Brevet FR2511215A1 — publié le 19830211

La présente invention concerne les tubes à décharge dans un gaz utilisés pour l'éclairage et notamment les lampes à fluorescence, couramment appelées lampes à "néon", d'un type très utilisé dans les habitations et les commerces et industries. Les lampes à fluorescence de ce type sont sous forme d'un tube allongé de verre contenant des vapeurs de mercure ou d'un gaz convenable à une pression extrêmement faible La face interne du tube du verre est revêtue d'une composition phosphorescente à base d'un sel métallique, cons- tituant la substance photoémissive Deux électrodes à incan- descence ("filaments" ou "cathodes chaudes") sont placées aux deux extrémités du tube et sont montées entre une source de tension alternative par l'intermédiaire d-'un dispositif présen- tant une réactance inductive relativement grande et appelé bobine d'arrêt Un dispositif d'amorçage est destiné à provoquer l'excitation ou l'amorçage de la lampe et son rôle est d'ouvrir le circuit de la bobine d'arrêt afin qu'il provoque l'applica- tion d'une pointe de tension suffisamment élevée pour qu'elle déclenche la décharge dans la lampe à fluorescence elle-même après qu'une décharge thermoionique initiale s'est formée au voisinage des cathodes chaudes. On connaît aussi un procédé d'amorçage à froid des lampes à fluorescence, c'est-à-dire ne mettant pas en oeuvre de filaments ou d'électrodes à incandescence Cependant, ces installations nécessitent des transformateurs et des bobines très importants destinés à donner la pointe de haute tension nécessaire à l'ionisation du gaz. Les circuits d'amorçage du type courant à cathodes chaudes destinés aux lampes à fluorescence présentent de nombreux inconvénients, les principaux étant la nécessité d'un dispositif externe et spécial d'amorçage qui présente souvent des défaillances et dont le remplacement crée une gêne pour l'utilisateur, et le fait que la durée du tube est déterminée pratiquement par la durabilité des électrodes sous forme de filaments qui, après un certain nombre d'heures de travail, grillent alors que le tube plus coûteux en lui-même est encore en bon état de marche. L'invention concerne un circuit d'amorçage et de manoeuvre de lampe à fluorescence qui ne présente pas les inconvénients précités. Elle concerne aussi la suppression d'un dispo- sitif de démarrage et la formation d'un circuit à commande totalement électronique à cet effet. Dans un mode de réalisation, l'invention concerne ainsi un circuit d'amorçage et de manoeuvre d'une lampe à tube à fluorescence comprenant un tube à fluorescence ayant une première électrode cathodique à une première extré- mité et une seconde électrode cathodique à l'autre extrémité, et une source de tension alternative montée entre les électro- des, en série avec une bobine, ce circuit se caractérisant par la présence d'un condensateur et d'un dispositif redresseur ayant une tension de claquage par avalanche inférieure au double de la valeur de crête de la tension de la source, mais supérieure à la tension de crête appliquée au tube pendant son fonctionnement, le condensateur et le dispositif redresseur étant montés entre les électrodes. Dans un autre mode de réalisation, les électro- des cathodiques sont du type à filament et sont montées en série avec la source de tension alternative, une diode étant connectée aux bo-rnes du condensateur. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif redresseur comprend une diode et un thyristor triode à blocage inverse qui sont mon- tés en parallèle, la gàchette du thyristor pouvant être court-circuitée afin que la tension de claquage par avalanche du thyristor soit maximale ou au contraire, la gèchette peut être reliée à un circuit diviseur de tension destiné à régler la tension de claquage. Dans une variante, le dispositif redresseur peut comprendre d'autres circuits et composants électroniques, comme décrit plus en détail dans la suite du présent mémoire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un certain nombre de modes de réalisation avantageux de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma général d'un circuit selon l'invention mettant en oeuvre des électrodes unipolaires les figures 2 a à 2 d sont des diagrammes des temps représentant le fonctionnement de divers composants du circuit de la figure 1; la figure 3 est un schéma d'un premier mode de réalisation avantageux de circuit selon l'invention; la figure 4 est un schéma d'une variante du circuit de la figure 3; les figures 5 à 8 représentent respectivement un second, un troisième, un quatrième et un cinquième mode de réalisation de l'invention; la figure 9 est un schéma d'un circuit selon l'invention mettant en oeuvre des électrodes à incandescence et les figures l Oa à l Od sont des diagrammes des temps représentant graphiquement le fonctionnement de divers composants du circuit de la figure 9. Le circuit représenté sur la figure 1 comporte une lampe F à fluorescence ayant des électrodes G à ses deux extrémités Il faut noter que les électrodes sont de type unipolaire et non des électrodes à filament ou à incandescence qui doivent être montées en série avec une source de tension afin qu'un courant puisse y circuler (voir figure 9) Les électrodes sont montées aux bornes d'une source d'une tension alternative V 5 par l'intermédiaire d'une bobine L Un condensa- teur C 2 peut aussi être monté comme indiqué en traits inter- rompus afin qu'il empêche la transmission de perturbations au réseau, d'une manière connue. Selon l'invention, un condensateur Cl monté en série avec un circuit représenté de façon générale par le rectangle B, sont montes aux bornes de la lampe F, le circuit B devant satisfaire aux conditions suivantes: (a) il doit jouer le rôle d'un redresseur à deux alternances, c'est-à- dire qu'il doit former un conducteur de faible résistance pendant une demi-période de la tension appliquée et doit assurer une coupure pendant l'autre demi-période du cycle de la tension, (b) il doit avoir une tension de claquage par avalanche E 8, c'est-à-dire que, pendant la demi- période de non conduction, lorsqu'une différence de potentiel supérieure à une certaine valeur spécifiée lui est appliquée, il reprend brutalement ses propriétés antérieures de conduction, (c) la tension d'avalanche EB doit être inférieure au double de la valeur de crête de la tension de la source VB, et (d) elle doit être supérieure à la tension de crête appliquée aux bornes du tube pendant son fonctionnement, c'est-à-dire après amorçage, cette tension étant appelée VF. On considère maintenant, en référence aux figures 2 a à 2 d, le fonctionnement du circuit de la figure 1. La figure 2 a représente un exemple de variation sinusoïdale de la tension VS du réseau (normalement une tension de 220 volts à une fréquence de 50 hertz), ce graphique représentant la valeur de crête (positive et négative) aux points a et b. On sait que la valeur de crête VSP est égale à Y Vs (environ 310 volts). La figure 2 b représente la variation de tension aux bornes du condensateur C 2 Au début de la demi-période de conduction du circuit B, le condensateur se charge à la valeur de crête V 5 P Au point c, le circuit B se bloque et reste bloqué jusqu'à ce que la différence de potentiel à ces bornes reste inférieure à une valeur particulière déterminée représentée par la référence EB sur la figure 2 b Comme la tension V 5 a présenté une inversion de polarité, la différence globale ou absolue de tension subie par le circuit B (VB) représente la somme de la-tension V 5 p, maintenue par le condensateur Cl, et de la tension croissant progressivement dans la demi-période négative Au point d,la différence abso- lue de tension approche de-la tension de claquage de circuit B qui devient donc conducteur, si bien qu'il apparaît une décharge rapide t 2-t 1 du condensateur Cl, comme représenté sur les figures 2 b et 2 c au temps t 2, la tension Y 8 aux bornes du circuit B s'annule. 11215 Les variations du courant ICH dans la bobine, représentées sur la figure 2 d, indiquent un phénomène correspondant à l'application de la loi Lenz qui indique, de manière connue,qu'une force électromotrice induite dans un conducteur a toujours un sens tel que le courant produit s'oppose à la charge qui a provoqué l'induction de cette force électromotrice En conséquence, la variation rapide de circulation de courant dans la bobine L provoque une impulsion de tension élevée à ses bornes (de l'ordre de 1 000 à 1 200 volts dans l'exemple considéré) Ces pointes de tension apparaissent à chaque cycle, c'est-à-dire 50 fois par seconde. On constate que, après un petit nombre de telles pointes de tension, la lampe F est amorcée, c'est-à-dire que le gaz est ionisé et la lampe commence à conduire. Une chute de tension VF apparaît aux bornes de la lampe F et le reste de la chute de tension, c'est-à-dire VS -VF est assuré par la bobine L, alors que le condensa- teur Cl et le circuit B ne participent plus au fonctionnement du circuit. On note facilement que les pointes de tension créées par la bobine L dans le circuit selon l'invention sont bien supérieures, en valeur absolue, puisqu'elles sont induites par une différence de tension proche du double de la valeur de crête de la source de tension V et non par la tension efficace Vs utilisée dans les circuits classiques d'amorçage à circuit de démarrage C'est pour cette raison qu'une série de 12 pointes de tension par exemple (apparaissant en 1/4 de seconde environ), peut stimuler l'ionisation du tube sans électrode du type à filament d'une part et sans utilisa- tion de bobine ayant une inductance particulièrement élevée, nécessaire dans les installations connues d'amorçage à froid d'autre part. Compte tenu de la description qui précède, les hommes du métier notent facilement que le circuit B peut avoir diverses formes et peut mettre en oeuvre de nombreux types de composants électroniques disponibles dans le commerce. On considère maintenant un petit nombre de tels circuits 11215 selon l'invention. La figure 3 représente une diode Dl et un thyristor triode à blocage inverse SCR ayant une gâchette Gl montée en court-circuit avec la cathode du thyristore, ces deux composants étant montés en parallèle l'un par rapport à l'autre et en série avec le condensateur Cl Pendant la demipériode positive de la tension V 5, la diode Dl conduit et permet la charge du condensateur Cl à la valeur de crête de la tension V 5 Le thyristor ne conduit pas Après un certain temps, pendant la demi-période négative, et lorsque la valeur spécifiée de claquage E 8 du thyristor est atteinte, ce thyristor commence à conduire et sa résistance tombe à une valeur pratiquement nulle La tension spécifiée de claquage du thyristor doit être inférieure au double de la valeur de crète de la tension VS, comme indiqué précédemment, c'est-à- dire d'environ 500 à 550 volts D'autre part, la tension EB doit dépasser la chute normale de tension de fonctionnement aux bornes de la lampe afin que l'extinction de celle-ci soit évitée après son amorçage. La valeur de la tension de claquage du thyristor peut être réglée par connexion de sa gâchette Gl à un point compris entre des résistances RI et R 2 formant un circuit diviseur de tension, comme représenté sur la figure 4. Dans le circuit de la figure 5, le thyristor et la diode sous forme de composants séparés sont remplacés par un ensemble intégré ITR comprenant un thyristor et un disposi- tif redresseur, cet ensemble étant disponible dans le commerce et étant connecté comme représenté. Le circuit de la figure 6 met en oeuvre un transistor P-N-P TR 1, relié à un transistor N-P-N TR 2 comme représenté et jouant pratiquement le même rôle que le thyris- tor décrit précédemment En conséquence, dans la demi-période négative, lorsque la tension appliquée à la résistance R 2 est supérieure à une valeur prédéterminée, la polarisation du transistor RI est élevée et il commence à conduire A ce moment, la polarisation du transistor TR 2 suffit pour que ce transis- tor passe à l'état conducteur La sélection convenable des 2 5 1 1 2 1 5 caractéristiques permet le préréglage de l'état conducteur des transistors à la valeur de tension nécessaire EB Pendant la demi-période positive, les deux transistors sont bloqués-. Le circuit de la fig 7 met en oeuvre une diode de Zener Z du type "Sidac", jouant encore le rôle d'un dispositif redresseur ayant une tension préréglée de claquage par avalanche, le fonctionnement étant le même lors de l'utilisation d'un commutateur bidirectionnel commandé tel que représenté par le circuit de la figure 8. Il apparaît ainsi que les circuits réalisés selon l'invention peuvent remplacer simplement et efficacement l'utilisation coûteuse et peu commode des cathodes chaudes ou thermoioniques associées à des dispositifs de démarrage des installations connues. Il faut en outre noter que les électrodes chaudes sont habituellement revêtues d'une substance qui stimule l'ionisation et qui, lorsqu'elle-est consommée, provoque un défaut de fonctionnement des tubes classiques Alors que la vitesse de consommation de cette substance est relativement grande lors de l'utilisation de cathodes chaudes, cette substance peut durer beaucoup plus longtemps lorsqu'elle est appliquée à des cathodes froides, comme suggéré selon l'inven- tion, si bien que la durée d'utilisation du tube est grandement prolongée. Bien que les dispositifs réalisés selon l'inven- tion et décrits précédemment fonctionnent de manière satis- faisante, on constate que l'introduction d'une petite modifi- cation du circuit, c'est-à-dire la connexion d'une diode aux bornes du condensateur Cl, permet une modification du mode de fonctionnement du circuit d'une manière qui s'applique facilement aux tubes normaux à cathodes chaudes comme décrit plus détail dans la suite du présent mémoire. Parmi les principaux avantages de la variante du circuit, on doit citer d'abord le fait que la plupart des installations existantes met en oeuvre des tubes classiques à filament et leur mise au rebut pour la simple utilisation du circuit fondamental de la figure 1, constituerait un gâchis (Il faut en outre noter que, lorsqu'un ensemble classique ayant un tube ne fonctionne plus du fait du grillage du filament, il peut être remis en fonctionnement par le circuit à électrodes:'froides" tel que décrit précédemment). Ensuite, la variante de circuit donne aux tubes une durée d'utilisation bien supérieure à celle des tubes actuellement connus, en plus des économies de coût et de la suppression de l'inconvénient de l'utilisation des dispositifs de démarrage Cette caractéristique est obtenue essentiellement parce que les filaments qui sont commandés d'une manière nouvelle sont chauffés par intermittence et ce dans la mesure minimale nécessaire à un amorçage efficace du tube. Comme l'indique-la figure 9, la seule modifica- tion par rapport au circuit de la figure 1, est l'addition d'une diode D 2 aux bornes du condensateur Cl alors que les électrodes G' sont du type à filament ou à incandescence, et sont destinées à être initialement chauffées par le courant de la source de tension VS, d'une manière classique. Les caractéristiques de fonctionnement de ce circuit, représentées par les figures 10 a à 10 d, sont analogues à celles qu'on a décrites en référence aux figures 2 a à 2 d respectivement, mais, pendant la décharge du condensateur Cl (t 2 t 1), la diode D 2 conduit et transmet la totalité du courant de la demi-période négative aux filaments des électro- des G'. Comme les décharges du condensateurs s'effec- tuent à une fréquencede 50 hertz, des impulsions intermittentes de courant de chauffage circulent dans les électrodes (toutes les 0,02 secondes environ), jusqu'à ce que la température d'électroluminescence nécessaire à l'amorçage soit atteinte, en pratique après 3 à 5 périodes (environ 0,1 seconde) Ce mode de chauffage du filament est totalement différent de celui des circuits classiques de démarrage dans lesquels le courant de chauffage par incandescence est continu entre les intervalles d'amorçage, si bien que les filaments sont surchauffés et le chauffage a lieu pendant plus de 2 à 3 secondes habituellement. On peut noter que l'originalité du fonction- nement précédent réside dans le fait que les impulsions de haute tension et les impulsions de courant de chauffage des filaments apparaissent alternativement à chaque cycle, tout en étant cependant en pratique concomitantes. On note facilement que les divers exemples de circuits de dispositifs redresseurs B représentés par les figures 3 à 8 conviennent aussi à la variante représentée sur la figure 9. REVENDICATIONS 1 Circuit d'amorçage et de manoeuvre d'une lampe à fluorescence, comprenant un tube à fluorescence (F) ayant une première électrode cathodique (G) à une première extrémité et une seconde électrode cathodique (G) à l'autre extrémité, et une source de tension alternative (V 5) montée aux bornes des électrodes et en série avec une bobine (L), caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur (Cl) et un dispositif redresseur (B) ayant une tension de claquage par avalanche inférieure au double de la valeur de crête de la tension de la source, mais supérieure à la valeur de crête appliquée au tube pendant son fonctionnement, le condensateur et le dispositif redresseur étant montés entre les électrodes. 2 Circuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les électrodes (G) sont de type unipolaire. 3 Circuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les électrodes (G') sont du type à incandes- cence, une diode (D 2) étant montée aux bornes du condensateur. 4 Circuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif redresseur comporte une diode (Dl) et un thyristor triode à blocage inverse (SCR) montés en parallèle. Circuit selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la gâchette du thyristor (SCR) est court-circui- tée de manière que la tension de claquage par avalanche du thyristor soit maximale. 6 Circuit selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la gâchette du thyristor (SCR) est reliée à un circuit diviseur de tension (R 1, R 2) destiné à régler la tension de claquage par avalanche du thyristor. 7 Circuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif redresseur comporte d'une part un ensemble intégré comprenant un thyristor à triode à blocage inverse et une diode et, d'autre part, un circuit diviseur de tension (R 1, R 2). 8 Circuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif redresseur comporte des transis- 11215 tors P-N-P et N-P-N (TR 1, TR 2) reliés à un circuit diviseur de tension. 9 Circuit selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif redresseur est une diode de Zener (Z) de type "Sidak". Circuit selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le dispositif redresseur est un commutateur bidirectionnel commandé.