Brevet FR2514600A1 — publié le 19830415

G O L'invention concerne les appareils d'éclaira- ge électriques, et plus particulièrement un appareil d'éclairage de rendement sensiblement accru L'invention concerne plus particulièrement les types d'appareils uti- lisant des lampes à halogénure métallique, des lampes à vapeur de mercure, des lampes à vapeur de sodium à hau- te et basse pression ou des lampes fluorescentes, en as- sociation avec un ballast. Ces lampes et les appareils les utilisant sont étudiés principalement pour utiliser efficacement l'éner- gie Bien que l'accroissement des coûts de l'énergie ait rendu ce critère encore plus primordial, la nécessité de disposer d'appareils pratiques et peu coûteux, économisant de l'énergie tout en offrant une plus grande efficacité à l'utilisateur, est restée largement insatisfaite. L'homme de l'art connaît bien les divers bal- lasts et diverses configurations d'appareils décrits jusqu'à présent dans des ouvrages antérieurs En parti- culier, des ballasts électroniques ont été récemment étu- diés pour accroître le rendement des appareils d'éclaira- ge et pour améliorer également la durée de vie prévue des lampes, par rapport à celle obtenue avec des ballasts électromagnétiques antérieurs Le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 277 726 décrit d'autres formes de réali- sation constituant des exemples de la technique antérieure. Comme décrit dans le brevet N O 4 277 726, des ballasts électroniques comprennent généralement un redres- seur destiné à convertir la tension alternative d'alimenta- tion du secteur en tension continue, des transistors mon- tés en oscillateur et coopérant avec un transformateur des- tiné à transformer des courants alternatifs, passant dans son primaire sous l'action de l'oscillateur, en tensions plus élevées apparaissant aux bornes du secondaire pour alimenter les lampes. L'invention s'écarte fondamentalement des en- seignements et de la direction de l'art antérieur en offrant un appareil d'éclairage qui comporte un ballast électronique conçu pour être couplé à une source d'éner- gie polyphasée Bien que de l'énergie polyphasée ait été utilisée comme source d'alimentation de moteurs, d'appa- reils de chauffage et d'autres équipements de puissance, il est apparu que l'appareil d'éclairage polyphasé tel que conçu selon l'invention est amorti au bout d'une pé- riode étonnamment courte et permet de supprimer certains composants du ballast. A titre d'exemple, une forme préférée de bal- last polyphasé, décrite ci-après, est destinée à être utilisée dans l'appareil indiqué ci-dessus Le ballast préféré correspond essentiellement à une forme de réa- lisation modifiée du ballast décrit dans le brevet N O 4 277 726 précité Ainsi qu'il ressortira de la des- cription qui suit de la forme préférée de réalisation, l'appareil selon l'invention se prête de lui-même à la suppression de certains composants consommant de l'éner- gie, ce qui entraîne une diminution du coût, un accrois- sement de la fiabilité et un accroissement du rendement. L'invention permet plus particulièrement de supprimer le filtre utilisé classiquement dans l'étage redresseur du ballast électronique avec, pour résultat inattendu, une amélioration sensible du rapport global qualité/prix de l'appareil d'éclairage. L'invention sera décrite plus en détail en re- gard des dessins annexés à titre d'exemples nullement li- mitatifs et sur lesquels: la figure 1 est un schéma du ballast décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 277 725; la figure 2 est un schéma d'une forme préfé- rée de réalisation de l'appareil d'éclairage selon l'in- vention les figures 3 5 sont des graphiques résultant de données d'essais, montrant respectivement le rendement, la perte de puissance et le facteur de puissance de l'appareil d'éclairage selon l'invention les figures 6 et 7 sont des schémas simplifiés des circuits d'essai utilisés pour l'obtention des don- nées utilisées pour les graphiques des figures 3 à 5 avec les ballasts monophasé et triphasé des figures 1 et 2. Pour décrire commodément l'appareil d'éclaira- ge selon l'invention, les composants du ballast décrit dans le brevet no 4 277 726 précité et les composants analogues du ballast selon l'invention sont identifiés par les mêmes références numériques augmentées de la valeur 100 dans le cas du ballast selon l'invention Il apparaîtra possi- ble, à l'homme de l'art, de modifier de la même façon d'au- tres ballasts antérieurs, conformément à l'invention, et de les utiliser comme base de comparaison. Le ballast décrit dans le brevet N O 4 277 726 précité, représenté sur la figure 1, comprend un redresseur double alternance comportant des diodes 21, 22, 23, 24 con- nectées à une ligne V de tension alternative monophasée, afin de transmettre un courant et une tension continus re- dressés à un filtre "i T" comprenant une bobine d'induction 31 et des condensateurs 32, 33 Il est connu que la tension continue redressée double alternance, avant le filtrage, présente une tension ondulée superposée de 48 % d'amplitude et de fréquence double de celle de la source, c'est-à-dire 2 X 60 Hz (ou 2 X 50 Hz) (voir "Reference Data for Radio Engineers"; 4 ème édition; ITT, New York 1964, page 306). Si l'on se réfère à présent à la figure 2, on y voit représentée schématiquement la forme préférée de réalisation du ballast 100 selon l'invention, connecté à des lignes O A, O B, OC, respectivement, d'une source d'ali- mentation en courant alternatif triphasé, 60 Hz, afin d'allumer deux lampes 41, 43 à décharge gazeuse En par- ticulier, le ballast 100 comprend un redresseur double al- ternance triphasé constitué de diodes 102, 104, 106, 108, 110,112 qui produisent une tension continue entre les li- gnes 114, 116, avec une ondulation de 4,2 % à six fois la fréquence de la source, soit 360 Hz (ou 300 Hz) (Voir "Référence Data For Radio Engineers", ci-dessus, page 307). La réduction sensible de la tension d'ondula- tion permet de supprimer le filtre du redresseur, à savoir les condensateurs 32, 33 et la bobine d'induction 31 de la figure 1 Par conséquent, le courant redressé non filtré, tel que produit comme montré sur la figure 2, peut être appliqué directement à la jonction de bobine d'induction 10 et des résistances 37 et 35 (figure 1), ou de la bobine d'induction 110 et de la résistance 135 sur la figure 2. Il convient de noter que l'interrupteur clas- sique d'alimentation, représenté sur la figure 1, peut être commodément remplacé par un interrupteur triphasé tel que de la classe 2510, à savoir un interrupteur manuel de type K pour le démarrage de moteur, fabriqué par la firme Square D Company, de manière à pouvoir être compatible, du point de vue physique, avec l'espace généralement disponi- ble dans des commutateurs d'éclairage intérieur. L'appareil d'éclairage et le ballast selon l'in- vention présentent un certain nombre d'avantages par rap- port aux appareils et aux dispositifs classiques Tout d'abord, l'élimination du filtre du redresseur a pour ré- sultat une économie de coft immédiate, un accroissement de la fiabilité du ballast et une augmentation de son rende- ment Une économie est réalisée sur les coûts de fabrica- tion par la suppression des deux gros condensateurs 32 et 33 et de la bobine d'induction 31 (figure 1) L'addition de deux diodes pour former le redresseur triphasé n'affecte pas sensiblement cette économie. La fiabilité du ballast est améliorée en rai- son du fait que les condensateurs supprimés sont généra- lement des condensateurs électrolytiques qui sont bien con- nus, dans cette technique, pour constituer,du point de vue statistique, un "maillon faible" dans les calculs de fiabi- lité Même si l'on souhaite établir un certain type de filtrage "f/f" pour empêcher la fréquence de l'oscillateur d'être*renvoyéepar l'intermédiaire de la ligne d'alimenta- tion en courant alternatif, les condensateurs et les bobi- nes d'induction alors nécessaires sont beaucoup plus petits et moins coûteux, car le signal filtré est de fréquence éle- vée et de faible énergie Même dans ce cas, on peut, de plus, éliminer l'opération consistant à imprégner la bo- bine d'induction de vernis, comme celà est généralement pratiqué dans ce domaine pour empêcher le "bourdonnement" de 60 Hz ou de 50 Hz. L'efficacité du ballast est améliorée car le filtre du redresseur des ballasts classiques à semi-conduc- teur peut entraîner des pertes atteignant 5 % La bobine d'induction de tels filtres est le siège de pertes dites "par effet Joule", en raison de la résistance électrique propre de la bobine d'induction, et des pertes par induc- tion électromagnétique, générées par le flux magnétique dans le noyau de la bobine Les condensateurs électrolyti- ques généralement utilisés dans de tels filtres sont à l'origine d'environ 1 % des 5 % de pertes Alors que les ballasts électroniques classiques tels que les "Triad/Utrad", portant les numéros de référence "B 14 ORS" et "B 24 ORS" parviennent à un rendement de 90 %, le ballast selon l'invention est apparu comme atteignant un rendement de 94-95 %. La diminution des pertes,indiquée ci-dessus, a pour résultat une plus faible température de fonction- nement du ballast Etant donné que la fiabilité est en relation inverse avec la température de fonctionnement, la plus faible température contribue à accroître la fia- bilité du ballast. Les graphiques des figures 3 à 5 montrent le rendement relatif, la perte de puissance et les facteurs de puissance obtenus avec le ballast selon l'invention, par rapport à des ballasts électroniques monophasés ac- tuellement commercialisés sur le marché En particulier,. un prototype du ballast selon l'invention, réalisé 14600 conformément à la forme préférée de réalisation montrée sur la figure 2, a été connecté à un certain nombre d'ins- truments d'essai, comme montré sur la figure 7, et à une source d'énergie triphasée, à tension de 208 volts Un ballast électronique à semiconducteur, à tension de 120 volts, commercialisé par la firme Triad/Utrad de Huntington,India- na, E U A, sous leur référence "B 14 ORS", a été connecté aux instruments d'essai comme montré sur la figure 6. De même, un ballast électronique à 270 volts, commerciali- sé par Triad/Utrad, sous la référence "B 24 ORS" a été con- necté aux instruments d'essai commue montré'sur la figure 6. Comme représenté sur les figures 3 à 5, le bal- last selon l'invention présente, par rapport aux ballasts monophasés, un plus grand rendement, une plus faible perte de puissance et un meilleur facteur de puissance. Sur la'figure 3, le rendement est donné en or- donnéoeet la puissance de sortie en abcisses Sur la fi 1- gure 4, la perte de puissance est donnée en ordonnéeset la puissance de sortie en abcisses,et sur la figure 5,-le facteur de puissance est donnée en ordonnéoe et la puissance d'entrée en abcisses. Le ballast selon l'invention a également pour résultat l'application, à la ligne d'alimentation, d'une charge_ qui, de àpar- sa-nature, esté 7 Iltét dent à l'homme de l'art qu'un courant triphasé est généra- lement fourni à des constructions non résidentielles et que les phases sont divisées en trois branches, chaque branche alimentant de façon indépendante un certain nombre de lampes Bien qu'il soit souhaitable d'équilibrer les charges entre les branches, le fonctionnement indépendant des séries de lampes de chaque branche a généralement pour résultat un déséquilibre entre les charges pour pratique- ment toutes combinaisons de ballasts "en marche"et "à l'ar- rêt" Par contre, l'appareil selon l'invention est équili- bré de par sa nature, pour toutes combinaisons de ballasts "en marche" et "à l'arrêt". Enfin, le plus grand rendement et la caracté- ristique de charge équilibrée du ballast selon l'invention permettent d'utiliser un plus grand nombre de lampes dans cha- que circuit, ce qui réduit l'importance du câblage demandé. Dans les circuits d'essai des figures 6 et 7, on utilise en parallèle avec le ballast une résistance de charge non inductive, indiquée en R. Dans le circuit triphasé représenté sur la fi- gure 2 et conforme à l'invention, la bonne régulation natu- relle entre la tension à vide et la tension à pleine charge, aux bornes du condensateur 133, évite d'avoir à utiliser les deux transistors formant le montage Darlington 30 montré sur la figure 1. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Ballast destiné à être utilisé avec un ap- pareil d'éclairage du type comportant une lampe à décharge gazeuse exigeant une tension d'amorçage et une tension de travail, le ballast( 100)étant caractérisé en ce qu'il est conçu pour connecter la lampe à une source d'alimentation polyphasée ( O A, OB, OC) afin de fournir les tensions d'a- morçage et de travail. 2 Ballast selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la source polyphasée est une source tri- phasée. 3 Appareil d'éclairage, caractérisé en ce qu'il comporte une source d'alimentation en courant al- ternatif polyphasé (#A, O B, OC), plusieurs lampes à dé- charge gazeuse du type exigeant une tension d'amorçage et une tension de travail, et un ballast ( 100)destiné à connecter les lampes à la source polyphasée et à fournir la tension d'amorçage jusqu'à ce que les lampes soient amorcées, et la tension de travail après l'amorçage des lampes. 4 Procédé d'alimentation d'un appareil d'é- clairage du type comprenant une lampe à décharge gazeuse qui nécessite une tension d'amorçage et une tension de travail, caractérisé en ce qu'il consiste à connecter une source d'alimentation en énergie à courant alternatif polyphasé ( O A, O B, OC) à l'appareil.