Brevet FR2464008A1 — publié le 19810227

L'invention se rapporte au domaine des tubes à décharge et a plus particulièrement pour objet un dispositif d'alimentation de tels tubes et un générateur de lumière comportant un tel dispositif. Pour l'alimentation des tubes à décharge, particulièrement les tubes laser à gaz, il est nécessaire de disposer d'une haute tension pour initier la décharge électrique permettant le pompage, puis d'établir une tension moindre mais cependant supérieure à la tension de maintien aux bornes du tube, le courant traversant le tube étant stabilisé de façon que les variations de tension d'alimentation ne se traduisent pas par des variations de puissance émise par le tube; cette stabilisation permet également de diminuer le bruit. Dans ce but, le dispositif d'alimentation de tube laser à gaz peut comporter un transformateur élévateur à plusieurs prises dont la tension secondaire, redressée et filtrée, est appliquée à l'anode du tube laser. La cathode de ce même tube est reliée à la masse à travers plusieurs transistors haute tension en série formant un générateur de courant commandé par une tension de consigne fixant la valeur du courant. Dans un tel dispositif, le secondaire du transformateur utilisé est choisi en fonction du tube à alimenter, et plus particulièrement en fonction de la tension d'amorçage à obtenir à ses bornes pour initier la décharge. Il est également possible d'utiliser un transformateur élévateur à une seule prise secondaire, associé à un générateur de courant monté entre la cathode du tube et la masse capable de supporter une plus grande tension à ses bornes.Ce générateur de courant peut être constitué d'un nombre plus grand de transistors haute tension montés en plusieurs étages ballast en série. Du fait du plus grand nombre de transistors utilisés, la tension entre la cathode du tube et la masse peut être plus grande, il n'est donc plus nécessaire de disposer d'un transformateur à plusieurs prises de sortie entre lesquelles on choisit en fonction du tube. Dans ces deux types de montage, la tension aux bornes du générateur de courant qui permet en dehors de la période d'amorçage du tube d'absorber la différence entre la tension d'amorçage et la tension de maintien en régime établi, entralhe une dissipation d'énergie qui conduit à un rendement assez médiocre, de l'ordre de 50 %. De plus, la plage de stabilisation dépend du nombre de transistors haute tension en série. Ces composants étant couteux, le coût du montage est assez élevé, et compte tenu des rendements obtenus, de telles solutions sont loin d'être optimales. L'invention a pour objet un dispositif d'alimentation de tube à décharge ne présentant pas ces inconvénients, qui conduit à l'obtention d'un meilleur rendement, la tension d'alimentation fournie au tube étant adaptée à chaque instant, tant lors de l'amorçage qu'en régime établi, à la puissance nécessaire au tube. Pour cela, le dispositif comporte une boucle d'asservissement, les variations du courant d'alimentation du tube commandant une alimentation à découpage à rapport cyclique variable.Un dispositif d'alimentation de tube à décharge, suivant l'invention, est caractérisé en ce qu'il comporte une source d'alimentation à découpage ayant une entrée de commande et une sortie couplée au tube à décharge par un circuit de redressement filtrage et multiplication de tension, cette source étant destinée à fournir au tube lors de la mise sous tension, la tension nécessaire pour initier la décharge dans le tube et en régime établi une puissance d'alimentation régulée, le dispositif d'alimentation comportant en outre une boucle de régulation comportant un comparateur à deux entrées recevant respectivement un signal proportionnel au courant dans le tube et un signal de référence, ce comparateur fournissant un signal d'erreur, et un oscillateur à rapport cyclique variable commandé par le signal. d'erreur, cet oscillateur ayant sa sortie reliée à l'entrée de commande de la source d'alimentation à découpage. L'invention a également pour objet un générateur de lumière comportant un tube laser à gaz alimenté par un tel dispositif d'alimentation. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées: - la figure 1 représente un schéma synoptique du dispositif d'alimentation du tube laser suivant l'invention. - La figure 2 représente une courbe montrant les variations de la tension d'alimentation en fonction du courant. - La figure 3 représente le -schéma de détail d'un mode de réalisation du dispositif d'alimentation suivant l'invention. Le dispositif d'alimentation de tube laser représenté schématiquement sur la figure 1 comporte le tube laser à gaz 1 dont la cathode est reliée à la masse du montage par un circuit à résistance R2 et capacité C2. La tension d'alimentation du tube V1 est appliquée à l'anode du tube à travers une résistance R1, un condensateur de filtrage C1 étant connecté entre le point de potentiel V1 et la masse. Cette tension d'alimentation V1 est obtenue au moyen d'une boucle d'asservissement prenant en compte les variations du courant d'alimentation du tube. Pour cela, la tension V2 aux bornes de la résistance R2, tension qui est proportionnelle au courant I circulant dans le tube, est comparée à une tension de consigne VR dans un amplificateur d'erreur 2 fournissant une tension Ve proportionnelle à l'écart entre la tension de consigne et la tension V2.Cette tension d'erreur est appliquée à l'entrée d'un oscillateur à rapport cyclique variable fournissant un signal à deux états, la durée de l'un de ces deux états étant directement liée à la tension d'erreur Ve à la sortie de l'amplificateur d'erreur 2. Ce signal à deux états est appliqué à l'entrée d'un interrupteur de découpage 4 relié à un transformateur 5 dont le secondaire fournit l'énergie à un circuit de redressement, filtrage, et multiplication de tension, 6, à la sortie duquel est disponible la tension Vi. L'interrupteur 4 et le transformateur 5 forment une alimentation à découpage commandée par le signal de sortie de l'oscillateur. Le circuit 6, qui comporte un multiplicateur de tension, permet de fournir une tension suffisante lors de la mise en marche du circuit pour l'amorçage du tube. Car, comme le montre la figure 2, représentant la tension Va à appliquer au tube pour permettre l'établissement d'un courant 1, la tension d'amorçage est grande. La figure 3 représente en détails un mode de réalisation de dispositif d'alimentation représenté sur la figure 1. Dans ce mode de réalisation, l'amplificateur d'erreur 2 est un amplificateur à grand gain comportant deux transistors T1 et T2 en cascade, la tension V2 étant appliquée à la base du transistor T1 et la tension de consigne VR étant appliquée sur l'émetteur de ce même transistor. Pour l'établissement de cette tension de consigne, une diode Zener D1 est branchée entre l'émetteur du transistor T1 et la masse, cet émetteur étant par ailleurs relié par l'intermédiaire d'une résistance R3 à une source de tension d'alimentation + V. Le collecteur du transistor T1 est polarisé au moyen d'une résistance R4 connectée à la source de tension + V.Ce collecteur est par ailleurs relié à la base du transistor T2, l'émetteur de ce transistor étant relié à la source + V par une résistance R5 aux bornes de laquelle est connecté un condensateur de découplage. Le collecteur de ce transistor T2 est relié à la masse par une résistance R6. La résistance de sortie de cet étage R7 est connectée au collecteur de ce transitor. L'oscillateur commandé en tension 3 est un multivibrateur astable dont le rapport cyclique est rendu variable au moyen d'une tension variable appliquée à l'un des deux condensateurs. Pour cela, la borne de sortie de la résistance R7 est reliée au point commun d'un pont de résistance R8 Rg branché entre la masse et une tension d'alimentation VA. Le multivibrateur astable comporte principalement deux transistors NPN T3 et T4 dont les émetteurs sont reliés à la masse du montage, les collecteurs de ces transistors étant respectivement reliés à la source de tension d'alimentation + VA par les résistances R10 et R13. La base du transistor T3 est reliée au collecteur du transistor T4 par un condensateur C5. De même la base du transistor T4 est reliée au collecteur du transistor T3 par un condensateur C4. Par ailleurs la base du transistor T4 est reliée à la source de tension d'alimentation VA par la résistance R11, la base du transistor T3 étant reliée à l'entrée de commande du multivibrateur astable par une résistance R12. Ainsi, le multivibrateur astable fonctionne comme un convertisseur tension fréquence, la durée de charge du condensateur C4 étant constante et la durée de charge du condensateur C5 étant fonction de la tension appliquée à l'entrée du multivibrateur. Le signal disponible sur le collecteur du transistor C4 est donc un signal à deux états dont la période est variable et le rapport cyclique également variable, la durée de l'un des deux états étant fixe, ce signal est appliqué à la base d'un transistor de sortie T5 par l'intermédiaire d'une résistance R14.Le collecteur de ce transistor est relié à la source de tension d'alimentation + V par une résistance R16 son émetteur étant relié à la masse. La tension + VA est dérivée de la tension + V, une diode Zener D2 aux bornes de laquelle est disponible la tension + VA ayant son anode reliée à une borne d'une résistance R15 dont l'autre borne est connectée à la source de tension + V. Un condensateur C6 de découplage est prévu aux bornes de la diode Zener D2. Le collecteur du transistor T5 constitue la borne de sortie de l'oscillateur commandé en tension 3.Cette borne est reliée à l'entrée d'un interrupteur de découpage 4 comportant un circuit R17 C8 relié à la base d'un transistor T6, l'émetteur de ce transistor étant relié à la masse et son connecteur étant relié à la borne d'entrée du primaire du transformateur 5. Une diode D3 est branchée entre le collecteur et l'émetteur du transistor T6. L'ensemble forme un interrupteur monodirectionnel en tension et bidirectionnel en courant. Le circuit à transformateur 5, comporte le transformateur T dont le primaire Lp est polarisé au moyen p d'une source de tension d'alimentation + Vcc. Un condensateur C9 de découplage est prévu aux bornes de la source d'alimentation.Le secondaire L5 du transformateur T constitué la sortie du circuit à transformateur. Cette sortie est reliée à l'entrée d'un circuit de redressement, filtrage et amplification qui comporte en série une diode D4, deux condensateurs C12 et C14, la borne de sortie du condensateur C14 étant reliée à la résistance R1 d'alimentation du tube. Ce circuit 6 comporte outre une seconde branche comportant en série une résistance R18, un condensateur C11 et un condensateur C13. Une diode Dg est branchée entre la borne d'entrée du condensateur C12 et le point commun aux condensateurs C11 et C13. Une seconde diode D6 est branchée entre ce même point commun à C11 et C13 et le point commun aux condensateurs C12 et C14.De même une diode D7 est branchée entre le point commun au condensateur C12 et C14 et la sortie du condensateur C13, cette même borne étant reliée à une diode D8 dont l'autre borne est reliée à la sortie du condensateur C14. L'anode de la diode D4 est reliée à la masse par un condensateur C1O.Un tel assemblage forme un circuit de redressement, filtrage et multiplication de tension, l'assemblage des diodes D5 à D8 et des condensateurs C11 à C14 forment un multiplicateur de tension obtenu en associant en cascade deux doubleurs de Schenkel, Le dispositif d'alimentation de tube laser représenté en détails sur la figure 2 fonctionne de la manière suivante: en régime établi, la tension d'erreur V e appliquée à l'oscillateur commandé en tension fait varier la tension de charge U du condensateur C5 pendant les durées où le transistor T3 est bloqué, le transistor T4 étant saturé. La durée v 1 de l'état quasi stable du multivibrateur correspondant est donc variable.Par contre, la tension de charge du condensateur C4 est constante, et la durée de l'état quasi stable correspondant, 2, est constante. Le signal de sortie du multivibrateur disponible sur le collecteur del'un des transistors, par exemple T4, est donc un signal à fréquence et rapport cycliques variables. Ce signal est amplifié par le transistor de sortie T5 de l'oscillateur commandé en tension et commande, à travers la cellule R17 C8, l'interrupteur de découpage commandant l'énergie fournie par la source d'alimentation + Vcc à travers le transformateur d'alimentation. Cette commande s'effectue de la manière suivante : pendant la durée t 1 où- le transitor T6 conduit, le transformateur emmagazine l'énergie magnétique par l'inductance Lp. Lorsque le signal de commande change d'état, le transistor T6 s'ouvre, la tension aux bornes du primaire du transformateur Lp s'inverse, et le courant primaire passe par la diode3. Pendant cette phase de durée oe 2 l'énergie magnétique est fournie à la sortie du convertisseur.Du fait que le primaire du transformateur peut être considéré comme une inductance Lp en parallèle avec une capacité répartie - ramenée Cp, lorsque le transistor TT est bloqué, la tension + Vcc s'établit sur le collecteur de T6 en provoquant sur ce collecteur une arche de sinusoide dont la période est la période propre d'oscillation Pour que toute l'énergie emmagasinée au primaire du transformateur pendant la durée ttl soit restituée pendant la durée T2, il est nécessaire que cette durée 2 fixée par le multivibrateur astable soit supérieure à To Ainsi, I'énergie fournie à la sortie du transformateur est proportionnelle à la durée ?1 variable, elle-même directement liée à la tension d'erreur V e Lors de la mise sous tension, le circuit de redressement filtrage et multiplication de tension inséré entre le secondaire du transformateur et l'anode du tube laser, permet de donner, au moment de l'amorçage du tube, la surtension nécessaire pour obtenir cette tension d'amorçage. En régime établi, la tension entre l'anode et la cathode du tube laser étant sensiblement constante, le dispositif permet de controler le courant circulant dans ce tube. Ainsi, lorsque le courant I circulant dans le tube augmente par exemple, la tension V2 augmente également et la tension d'erreur à la sortie de l'amplificateur d'erreur 2 augmente également. La tension de charge du condensateur C5 dans le multivibrateur astable augmente de la même façon, et par conséquent la durée ? 1 de l'état quasi stable correspondant diminue. L'énergie fournie par le transformateur au tube laser étant proportionnelle à la durée t19 diminue également. Par conséquent la tension de sortie redressée utilisée pour l'alimentation du tube diminue et conduit à une diminution corrélative du courant I. De la même manière, lorsque le courant J diminue, la channe d'asservissement permet d'augmenter l'énergie fournie au tube, et, la tension à ses bornes étant constante, d'augmenter le courant I. Un tel dispositif permet donc de s'affranchir des dispersions et de corriger les erreurs ; ce qui conduit à une amélioration notable des performances du dispositif d'alimentation. A titre d'exemple, il est possible de noter que le rendement des dispositifs d'alimentation à générateur de courant par transistors haute tension est de l'ordre de 50 %, le dispositif d'alimentation suivant l'invention atteignant au contraire un rendement de l'ordre de 70 %. Un tel dispositif d'alimentation est particulièrement utile du fait que les tubes laser à gaz utilisés actuellement présentent des variations de caractéristiques assez larges, les variations de tension du secteur pouvant egalement être assez importantes; de plus, le nombre de composants haute tension ou de puissance est très réduite par conséquent le coût de réalisation est faible. Le circuit décrit peut être entièrement réalisé avec des composants discrets et, les différents étages de la boucle de régulation étant des circuits rapides, la régulation est obtenue de manière correcte dans une bande de fréquences large. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation de tube à décharge, caractérisé en ce qull comporte une source d'alimentation à découpage ayant une entrée de commande et une sortie couplée au tube à décharge par un circuit de redressement filtrage et multiplication de tension, cette source étant destinée à fournir au tube lors de la mise sous tension, la tension nécessaire pour initier la décharge dans le tube et en régime établi une puissance d'alimentation régulée, le dispositif d'alimentation comportant en outre une boucle de régulation comportant un comparateur à deux entrées recevant respectivement un signal proportionnel au courant dans le tube et un signal de référence, ce comparateur fournissant un signal d'erreur, et un oscillateur à rapport cyclique variable commandé par le signal d'erreur, cet oscillateur ayant sa sortie reliée à l'entrée de commande de la source d'alimentation à découpage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur commandé en tension est un multivibrateur astable, à deux états quasi stables, la durée de l'un de ces états étant proportionnelle au signal d'erreur et la durée de l'autre état étant constante. 3. Dispositif selon l'une des revendications et 2, caractérisé en ce que la source d'alimentation à découpage est un transformateur dans le primaire duquel est placé un interrupteur de découpage commandé par le signal de sortie de l'oscillateur. 4. Générateur de lumière comportant un tube laser à gaz et un dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes.