Brevet FR2487140A1 — publié le 19820122

-1- CONVERTISSEUR DE FREQUENCE POUR ALIMENTER UNE LAMPE A DECHARGE DEPOURVUE D'ELECTRODES L'invention concerne un convertisseur de fréquence destiné à alimenter, à une fréquence d'au moins 0,5 méga- hertz, une lampe à décharge dépourvue d'électrodes, ledit convertisseur étant muni de deux bornes d'entrée devant être branchées sur une source de tension continue et entre lesquelles sont disposés, d'une part un premier montage en série constitué par un composant semiconducteur muni d'une électrode de commande et une première bobine, et d'autre part un second montage parallèle constitué par au moins une première branche comportant une seconde bobine et par une seconde branche comportant au moins un condensateur, la seconde bobine étant couplée à un trajet de décharge de la lampe dans les conditions de régime de fonctionnement de celle-ci. L'invention concerne également un dispositif électri- que muni d'un tel convertisseur de fréquence. L'invention concerne, en outre, une unité d'éclairage munie d'un tel dispositif électrique ainsi que d'une lampe à décharge dé- pourvue d'électrodes et alimentée par l'intermédiaire du convertisseur de fréquence dudit dispositif. Pour l'alimentation d'une lampe à décharge dépourvue d'électrodes, le fait d'opérer à une fréquence au moins égale à 0,5 mégahertz présente l'avantage d'un rendement de couplage élevé de la deuxième bobine vers le trajet de décharge. Un convertisseur de fréquence connu du genre mention- né dans le préambule est décrit, par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 500 118. L -Y 871.40 -2- Un inconvénient dont est affecté ledit convertisseur de fréquence connu est que son rendement global est relati- vement bas. Ceci est dû, entre autres, au fait que le com- posant semiconducteur est commandé par un circuit compor- tant une résistance. Le but de l'invention est de réaliser un convertis- seur de fréquence qui, tout en appartenant au genre mention- né dans le préambule, présente un rendement global élevé. Conformément à l'invention, un convertisseur de fré- quence destiné à alimenter, à une fréquence d'au moins 0,5 mégahertz, une lampe à décharge dépourvue d'électrodes, ledit convertisseur étant muni de deux bornes d'entrée devant être branchées sur une source de tension continue et entre lesquelles sont disposées, d'une part un premier mon- tage en série constitué par un composant semiconducteur muni d'une électrode de commande et une première bobine, et d'au- tre part un second montage parallèle constitué par au moins une première branche comportant une seconde bobine et par une seconde branche comportant au moins un condensateur, la seconde bobine est couplée à un trajet de décharge de la lampe, est remarquable en ce que l'électrode de commande et une électrode principale du composant semiconducteur comman- dé sont connectées aux extrémités d'un enroulement secondai- re d'un transformateur, tandis qu'un enroulement primaire de ce transformateur fait partie de la combinaison parallèle précitée, et qu'un enroulement dudit transformateur est shunté par un élément à effet de claquage, la valeur du rap- port de transformation du transformateur étant telle qu'en régime de fonctionnement, la tension entre les extrémités de l'élément à effet de claquage atteigne la valeur de claquage, tandis que ledit composant semiconducteur commandé est un transistor de puissance à effet de champ réalisé selon la technique MOS ("Power MOS-FET"). Un avantage du convertisseur de fréquence spécifié ci-dessus est que son rendement est relativement élevé. Ceci Z487140 -3 - est dû au fait que la commande du composant semiconducteur n'entraîne pratiquement pas de pertes. De plus, de par la présence de l'élément à effet de claquage, le signal de commande est de forme rectangulaire, ce qui favorise la réduction des pertes électriques dans le composant semicon- ducteur lui-même. De plus, l'emploi du type indiqué de com- posant semiconducteur commandé accroît encore davantage le rendement. L'invention repose, entre autres, sur l'idée que du fait de commander de façon plus adéquate le composant semi- conducteur du convertisseur de fréquence, on obtient un rendement de conversion plus élevé, ce qui accroît le ren- dement global de la combinaison formée par le convertisseur de fréquence et la lampe à décharge dépourvue d'électrodes alimentée par celui-ci. Ledit rendement est exprimé, par exemple, en lumens par watt (= efficacité lumineuse). En raison de la fréquence de travail élevée égale au moins à 0,5 mégahertz, l'encombrement du transformateur à utiliser peut être réduit. Suivant un mode de réalisation préférentiel d'un convertisseur de fréquence conformé à l'invention, le compo- sant semiconducteur commandé est un composant V MOS. Par composant "V MOS", on entend ici un transistor de puissance à effet de champ réalisé selon la technique MOS et dans lequel une des électrodes principales (la source) se trouve d'un côté du cristal du composant semiconducteur tan- dis que l'autre électrode principale (le drain) se trouve de l'autre côté de ce cristal ("vertical Power MOS-FET"). Ce mode de réalisation préférentiel présente l'avan- tage d'un rendement très élevé, et cela notamment du fait que, dans ce cas, les pertes dans le composant semiconduc- teur sont très faibles. Un autre avantage dudit mode de réa- lisation préférentiel est que la fréquence de travail peut être élevée, par exemple égale à -2 mégahertz ou davantage. Ceci permet d'accroître le couplage de la deuxième bobine -4- avec la lampe à décharge dépourvue d'électrodes. Il en ré- sulte un rendement global du système encore meilleur. A remarquer qu'en soi, un convertisseur de fréquence muni d'un composant V MOS et équipé de deux bornes d'entrée à brancher sur une source de tension continue, ledit compo- sant V MOS étant en série avec une combinaison parallèle comportant une lampe à fluorescence, est connu de la publi- cation "V MOS Application Ideas", éditée par la Société I.T.T. en août 1979, pages 7 et 8. Toutefois, dans ladite publication, il ne s'agit pas de l'alimentation d'une lampe dépourvue d'électrodes. Un convertisseur de fréquence conforme à l'invention est réalisé, par exemple sous forme de convertisseur équipé d'un seul composant semiconducteur. Suivant un mode de réalisation préférentiel d'un convertisseur de fréquence conforme à l'invention, la pre- mière bobine ainsi que la combinaison parallèle font partie de la diagonale d'un montage en pont à quatre branches dans -lequel la première branche comporte un premier condensateur auxiliaire, la deuxième branche comporte un deuxième conden- sateur auxiliaire, la troisième branche comporte le compo- sant V MOS, tandis que la quatrième branche est munie d'un deuxième composant V MOS alors qu'entre les bornes d'entrée, ledit premier montage en série comporte également le premier condensateur auxiliaire et que lés première et deuxième branches du montage en pont sont en série de même que les troisième et quatrième branches du montage en pont, le mon- tage en série que forment lesdites première et deuxième branches shuntant le montage en série que forment lesdites troisième et quatrième branches. Un avantage de ce mode de réalisation préférentiel est que la tension entre les électrodes principales d'un composant semiconducteur commandé est au maximum égale à la tension continue d'alimentation du convertisseur de fréquen- ce. C'est pourquoi les deux composants semiconducteurs en question n'ont pas besoin de résister à des tensions beau- coup plus élevées. Par ses bornes d'entrée, le convertisseur de fréquen- ce est branché par exemple sur une pile. L'invention concerne, en outre, un dispositif élec- trique muni d'un convertisseur de fréquence conforme à l'in- vention et équipé d'un redresseur auxiliaire double alter- nance muni de deux bornes d'entrée et de deux bornes de sor- tie, lesdites bornes d'entrée devant être branchées sur une source de tension alternative dont la fréquence est infé- rieure à 500 Hertz, tandis que les deux bornes de sortie sont raccordées aux deux bornes d'entrée du convertisseur. Un avantage de ce dispositif électrique est qu'il peut être branché sur un réseau de tension alternative basse fréquence à 50 ou 60 Hertz, ou encore sur un réseau d'ali- mentation de fréquence 400 Hertz utilisé, par exemple, sur des navires. Enfin, l'invention concerne également une unité d'é- clairage combinant un tel dispositif électrique comportant un convertisseur de fréquence conforme à l'invention et une lampe à décharge dépourvue d'électrodes, la seconde bobine du convertisseur de fréquence dudit dispositif électrique étant couplée à un trajet de décharge de ladite lampe à décharge. Un avantage de cette unité d'éclairage, outre son rendement élevé, est qu'elle peut être branchée directement sur le réseau pour se substituer par exemple à une lampe à incandescence. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien compren- dre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre le circuit électrique d'un conver- tisseur de fréquence conforme à l'invention, et d'un redres- seur auxiliaire double alternance. -6- La figure 2 est une coupe longitudinale d'une unité d'éclairage munie d'une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression et dépourvue d'électrodes, ainsi que d'un circuit électrique selon la figure 1 et devant alimenter ladite lampe à décharge. Sur la figure 1, les références 1 et 2 indiquent des bornes d'entrée devant être branchées sur une source de tension alternative d'environ 220 volts, 50 Hertz et entre lesquelles est branché un réseau de déparasitage 3. Lesdites bornes 1 et 2 constituent les bornes d'en- trée d'un redresseur auxiliaire double alternance compor- tant un pont redresseur 4, muni de quatre diodes. Une borne de sortie 5 dudit redresseur auxiliaire constitue également la borne d'entrée d'un convertisseur de fréquence, tandis qu'une deuxième borne de sortie 6 du redresseur auxiliaire constitue en même temps une deuxième borne d'entrée dudit convertisseur. Les deux bornes d'entrée 5 et 6 du convertisseur de fréquence sont branchées sur un condensateur principal 7 qui, en régime de fonctionnement du circuit, constitue une source de tension continue pour le convertisseur de fréquence. Entre lesdites bornes d'entrée 5 et 6 du convertis- seur est disposé un montage en série comportant un premier condensateur auxiliaire 8, une combinaison parallèle d'une bobine 9 d'une part, et une liaison série d'un condensateur et d'un enroulement primaire 11 d'un transformateur de courant 12 d'autre part, une bobine 13, ainsi qu'un compo- sant semiconducteur 14 muni d'une électrode de commande et réalisé selon la technique V MOS. Les bobines 13 et 9 sont respectivement appelées première bobine" et "seconde bobine". La seconde bobine 9 est couplée à un trajet de décharge d'une lampe 15 dépourvue d'électrodes et indiquée schématiquement sur la figure 1. Pour plus de détails au sujet de cette bobine 9 et de la lampe 15, on est prié de se â4&7*4O -7 - reporter à la figure 2. Le convertisseur de fréquence comporte également un deuxième condensateur auxiliaire 16 qui est en série avec le premier condensateur auxiliaire 8 et est, en outre, rac- cordé à la borne 6. Un second composant V MOS 17 disposé en série avec le premier composant 14, et similaire à celui-ci, est en outre raccordé à la borne 5. Dans ce circuit, l'ensemble des composants 9, 10, 11 et 13 constitue la diagonale d'un montage en pont dans lequel le composant 8 est disposé dans une première branche, le composant 16 dans une deuxième branche, le composant 17 dans une troisième branche et le composant 14 dans une qua- trième branche de ce montage en pont. Les première et deu- xième branches sont en série, ce qui est également le cas des troisième et quatrième branches. De plus, le montage en série des composants 8, 16 est shunté par le montage en série des composants 17, 14. Le transformateur 12 est muni de deux enroulements secondaires 18, 19. L'enroulement secondaire 18 fait partie d'un circuit de commande du composant V MOS 17 et est dispo- sé entre une électrode de commande et une électrode princi- pale de ce dernier. Entre les extrémités de l'enroulement secondaire 18, est disposé un élément à effet de claquage constitué par le montage en série de deux diodes Zener 20 et 21 montées tête-bêche. L'enroulement secondaire 19 appartient à un circuit de commande du composant V MOS 14 et est dispo- sé entre une électrode de commande et une électrode princi- pale de ce dernier. Entre les extrémités de l'enroulement secondaire 19, est disposé un élément à effet de claquage, constitué par le montage en série de deux diodes Zener 22 et 23, montées tête-bêche. De plus, le circuit de commande du composant V MOS 14 comporte une branche de démarrage qui, entre autres, compor- te un montage en série d'une résistance 24 et d'un condensa- -8 - teur 25, montage en série qui est disposé entre les bornes d'entrée 5 et 6 du convertisseur de fréquence. Ladite bran- che de démarrage comporte, en outre, un élément à conduc- tion bilatérale à effet de claquage (diac) 26 raccordé, d'une part à un point commun à la résistance 24 et au con- densateur 25, et d'autre part à une électrode de commande du composant V MOS 14. Le circuit décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante: si les bornes 1 et 2 sont branchées sur la sour- ce de tension alternative, les condensateurs 7, 8 et 16 sont chargés par l'intermédiaire du pont redresseur 4. Dans le même temps, le condensateur 25 est chargé à travers la ré- sistance 24. Si la charge dans ledit condensateur 25 est devenue telle que soit atteint la tension de claquage du 15. composant 26, le composant V MOS 14 devient conducteur sous l'influence d'une impulsion de courant passant par ledit composant 26. Dans ce cas, un courant passe dans la branche comportant les composants 8, 9, 10, 11, 13, 14. Dans la branche parallèle 9, 10, 11 qui, initialement, n'est pas chargée, ledit courant donne lieu à une oscillation. A son tour, cette oscillation bloque le composant V MOS 14 par l'intermédiaire du transformateur 12, et rend conducteur le composant V MOS 17. Ceci provoque un courant passantentre autres, par le condensateur 16. Puis, le composant V MOS 17 se bloque, le composant V MOS 14 redevient conducteur, et ainsi de suite. Les courants qui, de ce fait, parcourent la seconde bobine 9 occasionnent une décharge dans la lampe 15, dépour- vue d'électrodes, qui émet alors de la lumière. Du fait de la présence des diodes Zener 20 à 23, les signaux de comman- de des composants V MOS 14 et 17 sont de forme rectangulaire. Le tableau ci-après donne les caractéristiques et valeurs des composants pour un exemple de réalisation prati- que. -9- TABLEAU Dans ce cas, la fréquence de travail est égale à environ 3 MHz. L'intensité efficace du courant incluant dans la bobine 13 est d'environ 0,25 Ampère, l'intensité corres- pondante du courant circulant dans la bobine 9 étant d'envi- ron 0,6 Ampère. Ce convertisseur opère en classe D. En l'ab- sence des diodes Zener 20 à 23, les tensions de commande des composants V MOS 14 et 17 deviendraient supérieures à 10 volts. Condensateur 7 environ 8 uFarad Condensateur 8 " 22 nFarad Condensateur 10 " 560 pFarad Condensateur 16 ' 22 nFarad Condensateur 25 " 2,7 nFarad Bobine 9 environ 5 /uHenry Bobine 13 " 30 /uHenry Résistance 24 environ 1 M Ohm Tension Zener de chacune " 5,6 volts des diodes Zener 20 à 23 Tension de claquage du environ 40 volts composant de circuit 26 Transformateur: enroulement primaire n 11il 2 spires enroulement secondaire n 18 15 spires enroulement secondaire n 19 15 spires -10-- La figure 2 représente une unité d'éclairage équipée du circuit selon la figure 1. Sur la figure 2, la référence 15 indique de nouveau la lampe à décharge dépourvue d'électrodes, dessinée ici en coupe longitudinale. La référence 9 représente la seconde bobine de la combinaison parallèle comportant les composants 9, 10, 11; voir également la figure 1. La lampe à décharge 15, dépourvue d'électrodes pré- sente une certaine ressemblance avec celle décrite dans la demande de brevet néerlandais non publiée n0 79 01 897 de la Demanderesse. La lampe à décharge 15, dépourvue d'électrodes de l'unité d'éclairage que montre la figure 2, comporte une ampoule en verre 41. La référence 42 indique un culot de cette unité. La paroi interne de l'ampoule est munie d'une couche luminescente 43 par laquelle le rayonnement ultra- violet engendré dans l'ampoule est converti en lumière visi- ble. L'ampoule comporte un canal tubulaire 44 en forme d'arc dans lequel un noyau semi-circulaire en ferrite 45 est fixé à l'aide d'un moyen de serrage (non représenté). A l'aide d'une culasse séparée en ferrite 46, ce noyau 45 est complé- té de façon à former un anneau fermé. La culasse 46 se trou- ve dans le culot 42. La ligne de séparation des deux parties en ferrite se trouve dans le plan 47a - 47b. Autour de la culasse 46 est bobinée la bobine 9 (voir également la figure 1). Il est également possible que la bobine 9 soit bobinée totalement ou partiellement autour du noyau 45; cette bobi- ne est alimentée en tension haute fréquence tel que décrit pour le circuit de la figure 1. Le rectangle 49 sur la figure 2 représente l'ensemble des composants de circuit 3 à 8, 10 à 14, 16 à 26 de la figure 1. Les références 1 et 2 indiquent les bornes de connexion qui, comme indiqué dans la description de la figure 1, doivent être branchées sur un réseau de tension d'alimen- tation d'environ 220 volts, 50 Hertz. Lesdites bornes 1 et 2 -11appartiennent à une douille filetée 51 du culot 42. Les fils qui connectent les bornes 1 et 2 avec le bloc 49 sont indiqués par la référence 52. - Suivant un exemple de réalisation de l'unité d'éclai- rage décrite ci-dessus, le diamètre de l'ampoule sphérique en verre est d'environ 80 mm. L'ampoule contient une certai- ne quantité de mercure (environ 20 mg) et d'argon sous une pression d'environ 190 Pascal. La paroi interne de l'ampoule est munie d'une couche luminescente formée par un mélange de trois substances luminophores, à savoir de l'aluminate dou- ble de baryum et de magnésium activé à l'aide d'europium bivalent et donnant une fluorescence bleue, de l'aluminate double de cérium et de magnésium activé à l'aide de terbium donnant une fluorescence verte, ainsi que de l'oxyde d'it- triun activé à l'aide d'europium trivalent et donnant une fluorescence rouge. La paroi externe du canal tubulaire est munie d'une couche réfléchissante 43a (en oxyde de titane). Cette couche n'est pas conductrice de l'électricité afin de ne pas perturber le couplage de la bobine 9 avec un trajet de décharge dans l'ampoule 41. Ladite couche est élaborée également sur la paroi de l'ampoule située du côté du culot. Le matériau magnétique du noyau annulaire est du ferrite dont la perméabilité relative est égale à environ 100. Au- tour de la culasse 46, est enroulée la bobine 9 réalisée en ruban de cuivre dont la largeur est d'environ 2 mm et l'é- paisseur environ 0,1 mm. Le nombre de spires de la bobine est égal à huit. L'oscillateur haute fréquence a, dans le cas de l'exemple de réalisation du circuit de la figure 1, une fréquence d'environ 3 MHz. Lorsque la puissance fournie à l'unité d'éclairage est d'environ 17 watt, le flux lumineux de la lampe est de 850 lumens; le rendement du convertisseur de fréquence atteint largement 80 %. Le rendement du système, c'est-à- dire l'efficacité lumineuse (lampe + alimentation) est d'en- viron 50 lumens par watt. -12- Le rendement élevé du convertisseur décrit ci-dessus est obtenu en raison de la faible valeur des pertes aussi bien dans le circuit de commande des composants semiconduc- teurs que dans les composants semiconducteurs eux-mêmes. L'unité d'éclairage décrite ci-dessus peut se substi- tuer par exemple à une lampe à incandescence. -13- - REVENDICATIONS - 1. Convertisseur de fréquence destiné à alimenter, à une fréquence d'au moins 0,5 mégahertz, une lampe à déchar- ge (15) dépourvue d'électrodes, ledit convertisseur étant muni de deux bornes d'entrée (5,6) devant être branchées sur une source de tension continue et entre lesquelles sont disposés, d'une part un premier montage en série (8, 9, 10, 11, 13, 14) constitué par un composant semiconducteur (14) muni d'une électrode de commande et une première bobine (13), et. d'autre part un second montage parallèle (9, 10, 11) constitué par au moins une première branche comportant une seconde bobine (9) et par une seconde branche comportant au moins un condensateur (10), la secondebobine (9) étant couplée à un trajet de décharge de la lampe (15), caractéri- sé en ce que l'électrode de commande et une électrode prin- cipale du composant semiconducteur commandé (14) sont con- nectées aux extrémités d'un enroulement secondaire (19) d'un transformateur, tandis qu'un enroulement primaire (11) de ce transformateur fait partie de la combinaison parallèle pré- citée, et qu'un enroulement dudit transformateur (19) est shunté par un élément à effet de claquage (22, 23), la va- leur du rapport de transformation du transformateur (11, 19) étant telle qu'en régime de fonctionnement, la tension entre les extrémités de l'élément à effet de claquage (22, 23) atteigne la valeur de claquage, tandis que ledit composant semiconducteur commandé (14) est un transistor de puissance à effet de champ réalisé selon la technique MOS. 2. Convertisseur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant semiconducteur comman- dé (14) est un composant V MOS. 3. Convertisseur de fréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première bobine (13) ainsi que la combinaison parallèle (9, 10, 11) font partie de la dia- -14- gonale d'un montage en pont à quatre branches dans lequel la première branche comporte un premier condensateur auxi- liaire (8), la deuxième branche comporte un deuxième con- densateur auxiliaire (16), la troisième branche comporte le composant V MOS (14), tandis que la quatrième branche est munie d'un deuxième composant V MOS (17), alors qu'entre les bornes d'entrée (5, 6), ledit premier montage en série comporte également le premier condensateur auxiliaire (8) et que les première et deuxième branches du montage en pont sont en série de même que les troisième et quatrième bran- ches du montage en pont, le montage en série que forment lesdites première et deuxième branches shuntant le montage en série que forment lesdites troisième et quatrième bran- ches. 4. Dispositif électrique, caractérisé en ce qu'il est muni d'un convertisseur de fréquence selon la revendication 1, 2 ou 3, ledit dispositif étant équipé d'un redresseur auxiliaire double alternance (4) muni de deux bornes d'en- trée (1, 2) et de deux bornes de sortie, lesdites bornes d'entrée devant être branchées sur une source de tension alternative dont la fréquence est inférieure à 500 Hertz, tandis que les deux bornes de sortie sont raccordées aux deux bornes d'entrée (5, 6) du convertisseur de fréquence. 5. Unité d'éclairage, caractérisée en ce qu'elle est munie d'un dispositif électrique selon la revendication 4 ainsi que d'une lampe à décharge (15) dépourvue d'électrodes, la seconde bobine (9) du convertisseur de fréquence dudit dispositif électrique étant couplée.à un trajet de décharge de ladite lampe (15).