Brevet FR2438368A1 — publié le 19800430

La présente invention concerne un convertisseur statique de courant continu en courant alternatif. Elle vise également les applications de ce convertisseur, notamment pour l'alimentation de tubes fluorescents. Un domaine d'application préféré de l'invention concerne les systèmes d'éclairage de voitures-de chemin de fer, où l'éner- gie électrique est en général disponible à partir d'accumulateurs. De nombreux types connus de convertisseurs utilisent deux transistors dont l'un est bloqué, tandis que l'autre conduit. En particulier, on connatt des montages symétriques à deux transistors réalisant la commutation dans le primaire d'un transformateur dont le point milieu est relié à la source de tension continue d'alimentation et dont l'énergie permettant l'auto-oscillation est fournie par deux sources : la tension d'alimentation continue par l'intermédiaire de réseaux résistance-capacité drune part, et la tension alternative de sortie d'autre part, par des enroulements dits de réaction couplés magnétiquement au primaire à point milieu. Ces montages sont auto-oscillateurs par nature, du fait de la symétrie imparfaite des composants. Ils peuvent également comporter un circuit de démarrage. Du fait du nombre de transistors à commander et du nombre total de composants, ces systèmes présentent en général un rendement médiocre et une fiabilité relativement basse. On a été ainsi amenés à réaliser des circuits à un seul transistor, rendus auto-oscillateurs par un circuit de réaction comportant une inductance au secondaire d'un transformateur dont le primaire est alimenté par la tension continue d'alimentation et dont l'autre extrémité est reliée au collecteur du transistor. Le fonctionnement sur une fréquence donnée est obtenu par un condensateur d'accord en série avec le primaire. Toutefois, l'accord ne peut être réellement obtenu que si l'onde traversant le primaire est sinusoldale. Or, cette forme sinusoldale ne peut être obtenue que par une attaque du primaire sous haute impédance. On remplit souvent cette condition en intercalant une inductance entre le primaire et le collecteur du transistor. Cette solution améliore légèrement le rendement et la fiabilité, mais présente encore l'inconvénient d'une perte de l'énergie magnétisante de l'inductance accumulée pendant la phase de conduction du transistor. Pendant la phase de blocage, cette énergie se dissipe par effet Joule dans les bobinages et dans le transistor. La présente invention vise à réaliser un convertisseur de rendement fortement amélioré, notamment par la suppression de la perte précitée. Suivant l'invention, le convertisseur statique de courant continu en courant alternatif, notamment pour l'alimentation de tubes fluorescents, comprend un transformateur principal dont le secondaire est relié aux bornes de sortie du convertisseur et dont le primaire comporte un moint milieu relié à un p81e d'une source continue et est refermé sur un condensateur d'accord, ce primaire étant relié par l'intermédiaire d'une inductance au collecteur d'un transistor monté en émetteur commun dont la base est reliée à une inductance de réaction couplée avec le primaire. I1 est caractérisé en ce que l'inductance en série sur le collecteur du transistor est couplée magnétiquement avec une inductance de récupération, de manière à constituer un transformateur dont l'inductance de récupération constitue le secondaire et est reliée au p81e précité de la source continue par l'intermédiaire d'une diode. Ce montage permet de réinjecter dans le circuit d'alimentation l'énergie magnétisante qui s'était accumulée dans l'inductance en série sur le collecteur du transistor pendant la phase de conduction. Cette récupération permet de faire passer le rendement du convertisseur de 60 - 65 % à 70 - 75 %. Suivant une réalisation préférée de l'invention, le convertisseur comprend un filtre sur la source continue, ce filtre comprenant un condensateur dont la capacité est inversement proportionnelle à la tension continue d'alimentation. I1 est, en effet, souhaitable que ce condensateur soit capable d'absorber les impulsions de courant récupéré sans dénaturer l'alimentation continue. Or, la capacité du condensateur est directement liée au facteur de forme du courant, c'est-à-dire au rapport de l'intensité de crête à l'intensité efficace. D'où il résulte que cette capacité doit être inversement proportionnelle à la tension. Une application fréquente d'un tel convertisseur est relative à l'éclairage des voitures de chemin de fer par tubes fluorescents. Pour des raisons de confort, on choisit une fréquence de fonctionnement inaudible et la tension nominale d'alimentation d'environ 72 V. La capacité du condensateur doit alors être au moins égale à 1 F. Suivant une réalisation préférée de l'invention, l'inductance constituant le primaire du transformateur de récupération a une valeur comprise entre 65 et 105 H. On a trouvé expérimentalement qu'une telle valeur conduisait, dans les conditions de fonctionnement précitées, à un rendement de récupération optimal. De la même façon, on a déterminé que le rapport de transformation du transformateur de récupération devait être compris entre 3 et 4. Suivant une caractéristique importante de l'invention, la diode reliant le secondaire du transformateur de récupération à une borne de la source continue doit présenter un faible temps de recouvrement inverse, pour assurer un fonctionnement satisfaisant sous les hautes fréquences inaudibles choisies. Si la fréquence retenue est d'environ 30 kHz, le temps de recouvrement inverse de la diode doit être inférieur à 500 n s. Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, l'inductance de réaction est reliée à la base du transistor par l'intermédiaire d'un diviseur capacitif. Ce montage permet d'adapter le courant issu de l'inductance de réaction à la valeur qui doit effectivement être appliquée à la base du transistor. De préférence, le transformateur principal est un transformateur à fuites magnétiques formant ballast pour au moins un tube fluorescent connecté aux bornes du convertisseur. Le ballast se trouve ainsi incorporé au convertisseur, ce qui correspond à une simplification du système d'alimentation des tubes. Si les tubes à alimenter comprennent des cathodes à filament, le secondaire du transformateur principal comprend avantageusement deux enroulements auxiliaires pour être reliés aux filaments d'un tube fluorescent connecté aux bornes du convertisseur. Dans une forme particulière de réalisation, le secondaire du transformateur principal comprend un enroulement auxiliaire supplémentaire pour contribuer à l'alimentation des filaments de deux tubes fluorescents montés en série entre les bornes du convertisseur. Dans une variante intéressante de réalisation de l'invention, le secondaire du transformateur principal est en série avec le primaire pour constituer un autotransformateur, les bornes de sortie de ce transformateur étant reliées en parallèle à un certain nombre de transformateurs à fuites alimentant chacun au moins un tube fluorescent. Cette solution procure une économie importante en ne nécessitant qu'un seul convertisseur pour un certain nombre de tubes. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs - la Figure 1 est un schéma électrique d'une première forme de réalisation de l'invention, - la Figure 2 est un schéma montrant la connexion de tubes fluorescents à filaments sur le convertisseur de la Figure 1, - la Figure 3 est un schéma électrique d'une seconde forme de réalisation de l'invention. En référence à la Figure 2, un convertisseur 1 conforme à l'invention est alimenté par deux bornes + et - , reliées à une batterie (non représentée) de force électromotrice nominale de 72 V dans cet exemple. La borne - est reliée à la masse et la borne + est reliée, par l'intermédiaire d'un fusible 2 et d'une diode de protection 3, au point milieu du primaire 4 d'un transformateur 5 qui, dans ce qui suit, sera appelé transformateur principal. Ce transformateur comporte un secondaire 6 composé d'un enroulement principal 7, de deux enroulements auxiliaires 8 et 9, en série avec l'enroulement 7 et d'un enroulement auxiliaire Il couplé magnétiquement en parallèle. L'enroulement 7 est relié à deux bornes de sortie 12 et 13. L'enroulement 8 est relié à une borne 14 et à la borne 12. L'enroulement 9 est relié à une borne 15 (reliée à la masse) et à la borne 13. Enfin, l'enroulement Il est relié à deux bornes 16 et 17. Dans l'exemple décrit, le primaire 4 comporte deux fois 26 spires, l'enroulement principal 7 du secondaire comporte 175 spires, les enroulements auxiliaires 8 et 9 chacun 4 spires, et l'enroulement auxiliaire Il comporte 8 spires. Des fuites magnétiques sont prévues, de façon connue en soi, dans le transformateur principal 5, pour stabiliser le régime d'arc des tubes fluorescents branchés sur les bornes de sortie, et constituer un ballast. Sur la borne + est branché un filtre comportant une in ductance 18 en série et un condensateur 19 de 2,2 rif F en dériva- tion sur la masse. Une diode Zener 21 également en dérivation sur la masse stabilise la tension d'alimentation. Le primaire 4 est refermé sur un condensateur d'accord 22 de 82 nF. La boucle ainsi formée attaque, par l'intermédiaire d'une inductance 23, le circuit collecteur-émetteur d'un transistor 24 monté en émetteur commun. La base de ce transistor est attaquée par une inductance de réaction 25 couplée magnétiquement au transformateur principal 5 et reliée à la masse. Cette attaque s'effectue par l'intermédiaire d'un diviseur capacitif constitué de deux condensateurs 26 et 27. La base du transistor 24 est reliée à la masse par l'in termédiaire d'une résistance 28 et d'une diode 29, et elle est polarisée à partir de la borne + par l'intermédiaire d'une résistance 31. Une inductance 32 est couplée magnétiquement à l'inductance 23 pour constituer le secondaire d'un transformateur de récupération 33. L'inductance 32 est reliée, d'une part, à la masse, et d'autre part, à la borne + par l'intermédiaire d'une diode 34 dont le temps de recouvrement inverse est de 500 ns. Dans l'exemple décrit, la valeur de l'inductance 23 est de 85 eH et le rapport du transformateur 33 est de 2,67. Quand on enclenche la batterie, la tension de base du transistor 24 est positive et fait conduire le transistor en magnétisant l'inductance 23. Mais l'inductance de réaction 25 applique une tension négative sur cette base par l'intermédiaire du diviseur capacitif 26, 27 dont l'effet est de limiter le courant appliqué à la base. Le transistor se bloque et la démagnétisation de l'inductance 23 provoque une impulsion de courant dans le secondaire 32, impulsion qui s'applique à la borne + par l'intermédiaire de la diode 34. Pendant la période de blocage, le condensateur 26 se décharge par l'intermédiaire de la diode 29. Les bornes de sortie du convertisseur sont prévues pour être reliées à deux tubes fluorescents en série 35, 36 (Figure 2). La tension appliquée entre électrodes est la moitié de celle disponible aux bornes de l'enroulement principal 7 du secondaire, et les filaments 37, 38, 39, 41 sont alimentés par les enroulements auxiliaires 8, 9 et 11. La valeur des composants utilisés donne une fréquence en charge d'environ 30 kHz, fonction notamment de la capacité du condensateur d'accord 22. Dans ces conditions, certaines des valeurs indiquées ne sont pas strictes mais peuvent varier dans certaines limites. On a trouvé que la valeur de l'inductance 23 devait être comprise entre 65 et 105 t H, et que le rapport du transformateur de récupération 33 devait être compris entre 3 et 4. La valeur de la capacité du condensateur de filtrage 19 dépend du facteur de forme du courant alternatif qu'il doit filtrer, c'est-à-dire du rapport de l'intensité de crête à l'intensité efficace, qui est ici un peu supérieur à 2. Dans ces conditions, la valeur minimale de cette capacité serait de 1 P F. Pour d'autres valeurs de la tension continue d'alimentation, cette capacité minimale serait inversement proportionnelle à ladite tension. La présence de la ligne de récupération constituée par l'inductance 32 connectée à la borne + fait passer le rendement de 60 - 65 % à 70 - 75 %, ce rendement s'entendant comme le rapport de la puissance alternative obtenue à la puissance continue fournie. Il est évident que le convertisseur qui vient d'être décrit peut s1 appliquer aussi bien à des tubes à cathodes sans filament, les bornes correspondant aux enroulements auxiliaires restant inutilisées. ^ On va maintenant décrire, en référence à la Figure 3, une seconde forme de réalisation d'un convertisseur conforme à l'invention. Dans cette seconde forme, de nombreux composants sont identiques à ceux précédemment décrits, ou en diffèrent seulement par des caractéristiques dimensionnelles, et l'on ne les décrira pas à nouveau. A toutes fins utiles, de tels éléments ont été affectés des mêmes numéros de référence augmentés de 100, pour faciliter le report du lecteur à la description précédente. La différence essentielle avec la réalisation précédente consiste dans le fait que le secondaire 106 du transformateur principal 105 est monté en série avec le primaire 104, de manière à constituer un autotransformateur, avec les avantages économiques connus de ce genre d'appareils. L'autotransformateur 105 est classique et sans fuites et sort sur deux bornes 151, 152. On peut brancher en parallèle sur ces bornes un certain nombre de transformateurs, tels que 153, 154 qui sont des transformateurs à fuite servant de ballast pour des tubes fluorescents 155, 156. Le nombre de tubes branchés sur un même convertisseur 101 dépendent de la puissance de ce convertisseur. Bien entendu, les transformateurs ballast respectifs peuvent comporter des enrou lements auxiliaires pour l'alimentation de filaments de cathode. En fonction des applications envisagées, du coût des composants et des contraintes de fiabilité imposées, la seconde réalisation peut être souvent plus avantageuse que la première. Les exemples décrits sont relatifs à l'équipement d'éclairage des voitures de chemin de fer, sous alimentation continue de 72 V (nominale), à une fréquence d'environ 30 kHz, mais l'invention ne se limite pas à cette application et peut s'étendre à d'autres, pourvu que les caractéristiques restent dans les limites indiquées. REVENDICATIONS 1. Convertisseur statique de courant continu en courant alternatif, notamment pour l'alimentation de tubes fluorescents, comprenant un transformateur principal dont le secondaire est relié aux bornes de sortie du convertisseur et dont le primaire comporte un point milieu relié à un pôle d'une source continue et est refermé sur un condensateur d1accord, ce primaire étant relié par l'intermédiaire d'une inductance au collecteur d'un transistor monté en émetteur commun dont la base est reliée à une inductance de réaction couplée avec le primaire, caractérisé en ce que l'inductance (23, 123) en série sur le collecteur du transistor (24, 124) est couplée magnétiquement avec une inductance de récupération constituée parle secondaire (, 132) d'ui transformateur (33, 133) lequel secondaire (32,132)estrelié au point milieu du primaire (4,104) du transformateur principal (5,105) par l'intermédiaire d'une diode (34, 134). 2. Convertisseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre sur la source continue, ce filtre comprenant un condensateur (19, 119) dont la capacité est inversement proportionnelle à la tension continue d'alimentation. 3. Convertisseur conforme à la revendication 2, destiné à l'éclairage des voitures de chemin de fer, prévu pour fonctionner à une fréquence inaudible sous une tension nominale dXalimentation d'environ 72 V, caractérisé en ce que la capacité du condensateur (19 > 119) est au moins égale à i fF. 4. Convertisseur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que l'inductance (23, 123) constituant le primaire du transformateur de récupération (33, 133) à une valeur comprise entre 65 et 105 {H. 5. Convertisseur conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport de transformation du transformateur de récupération (33, 133) est compris entre 3 et 4. 6. Convertisseur conforme à l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la diode (34, 134) reliant le secondaire (32, 132) du transformateur de récupération (33, 133) au point milieu du transformateur principal (5, 105) présente un faible temps de recouvrement inverse. 7. Convertisseur conforme à la revendication 6, prévu pour fonctionner sous une fréquence d'environ 30 kHz, caractérisé en ce que le temps de recouvrement inverse de la diode (34, 134) est inférieur à 500 ns. 8. Convertisseur conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'inductance de réaction (25, 125) est reliée à la base du transistor par l'intermédiaire d'un diviseur de tension capacitif (26, 27, 126, 127). 9. Convertisseur conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le transformateur principal (5) est un transformateur à fuites magnétiques formant ballast pour au moins un tube fluorescent connecté aux bornes (12, 14, 13, 15) du convertisseur (1). 10. Convertisseur conforme à la revendication 9, notamment pour l'alimentation de tubes fluorescents à filaments, caractérisé en ce que le secondaire (6) du transformateur principal (5) comprend deux enroulements auxiliaires (8, 9) pour être reliés aux filaments d'un tube fluorescent connecté aux bornes (12, 14, 13, 15) du convertisseur (1). 11. Convertisseur conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que le secondaire (6) du transformateur principal (5) comprend un enroulement auxiliaire (11) supplémentaire pour contribuer à l'alimentatioll des des filaments (38, 39) de deux tubes fluorescents (3s, 3()) montés en série entre les bornes (12, 14, 13, 15) du convertisseur (1). 12. Convertisseur conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le secondaire (106) du transformateur principal (105) est en série avec le primaire (104) pour constituer un autotransformateur, les bornes de sortie (151, 152) de ce transformateur (105) étant reliées en parallèle à un certain nombre de transformateurs à fuites (155, 156) alimentant chacun au moins un tube fluorescent.