Brevet FR2507852A1 — publié le 19821217

L'invention concerne les circuits d'amorçage et de commande de lampes fluorescentes à partir d'un courant alter- natif basse fréquence. Différents circuits ont été inventés pour amorcer et commander les lampes fluorescentes, et pour chauffer et pré- chauffer leurs cathodes Le brevet des Etats Unis d'Amérique no 4 185 323 décrit un circuit dans lequel on chauffe les cathodes des lampes fluorescentes par un transformateur, et le brevet des Etats Unis d'Amurique N O 4 207 497 décrit le circuit de commande de lampe haute fréquence dans lequel les cathodes sont chauffées par un transformateur ayant un enroulement primaire relié en série avec un condensateur à une source de courant alternatif, l'enroulement primaire et/ou l'inductance du ballast combiné avec le condensateur étant en résonance à ou près de la fréquence de la source de courant alterna- tif; on raccorde le transformateur de manière à fournir des tensions de cathode constantes pendant le fonctionnement et la gradation de la lampe haute fréquence Les brevets des Etats Unis d'Amérique N O 3 611 021 et no 4 207 497 décrivent eux aussi des circuits haute fréquence d'amorçage et de commande de lampes fluorescentes et utilisent un circuit résonant accordé sur un harmonique particulier de la source de courant haute fréquence ( 20 k Hz) de commande pour faciliter l'amorçage des lampes. On a inventé d'autres circuits de lampes fluorescentes qui arrêtent le chauffage de la cathode pendant le fonctionnement des lampes Par exemple, les brevets des Etats Unis d'Amérique n O 2 330 312, 4 009 412, 4 146 820 décrivent des circuits ayant des commutateurs commandés magnétiquement qui s'ouvrent pour mettre hors service le circuit de chauffage de la cathode quand les lampes fonctionnent; les brevets des Etats Unis d'Amérique N O 2 354 421, 2 462 335 et 4 097 779 décrivent des sectionneurs thermostatiques de chauffage de cathode et le brevet des Etats Unis d'Amérique N O 4 010 399 décrit des commutateurs à semi-conducteurs ayant le même but. L'invention a pour buts de réaliser des circuits d'amor- çage et de commande améliorés et moins conteux et d'économiser l'énergie électrique. L'invention, dans une réalisation recommandée brièvement décrite, comporte des circuits d'amorçage et de commande de lampes fluorescentes à partir d'une source de courant alterna- tif basse fréquence, le circuit comportant un ballast inductif pour la régulation du courant des lampes ayant des caractéris- tiques non-linéaires pour produire une série d'harmoniques de la fréquence de la source de courant, et un condensateur et un transformateur de chauffage de cathode reliés en série et raccordés de manière à recevoir du courant provenant du ballast et en résonance dans une gamme de fréquence comprenant une série desdits harmoniques On applique cette tension de résonance aux lampes pour faciliter l'amorçage de leur décharge et ensuite les lampes fonctionnent à la fréquence de la source de courant Ainsi on amorce les lampes à l'aide d'une onde de tension de crête plus élevée (circuit à retard de phase), ou d'une onde non linéaire enrichie en harmoniques (circuit d'avance de phase) -par rapport à ce qui existe normalement dans la fréquence de fonctionnement La gamme de fréquence de résonance mentionnée ci-dessus est, de préférence, suffisamment large pour inclure plusieurs harmoniques de la fréquence de la source de courant, par exemple du troisième au neuvième harmonique ( 180 à 540 Hz pour une fréquence de la source de 60 Hz) On relie, de préférence, un commutateur en série avec le condensateur et le transformateur de chauffage de la cathode pour ouvrir le cir- cuit de chauffage de la cathode quand les lampes fonctionnent. Cet interrupteur peut être une diode bidirectionnelle telle une SIDAC, combinaison de diac et triac, ou tout commutateur à semi- conducteur sensible à la tension, qui s'ouvre et se ferme pen- dant chaque demi-période de la durée d'amorçage de la lampe et fournit ainsi des harmoniques à l'onde de tension d'amorçage. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figures 1 à 3, des diagrammes électriques schématiques de réalisations différentes de l'invention utilisées dans des circuits de ballast de lampe du type à inductance en série; Figures 4 et 5, d'autres réalisations de l'invention utilisées dans des circuits de ballast du type à transformateur; Figure 6, un tracé des courbes de tension fait à partir d'un écran d'oscillographe, représentant les tensions d'amorçage et de commande des lampes fluorescentes du circuit de la figure 1; Figure 7, un point de la fréquence fondamentale 60 Hz du courant et plusieurs de ses harmoniques, tels qu'ils sont produits dans le circuit de la figure 5 avec une courbe de résonance entourant plusieurs de ces harmoniques. En liaison avec la figure 1, on raccorde deux lampes fluorescentes Il et 12 en série et à la sortie d'un circuit ayant des bornes d'entrée 13 et 14 pouvant être raccordées à une source d'énergie électrique alternative basse fréquence, par exemple à 120, 240 ou 227 volts à une fréquence donnée de 60 Hz Les lampes Il et 12 comportent respectivement des enveloppes il' et 12 ' de verre ou de tout autre matériau approprié contenant respectivement des cathodes émettrices d'électrons lia, llb et 12 a et 12 b près de leurs extrémités Ces cathodes peuvent com- prendre des filaments spiralés de tungstène revêtus d'un maté- riau émetteur d'électrons Les enveloppes des lampes contiennent du mercure et un gaz inerte de remplissage tel que l'argon, le krypton, le néon ou leurs mélanges Les cathodes llb et 12 a sont reliées en parallèle, reliant ainsi les lampes 11 et 12 en série Un ballast inductif 16 est relié à la borne d'entrée 13 de courant et à une extrémité de la cathode lia, et la borne d'entrée 14 du courant est reliée à une extrémité de la cathode 12 b Une combinaison reliée en série d'un condensateur 17, d'un enroulement primaire 18 d'un transformateur 19 de chauffage de cathode et d'un commutateur 21 est reliée à la borne d'entrée 14 de courant et à un point 22 de l'extrnité, située vers la lampe du ballast 16 Ce dernier raccord peut être aussi une prise 23 sur le ballast 16 comme indiqué par la ligne en traits interrompus 24 Le transformateur 19 de chauffage de cathode comporte un premier enroulement secondaire 26 relié à la cathode lia, un deuxième enroulement 27 de chauffage de cathode relié aux cathodes parallèles llb et 12 a, et un troisième enroulement secondaire 28 relié à la cathode 12 b On relie à la lampe 11 de manière classique un condensateur d'amorçage 29 qui laisse passer l'énergie électrique pour faciliter l'amorçage de la décharge dans la lampe 12 après quoi la lampe peut s'amorcer. Le ballast 16 est conçu pour être non-linéaire du fait de sa saturation magnétique partielle lorsque le courant le traverse, de sorte qu'il crée des harmoniques de la fréquence du courant d'entrée aux bornes 13 et 14, par exemple des har- moniques perceptibles jusqu'à ou au-delà du dixième harmonique de la fréquence du courant d'entrée et ayant des amplitudes variables, comme représenté par exemple à la figure 7. Selon l'invention on choisit les valeurs de réactance des inducteurs 16 et 18, et du condensateur 17 de manière que ces composants soient généralement accordés pour être en résonance avec une gamme de fréquence qui inclut deux ou plus des harmoniques précités Ils peuvent être généralement accordés de manière à inclure plusieurs harmoniques tels que du second au neuvième, comme représenté à la figure 7, dans laquelle l'axe vertical 61 représente les amplitudes et l'axe horizontal 52 la fréquence Lors des mesures effectuées sur le circuit de la figure 5, la tension d'entrée efficace 53 de fréquence 60 Hz aux bornes 13 et 14 était de 120 V; on a représenté plusieurs harmoniques de tension efficace mesurés aux bornes du commutateur 21 et de l'inducteur 18 qui ont les valeurs suivantes: le second 54: 0,1 v, le troisième 55, 41 v, le quatrième 56, 0,5 V, le cinquième 57, 9,4 V, le sixième 58 0,5 V, le septième 59, 4,7 V, le huitième 60, 1 V, et le neuvième 61, 10 V La courbe en traits interrompus 62 est une représentation de la courbe idéale de résonance du condensateur 17 a et des inducteurs 18 et 42, courbe qui dans cet exemple est suffisamment large pour inclure du second 54 au neuvième harmonique 61 Ainsi qu'il est bien connu dans un circuit résonant condensateurinductarceen série, la tension produite aux bornes de chacun des composants inductif et capacitif est beaucoup plus grande que la tension globale appliquée aux bornes du circuit résonant et ces tensions sont déphasées l'une par rapport à-l'autre. Quoique théoriquement on puisse obtenir la plus grande valeur de crête de tension d'amorçage des lampes 11 et 12 aux bornes du condensateur, on a remarqué que l'on peut obtenir une valeur ae crête améliorée de tension d'amorçage aux bornes de différentes parties du circuit résonant accordé Par exemple, dans une réalisation du circuit de ballast représenté à la figure l avec la tension d'amorçage des lampes Il et 12 prise entre les points 14 et 22 du circuit et avec le circuit résonant 17, 18 ne fonctionnant pas, la valeur de crête de la tension d'amorçage était d'environ 350 V quand la tension d'entrée aux bornes 13 et 14 était 240 V efficace à 60 Hz; et avec le circuit résonant comportant les composants 16, 17 et 18 en fonctionnement dans le spectre d'harmoniques de fréquence, la tension de crête résonante produite par les harmoniques était d'environ 420 V ce qui améliorait sensiblement l'amorçage des lampes Les courbes de tension de la figure 6 ont été tracées à partir de photographies d'un écran d'oscilloscope et représentent la tension d'amorçage 31 (en trait plein) et la tension de fonctionnement 32 de la lampe (en trait interrompu). Les valeurs de crête 33 de la tension d'amorçage 31, qui se présentent pendant chaque demi-période de la fréquence d'entrée Hz du courant, dans cet exemple, ont une valeur d'environ 420 V pour une tension d'entrée d'alimentation de courant de 240 V efficace aux bornes d'entrée 13 et 14, cette valeur de crête 33 étant considérablement plus grande que la tension de crête sous l'effet de résonance et étant produite par le circuit résonant 16, 17 et 18 accordé sur un ou plusieurs harmoniques de la fréquence d'entrée du courant Après que les lampes Il et 12 soient amorcées et fonctionnent, la tension de fonctionnement 32 a une valeur de crête 34 de 200 V et une valeur efficace de 175 v Pour l'amorçage des lampes, la valeur de crête 33 de la tension d'amorçage 31 est le critère important, alors qu'en fonctionnement, c'est la valeur efficace de la tension de commande 32 qui est le critère important L'amorçage des lampes 11 et 12 est facilité du fait de la valeur accrue de la tension d'amorçage due à la plus grande amplitude des tensions de crête 33 produites par le cir- cuit d'amorçage résonant, mais aussi les lampes s'amorcent plus aisément puisque le contenu en harmoniques de fréquence de l'onde de tension d'amorçage est accru Les valeurs de crête 33 de la tension d'amorçage 31, qui contiennent les harmoniques de fréquence de la fréquence de courant d'entrée et qui sont superposées sur la fréquence 60 Hz,sont en effet àune fréquence plus élevée et améliorent ainsi l'amorçage de la lampe en plus d'avoir une valeur de tension plus élevée par rapport à la tension d'entrée du courant du circuit En améliorant ainsi l'amorçage des lampes 11 et 12, on peut dans certains cas éli- miner les bandes d'amorçage classiqu E des lampes et donc en réduire le coût Comme il est bien connu, l'amorçage des lampes s'effectue non seulement par la tension de crête qui y est appliquée, mais aussi par le couplage électrostatique ou élec- tromagnétique de la tension d'amorçage entre les extrémités extérieures de l'ensemble des lampes (c'est-à-dire les extré- mités des cathodes lla et 12 b) et le métal ou tout autre dis- positif électriquement conducteur dans lequel les lampes sont montées. Contrairement aux brevets N O 3 611 021 et 4 207 497 mentionnés précédemment, qui décrivent l'utilisation d'un onauleur à onde carrée haute fréquence (produisant des ondes carrées de fréquence 20 k Hz par exemple et ayant par là même des valeurs élevées d'amplitudes pour leurs harniohiques) et d'un circuit résonant accordé sur un seul harmonique de fréquence pour faciliter l'amorçage des lampes fluorescentes, la présente invention est basée sur la découverte inattendue que l'amorçage des lampes fluorescentes peut être facilité par un circuit uti- lisant un courant sinusoïdal basse fréquence ( 60 Hz par exemple} qui génère en même temps une tension de cathode, en produisant des harmoniques de l'onde sinusoïdale au moyen d'un ballast inductif non- linéaire (dont les harmoniques ont une amplitude beaucoup plus faible que les harmoniques des ondes carrées de l'art antérieur>, et en réalisant un circuit accordé en résonance avec une relativement large bande de fréquence qui inclut et entoure, plusieurs de ces harmoniques produisant ainsi une tension d'amorçage suffisamment enrichie en harmoniques pour pouvoir faciliter l'amorçage des lampes. En outre, selon l'invention, le commutateur 21 qui est fermé pendant l'amorçage des lampes, ouvre le circuit de l'en- roulement primaire 18 après que les lampes 11 et 12 soient amorcées et pendant leur fonctionnement, mettant ainsi hors service la source de courant de chauffage de la cathode et économisant ce courant électrique pendant que les lampes fonc- tionnent Il n'est pas nécessaire de chauffer la cathode quand les lampes fonctionnent, parce que pendant le fonctionnement, les électrons sont émis à partir d'une petite surface sur chaque cathode, appelée "point chaud", qui reste suffisamment chaude pendant le fonctionnement pour maintenir la capacité exigée des cathodes à émettre des électrons permettant la décharge électrique dans les lampes Le commutateur 21 peut être de n'importe quel type approprié: commandé en tension, en courant, ou thermiquement commandé à partir de la chaleur des lampes 11 ou 12 Le commutateur 21 recommande, tel que repré- senté, est une diode bidirectionnelle commandée en tension telle une SIDAC Une telle diode est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 866 088. Ce type de commutateur est conducteur quand la tension à ses bornes dépasse une certaine valeur, et il est ouvert ou non-conducteur quand cette tension est en dessous d'une valeur donnée Par exemple, le commutateur 21 devient conducteur quand la tension à ses bornes est relativement élevée, comme quand on lui applique la tension d'entrée du courant à partir des bornes 13 et 14 pendant l'amorçage des lampes Il et 12, et le commutateur 21 est ouvert et non conducteur quand la tension qui y est appliquée est relativement inférieure à cette valeur du fait que les lampes 11 et 12 fonctionnent et conduisent le courant ce qui provoque une chute de tension aux bornes des lampes 11 et 12 et ce qui réduit ainsi la tension appliquée aux bornes du commutateur 21 Quand ce commutateur commandé en tension est conducteur pendant l'amorçage de la lampe, en réalité il "bascule" pendant chaque demi-période de la tension à 60 Hz, ce qui a pour avantage d'ajouter des harmoniques dans le circuit résonant Un tel commutateur accroît aussi la durée de vie de lampe en réduisant les avaries par pul- vérisation de la cathode par rapport à un amorçage par starter à lueur. Le circuit de la figure 2, appelé communément circuit à avance de phase est semblable à celui de la figure, excepté qu'on obtient la tension d'amorçage seulement dans l'enroulement primaire 18 du transformateur 19 de chauffage de cathode, ce qui est réalisé en reliant la cathode lia à la jonction 36 du condensateur 17 et de l'enroulement primaire 18 Le circuit a des caractéristiques d'amorçage améliorées semblables à celles décrites pour le circuit de la figure 1; on désigne le conden- sateur 17 de la figure 1 par 17 a sur la figure 2 parce qu'en plus de fonctionner dans le circuit résonant, il fonctionne aussi, de manière bien connue, comme condensateur de puissance pendant le fonctionnement des lampes 11 et 12 Le circuit de la figure 3 est un circuit d'avance de phase semblable à celui de la figure 2 excepté que les deux fonctions du condensateur 17 a de la figure 2 sont réalisées par des condensateurs indi- viduels 17 b et 17 c Le condensateur 17 b est le condensateur de puissance, relié au ballast 16 et à la cathode 11 de manière classique, et le condensateur 17 c est relié à la jonction 22 ' du condensateur 17 b et de la cathode lla et fonctionne comme le condensateur 17 de la figure 1 Le condensateur 17 c a une capacité d'une valeur très inférieure à celle de 17 b, et par conséquent il produit à ses bornes, une valeur de crête de tension de résonance bien supérieure à celle du condensateur de puissance 17 b, pour faciliter le démarrage des lampes. Dans les circuits représentés, les positions du conden- sateur 17 ou 17 c du circuit résonant et de l'enroulement primaire 18 sont interchangeables et les lampes 11 et 12 peuvent être reliées de manière à obtenir l'harmonique de crête de la tension d'amorçage aux bornes du condensateur 17 De même, le commu- tateur 21 peut être placé dans d'autres positions dans le circuit en série 11,18 Les circuits des figures 4 et 5 sont aussi généralement semblables et fonctionnent de la même manière que les circuits des figurez 1 et 2 respectivement, excepté que dans les figures 4 et 5 le ballast 16 est un autotransformateur. L'autotransformateur comporte un enroulement primaire 41 relié aux bornes d'entrée 13 et 14 et un enroulement secondaire 42 couplé magnétiquement au primaire 41 et ayant une de ses extrémités reliée à une extrémité 43 de l'enroulement primaire 41, ou à une prise 44 sur l'enroulement 41, comme le décrit le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 4 185 323. L'autotransformateur 40 a un rapport de nombre de spires entre le secondaire 42 et le primaire 41 tel qu'il peut accroître la tension par rapport à la tension d'entrée aux bornes 13,14 L'enroulement secondaire 42 fonctionne aussi comme ballast inductif pour commander les lampes 11 et 12 et aussi ajoute une réactance inductive au circuit résonant d'amorçage constitué par l'enroulement 42, le condensateur 17 et l'enrou- lement 18 Les circuits du type "avance de phase" des figures 2 et 5 peuvent aussi produire un plus grand nombre d'harmoniques élevés de l'onde non linéaire de tension d'amorçage Si on le souhaite, dans les circuits des figures 1 et 4 les composants 17 et 18 du circuit résonant peuvent être reliés à la prise de l'impédance du ballast 16 ou 42, telles que la prise 23 reliée par la ligne 24 en traits interrompus représentée figure 1, au lieu du point 22 à une extrémité du ballast, de sorte que la valeur d'impédance de l'inductance du ballast dans le cir- cuit résonant est inférieure à sa valeur de réglage des lampes. Ainsi, cette inductance de ballast prend une valeur différente pour chacune de deux fonctions différentes. -10 L'invention permet d'obtenir un circuit d'amorçage et de commande de lampe relativement simple et bon marché, qui améliore l'amorçage des lampes de la manière décrite ci-dessus, qui peut aussi permettre d'éliminer les bandes d'amorçage classiques, réduisant ainsi le coût des lampes et en outre l'invention réduit les co Qts de fonctionnement des lampes en coupant le transformateur de chauffage de cathode quand les lampes fonctionnent économisant alors environ dix pour cent de l'énergie électrique d'entrée du système, par exemple, on réalise une économie d'environ 5 à 6 watts dans un système de watts comportant deux ampoules de 27 watts. il REVENDICATIONS 1 Circuit d'amorçage et de commande d'une ou plusieurs lampes fluorescentes à partir d'une source ( 13,14) de courant électrique alternatif ayant une onde sinusoïdale de fréquence donnée, caractérisé en ce qu'il comporte un ballast ( 16) induc- tif relié en série à la source de courant ( 13,14) et aux lampes ( 11,12) et ayant une caractéristique non-linéaire pour produire une série d'harmoniques de la fréquence donnée, un transformateur ( 19) de chauffage de cathode comprenant un enroulement primaire ( 18) et des enroulements secondaires ( 26,27,28) reliés aux cathodes (lia, llb, 12 a, 12 b) des lampes (il,12), un conden- sateur ( 17) relié en série avec l'enroulement primaire ( 18), et des moyens pour relier un ou les deux composants de l'en- semble du condensateur ( 17) et de l'enroulement primaire ( 18) reliés en série aux bornes des lampes, la réactance combinée du condensateur ( 17) et de l'enroulement primaire ( 18) étant au moins partiellement en résonance, en coopération avec l'in- ductance du ballast inductif ( 16), avec une gamme de fréquence incluant une série d'harmoniques de la fréquence de la source de courant. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réactance combinée est en résonance avec une gamme de fréquence incluant au moins du troisième au neuvième harmonique de la fréquence de la source de courant. 3 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un commutateur ( 21) placé en série avec le con- densateur ( 17) et l'enroulement primaire ( 18), le commutateur ( 21) étant fermé pendant l'amorçage des lampes ( 11,12) pour permet- tre le chauffage des cathodes (lia, llb, 12 a, 12 b) et ce com- mutateur ( 21) étant ouvert après l'amorçage et pendant le fonc- tionnement des lampes ( 11,12). 4 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le commutateur est une diode bidirectionnelle telle qu'une SIDAC ou combinaison diac-triac. 5 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble du condensateur ( 17) relié en série avec l'en- roulement primaire ( 18) est relié à une prise ( 23) du ballast inductif ( 16). 12. 6 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ballast inductif ( 16) comporte un transformateur ayant un enroulement primaire ( 41) relié à la source de courant ( 13,14) et un enroulement secondaire ( 42) ayant une de ses extrémités reliée à l'enroulement primaire ( 41), et des moyens pour relier une extrémité de l'enroulement primaire ( 41) et l'autre extrémité de l'enroulement secondaire ( 42) à travers les lampes ( 11,12). 7 Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dernier moyen cité comporte un condensateur de puissance ( 17). 8 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence donnée de la source de courant ( 13,14) est la fréquence d'une ligne de courant,soit environ 50 à 60 Hz. 9 Circuit d'amorçage et de commande d'une ou plusieurs lampes fluorescentes à partir d'une source ( 13,14) de courant électrique alternatif ayant une onde sinusoïdale de fréquence donnée, caractérisé en ce qu'il comporte un ballast ( 16) induc- tif relié en série à la source de courant ( 13,14) et aux lampes ( 11,12) et ayant une caractéristique non-linéaire pour produire une série d'harmoniques de la fréquence donnée, un condensateur ( 17) et un inductance reliés en série, et des moyens reliant un ou les deux composants de l'ensemble du condensateur ( 17) et de l'inductance reliés en série à travers les lampes ( 11,12), la réactance combinée du condensateur ( 17) et de l'inductance étant au moins partiellement en résonance avec une gamme de fréquence incluant une série d'harmoniques de la fréquence donnée de la source de courant.