Brevet FR2494538A1 — publié le 19820521

I'invention concerne une alimentation de puissance pour lampes à décharge à forte intensité, et plus particulièrement pour lampes à décharge du type à vapeurs d'halogènes métalliques. 5. L'un des problèmes rencontrés dans les alimentations de puissance pour lampes à décharge à forte intensité est qu'il faut amorcer la décharge dans la lampe aussi bien quand cette lampe est froide et présente une chute de tension extrêmement faible, que quand elle est chaude après une coupure momentanée, les gaz chauds contenus dans la lampe étant dans ce cas à haute pression de sorte que la lampe présente alors une tension d'amorçage très élevée. Quand la lampe est chaude,il faut développer des impulsions, dites de redéclenchement, d'amplitude extrêmement élevée, qu'on produit généralement au moyen d'une pai- re de transformateurs dtimpulsions branchés en série de part et d'autre de la lampe pour vaincre la résistance interne très élevée de cette lampe et y déclencher la décharge. Des disposi- tifs utilisant de tels transformateurs d'impulsions sont décrits dans la demande de brevet U.S.A. Lindan en cours déposée le 7 juillet 1980 sous le nO 166.159, et dans les appareils selon l'art antérieur mentionné ci-dessus. Quand la lampe est froide, il est relativement facile de déclencher un arc dans cette lampe, mais comme celle-ci présente une chute de tension très faible lorsqu' elle est froide, il faut utiliser des moyens appropriés pour limiter le courant maximal absorbé par la lampe au début du déclenchement d'une doécharge. Classiquement, le courant est limité par une impédance de ballast se présentant généralement sous la forme d'une inductance ou d'une capacité se montant en série avec le transformateur de puissance pour limiter à une valeur relativement faible le courant. Si le courant est limité à la valeur de fonctionnement normal de la lame, le temps, dit de chauffage nécessaire pour que la lampe atteigne sa pleine puissance d'émission lumineuse peut être de 90 secpndes à plusieurs minutes. On a proposé différents dispositifs pour diminuer le temps de chauffage nécessaire à la lampe pour atteindre sa pleine puissance d'émission lumineuse après déclen- chement d'une décharge dans une lampe froide. Le brevet USA Michalski n0 3.555.352 décrit une disposition mettant en oeuvre un auto-transformateur saturable et un condensateur série fonctionnant à la résonance ou au voisinage de la résonance pendant la période de chauffage, de manière à augmenter le courant dans la lampe et réduire la période de chauffage à environ 45 secondes. Le brevet USA Helmuth nO 309440876 propose de réduire la période de chauffage en utilisant un auto-transformateur séparé monté sélectivement dans le circuit au moyen d'un triac commandé par un générateur d'impulsions, ce circuit se'rvant à diminuer la tension et l'impédance de ballast effective disponible à la lampe pendant la période de chauffage. Ces deux dispositifs selon l'art anté- rieur nécessient des éléments de circuit séparés très chers, pour réaliser les deux fonctions de démarrage de la lampe aussi bien à chaud qu'à froid, et d'augmentation du courant circulant initialement dans la lampe lorsqu'elle est froide, de manière à diminuer le temps de chauffage nécessaire pour atteindre la pleine puissance d'émission lumineuse. L'invention a pour but de pallier les inconvénients ci-dessus de l'art antérieur en créant une ali- mentation de puissance nouvelle et perfectionnée pour lampe à décharge à forte intensité, qui utilise un dispositif de circuit simplifié pour assurer à la fois la réduction du temps de chauffage de la lampe et la production d'impulsions de redéclen- chement, d'amplitude relativement élevée, pour redémarrer la lampe lorsqu'elle est encore chaude après avoir été coupée momentanément. L'invention a également pour but de créer une alimentation de puissance pour lampe à décharge à forte intensité, dans laquelle les éléments de ballast classiques sont supprimés et dans laquelle les transformateurs d'impulsions utilisés pour produire les impulsions de déclenchement néces- saires au démarrage d'une décharge--dans la lampe, sont utilisés en soi comme seuls éléments de limitation du courant dans l'alimentation de puissance. A cet effet l'invention concerne une alimentation de puissance pour une lampe à décharge à forte intensité à partir d'une source de courant alternatif, compre- nant un transformateur d'alimentation excité par la source de courant alternatif et muni d'un enroulement de sortie, une lampe à décharge à forte intensité à cathode froide, une paire de transformateurs d'impulsions de déclenchement de lampe comportant chacun un enroulement primaire et un enroulement secondaire, et des moyens permettant d'appliquer les impulsions de courant de déclenchement de lampe à ces enroulements primaires, le rapport du nombre de spires entre les enroulements primaires et secondaires des transformateurs d'impulsions étant calculé de manière à produire, aux bornes des enroulements secondaires des impulsions de déclenchement de lampe dont l'amplitude soit suffisante pour déclencher une décharge dans la lampe lorsque celle- ci est froide, alimentation caractérisée en ce qu'elle utilise des moyens permettant de brancher la lampe et les enroulements secondaires des transformateurs d'impulsions, directement en série aux bornes de l'enroulement de sortie du transformateur, ces enroulements secondaires restant non saturés lorsqu'une décharge est déclenchée dans la lampefroide. En résumé, dans le dispositif selon l'invention, les éléments de ballast classiques montés en série sont supprimés, et les transformateurs d'impulsions branchés en série de part et d'autre de la lampe servent égale- ment, à eux seuls, d'éléments de limitation de courant de l'alimentation, aussi bien pendant la période initiale de chauffage que pendant l'application de la pleine valeur du courant de fonctionnement dans la lampe qui fournit alors sa pleine puissance d'émission lumineuse. Comme l'effet de ballast des transfor- mateurs d1impulsions est relativement faible, il faut utiliser, dans le dispositif selon l'invention, une lampe pouvant suppor- ter un courant plus élevé que le courant de fonctionnement normal. Ces transformateurs d'impulsions permettent alors le passage de valeurs de courant extrêmement élevées dans la lampe pendant la période de chauffage initiale, de sorte que le temps nécessaire pour que la lampe atteigne sa pleine puissance d'émission lumineuse se trouve considérablement réduit et passe de 45 secondes à 15 à 20 secondes. Dtautres caractéristiques et avantages de l'invention, aussi bien en ce qui concerne son organisation que son mode de fonctionnement, seront mieux compris en se 4 2494538 référait à la descriptior détaillée qui suit -et qui se réfère aux dessins ci-jjoints dans lesquels s la figure 1 est un schéma de principe du dispositif d'alimentaton de puissance selon l'invention, -.la figure 2 représente une variante de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue de c8té, en élévation, du transformateur d'impulsions utilisé dans la forme de réalisation de la figure 1, et - la figure 4 est une vue de l'extré- mité gauche du transformateur de la figure 3. En se référant maintenant aux dessins, un auto-transformateur 10 est utilisé pour transformer la tension du secteur alternatif de manière à obtenir la tension de fonctionnement voulue aux bornes de sortie 12, 14 de ce transformateur 10. Une lampe à vapeur d'halogènes métal- liques, repérée d'une façon générale par la référence 16, est branchée directement aux bornes 12, 14 du transformateur 10, par les enroulements secondaires respectifs 18 et 20 d'une paire de transformateurs d'impulsions 22, 24. Selon une caractéristique importante de l'invention, les enroulements secondaires 18, 20 sont reliés directement à l'auto-transformateur 10 par les conducteurs 26, 28, et ces enroulements secondaires 18, 20 servat, en soi, de seuls éléments de ballast limitant le courant de l'alimentation de puissance, Les transformateurs d'impulsions 22, 24 comportent des enroulements primaires respectifs 30, 32 auxquels on - applique des impulsions de courant relativement élevées provenant d'un circuit 34 générateur d'impulsions de déclenchement de la lampe. Pour obtenir des impulsions de commande du circuit de déclenchement de lampe 34, de façon que ce circuit puisse fonctionner en synchronisme avec la source de courant alternatif, on branche un détecteur de passage par zéro 36 aux bornes de sortie 12, 14 de l'auto-transformateur 10, ce détec- teur 36 fournissant une impulsion de sortie à chaque passage par zéro de la tension alternative iaue de l'auto-transformateur 10. Ces impulsions sont déphasées d'environ 75 degrés par un circuit de retard 38, de façon que les impulsions de déclenche- ment de lampe fournies par le circuit 34, apparaissent en un point de l'onde alternative pour lequel la tension alternative appliquée à la lampe 16 est voisine de sa valeur maximum. Les impulsions de passage par zéro, ainsi déphasées, sont appliquées à un circuit de commande 40 fournissant des impulsions de sortie convenables pour commander le circuit 34 d'impulsions de déclen- chement de lampe. Une horloge à deux secondes 39 commandée par application de puissance à l'alimentation, est utilisée pour commander le circuit de retard 38, de façon que le circuit d'impulsions de déclenchement de lampe 34 ne fournisse des impulsions de courant de déclenchement de lampe aux enroulements primaires 30, 32 que pendant une brève période de deux secondes après mise en marche de la puissance, le circuit de retard 38 étant ensuite coupé et aucune nouvelle impulsion de déclenchement de lampe n'étant plus produite,car on suppose en effet, comme cela est également décrit en daétail dans le brevet Lindan, qu'une durée de deux secondes est un temps largement suffisant pour déclencher une décharge dans la lampe 16 quelle que soit sa température. De préférence, le circuit d'impulsions de déclenchement de lampe 34 est du type représenté et décrit en détail dans la demande de brevet Lindan n0 166 159 mentionnée ci-dessus. Dans un circuit d'impulsions de déclenchement de lampe de ce type, la tension alternative développée aux bornes du transformateur 10 est redressée par le redresseur 42 et filtrée par le circuit constitué par le condensateur de filtrage 44, la tension continue apparaissant aux bornes du condensateur 44 étant ensuite utilisée pour charger une paire de condensateurs de déclenchement de lampe contenus dans le circuit 34, comme décrit en détail dans cette demande de brevet Lindan en cours. Un condensateur de dérivation 48 est branché entre les extrémités des enroulements secondaires 18, de manière à empêcher les impulsions de déclenchement de lampe développées aux bornes de ces enroulements, de perturber l'auto-transformateur 10. De plus, un condensateur de correc- tion de facteur de puissance 50 de relativement grande valeur est branché aux bornes de l'auto-transformateur 10. D'autre part un dispositif de protec- tion 52 à jonction métal-oxyde est branché en sécurité aux 6 2494538 bornes des condensateurs 48 et 50, de manière à empocher les impulsions haute tension d'apparaître aux bornes 12 et 14, ce dispositif limitant à 420 volts la tension maximum à ces bornes. Les figures 3 et 4 représentent une forme de réalisation d'un transformateur d'impulsions ayant donné des résultats satisfaisants pour remplir les deux fonctions de l'invention, c'est-à-dire celle consistant à développer des impulsions de grande amplitude pour déclencher l'allumage de la lampe, et celle consistant en même temps à réaliser un élément de ballast limitant le courant maximum circulant dans la lampe lorsqu'une décharge est déclenchée dans une lampe froide. En se référant à ces figures 3 et 4, l'enroulement secondaire, tel que l'enroulement 18, du trans- formateur d'impulsions 22, est enroulé sur un noyau carré 60, cet enroulement 18 comportant environ 300 tours de fil AWG NO 10 à section carrée, avec une isolation convenable entre les spires, le conducteur de départ 62 de l'enroulement 18 partant d'un côté du transformateur adjacent au noyau, et le conducteur d'arrivée 64 de cet enroulement se situant du même c8té du transformateur, sur le pourtour de l'enroulement 18. Un revête- ment 66 du noyau carré 60, rev8tement réalisé en matériau isolant convenable, est placé autour de ce noyau 60 avant d'enrouler l'enroulement 18 sur celui-ci. L'enroulement primaire 30 est constitue d'environ trois spires de fil AWG NO 20 isolé, chaque spire comprenant en fait cinq conducteurs séparés constituant un enroulement à cinq fils autour de l'enroulement secondaire, ces spires étant espacées les unes des autres pour former les trois bandes de conducteurs 68, 70 et 72 réparties sur toute la longueur de l'enroulement secondaire 18, les conducteurs de départ et d'arrivée 74 et 76 patant du transformateur 22 du coté opposé à celui des conducteurs secondaires 62, 64. Le transformateur d'im- pulsions des figures 3 et 4 doit également présenter une isola- tion convenable de manière à pouvoir supporter 500 volts aux bornes de l'enroulement primaire 30, 35.000 volts aux bornes de l'enroulement secondaire 18, et 35.000 volts entre enroulements primaire et secondaire. Selon une autre caractéristique impor- tante de l'invention, la lampe 16 est conçue de manière à pou- voir supporter un courant de fonctionnement normal beaucoup plus 7 2494538 élevé que celui des lampes classiques donnant la même puissance d'émission lumineuse. Par exemple dans la gamme des 2 KW, une lampe classique fonctionne normalement avec un courant de 10 Ampères sous une tension de 200 volts, tandis qu'une lampe 16 de 2 KW selon l'invention fonctionne normalement avec un courant de 20 Ampères, soit le double du courant d'une lampe classique, mais sous une tension de 100 volts aux bornes de cette lampe. Dans la construction représentée et décrite sur les figures 3 et 4, les enroulements secondaires 18 et 20 des transformateurs d'impulsions 22 et 24 présentent chacun une inductance de 9 millhenrys, de façon que ces deux enroulements secondaires représentent collectivement une impé- dance série d'environ 7 ohms montée en série avec la lampe 16 lorsqu'on utilise une source de courant à 60 Hz. Par suite, lorsqu'un courant de fonctionnement normal de 20 Ampères passe dans la lampe 16, on obtient une chute de tension d'environ volts aux bornes des deux enroulements secondaires 18, 20, de sorte que la tension de sortie développée aux bornes 12, 14 par l'auto-transformateur 10 peut atteindre 210 volts tout en conservant la chute de tension nominale de 100 volts aux bornes de la lampe 16. Une tension d'alimentation alternative de 210 volts est suffisante pour empêcher la lampe de se couper, même si cette lampe est alimentée directement par la tension alternative développée aux bornes 12, 14. Dans une telle alimen- tation de 2 KW, le condensateur 48 peut avoir une valeur de 2 JU F, le condensateur 50 une valeur de 180 fi F, et le dispositif 52 une tension de claquage de protection de 420 volts. De plus, le transformateur d'impulsions représenté sur les figures 3 et 4 permet de développer des impulsions de déclenchement de lampe d'environ 17.500 volts aux bornes de chacun des enroulements 18 et 20, de manière à obtenir des impulsions de déclenchement de lampe présentant une amplitude totale d'environ 35.000 volts, ce qui est suffisant pour redéclencher pratiquement instanta- nément une lampe 16 de 2 KW, même si cette lampe est encore chaude après avoir été coupée momentanément. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on peut également utiliser la même construction de transformateur d'impulsions avec d'autres éléments d'alimen- tation de puissance, pour obtenir une alimentation de puissance 8 2494538 convenable, lorsqu'on choisit une lampe 16 de 5 KW de puissance de sortie. Il suffit alors, dans ce cas, d'utiliser un auto- transformateur 10 différent développant environ 310 volts à ses bornes de sortie 12, 149 Avec une telle alimentation de 5 KW, on choisit la lampe 16 de façon qu'elle fonctionne avec un courant nominal de 25 Ampères et une chute dé tension a ses bornes de 200 volts. Ainsi, dans les conditions de fonctionnement normal d'une lampe de 5 KW, une chute de tension d'environ 110 volts est développée aux bornes des enroulements secondaires 18, 20 et une chute de tension de 200 volts est développée aux bornes de la lampe 16 de 5 KW. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le courant de démarrage maximum de la lampe 16 est limité par l'impédance présentée par les enroulements secondaires 18, 20, de sorte qu'on ne dépasse pas les possibilités maximum d'absorption de courant de la lampe 16. Cependant, comme les enroulements secondaires 18, 20 présentent une impédance relativement faible, le courant de démarrage maximum est beaucoup plus important que dans les tubes classiques, de sorte que la densité d'énergie du plasma, proportionnelle au carré du courant augmente considérablement par rapport au cas de fonctionnement d'une lampe classique. Par suite, le temps de chauffage nécessaire pour atteindre la pleine puissance d'émission lumineuse de la lampe 16 est fortement réduit dans le cas de l'invention, par rapport au cas des dispositifs selon l'art antérieur. Plus précisément, dans le cas d'une alimentation de puissance de 2 KW o l'on utilise une tension d'alimentation de 210 volts aux bornes 12, 14, une chute de tension d'environ 20 volts est développée aux bornes de la lampe 16 quand on déclenche initiale- ment un arc dans cette lampe froide, et les enroulements secon- daires 18, 20 qui présentent une impédance combinée de 7 ohms environ, servent à limiter à 30 Ampères environ le courant de démarrage maximum. Quand on utilise une lampe de 5 KW et une tension d'alimentation de 310 volts aux bornes 12, 14, une chute de tension d'environ 40 volts est obtenue aux bornes de cette lampe lorsqulun arc est déclenché initialement dans une lampe froide, et les enroulements secondaires 18, 20 servent à limiter à 40 Ampères environ le courant de démarrage maximum. Ainsi, dans la disposition selon l'invention, un temps de 9 2494538 chauffage de l'ordre de 10 à 12 secondes est obtenu pour une lampe de 5 KW, et un temps de chauffage de l'ordre de 12 à 15 secondes est obtenu pour une lampe de 2 KW, ces temps de chauf- fage étant nettement plus courts que ceux obtenus avec les dispositifs d'alimentation de lampe classiques. De plus, dans les deux types d'alimentation à 2 KW et 5 KW selon l'invention, le courant de démarrage maximum est inférieur au double du courant de fonctionnement normal de la lampe, tandis que dans le cas des alimentations de lampes selon l'art antérieur, le courant de démarrage est environ le triple du courant de fonctionnement normal de la lampe, avec en outre des périodes de chauffage atteignant couramment 45 secondes ou plus. Le dispositif d'alimentation de lampe de la figure 1 n'assure pas de régulation contre les variations du secteur alternatif alimentant l'auto-transformateur 10. Cependant quand on utilise la lampe 16 pour des applications d'art graphique dans lesquelles la puissance d'émission lumi- neuse de la lampe 16 doit être contr8lée avec précision pour des temps d'exposition voulus, on peut utiliser un dispositif d'intégration de lumière tel que celui décrit dans la demande de brevet Waiwood n0 138.923 déposée le 10 Avril 1l80 par le mandataire de la présente invention, pour effectuer la compensa- tion nécessaire des variations de tension du secteur risquant de modifier la puissance d'émission lumineuse de la lampe 16. Dans une variante de réalisation, on peut utiliser un dispositif de régulation de tension dans lequel on remplace l'auto-transformateur 10 par un transformateur ferro- résonnant pour obtenir la régulation du secteur. Plus précisément, comme indiqué sur la figure 2, le secteur alternatif peut être appliqué à un transformateur ferrorésonnant repéré d'une façon générale par la référence 80 et utilisant un enroulement primaire 82 branché au secteur alternatif. L'enroulement secondaire 84 du transformateur ferrorésonnant 80 résonne avec le condensateur 86 de manière à fournir une tension alternative régulée d'ampli- tude voulue aux bornes 12, 14, étant bien entendu que le dispo- sitif de circuit de la figure 2 est substitué à l'auto-transfor- mateur 10 de la figure 1 dans cette dernière forme de régulation de tension selon l'invention. De nombreuses modifications et variantes peuvent bien entendu être apportées aux formes de réalisation décrites ci-dessus, sans sortir du cadre de l'invention, comme cela apparaîtra à l'évidence aux spécialistes de la question. 2494538 REVEENTDICAlIONS 1.- Alimentation de puissance pour une lampe à décharge à forte intensité à partir d'une source de courant alternatif- comprenant un transformateur d'alimentation (10) excité par la source de courant alternatif et muni d'un enroulement de sortie, une lampe à décharge à forte intensité à cathode froide (16), une paire de transformateurs d'impulsions de déclenchement de lampe (22, 24) comportant chacun un enroule- ment primaire et un enroulement secondaire, et des moyens (34) permettant d'appliquer les impulsions de courant de déclenchement de lampe à ces enroulements primaires, le rapport du nombre de spires entre les enroulements primaires et secondaires des trans- formateurs d'impulsions étant calculé de manière à produire, aux bornes des enroulements secondaires,des impulsions de déclenchement de lampe dont l'amplitude soit suffisante pour déclencher une décharge dans la lampe lorsque celle-ci est froide, alimentation caractérisée en ce qu'elle utilise des moyens (26, 28) permettant de brancher la lampe et les enroule- ments secondaires (18, 20) des transformateurs d'impulsions, directement en série aux bornes de ltenroulement de sortie du transformateur (10),9 ces enroulements secondaires (18, 20) res- tant non saturés lorsqu'une décharge est déclenchée dans la lampe froide, de façon que ces enroulements secondaires limi- tent à une valeur maximale possible le courant traversant la lampe pendant le chauffage de celle-ci. 2.- Alimentation de puissance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la lampe (16) utilise un courant de fonctionnement normal représentant approximative- ment la moitié de la valeur maximale admissible de chauffage. 3.- Alimentation de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la lampe (16) consomme, lorsqu'elle est chaude, un courant de fonctionnement d'ernviron 25 Ampères sous une tension de volts. 40- Alimentation de puissance selon l'une des rev--endicatiàns 1 et 2, caractérisée en ce que la lampe (16) consomme, lorsqu'elle est chaude, un courant de fonctionnement d'environ 20 Ampères sous une tension de volts. 11 2494538 5.- Alimentation de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les enroulements secondaires (189 20) présentent collecti- vement une inductance d'environ 18 milliheurys. 6.- Alimentation de puissance selon l'une quelconque des evendications 1 à 5, caractérisée en ce que bs transformateurs d'impulsions (22, 24) présentent chacun un rapport de nombre de spires d'environ 100 à 1 entre enroule- ments secondaires et primaires. 7.- Alimentation de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les transformateurs d'impulsions (22, 24) développent chacun aux bornes de leur enroulement secondaire des impulsions de déclenchement de lampe d'environ 25.000 volts d'amplitude, de façon que la lampe puisse être redéclenchée pratiquement instan- tanément même lorsqu'elle est chaude. 8.- Alimentation de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le transformateur d'alimentation (10) est un auto-transfor- mateur, et son enroulement de sortie ne se sature pas lorsque la valeur de courant maximale admissible est absorbée par la lampe (16). 9.- Alimentation de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le transformateur d'timentation est un transformateur ferrorésonnant (80) fournissant une tension sensiblement constante aux bornes de son enroulement de sortie, malgré les variations de la source de courant alternatif. 10.- Alimentation de puisance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la lampe (16) est une lampe à décharge à forte intensité à vapeur d'halogène métallique fonctionnant à relativement basse pression de façon que la quantité de métal à vaporiser dans la lampe pendant son chauffage soit relativement faible.