle de la pente de croissance linéaire permet un réglage du rapport cyclique de fonctionnement du triac et permet d'agir sur le courant moyen dans la lampe L. La tension proportionnelle à la tension de réseau redressée est produite gracie à un pont diviseur (résistances R7,R8). Un condensateur C3 en parallèle sur R7 et un condensateur C4 en parallèle sur l'ensemble R7-R8 protègent l'installation contre des parasites éventuels et évitent des déclenchements intempestifs du triac. Le point de jonction de R7 et R8 est relié à la grille du transistor uni Jonction UJT qui sert de comparateur. La tension croissant linéairement est produite par la charge à courant constant d'un condensateur C5 connecté au drain du-transistor uniJonction, la source de ce dernier étant reliée à une résistance de limitation de courant R9 et à une diode électroluminescente ELi. Lorsque le transistor unijonction est bloqué, C5 peut se charger ; lorsqu'il se débloque C5 se décharge dans l'unijonction, la résistance et la diode électroluminescente, produisant deux effets - d'une part une émission lumineuse destinée à éclairez le phobthyritor PKDlet à déclencher la conduction du triac TRI ; cette émission lumineuse dure le temps de la décharge de C5 et la résistance R9 est choisie suffisamment petite pour que cette décharge dure le moins de temps possible afin d'éviter des déclenchements d'une alternance à l'autre. - d'autre part, une impulsion de tension sur la source de l'unijonction, source qui est reliée à la gâchette du thyristor TH de déclenchement de l'amorçage On voit donc que le déblocage du transistor unijonction, déblocage brutal lorsque sa tension de drain dépasse sa tension de grille, produit simultanément la conduction du triac et l'amorçage de la lampe L. Pour charger à courant constant le condensateur C5, on utilise un transistor TR, de type PNP, dont le collecteur est connecté à C5 et dont l'émetteur reçoit une tension proportionnelle à la tension redressée du réseau par l'inter- médiaire d'une résistance de collecteur RlO. La base du transistor est maintenue à une tension déterminée pour que le courant de charge de C5 soit rendu constant. Cette tension est éventuellement réglable pour assurer une régulation du courant dans la lampe L par une action sur la valeur du courant de charge de C5, lequel règle l'instant de déclenchement du triac TRI. La tension servant à fixer le potentiel de base du transistor TR est la tension aux bornes d'un condensateur C6 connecté en série avec une diode D2 et une résistance R11 entre deux points de jonction A et B entre lesquels est amenée une tension proportionnelle à la tension de réseau redressée par le redresseur RD. Un pont diviseur (résistances R12,R13), dont le point milieu est relié par l'intermédiaire d'une diode D3 à la jonction entre la capacité C6 et la diode D2, limite la charge de C6 à une valeur inférieure à la valeur de crête de la tension de réseau redressée. La constante de temps C6 R11 est relativement élevée et la diode D3 empêche la décharge de C6 dans R12 et R13 lorsque la tension de réseau redressée décroit et s'annule. Un condensateur C7 en parallèle sur R12 et une diode D4 en série avec le pont diviseur R12, R13 maintiennent en permanence la diode D3 bloquée. Ainsi, la charge de C6 est maintenue à une valeur en principe constante (peuvent cependant varier du fait de la régulation comme on va le voir). Cette valeur fixe le courant dans la résistance d'émetteur RiO du transistor TR, donc le courant de charge de C5. On notera que lorsqu'on coupe la source de tension d'alimentation du secteur, C6 et C7 se déchargent dans R12, ce qui assure une remise à zéro du courant de charge initial de C5 et donc un rapport cWctiXue initial très faible pour le fonctionnement des lampes ce rapport cyclique croissant progressivement à mesure que C6 se charge à travers R11. Cette propriété permet, même en l'absence de toute régulation de courant supplémentaire de faire croître progressivement l'intensité moyenne dans la lampe L depuis la mise sous tension. A titre d'exemple la constante de temps C6 R11 est de l'ordre de 3 minutes de sorte que l'on peut ainsi tenir compte de la phase d'échauffement de la lampe. On prévoit de plus une régulation du courant dans la lampe de la manière suivante : la résistance R1 déjà mentionnée, de faible valeur, et qui est placée en série avec la lampe L sert à mesurer le courant qui circule dans celle-ci. On place aux bornes de R1 un ensemble en série comprenant une résistance R14 et deux diodes électroluminescentes tete-b8che EL2 et EL2'. Ces diodes, lorsqu'elles s'allument éclaire un phototransistor PHTR1 monté en parallèle sur la capacité C6 (dont la charge fixe la valeur du courant de charge de C5 donc le rapport cyclique de fonctionnement du triac). Lorsque le courant dans R1 dépasse une valeur maximum prédéterminée, la tension aux bornes de R'- devient suffisante pour provoquer un allumage de l'une ou l'autre des diodes électroluminescentes. selon le signe de l'alternance en cours. Le phototransistor PHTRI éclairé devient conducteur et décharge la capacité C6, d'autant plus que le courant dans la lampe dépasse plus longtemps la valeur maximum prédéterminée. La décharge de C6 réduit le temps d'allumage de la lampe et réduit par conséquent le courant moyen dans la lampe. On opère ainsi une régulation de courant qui élimine la nécessité des ses de stabilisations volumineuses auparavant nécessaires. Pour éviter d'autre part que la tension aux bornes de la lampe n'atteigne une valeur trop élevée une fois que la lampe est chaude, on prévoit une régulation de tension analogue à la régulation de courant et agissant en parallèle sur cette dernière également par action surlateiionwxbo dela capaciiB' 6 ; deux diodes électroluminescentes tête bêche EL3,EL3', en série avec une résistance R15, sont montées en parallèle sur la lampe L. Elles peuvent éclairer un phototransistor PHTR2 en parallèle sur le premier PHTRI et sur la capacité C6. Lorsque la tension aux bornes de la lampe L dépasse une valeur maximum prédéterminée, l'une ou l'autre des diodes EL3 et EL3' s'allume et éclaire le phototransistor PHTR2 qui devient conducteur et décharge la capacité C6, réduisant ainsi le rapport cyclique de fonctionnement du triac et donc la tension moyenne aux bornes de la lampe L. La résistance R15 a une valeur nettement supérieure à la résistance R14 compte tenu de l'ordre de grandeur très différent des tensions àux bornes de R' et aux bornes de L. On a ainsi décrit le circuit d'amorçage et de régulation selon l'invention, qui agit par modification de l'angle de déphasage de l'allumage du triac par rapport à chaque début de demi-sinusoide. il faut encore noter que le transformateur d'amor çage rend possible l'allumage de la lampe en l'absence d'une self volumineuse gracie à ses caractéristiques spéciales qui lui permettent d'avoir un enroulement secondaire capable non seulement d'assurer la production d'un pic de tension suffisant pour amorcer la lampe, mais aussi de supporter le passage du courant normal dans la lampe sans présenter une impédance trop élevée. Pour cela, on prévoit que le transformateur d'amor çage comprend un noyau à très forte perméabilité magnétique, par exemple un noyau de ferrite, et on réalise un enroulement secondaire ayant un nombre de spires choisi de telle sorte que le noyau se sature pour un courant faible par rapport au courant nominal d'alimentation de la lampe, par exemple pour un courant égal au dixième du courant nominal de la lampe. Compte tenu de la facilité de saturer uhe selfinductance en ajustant la section des noyaux de ferrite, le nombre clé ss nécessaire estfaiLe.1l part etre de 150 par exemple. Le nombre de spires au primaire est choisi de manière à avoir entre le primaire et le secondaire une élévation de tension suffisante pour amorcer la lampe. A titre d'exemple 80 spires au primaire conviennent pour 150 spires au secondaire. Cette construction permet d'obtenir dans le circuit de la lampe un secondaire capable de produire une surtension de plusieurs kilovolts avant amorçage de la lampe, tout en ne produisant (grtce à la saturation du noyau) qu'une chute de tension d'une dizaine de volts lorsque la lampe est allumée. On notera encore que le photo-coupleur (diode électro luminescenteEll et photothyristor PHD1) servant à commander le triac peut titre remplacé par un petit transformateur. Par ailleurs, des résistances de limitation de courant sont prévues en série avec chacun des phototransistors REVENDICATIONS l - Circuit d'amorçage et de régulation pour lampes à décharge, caractérisé par le fait qu'il comprend - un transformateur d'amorçage et un interrupteur à semi-conducteur commandé, destinés à être mis en série avec la lampe et une source de tension alternative, - un système de déclenchement périodique de la conduction du semi-conducteur commandé à un instant choisi par rapport à la phase de la source de tension, - le transformateur d'amorçage comprenant un bobinage primaire, un bobinage secondaire, et un noyau ferromagnétique à très forte perméabilité magnétique, le nombre de spires au secondaire étant choisi de telle manière que le noyau se sature pour un courant secondaire très inférieur au courant d'alimentation normal de la lampe. 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le nombre de spires est choisi de telle façon que le noyau se sature pour un courant secondaire inférieur au dixième du courant normal d'alimentation de la lampe. 3 - Circuit d'amorçage et de régulation selon la revendication 1, caractérisé par le fait qutil est prévu un moyen pour faire varier la phase des instants de déclenchements par rapport à la phase de la source de tension, en fonction du courant traversant la lampe, dans un sens tendant à maintenir ce courant au-dessous d'une valeur moyenne prédéterminée. 4 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ie transformateur d'amorçage et le triac sont commandés périodiquement à partir d'un circuit commun difinissant le rapport cyclique de fonctionnement du triac. 5 - Circuit selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le circuit commun comprend un comparateur recevant d'une part une tension proportionnelle à la tension de la source alternative et d'autre part une tension prise aux bornes d'une capacité chargée à courant constant. 6 - Circuit selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le comparateur est un transistor uniJonction. 7 - Circuit selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que le courant d'alimentation de la capacité est réglable en fonction du courant moyen traversant la lampe. 8 - Circuit selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il est prévu en série avec la lampe une résistance de faible valeur aux bornes de laquelle sont connectées des diodes électroluminescentes et que ces diodes éclairent,lorsque le courant dans la lampe depasse une valeur déterminée; un phototransistor monté de manière à agir sur le courant d'alimentation de la capacité en fonction de sa durée d'éclairement. 9 - Circuit selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la capacité est alimentée en courant constant grâce à un transistor dont la base est reliée à une seconde capacité en parallèle sur un ensemble comprenant le phototransistor en série avec une résistance, cette seconde capacité étant normalement chargée par une fraction de la tension alternative de la source après redressement de celle-ci. 10 - Circuit selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait qu'il est prévu, en parallèle sur la lampe, un ensemble série d'une résistance et de diodes électroluminescentes, et, en parallèle sur le premier phototransistor et sa résistance associée, un deuxième phototransistor et une résistance associée en série, ce deuxième phototransistor étant susceptible de recevoir la lumière des diodes électroluminescentes en parallèle sur la lampe, pour diminuer le rapport cyclique de fonctionnement du triac lorsque la tension aux bornes de la lampe excède une valeur donnée. Il - Circuit selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le système de déclenchement de la conduction du triac comprend une diode électroluminescente commandant un photothyristfservant d'interrupteur dans un cir- cuit de commande de gâchette du triac. 12 - Circuit selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé par le fait que le primaire du transformateur amorçage est connecté, en série avec un semi-conducteur commandé, aux bornes d'une capacité chargée par la tension de crete redressée de la source alternative.