Brevet FR2477358A1 — publié le 19810904

La présente invention est relative à un ballast élec- tronique pour lampe fluorescente. Bien que l'histoire des lampes soit presque aussi ancienne que celle de l'électricité de nombreux types de lampé ont été développés, les lampes actuellement disponibles ne présentent pas une efficacité élevée. Parmi d'autres on utilise les lampes fluorescentes du fait de leur efficacité relativement raisonnable. Les lampes- fluorescentes, toutefois, nécessitent des tensions élevées au début de la phase d'allumage comme d'ailleurs dans tous les tubes à décharge et maintiennent des tensions pratiquement constantes pendant toute la période d'éclairement ce qui rend difficile l'obtention de lampes avec des efficacités élevées. De nombreuses propositions ont été. faites pour l'allumage des lampes fluorescentes avec une efficacité élevée depuis l'invention des lampes, les ballasts à bobines créés à l'origine étant encore les moyens les plus populaires actuellement, malgré leurs nombreux inconvénients, du fait des difficultés techniques et économiques liées aux autres procédés. Du fait que l'on connaît maintenant des transistors à tension élevée, à vitesse élevée et à bon marché, le développement de ballasts électroniques trés efficaces et fiables peut être envisagé en utilisant des dispositifs semi-conducteurs. De plus, il est nécessaire de disposer de ballasts électroniques avec des efficacités élevées du fait de l'augmentation croissante du coût de l'énergie. La présente invention se propose de réaliser un circuit inverseur à transistors pour lampes fluorescentes présentant une trés bonne efficacité. Le circuit inverseur selon l'invention se caractérise essentiellement par le fait qu'il comprend deux transistors et un circuit résonnant série, les transistors étant reliés en série aux bornes d'une source de courant continu et reliés avec le circuit résonnant au point de connexion sérié des transistors pour entraîner une charge qui est reliée en parallèle avec le condensateur ou la bobine du circuit résonnant série. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante en référence au dessin dans lequel: La fig. 1 est un schéma de circuit d'allumage de lampe 2 2477358 fluorescente utilisant un ballast à bobine conventionnel, la. fig. 2 illustre un exemple de circuit inverseur conventionnel bien connu pour lampe fluorescente, la fig. 3 illustre le circuit de base du ballast électronique pour lampe fluorescente selon la présente invention, la fig. 4 est un circuit simplifié équivalent à la figure 3 illustrant le mécanisme principal d'entraînement du circuit, la fig. 5 est un schéma de formes d'ondes représentant l'opération de commutation du circuit de la figure 3, la fig. 6 est un exemple de réalisation en pont complet du ballast électronique selon l'invention, la fig 7 illustre des exemples de schémas de circuit pour l'allumage d'une lampe fluorescente en utilisant le circuit de base de l'invention, la fig. 8 illustre des exemples de circuits pour l'allumage de deux lampes fluorescentes en série utilisant le circuit de base selon l'invention, la fig. 9 illustre des exemples de circuits pour l'allumage de trois lampes fluorescentes en série utilisant le circuit de base de l'invention, la fig. 10 illustre des exemples de circuits pour l'allumage d'une pluralité de lampes fluorescentes en parallèle utilisant le circuit de base selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la fig. 1 qui illustre le schéma de circuit d'un ballast à bobine conventionnel. Différentes configurations sont possibles mais les caractéristiques sont pratiquement communes à tous les circuits utilisant des ballasts à bobine. Les inconvénients principaux de cette réalisation sont les suivants: 1) perte de puissance de la bobine qui peut être classée en deux catégories: la première est la perte ohmique du fil de cuivre, appelée "perte de cuivre", et l'autre est la perte par hystérisis du noyau de fer, appelé "perte par hystérisis". Ces deux facteurs entraînent une perte de puissance que l'on évalue à environ 25 % ou plus de la puissance totale. 2) le poids du ballast à bobine est trés important du fait de l'existence du noyau de fer. 3) Un bruit audible (60 Hz HUM) est engendré du fait de la vibration du noyau de fer 4) Le facteur de puissance de ligne diminue, ce qui provoque une perte de puissance redondante dans la ligne de transmission si on ne la compense pas en insérant des condensateurs extérieurs ce qui engendre des pertes supplémentaires Ces inconvénients peuvent être supprimés en utilisant un inverseur à transistors au lieu du ballast à bobine conventionnel Un inverseur est un dispositif capable de convertir un courant continu en courant alternatif et l'on en connaît de nombreuses réalisations. Elles possèdent toutes des avantages et des inconvénients selon les applications envisagées. Ainsi le courant continu pour l'inverseur doit être obtenu en redressant le courant alternatif de ligne en utilisant des diodes. La conception de circuit inverseur devient très difficile pour l'allumage des lampes fluorescentes du fait que les variations de tension sur la source de courant continu sont généralement très élevées et les caractéristiques d'allumage sont trés sévères ce qui pose des problèmes pour la conception des circuits inverseurs d'allumage de lampes fluorescentes. La fig. 2 représente un exemple type de circuit inverseur d'allumage de lampe fluorescente comportant un transformateur à ferrite. Le courant continu de la source VS est transformé en courant alternatif par l'autooscillation des transistors Q1 et Q2 avec une fréquence élevée d'environ 20-50 Khz, une tension élevée arbitraire pouvant être obtenue par le réglage du rapport de spires entre les enroulements primaire et secondaire du transformateur T1 permettant l'allumage de la lampe fluorescente. Dans ce cas, du fait que la tension secondaire est plus élevée, la valeur d'inductance de la bobine Ld1 doit être plus grande; cependant cette valeur est négligeable en comparaison de la valeur d'inductance de la bobine Ldo représentée dans la fig. 1. Du fait de la présence de Ldl des pointes de tension élevées apparaissent aux collecteurs des transistors Q1 et Q2 et une grande quantité de courant réactif vibre de façon continue entre la source et la charge pendant le fonctionnement de l'inverseur La quantité de courant vibratoire dépend largement de la valeur de Ldl et du rapport de spires du transformateur N2/N1. La commutation entre les transistors Q1 et Q2 pendant le fonctionnement s'effectue à chaque pointe maximale du courant 4 2477358 de collecteur, ce qui provoque des pertes de puissance considérables du fait du retard d'extinction du transistor à l'état conducteur. Ainsi en principe, il est trés difficile d'obtenir des efficacités élevées en utilisant ce type de circuit inverseur. - Si on insère un condensateur cdl en série avec la bobine Ldl pour former un circuit résonnant série tel que représenté dans la fig. 2, l'efficacité de l'inverseur peut être quelque peu améliorée. Cependant un tel procédé présente également des inconvé- nients du fait de son coût élevé car il nécessite non seulement des transformateurs à ferrite importants et coûteux mais également des transistors de commutation à vitesse rapide, à tension élevée et à puissance élevée. L'inverseur à transistors selon la présente invention, représenté à la fig. 3 permet d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus et est réalisable simplement à faible coût avec une efficacité et une fiabilité élévées. La fig. 4 représente un circuit équivalent simplifié de la figure 3 dans lequel les transistors Q1 et Q2 sont remplacés par deux commutateurs S1 et S2. Dans la figure 4, si les commutateurs S1 et S2 sont en marche et arrêt synchronisés en alternance à la fréquence naturelle du circuit résonnant série composé de L0 et 2C1, lorsque la lampe fluorescente n'est pas encore allumée, une tension très élevée apparaît aux bornes du condensateur 2C1 du fait-de la résonance du circuit; dans ce cas le condensateur 2C0 n'influence pas du tout le circuit du fait que la lampe peut être considérée comme un commutateur ouvert. Lorsque la tension résonnante aux bornes de 2C1 devient plus élevée que la valeur initiale de décharge de la lampe fluorescente la lampe est allumée et la tension aux bornes de la lampe décroit graduellement pour atteindre une certaine valeur qui diffère selon le type de lampe. Dans ce cas, la puissance fournie à la lampe peut être commandée par réglage de la valeur du condensateur 2C. Ainsi, dans la figure 3 les commutateurs de la figure 4 sont remplacés par deux transistors Q1 (1) et Q2 (2) et les états des transistors en cours de fonctionnement doivent être dans l'une des deux conditions suivantes (Q1: ouvert, Q2: fermé) ou (Q1: fermé, Q2: ouvert). Ainsi, la tension de pointe maximale aux bornes du transistor à l'arrêt est exactement la tension de source VS et le problème de tension de pointe élevée n'apparaît pas dans ce cas. Ainsi, on peut garantir un fonctionnement fiable même en utilisant des transistors de tension faible. 2477358 On a représenté, à la figure 5 les formes d'ondes au collecteur et à la base de l'un des deux transistors pendant le fonctionnement. Le transformateur T (3) est un transformateur de o courant qui joue un rôle important pour la mise en marche et l'arrêt des deux transistors Q1 et Q2 en alternance, en synchronisme avec la fréquence naturelle de résonance du circuit. Par le fonctionnement de T les deux transistors peuvent être allumés simultanément c'est-à-dire que l'un seulement peut être à un instant dans un état conducteur et en outre. un courant de N1IN2 fois celui du collecteur est fourni à la base du transistor conducteur pendant une certaine période. Puis l'extinction du transistor depuis l'état de marche se produit lorsque le courant de collecteur (égal au courant dans la bobine L0 (4) diminue jusqu'à zéro du fait du rôle du transformateur T. Au cours du fonctionnement réel cela se produit automatiquement du fait que le courant dans la bobine d'induction diminue automatiquement jusqu'à zéro du fait de la présence des condensateurs C0 (8 et 9) et C1 (5 et 6). Dans ce cas, les condensateurs sont surchargés du fait du rôle de Lo, qui est l'un des deux facteurs principaux, l'autre étant l'effet de magnétisation du transformateur T pour mettre en marche le transistor opposé à l'instant suivant forçant le courant inverse à travers le transistor à l'arrêt du fait de leurs tensions en surcharge. De cette manière on maintient l'oscilla- tion de l'inverseur. Comme on peut le voir du processus qui vient d'être décrit, du fait que le mécanisme de l'oscillation est associé de trés près à la résonance série du circuit, une tension très élevée de Q0 Vs aux bornes du condensateur Cl apparaît si la lampe est déconnectée et le facteur de qualité du circuit est défini comme Q. La lampe fluorescente est allumée lorsque la tension de condensateur dépasse la valeur de décharge de pointe de la lampe. Une fois que la lampe est allumée le courant circulant à travers la lampe peut être commandé par le condensateur 2C 0 et la fréquence d'oscillation est abaissée du fait que la valeur totale de la capacitance est augmentée de 2C1 à 2C0 + 2C1. Dans ce cas, si le condensateur de début de décharge 2C1 est directement relié à.la bobine d'induction L0 en dérivation par rapport au filament de la lampe fluorescente, comme représenté 6 2477358 à la figure 4, il est avantageux d'engendrer une tension élevée pour la décharge initiale de la lampe, du fait que le facteur de qualité Q devient grand lorsque le circuit est composé de L et 2C seulement. Cependant en considérant le pire des cas, un problème de tension dangeureuse existe toujours lorsque la lampe est enlevée à l'état alimenté. L'oscillation continue même après déconnexion de la lampe ce qui constitue un phénomène indésirable. En outre, si la tension de résonance dépasse la valeur de fonctionne- ment maximale du condensateur C1 ce condensateur est endommagé. D'autre part, comme représenté dans la figure 7 si le condensateur C1 est relié aux bornes du filament de la lampe fluorescente le facteur de qualité du circuit résonnant est abaissé du fait de la résistance du filament de la lampe et l'oscillation est stoppée lorsque la lampe est retirée. En résultat, la tension de résonance Q0. Vs est abaissée mais la tension de début de décharge de la lampe est également bien plus faible du fait de l'effet d'émission d'électrons du filament chauffé. La figure 7 représente des exemples de schémas de connexion pour une lampe fluorescente. Les valeurs de capacitance sont toutes égales à 2C1 et 2C0 et la valeur d'inductance est L pour les cas des figures 7 (i)-(iv) . Les fréquences d'oscillation sont également les mêmes pour tous les cas. Si l'on considère comme la résistance équivalente de filament (qui peut varier selon la température) les résistances équivalentes deviennent r pour (i), r/2 pour (ii) et (iii) et 2r pour (iv), ainsi le circuit Q est différent pour chaque cas. Pour les cas (ii) et (iii) la résistance équivalente est relativement faible et ainsi Q0 est grand par rapport aux autres. La tension de résonance initiale peut être augmentée de façon adéquate jusqu'à une valeur correcte ce qui rend ces schémas préférables aux autres du fait que la décharge initiale de la lampe se produit même avec une tension de source relativement faible. Les circuits représentés aux figures 8 et 9 qui se réfèrent à des connexions de plusieurs lampes sont dans leur principe similaires à ceux de la figure 7 tant que les relations d'équivalence décrites ci-dessus sont maintenues, même si les configurations des connexions de filaments semblent très différentes. Les résistances équivalentes sont 4r pour (i), r pour (ii) dans la figure 8 et elles sont de 6r pour (i), 4r/3 pour (ii) dans la figure 9. D'autre part, pour les cas (iii) à (vi) des figures 8 et 9 des 7 2477358 parties des filaments sont chauffées par une connexion à l'enroule- ment secondaire de la bobine d'induction L0. Celà est particulièremei souhaitable pour les connexions multiples en série des lampes du fait que toutes les lampes peuvent être allumées simultanément et autrement, comme dans les cas (i) et (ii) elles sont allumées séquentiellement avec certain retard dû à des caractéristiques quelque peu différentes des lampes. Un inconvénient des connexions en série est le fait que toutes les autres lampes ne peuvent être allumées lorsque l'une d'elles est enlevée. Un tel problème peut être résolu en reliant les lampes en parallèle. Dans la connexion en parallèle l'enlèvement d'une lampe n'affecte pratiquement pas le fonctionnement des autres. Dans la figure 3 les diodes 10 et il sont nécessaires seulement dans le cas o la somme des chutes de tension aux bornes des lampes dans le circuit est considérablement plus faible que la tension de source à l'état de fonctionnement permanent et autrement elles peuvent être éliminées comme représenté dans les figures 7 à 9. Dans ces cas, les paramètres de circuit peuvent être approximativement déterminés comme cela est décrit dans la suite si l'on désigne par Vs la tension de source moyenne, du fait que les variations de tension de la source du courant continu ne sont pas négligeables. Dans ce cas en supposant que les variations de tension ne sont pas très grandes la puissance totale fournie à la charge (PS) peut être approximativement représentée comme (les valeurs exactes doivent être déterminées par des valeurs rms) Ps =Vs.1s.....----....-... (1) 30. Dans laquelle Is est l'intensité de source moyenne. Si l'on désigne par f la fréquence de résonance du circuit et en considérant le fait que le courant de source doit être égal au courant de charge (ou le courant de condensateur), la relation suivante peut être obtenue is fCQO'Vs........................ (2) Dans laquelle C 2 (C0 + C1) , CO " Ci............ (3) Q Ro Ro à résistance équivalente de la lampe 8 24773758 Dans ce cas, on introduit une résistance équivalente R de la lampe du fait qu'on pense qu'elle est valable pour un fonctionnement à haute fréquence. La fréquence de résonance est donnée par: f = /2 = o y 1 - 1/4 Qo2 Dans laquelle mo = 1/ LoC.... Ainsi de (2) et (4) on obtient 1I= 2 -wo o C Qo Q.oVs 2w Z V 1 - 1/4 Qo2 (4) (5) Vs 1 - 1/4 Qo2 so .(6) Dans laquelle Z = woLo = iOoC = L/C (7) De (1) et (6) une autre représentation de Z est donnée par Q oVs2 Z = 2 P V 1 - 1/4 Qo2 s (8) La consommation d'énergie we dans la lampe fluorescente par cycle de fonctionnement peut être représenté par _ o. 2w me = C s (1 e Qo).(9) De la condition que la puissance de lampe doit être égale à la puissance de source et en appliquant (4) et (9) on peut écrire la relation suivante: Ps = f.ue s - 1 fcvs2 ( 1 - e En transformant (10) on obtient QOV 1 - 1/4 Qo2 = - 2w/QO Y 1 - 1/4 Qo 2 )... (10) 2P s -2w/ln (1 -fcV 2...... (11) fs2 9 2477358 Et de (8) et (11) on obtient également V 2 1 -P ln Z fcVsZ / cfcVs2 - 2P/........ (12) De (5) et (7) les valeurs de paramètres peuvent être représentées comme Lo = Z/wo....... (13) C =l/Zoo. ..... Ainsi les valeurs de paramètres obtenues de (10) et (11) doivent être corrigées à partir des expériences réelles. Elles doivent être presque entièrement déduites des expériences lorsque les diodes 10 et Il sont insérées comme représenté dans la figure 3. Jusqu'à présent on a décrit une configuration en demi- pont de l'inverseur représenté dans la figure 3, mais celle-ci peut également être réalisée sous une forme de pont complet. La figure 6 représente un exemple d'un type de pont complet qui est particulièrement utile pour l'allumage de lampes de tension et de puissance élevée avec des tensions de ligne relativement faibles. Les principes de fonctionnement des inverseurs en pont complet sont fondamentalement les mêmes que ceux en demi-pont à l'exception de quelques différences de configuration. Dans l'inver- seur en pont complet on enroule quatre secondaires isolés avec un nombre identique de spires sur un même transformateur de courant et on les relie aux bases de transistors ayant des polarités pour entraîner une paire de transistors 1 et 15, ou 2 et 14 simul- tanément comme représenté à la figure 6. En conclusion on peut résumer comme suit les caractéris- tiques distinctives de la présente invention: A) Efficacité très bonne de l'inverseur du fait que la 2477358 commutation marche/arrét des transistors se produit à proximité du point de passage à zéro du courant de collecteur du fait du rôle du transformateur de courant, d'o résulte un fonctionnement fiable et doux à chaque transition même lorsque les caractéristiques de commutation des transistors ne sont pas bonnes. B) On peut utiliser des transistors de tension relativement faible du fait qu'il n'y a pas de problèmes de tension de pointe aux collecteurs des transistors et que la tension maximale entre le collecteur et l'émetteur du transistor à l'arrêt est égale à la valeur maximale de la tension de source. C) On peut utiliser des bobines d'induction de petites dimensions et avec un faible coût en ferrite, ce qui rend possible une réalisation à faible coût, et les pertes de transformation qui sont inhérentes aux procédés conventionnels sont éliminées. D) On obtient un allumage instantané à la commutation de mise en marche. E) Il est possible d'allumer les lampes mêmes avec une tension très basse et un fonctionnement fiable de l'inverseur est obtenu indépendamment d'une large variation de tension (plus ou moins 30%). P) On obtient un ballast de faible dimension et de faible poids. G) Le facteur de puissance peut être considérablement amélioré et ainsi la perte de puissance réactive peut être minimisée. REVENDICATIONS 1). Circuit inverseur à haute fréquence en demi- pont, caractérisé par le fait qu'il comprend essentiellement deux transistors (1 et 2) et un circuit résonnant série, lesdits transis- tors étant reliés en série aux bornes (a et c) d'une source de courant continu et reliés avec le circuit résonnant au point de connexion série bobine d'induction (4) du circuit résonnant série. 2). Circuit inverseur selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'on utilise la tension élevée induite dans le condensateur ou la bobine d'induction (4) pour allumer la ou les lampes à décharge (7), c'est-à-dire fluorescentes, par une com- mutation alternative des transistors en synchronisme avec la fréquence naturelle du circuit résonnant série. 3). Circuit inverseur selon l'une quelconque des renven- dications précédentes, caractérisé par le fait que la puissance de lampe et la fréquence de fonctionnement sont commandées par varia- tion des valeurs de capacitance et d'inductance du circuit ré- sonnant série. 4). Circuit inverseur selon l'une quelconque des reven- dications précédentes caractérisé par le fait qu'il comprend plu- sieurs circuits résonnants pour allumer plusieurs lampes en paral- lèle en utilisant un seul inverseur. ). Circuit inverseur selon l'une quelconque des reven- dications précédentes pour l'allumage d'une ou de plusieurs lampes à décharge en série ou en parallèle par rapport à lui, caractérisé par le fait que les filaments de la ou des lampes à décharge sont chauffés pendant le fonctionnement desdits circuits inverseurs. 6). Circuit inverseur à configuration de pont complet caractérisé par le fait qu'il-est constitué de quatre transistors (1, 2, 14 et 15) et de un ou plusieurs circuits résonnants, ledit circuit fonctionnant de la même manière que le circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes.