Brevet FR2522458A1 — publié le 19830902

La présente invention concerne un dispositif d'allumage d'un tube d'éclairage fluorescent ainsi que la lampe équipée d'un tel dispositif. Les dispositifs, couramment appelés "starters" permettant de démarrer l'allumage d'un tube fluorescent, comportent généralement comme organe essentiel, un bilame. Le schéma de montage d'un tube fluorescent équipé d'un tel starter classique à. bilame est représenté sur la figure 1. Les filaments d'un tube d'éclairage fluorescent sont respectivement raccordés par une de leurs extrémités aux bornes du secteur fournissant une tension alternative de par exemple 220 V. Entre l'un des filaments et le secteur, est interposée une self, et en parallèle sur le tube d'éclairage fluorescent, est monté un starter à bilame. Un interrupteur permet la mise sous tension et la mise hors tension de l'ensemble ainsi défini. Lors de la fermeture de l'interrupteur, une tension est appliquée aux bornes du starter. Cette tension est suffisante pour créer un arc et l'échauffement produit est tel que le bilame du starter se ferme, court-circuitant ainsi la tension aux bornes de l'arc qui s'éteint. Un courant circule alors à travers le filament, le starter, le filament et la self. Sous l'action de ce courant, les filaments s'échauffent rendant le tube d'éclairage fluorescent susceptible de démarrer dès qu'une surtension se produira. Cette surtension, résultant de l'énergie accumulée dans la self, se produira dès que le bilame, qui se refroidit depuis l'extinction de l'arc, s'ouvre brusquement.Le tube fluorescent s'amorce alors, la tension å ces bornes chute brutalement et se stabilise à une certaine valeur qui est fonction de la puissance du tube, du courant qui le traverse (limité par la self), et des caractéristiques du réseau d'alimentation. Cette tension de for tionnement du tube d'éclairage fluorescent n'est plus suffisante pour amorcer un arc dans le starter et, en conséquence, le bilame r peut plus se fermer et le tube fluorescent ainsi amorcé va fournir de la lumière jusqu'à ce qu'une intervention extérieure provoque l'interruption du courant par ouverture de l'interrupteur. De tels dispositifs de démarrage, ou starters, utilisant un bilame pour provoquer l'allumage des tubes d'éclairage fluorescents présentent un certain nombre d'inconvénients. Notamment, à partir de la fermeture de l'interrupteur d'alimentation, un temps négligeable s'écoule avant l'allumage du tube et cet allumage n'es pas franc mais il est précédé par des papillotements désagréables à l'oeil. En outre, dans le cas d'un tube fluorescent défectueux par suite du veillissement des filaments, l'allumage proprement dit ne se produit pas et le phénomène de papillotement persiste tant que l'alimentation en courant n'est pas supprimée par une intervention extérieure. La présente invention a pour but de créer un dispositif d'allumage quasi-instantané d'un tube d'éclairage fluorescent, qui soit d'un fonctionnement plus rapide que les dispositifs connus, d'un fonctionnement plus fiable, ne s'échauffe pas, et qui ne fonctionne pas de façon permanente pendant toute la durée de fonctionnement du tube fluorescent. A cet effet, l'invention concerne un dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un composant à conduction commandé dont les bornes sont reliées aux extrémités respectives des filaments du tube d'éclairage fluorescent, ce composant comportant en parallèle un montage en série formé d'un condensateur et d'une résistance, ainsi qu'-un circuit de commande relié à la gâchette du composant pour commander sa conduction. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le circuit de commande est relié aux bornes d'entrée, des résistances du tube fluorescent ainsi qu'à la gâchette du composant, ce circuit comportant une pompe à diode fournissant des impulsions de commande par l'intermédiaire d'un composant à seuil (diac) qui ne devient conducteur que lorsque la tension aux bornes du condensateur de la pompe à diode dépasse un certain seuil. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte une pompe à diode dont le circuit de charge est relié à la tension d'alimentation et dont le circuit de décharge passe par le'composant commandé, ainsi que d'un-autre composant à conduction commandé, qui reçoit comme tension de commande la tension de charge du condensateur de cette pompe à diode, ce composant commandé court-circuitant la pompe à diode de commande du composant commandé. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le composant conducteur susceptible de court-circuiter la pompe à diode commandant la conduction du premier composant conducteur commandé est un triac ou un composant SBS. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le composant à seuil est un diac, un diac précédé d'une diode ou un composant SUS. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le circuit de sécurité court-circuitant la pompe à diode commandant la gachette du composant conducteur commandé est constitué par un montage Darlington dont la base est polarisée par une pompe à diode dont la constante de temps est choisie pour commander la saturation du montage Darlington après un temps déterminé, et court-circuiter la pompe à diode pour bloquer le composant à l'état non conducteur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif est branché sur les bornes des filaments, comme un dispositif starter électromécanique. Enfin, l'invention concerne également comme un tout industriel, une lampe fluorescente comportant un dispositif d'allumage tel que décrit ci-dessus. Le dispositif, selon l'invention, offre l'avantage d'assurer un allumage très rapide du tube fluorescent et de s'arrêter de fonctionner au bout d'un certain temps, choisi de façon que la lampe soit allumée. Cette mise en service évite que le composant commandé, qui relie les bornes de sortie des résistances chauffantes du tube ne devienne conducteur à chaque alternance ou demi-alternance du courant d'alimentation. Cela permet ainsi d'augmenter la fiabilité du dispositif de l'invention. Lorsque le dispositif de l'invention est branché sur les bornes de sortie des résistances, à la manière d'un starter électromécanique, le dispositif selon l'invention peut se brancher à la place du starter électromécanique, classique, sans aucune autre modification. Cela permet d'équiper à postériori des lampes déjà existantes. I1 convient également de souligner que le dispositif selon l'invention a un fonctionnement parfaitement silencieux et aucun élément du circuit n'est susceptible de s'échauffer très au-dessus de la température ambiante. Cela augmente également la fiabilité du dispositif. L'invention va être expliquée plus en détail en se référant à des exemples de réalisation représentés sur les dessins ci-joints, dans lesquels - La figure 1 est le schéma de-montage d'un tube fluorescent équipé d'un starter classique à bilame, - La figure 2 est un schéma général d'un dispositif de démarrage conforme à l'invention, - La figure 3 est un schéma de montage d'un tube fluorescent équipé d'un dispositif de démarrage conforme à un premier mode de réalisation de I'invention, - La figure 4 est un schéma de fonctionnement du dispositif selon la figure 2 donnant diverses courbes de tension en fonction du temps, - La figure 5 est un schéma analogue à celui de la figure 4 mais à échelle agrandie pour mieux montrer la position relative des diverses courbes, - La figure 6 est un schéma électronique d'un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention comportant un circuit de sécurité, - La figure 7 est un schéma électronique d'une troisième variante de réalisation du dispositif selon l'invention, analogue dans son principe au schéma de la figure 6, - La figure 8 est un diagramme montrant le fonctionnement des dispositifs des figures 6 et 7 en mettant en évidence le rôle du circuit de sécurité, - La figure 9 est un schéma électronique d'un quatrième mode de réalisation de l'invention, qui se distingue des modes de réalisation précédents par la réalisation du circuit de sécurité et le branchement du dispositif dans son ensemble, - Les figures lOA - 10F concernent le fonctionnement du circuit de la figure 9, - La figure 10A donne la tension d'alimentation en fonction du temps, - La figure lOB représente la tension aux bornes du composant commandé avec et sans circuit RC en parallèle, - La figure 10E représente la variation de la tension en fonction du temps au point E du circuit de la figure 9, - La figure 10D représente la variation de la tension en fonction du temps au point K de la figure 9, c'est-à-dire l'impulsion de commande appliquée aux composants conducteurs commandés, - La figure 10E représente l'intensité en fonction du temps dans l'ensemble du dispositif. - La figure 10F représente l'intensité en fonction du temps dans la self. Le schéma général de la figure 2 montre les filaments al, a2 d'éclairage fluorescent non représentés en détail, la self 2 et l'interrupteur d'alimentation 4. Le dispositif de démarrage du tube conforme à l'invention désigné par son ensemble par la référence 5. Ce dispositif 5 comporte essentiellement un interrupteur semi-conducteur 6, commandé par une gâchette G et d'un circuit en série formé d'un condensateur C2 et d'une résistance R7. Les bornes du composant 6 sont reliées aux filaments al, a2 du tube d'éclairage fluorescent. Le dispositif comporte également un circuit d'allumage et un circuit de sécurité représentés schématiquement par un rectangle référencé 7. Ces circuits sont détaillés ultérieurement. Le circuit d'allumage et le circuit de sécurité 7 sont raccordés aux extra des filaments al, a2 du tube d'éclairage fluorescent, par les liaiso M1, N1 et M2, N2. La gâchette G du composant 6 est également reliée au circuit 7.Le dispositif fonctionne de la façon suivante A la fermeture de l'interrupteur d'alimentation 4, l'ensemble du circuit est mis sous tension mais comme le composant 6 est bloqué (non conducteur) aucun courant ne traverse la self 2. Sous l'effet de la temporisation assurée par le circuit 7, la tension intérieure à ce circuit augmente progressivement et dès qu'elle atteint un certain seuil, elle applique une impulsion de tension à la gâchette G du composant 6 qui se débloque et laisse passer le courant alternatif de l'alimentation A, B à travers la self 2. Dès que l'alternance de ce courant s'annule, le composant 6 se bloque et la tension à ses bornes passe d'une valeur nulle à la tension du secteur ; cela se fait de façon pratiquement instantanée, avec une pente de croissance théorique infinie. Cette tension n'endommage pas le composant 6 du fait du montage en série de la résistance R7 et du condensateur C2 en parallèle aux bornes du composant 6 ; ce montage limite en effet la pente de la variation de tension et permet néanmoins d'atteindre une tension suffisante pour l'amorçage du tube fluorescent. En régime établi, l'évolution des tensions et des intensités est conforme aux diagrammes des figures 4 et 5, dans lesquels la courbe I (trait plein fin) représente la tension du secteur appliquée aux bornes A et B , la courbe II (en trait plein fort) représente l'intensité du courant traversant le composant 6 et la self 2 et enfin la courbe III (en tiret) représente la tension interne de commande du circuit 7. En résumé, le circuit 7 qui sera décrit ci-après à l'aide de divers exemples de réalisation, détecte par les liaisons M1, Nl, M2, N2, la tension d'entrée et de sortie des résistances Al, A2 pour fournir une tension de commande appliquée à la gâchette G. Le composant 6 est de préférence un composant semi-conducteur tel qu'un interrupteur semi-conducteur, qui est passant dans les deux directions, par exemple par l'envoi d'une impulsion de tension sur la gâchette G. La figure 3 représente un premier mode de réalisation, simplifié d'un circuit selon la figure 2. Le circuit de la figure 3 est simplifié par rapport au circuit général de la figure 2 car il ne nécessite pas les liaisons Nl, N2. Selon la figure 3, le composant semi-conducteur 6 est un triac et le circuit 7 est constitué par un ensemble de deux diodes 8 en opposition (diac) d'un condensateur C1, d'une résistance de charge R3 du condensateur et d'un diviseur de tension R1, R2. Le schéma de la figure 3 fonctionne pour l'essentiel comme le schéma de la figure 2. I1 convient toutefois d'indiquer que A la fermeture de l'interrupteur d'alimentation 4, le circuit est mis sous tension mais le triac 6 est bloqué, si bien qu'aucun courant ne traverse la self 2. Le circuit de temporisation formé par le condensateur C1 et les résistances R1, R2, R3 augmente progressivement la tension suivant la constante de temps définie par les valeurs de C1, R1, R2, R3 ; cette tension est appliquée à la borne correspondante du diac 8.Dès qu'elle atteint un niveau correspondant au déblocage du diac 8, celui-ci laisse passer une impulsion de tension qui commande le triac 6 et le met à l'état conducteur. Le courant alternatif de l'alimentation A, B passe alors par le triac 6 et la self 2. Dès que l'alternance du courant passe par la valeur nulle, le triac 6 se bloque et la tension à ses bornes passe d'une valeur nulle à la tension du secteur ; ce passage est pratiquement instantané. Comme indiqué ci-dessus, cette tension né varie pas suivant une pente infinie du fait du condensateur C2 et de la résistance R7 en parallèle sur le triac 6. Le régime qui s'établit à ce moment est le même que celui indiqué ci-dessus et les courbes I, II, III de la figure 4 ont la même signification générale, la courbe III correspondant dans ce cas particulier à la tension aux bornes du diac-8. Ce schéma particulier permet toutefois une analyse plus détaillée de l'évolution de la tension de commande. En effet suivant un décalage égal à 3t dû à la self 2, après le passage par 0 de la tension du secteur, le courant s'annule, et le triac 6 se bloque ; la tension aux bornes du triac 6 passe alors de la valeur 0 à une tension maximale environ égale à 310 volts. La tension VCl aux bornes du condensateur C1 augmente de façon exponentielle suivant l'expression connue VCI = 310 + R2 (l - e dans cette expression : tel représente la constante de temps à savoiri~ (Rl/R2) + R33 . Cl. Dès que la tension VC1 atteint la valeur de déblocage du diac 8 (+ 30 V)'le diac bascule et met le triac 6 à l'état conducteur. La durée 1 t entre le blocage du triac 6 o et l'instant auquel il redevient conducteur est sensiblement donné par l'expression suivante Suivant un mode de réalisation particulier, le choix des grandeurs Rl, R2, R3, C1 permet d'obtenir un laps de temps bt de blocage du triac qui est de l'ordre de 0,3 ms. La figure 5 représente à échelle agrandie et pour une demi-alternance, l'évolution des courbes I, II, III de la figure 4. La figure 6 représente un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Pour ce circuit, on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments que dans le circuit de la figure 3 ou le circuit général de la figure 2. Le circuit de la figure 6 se distingue de celui de la figure 3 en ce qu'il est complété par un circuit de sécurité formé par un second composant semi-conducteur formant un interrupteur bidirectionnel constitué par un triac 9 ainsi que par une pompe à diode formée de la diode D, de la résistance R et du condensateur C3. Lorsque la pompe à diode D, R, C3 est soumise à la tension du secteur appliquée aux bornes A, B, du circuit, c'est-à-dire lorsque l'interrupteur 4 est fermé mais que le tube fluorescent n'est pas allumé, la tension charge le condensateur C3 chaque fois que le composant 6 est bloqué. Sous l'effet des charges successives, cumulées, la tension aux bornes du condensateur C3 augmente progressivement jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur prédéterminée pour laquelle le triac 9 devient conducteur; lorsque le triac 9 devient conducteur, il court-circuite la résistance R2 et bloque le diac 8 ainsi que le composant 6. La pompe à diode D, R, C3 continue dans ces conditions à charger en permanence le condensateur C3 si bien que le composant 6 reste bloqué. On assure ainsi une sécurité de non fonctionnement. En effet, si l'interrupteur 4 reste fermé alors que le tube fluorescent ne s'est pas allumé, au bout d'un certain temps déterminé par les paramètres du circuit de sécurité, le condensateur C3 bloque définitivement la conduction du composant 6. Cette situation se poursuit aussi longtemps que l'interrupteur 4 est fermé. Dans un cas particulier, réalisable en pratique, on choisira pour le délai de mise en oeuvre de ce circuit de sécurité, une durée d'une dizaine de secondes. La figure 7 représente une troisième variante d'un dispositif selon l'invention. Dans cette figure comme dans les figures précédentes, on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments dont la description ne sera pas reprise. Ce circuit se distingue essentiellement des circuits précédentes en ce que la gâchette G du composant 6 (triac) est commandée à partir d'un interrupteur à conduction bilatérale 10 tel qu'un composant SBS (Silicium Bilateral Switch) ou commutateur bilatéral au silicium) dont l'électrode de commande non référencée est commandée par un circuit de blocage 11. Le fonctionnement de cette variante est analogue à celui de la variante représentée à la figure 6. Les courbes de la figure 8 montrent le fonctionnement du schéma de la figure 7. Selon la figure 8, la tension du secteur (courbe IV) est sinusoidale ; la charge du condensateur C3 (courbe V) évolue par palier, en augmentant successivement (dans l'hypothèse) d'une lampe fluorescente qui ne s'amorce pas si bien qu'à un certain moment (représenté par une ligne ver ticale en tiret) la tension aux bornes du condensateur C3 est suffisante pour bloquer le composant 6, définitivement, jusqu'à l'ouverture de l'interrupteur 4. La figure 9 représente un quatrième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Ce dispositif n'est relié aux filaments al, a2 que par les branchements Nl, N2 c'est-à-dire les branchements habituels existants déjà sur le support d'une lampe pour tube fluorescent. Cette variante comporte en plus de la double diode 8 constituée par un diac, une diode D1 branchée entre le diac 8 et le point de jonction du condensateur Cl et de la résistance R3. D'ailleurs l'ensemble 8, D1 pourrait également être remplacé par un commutateur unilatéral au silicium encore appelé composant SUS. De même dans ce cas, le composant 6 qui est généralement un triac peut être remplacé par un thyristor puisqu'il reçoit une impulsion de commande de polarité négative. Le composant 6 reçoit ainsi une seule impulsion de commande par alternance du courant du réseau appliqué aux bornes A, B. Cela permet également de simplifier le circuit de sécurité pour bloquer le composant 6. On court-circuite les impulsions positives dirigées vers la gâchette G du composant 6 à l'aide du montage Darlington formé par les transistors T1, T2 dont la base (base du transistor T2) est commandée par la pompe à diode formée de la diode D, de la résistance R, du condensateur C3 et de la résistance R5. Le choix de la valeur des composants D, R, C3, R5 détermine le temps nécessaire pour augmenter la polarité du montage Darlington Tl, T2 et saturer ce montage pour le rendre conducteur et court-circuiter le circuit Cl, R3, R2 fournissant les impulsions positives de commande appliquées à la gâchette G. De plus dans ce circuit, le courant de chauffage des filaments al, a2 se présente sous la forme d'impulsions positives d'amplitude plus élevée que dans les circuits précédents mais dont la valeur efficace du courant est identique à celle du courant sinusoidal nominal de chauffage (par exemple 0,6 A pour un tube de 40 Watts). Le fonctionnement de ce circuit est illustré par les courbes représentées aux figures lOA-lOF. La courbe 10A montre la variation de la tension du secteur en fonction du temps. La courbe lOB représente par la courbe en pointillé, la tension aux bornes du composant 6 en l'absence de réseau C2, R7 ; la courbe en trait fort à cette même figure représente la tension aux bornes du composant 6 muni d'un circuit C2, R7. La courbe l0C représente la tension au point E. La courbe lOD représente l'intensité du courant oarcourant le dispositif. La courbe 10F représente l'intensité du courant dans la self 2. Le point d'amorçage du tube fluorescent a été indiqué à la figure lova. Ces courbes montrent que le circuit 6 n'est commandé que par des impulsions positives figure 10D). Ce quatrième mode de réalisation de l'invention offre divers avantages de fabrication car il permet d'utiliser des composants simples et peu coûteux tels qu'un thyristor, un ccr-,osant SUS et un montage Darlington. Dans ce circuit, les potentiels d'allumage du tube fluorescent sont améliorés car on obtient des surtensions beaucoup plus importantes en amplitude et en durée que dans les divers autres modes de réalisation, ce qui améliore considérablement l'amorçage du tube fluorescent. De plus, l'ensemble du circuit peut se réaliser à la manière d'un starter mécanique tel que celui décrit en relation avec la figure 1 et le branchement électrique sur le support du tube fluorescent est identique. Cela simplifie la réalisation de l'ensemble de la lampe à tube fluorescent et permet même de remplacer les starters existants par de tels dispositifs. Le fonctionnement est absolument silencieux et le circuit ne comporte aucun élément susceptible de s'échauffer notablement au-dessus de la température ambiante. Cette derniére caractéristique se traduit également par une amélioration de la fiabilité. Enfin, le circuit est plus léger R E V E N D I C A T I O N S 10) Dispositif électronique pour l'allumage instantané d'un tube d'éclairage fluorescent, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un composant (6) à conduction commandé dont les bornes sont reliées aux extrémités respectives des filaments (al, a2) du tube d'éclairage fluorescent (1), ce composant (6) comportant en parallèle un montage en série formé d'un condensateur (C2) et d'une résistance (R7), ainsi qu'un circuit de commande (7), relié à la gâchette (G) du composant (6) pour commander sa conduction. 20) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant à conduction commandée (6) est choisi dans le groupe formé par les triacs et les thyristors. 30) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande (7) est relié aux bornes d'entrée (M1, M2) des résistances (al, a2) du tube fluorescent ainsi qu'à la gâchette (G) du composant (6), ce circuit comportant une pompe à diode (Rl, R2, R3, Cl) fournissant des impulsions de commande par l'intermédiaire d'un composant à seuil (8) (diac) qui ne devient conducteur que lorsque la tension aux bornes du condensateur (C1) de la pompe à diode dépasse un certain seuil. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe à diode (C3, R, D) dont le circuit de charge est relié à la tension d'alimentation (A, B) et dont le circuit de décharge passe par le composant commandé (6), ainsi que d'un autre composant à conduction commandé (9), qui reçoit comme tension de commande la tension de charge du condensateur (C3) de cette pompe à diode, ce composant commandé (9) court-circuitant la pompe à diode (C1, R1, R2, R3) de commande du composant commandé (6). 50) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le composant conducteur (9) susceptible de courtcircuiter la pompe à diode (C1, R1, R2, R3) commandant la conduction du premier composant conducteur commandé (6) est un triac ou un composant (SBS. 60) Dispositif selon l'une quelconque des revendilations 1 et 2, caractérisé en ce que le composant à seuil (8) est un diac, un diac précédé d'une diode ou un composant (SUS). 70) Dispositif selon l'une quelconque des reven dictions 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit de sécurité court-circuitant la pompe à diode commandant la gachette du composant conducteur commandé (6) est constitué par un montage Darlington (tri, T2) dont la base est polarisée par une pompe à diode (D, R, C3) dont la constante de temps est choisie pour commander la saturation du montage Darlington (T1, T2) après un temps déterminé, et court-circuiter la pompe à diode (C1, Rl, R2, R3) pour bloquer le composant (6) à ltétat non conducteur. 80) Dispositif selon lâ revendication 7, caractérisé en ce qu'il est branché sur les bornes (Nl, N2) des filaments (al, a2), comme un dispositif starter électromécanique. 90) Lampe à tube fluorescente caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.