Brevet FR2472266A1 — publié le 19810626

La présente invention concerne des lampes à décharge d'arc telles que les lampes fluorescentes qui fonctionnent à des fréquences relativement élevées et s'applique, en par- ticulier, aux lampes fluorescentes circulaires munies d'un ballast central. Etant donné la recherche significative, au plan éco- nomique, de la réduction des consommations d'énergie élec- trique, il devient de plus en plus souhaitable, en ce moment, d'accroître le rendement des systèmes d'éclairage électrique. En particulier, il est souhaitable de remplacer, dans la me- sure du possible, les lampes à incandescence fonctionnant avec une efficacité lumineuse d'environ 15 lumens par watt seulement par des appareils à lampe fluorescente plus effi- caces. Les appareils d'éclairage à lampe fluorescente pré- sentent des efficacités lumineuses d'environ 40 lumens par *w-jatt ou davantage. Cependant, à cause de la nature de la décharge d'1arc, il existe des problèmes propres à lPalimenta- tion des lampes fluorescentes. Les circuits d'alimentation de telles lampes sont généralement connus sous le terme de ballasts". Ces ballasts, que l'on trouve communément dans l'art des lampes fluorescentes, procurent, en général, des niveaux d'énergie différents à la lampe par suite des diffé- re-nces de caractéristiques des lampes pendant le démarrage et en service normal. Dans certaines lampes fluorescentes, l'allumage peut être facilité par l'emploi de filaments chauffés par circuit séparé dans le ballast. De telles lama pes utilisent deux conducteurs entre chaque extrémité de la lampe et le ballast. Elles sont appelées lampes à allumage 0 G rapide. Dans d'autres lampes, une alimentation unique est d'abord utilise pour chauffer les filaments puis est commu- *tée pour fournir 1 énergie de décharge. Ce transfert est obtenu au moyen d'un commutateur manuel ou d'un commutateur -thermique automatique à décharge luminescenïte, appelé "star- ter". Ces lampes utilisent un conducteur en Ére chacune des extrémités de la lampe et le ballast, et un conducteur entre chaque extrémité de la lampe et le commutateur d' amorçage. Elles sont connues sous l'appellation de lampes à allumage par starter. Dans un troisième type de lampes, l'amorçage est obtenu en fournissant une haute tension pour déclencher la décharge entre les électrodes disposées auxdeux extrémités de la lampe. Ces lampes utilisent un conducteur entre cha- cune des extrémités de la lampe et le ballast. Elles sont connues sous l'appellation de lampes à allumage instantané. On a déterminé récemment que le poids et le matériau constitutif du ballast peuvent être réduits de manière si- gnificative en faisant fonctionner la lampe à-des fréquen- ces supérieures à 15 000 Hz. Ce type d'exploitation a aussi pour effet d'accroître l'efficacité lumineuse de la lampe. Cependant, on sait aussi que des lampes fonctionnant à d'aussi hautes fréquences, c'est-à-dire, des fréquences su- périeures à 15 000 Hz, peuvent produire des interférences électromagnétiques capables, potentiellement, de perturber la réception radio et télévision. Si la fréquence fondamen- tale d'un ballast électronique de commutation est située au-dessous de la bande de radiodiffusion à modulation d'am- plitude (535 kHz à 1 605 kHz) le problème d'interférence le plus sérieux est provoqué par le champ magnétique émis par le système lampe/ballast. Le champ électrique ne constitue pas un problème comparable à celui des interférences étant donné que les récepteurs radio à modulation de fréquence utilisés d'ordinaire au domicile des particuliers sont con- çus pour réagir à la composante champ magnétique d'une onde électromagnétique et sont relativement insensibles à la com- posante champ électrique. L'émission d'un champ magnétique est provoquée par les courants électriques circulant dans les conducteurs et, en particulier, dans les applications envisagées ici, l'émission de champs magnétiques est provo- quée par le passage du courant dans la lampe à décharge elle-même. L'intensité du champ magnétique émis est propor- tionnelle à l'intensité du courant dans le circuit, multi- plié par la surface de la boucle de courant. Cette valeur est appelée généralement moment magnétique. On peut lutter contre une interférence de champ magnétique de différentes manières. Par exemple, on peut; placer un blindage conducteur autour de la boucle de courant incriminée. Ainsi, il est facile d'éliminer l'inter- férence magnétique émanant du ballast lui-même, simplement en utilisant un blindage conducteur. Cependant, il est con- sidérablement plus difficile de procurer un blindage appro- prié à la lampe elle-même car il faudrait utiliser un maté- riau qui possède non seulement une conductivité électrique élevée mais également une transmissivité élevée de la lu- mière. Un autre moyen de lutte contre les interférences électromagnétiques consiste à filtrer l'onde à la sortie du ballast pour éliminer les composantes fréquentielles de la bande des fréquences à modulation de fréquence. Bien que la fréquence fondamentale de la plupart des ballasts élec- troniques soit inférieure à 535 kHz, les interférences sont provoquées par les harmoniques de la fréquence fondamentale, engendrées par le ballast ou la lampe, et émises par la bou- cle de courant à l'intérieur de l'enveloppe de la lampe. En outre, il s'est généralement avéré que les commutateurs à haut rendement créent des ondes à la sortie qui7 comprennent ces harmoniques indésirables. Ces harmoniques à l'origine des interférences peuvent être éliminées par filtrage de l'onde du ballast avant qu'elle ne soit appliquée à la lampe, mais les filtres utilisés à cette fin provoquent générale- ment des pertes d'énergie, sont de dimensions importantes et coûtent cher. Conformément à une réalisation recommandée de la présente invention, un dispositif à décharge d'arc comprend une enveloppe allongée dans laquelle on peut faire le vide, munie d'électrodes disposées aux deux extrémités et conte- nant un milieu de décharge ionisable. Le dispositif de dé- charge fonctionne.en faisant passer le courant alternative- ment dans un sens puis dans le sens opposé entre les élec- trodes. La présente invention apporte-un moyen de réduction des rayonnements électromagnétiques, extérieur à l'enveloppe de la lampe, et qui comprend un circuit conducteur de courant dans lequel le sens du courant est en général opposé au sens du courant de décharge dans l'enveloppe, de manière à pro- duire un champ magnétique opposé au champ magnétique pro- duit par la décharge. La présente invention est particuliè- rement applicable aux lampes à décharge fluorescentes dans lesquelles l'arc de décharge décrit un parcours qui se ferme presque sur lui-même tel que dans la lampe fluorescente Circline. Le champ d'annulation est engendré par une bou- cle de courant située de préférence dans le même plan que la lampe et réalisé de manière que le champ magnétique d'an- nulation soit déphasé de 1800 par rapport au champ magnéti- que engendré par la décharge. La boucle d'annulation possède essentiellement le même moment magnétique que la boucle de courant de décharge afin de réaliser le plus haut degré pos- sible d'annulation des interférences. La présente invention -15 est essentiellement applicable aux lampes à fluorescence circulaires mais aussi aux-lampes fluorescentes linéaires plus courantes comme-au.x autres dispositifs à décharge d'arc fonctionnant à des fréquences supérieures à environ 15 000 Hz. En conséquence, la présente invention a pour objet de fournir une source lumineuse fluorescente efficace, fonction- nant à une fréquence relativement élevée avec des niveaux considérablement réduits d'interférence électromagnétique. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - 25. figure 1 une vue en perspective illustrant une lampe à fluorescence circulaire munie d'un ballast disposé au centre, adapté pour insertion dans une douille classique de lampe à incandescence; figure 2 un schéma de principe illustrant une réa- lisation de la présente invention, dans laquelle la boucle de courant d'annulation est disposée le long de l'enveloppe de la lampe; figure 3 un schéma de principe illustrant une autre réalisation de la présente invention, dans laquelle le diamètre de la boucle d'annulation est plus petit que le diamètre de la boucle de courant de décharge, la différence des diamètres étant compensée par un transformateur d'intensité figure 4 un schéma de principe illustrant une autre réalisation de la présente invention, dans laquelle la différence des diamètres des boucles de courant est com- pensée par un accroissement du nombre de spires de la bou- cle d'annulation; O figure 5 un schéma de principe semblable à celui de la figure 4, dans lequel une boucle d'annulation est associée à chaque filament; figure 6 un schéma de principe de la présente in- vention dans laquelle la boucle d'annulation comprend une spirale à plusieurs tours; figure 7 une réalisation de la présente invention dans laquelle on utilise un "starter" en série avec les filaments de la lampe; 15. figure 8 un schéma de principe illustrant une realisation de la présente invention pouvant être utilisée sur des lampes fluorescentes linéaires; et o figure 9 un schéma de principe illustrant une réalisation de la présente invention pouvant être utilisée sur des lampes fluorescentes linéaires à allumage par haute tensiono La figure! représente une lampe fluorescente du type auquel la présente invention est particulièrement applicable. Dans cette lampe, le milieu de décharge ionisa- hle 18, tel que vapeur de mercure et gaz rare (argon, par exei.ple) est renfermé dans iDenveloppe de décharge 10 en verre recouvert d'une couche de substance fluorescente ex- citable par rayonnement ultraviolet, A l'intérieur de l'en= veloppe, des électrodes 15 et 16 (non représentées) sont fiXees a chaque extrémité; le courant de décharge passe entre ces deux électrodes. L'enveloppe de la lampe 10 est supportée par des bras de croisillon il réalisés de préfé- fence en matériau plastique léger résistant suffisamment à 1- chaleur Les bras de croisillon i1 aboutissent è un moyeu -5 central contenant un ballast 12 qui peut être démonté en manoeuvrant le commlutateur à glissenment 14o Ce commutateur 14 est monté dans le bras de croisillon!la dan-s lequel passent les conducteurs électriques reliant le ballast 12 aux électrodes de la lampe 15 et 16. Le ballast est égale- ment muni d'un culot à vis classique 13 pour insertion dans une douille classique de lampe à incandescence. Ainsi, le ballast fonctionne pour convertir le courant alternatif périodes - ou des courants alternatifs à d'autres fré- quences - en courant alternatif de fréquence supérieure à 000 Hz pour l'alimentation de la lampe elle-même. La décharge de courant alternatif à travers le milieu ionisant 18 provoque, en général, une émission de rayonnement ultra- violet qui vient heurter la substance fluorescente 17 (re- présentée sur la figure 2) constituant le revêtement interne de la paroi de l'enveloppe. C'est l'excitation de cette substance fluorescente qui donne une lumière dans le visible. La figure 2 illustre une réalisation de la présente invention dans laquelle une boucle d'annulation est disposée à l'extérieur de la lampe. On voit aussi sur cette figure, en pointillé, le parcours moyen de la décharge d'arc 19. Dans cette réalisation, le diamètre de la bobine d'annula- tion est choisi de manière à être pratiquement égal au dia- mètre du parcours de la décharge. Les conducteurs branchés au filament 15 sont disposés le long de la surface extérieure de l'enveloppe de décharge 10. Pendant le régime normal de la lampe à décharge, le courant dans la boucle d'annulation 20 circule dans un sens généralement opposé au sens du cou- rant dans le parcours de décharge. Ce courant en opposition produit un moment magnétique essentiellement le même, mais de sens opposé au moment magnétique produit par le courant dans l'enveloppe de décharge 10. De cette façon, l'interfé- rence électromagnétique engendrée par le fonctionnement à haute fréquence de la lampe est considérablement réduite. La figure 2 illustre une lampe à allumage rapide dans laquelle deux conducteurs à chaque extrémité de la lampe sont reliés au ballast. Etant donné qu'une partie du courant de décharge aboutissant à/ou partant d'une extrémité de la lampe passe à travers l'un des conducteurs reliés à cette extrémité, alors que le reste du courant de décharge aboutissant à cette extrémité de lampe traverse l'autre conducteur fixé à cette même extrémité de lampe, la boucle d'annulation est formée des deux conducteurs provenant d'une seule:.extrémité de la lampe, sous forme d'une paire. Cette paire constitue une boucle d'annulation à une seule spire. Dans le cas d'utilisation de lampes à allumage instantané ou à starter, la boucle d'annulation est formée par l'un des conducteurs simples reliés entre le ballast et une extrémité de la lampe. Une description de la présente in- vention appliquée à une lampe à allumage par starter est donnée plus loin en référence à la figure 7. Les conducteurs de la boucle d'annulation peuvént se présenter eux-mêmes de différentes manières. Par exemple, on peut déposer une couche conductrice sur le verre lui- même, particulièrement si la couche a une résistance élec- trique assez faible. Il est aussi souhaitable que la couche électrique soit translucide. Par exemple, on peut employer de l'oxyde d'étain ou des alliages d'indium et d'oxyde d'é- tain dans certaines conditions de fonctionnement des lampes. Une autre alternative consiste à réaliser les conducteurs au moyen d'une bande adhésive conductrice fixée sur la paroi de l'enveloppe. Les conducteurs formant la boucle d'annulation peu- vent être disposés en spirale autour de l'enveloppe de la lampe elle-même. Si l'on utilise des revêtements conducteurs, des couches larges recouvrant une portion importante de la surface en verre donneront une annulation plus efficace que des couches étroites. Si l'on utilise des revêtements con- ducteurs pour les lampes à allumage par starter ou à allu- mage instantané, qui ne demandent qu'une boucle d'annulation à un seul conducteur, la réalisation recommandée est obtenue avec une couche conductrice couvrant pratiquement toute la surface de la lampe. Ceci a pour effet de mieux adapter le champ magnétique d'annulation au champ magnétique de la lampe. Les conducteurs d'annulation 20 sont d'ordinaire traversés par un courant d'environ 0,6 ampère en fonction- nement normal. Il est préférable qu'ils soient isolés afin de limiter les risques de commotion électrique. A noter également sur la figure 2 que les conduc- teurs provenant des filaments 15 et 16 sont amenés au cen- tre de la lampe jusqu'à un moyeu de ballast de celle-ci, tel que représenté sur la figure 1. En particulier, les conducteurs aboutissant au ballast passent le long du bras de croisillon lla sur la figure 1. Toutefois, la présente invention est également utilisable avec le ballast situé dans des positions autres que le centre de la lampe. La figure 3 illustre une autre réalisation de la présente invention dans laquelle la boucle d'annulation a un diamètre DC inférieur au diamètre du parcours de la dé- charge d'arc DL. Cependant, comme on peut le voir d'après la définition du moment magnétique donnée plus haut, l'an- nulation ne se produit pas automatiquement dans la présente réalisation par suite de l-a différence des surfaces de par- cours des boucles. C'est pourquoi la boucle d'annulation 22 est couplée à des enroulements par l'intermédiairedu trans- formateur d'intensité 23 comme représenté. Le rapport du nombre de spires entre enroulements primaires et enroulement secon- daire est défini conformément à la formule suivante N1 DL (1) 2 DC L'annulation du moment magnétique est réalisée tant que le rapport du nombre de spires représentées sur la figure 3 est choisi conformément à la formule ci-dessus. En particulier, il est souhaitable, dans la présente invention, de fixer la valeur de DC de manière que la boucle de courant d'annula- tion soit totalement disposée à l'intérieur du moyeu du ballast qui devrait aussi contenir le transformateur d'in- tensité 23. Cependant, pour plus de clarté, cette disposi- tion physique des composants n'est pas montrée sur la figure 3 qui n'est qu'un schéma de principe. En variante, DC peut être choisi afin que la boucle d'annulation puisse être disposée le long de l'enveloppe de décharge suivant le diamètre intérieur de celle-ci, auquel cas elle peut servir aussi d'élément auxiliaire d'allumage (polarisation hori- zontale) nécessaire au déclenchement efficace de la décharge dans les lampes à allumage rapide. Non seulement le trans- formateur d'intensité compense les différences relativement faibles des surfaces des boucles de courant conformément à la formule 1 mais il procure aussi un isolement électrique entre la boucle d'annulation et les électrodes de la lampe, ce qui permet de relier la boucle d'annulation au commun du circuit ou à une source de tension à l'intérieur du ballast, conçue pour appliquer un potentiel relativement élevé entre la boucle d'annulation et les électrodes 15 et 16. L'appli- cation de ce potentiel n'affecte pas le passage du courant à travers la boucle et, par conséquent, ne modifie pas le champ magnétique produit par la boucle d'annulation. Si l'on utilise des lampes à allumage instantané ou à allumage par starter, le transformateur d'intensité n'aura qu'un en- roulement primaire branché au conducteur unique à partir d'une extrémité de la lampe. La présente invention peut être aussi mise en oeuvre en utilisant des boucles d!annulation dont le diamètre DC est supérieur au diamètre du parcours de décharge. Le rapport des spires des enroulements primaire et secondaire du transformateur d'intensité 23 est de nouveau défini conformément à la formule 1 ci-dessus. La figure 4 montre une autre réalisation de la pré- sente invention, dans laquelle le diamètre de la boucle d'annulation est inférieur au diamètre de la boucle de dé- charge, c'est-à-dire que DC est inférieur à DL. Cependant, grâce à l'utilisation d'un plus grand nombre de spires dans la boucle d'annulation, l'annulation des moments magnétiques est réalisée facilement. En particulier, dans la réalisation de la figure 4, afin d'obtenir une annulation pratiquement optimale, les paramètres d'étude significatifs sont liés par la formule DC = DL/ \IN o N est le nombre de spires de la boucle d'annulation. La figure 4 illustre, notamment, le cas o N est égal à 2. Dans l'utilisation de lampes à allumage rapide, chacun des deux conducteurs relié à un filament particulier est par- couru par une partie du courant de décharge. C'est pourquoi les conducteurs sont pris ensemble comme une paire, lors de la réalisation de la boucle d'annulation. Le nombre de spi- res N, dans la formule 2 ci-dessus est déterminé, dans ce cas, en comptant le nombre de spires des paires de conduc- teurs. La figure 5 illustre une réalisation de la présente invention qui est identique à celle représentée dans la fi- gure 4, excepté que dans la présente réalisation, une bou- cle de courant d'annulation est prévue pour chacun des cir- cuits des électrodes 15 et 16. L'équation 2 est également applicable à la réalisation de la figure 5 qui illustre d'ailleurs le cas o N = 2. Bien que l'invention soit de préférence mise en oeuvre en utilisant des boucles de courant circulaires à l'effet-d'annuler les champs magnétiques produits par le courant de décharge, d'autres configurations de boucles d'annulation peuvent être utilisées aux mêmes fins. En par- ticulier, la figure 6 montre une configuration spirale sy- métrique des conducteurs de la boucle d'annulation 28 qui agit- aussi de manière à réduire efficacement l'interfé- rence électromagnétique. La figure 7 illustre une autre réalisation de la présente invention, dans laquelle on utilise une lampe à allumage par starter. Le starter 31 est branché entre les filaments 15 et 16. Dans cette réalisation particulière, on utilise un seul conducteur de boucle d'annulation 30. La figure 7 illustre aussi le fait qu'une partie importante de l'interférence électromagnétique est éliminée même en dis- posant la boucle d'annulation le long de l'enveloppe de dé- charge suivant le diamètre intérieur de celle-ci, Bien que l'annulation des moments magnétiques ne soit pas exacte, on obtient le niveau d'éclairage souhaité avec le minimum de gêne. Les figures 8 et 9 illustrent l'emploi de conduc- teurs de courant d'annulation 32 et 34 de la présente inven- tion dans les structures plus classiques de lampes fluores- centes linéaires. La différence fondamentale entre les réa- lisations représentées dans les figures 8 et 9 est que la lampe de la figure 8 est une lampe à allumage rapide alors que celle de la figure 9 est une lampe à allumage instan- tané. Dans ces réalisations, les conducteurs d'annulation peuvent être disposés en spirale autour de la lampe et peu- vent être constitués de couches conductrices telles que dé- crites en faisant référence à la figure 2. Pour les réalisations de la présente invention telles que représentées dans les figures 2 et 7 il est préférable que les conducteurs des boucles d'annulation 20 et 30, res- pectivement, soient fixés sur l'enveloppe de décharge 10. Pour les réalisations illustrées par les figures 4 et 5, il est préféré que les boucles d'annulation 24 et 25 respecti- vement, soient choisies avec un diamètre leur permettant d'être totalement (ou tout au moins pour la plus grande part) contenues à l'intérieur du moyeu de ballast 10.-Toutefois, ces conducteurs peuvent aussi être disposés séparément à l'intérieur d'un carter isolé circulaire concentrique monté sur les bras de croisillon 11. Il ressort de ce qui précède que la présente inven- tion permet le fonctionnement efficace de structures à lam- pes fluorescentes avec des courants alternatifs de fréquen- ces relativement élevées o le problème des interférences électromagnétiques a été éliminé. L'objet de la présente in- vention peut être réalisé avec un minimum de modifications dans la conception et la fabrication correspondante en est facile. R E V E N D I C A T I O N S 1. Lampe à décharge d'arc (19) comprenant une enveloppe de forme allongée (10) dans la- quelle on peut faire le vide, munie d'électrodes (15, 16) disposées à l'intérieur de l'enveloppe aux extrémités oppo- sées, cette enveloppe contenant un milieu de décharge ioni- sable (18), cette lampe fonctionnant par conduction d'un courant alternatif entre les électrodes à travers lé milieu, lampe caractérisée en ce qu'elle comprend 10. un limiteur de rayonnement électromagnétique (20) extérieur à l'enveloppe, muni d'un circuit conducteur dans lequel le sens du courant à l'intérieur de l'enveloppe est tel qu'il produit un champ magnétique qui, en général, s'oppose au champ magnétique produit par le courant de dé- charge entre les électrodes précitées. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit courant alternatif la traverse à une fréquence supérieure à 15 000 Hz. 3. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe est en général circulaire. 4. Lampe selon les revendications 1 à 3, caractéri- sée en ce que la lampe est une lampe fluorescente. 5. Lampe selon la revendication 4, caractérisée en ce que la lampe est circulaire et dispose d'un ballast situé en son centre. 6. Lampe selon la revendication 4, caractérisée en ce que les électrodes comprennent des filaments. 7. Limpe selon la revendication 6, caractérisée en ce que le limiteur de rayonnement magnétique (20) comprend une paire de conducteurs partant de l'un des filaments et disposée le long de la surface extérieure de l'enveloppe précitée de manière essentiellement parallèle au parcours du courant à l'intérieur de cette enveloppe. 8. Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que le limiteur de rayonnement électromagnétique comprend une boucle conductrice (22) dont le diamètre est inférieur ou supérieur au diamètre du parcours de la décharge d'arc (19) et disposée dans le plan du parcours du courant de dé- charge, le limiteur étant adapté pour annuler le moment ma- gnétique produit par le courant de décharge, au moyen d'un transformateur d'intensité (23) ayant un rapport de spires déterminé. 9. Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que le limiteur de rayonnement électromagnétique comporte une boucle conductrice (24) dont le diamètre est inférieur au diamètre du parcours de décharge du courant et qui com- prend des spires multiples. 10. Lampe selon la revendication 9, caractérisée en ce que la boucle conductrice (24) est directement reliée à une seule électrode (15) ou en ce qu'une boucle conductrice de courant (26) est prévue dans chaque circuit d'électrode. 11. Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que le limiteur de rayonnement magnétique comprend une spirale symétrique (28) disposée dans le plan du parcours de la décharge d'arc (19). 12. Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que les filaments sont reliés en série avec un starter (31) et en série avec une alimentation de ballast par un seul conducteur provenant de cette alimentation et disposé le long du parcours de décharge d'arc. 13. Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un ballast disposé en son centre. 14. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le limiteur de rayonnement électromagnétique comprend une couche conductrice déposée sur l'enveloppe.