Brevet FR2526623A1 — publié le 19831110

DISPOSITIF D'AMORCAGE DE LAMPES ADECHARGE La présente invention concerne un dispositif à lampe à décharge ou un starter de lampe fluorescente ayant un élé- ment semi-conducteur. La Fig 1 représente un circuit de starter ou de démar- S rage de l'art antérieur pour lampe fluorescente qui possbde un élément diélectrique non-linéaire, et un commutateur à semi-conducteur tel qu'un thyristor Dans la Fig 1 le numé- ro de référence 1 est une lampe fluorescente, 2 est un ballast inductif, 3 est un commutateur à semi-conducteur, 4 est un élément diélectrique nonlinéaire, 5 est un condensateur dans le but de supprimer le bruit, et U et V sont les bornes d'alimentation en puissance. La lampe fluorescente 1 a des filaments 101 a et 101 b à ses deux extrémités Le commutateur à semi-conducteur 3 a un thyristor 301, un élement basculeur 302 (SBS Commutateur Bilatéral au Silicium, ou un diac), des résistances 303 a et 303 b, et un condensateur 304. Quand une tension alternative euv telle que reprêsen- tée en ligne pointillée dans la Fig 2 est appliquée aux bornes d'entrée d'alimentation U et V, le thyristor 301 bascule sur 'ON" dans la phase e 1 de la demi-alternance posi- tive, puis le thyristor 301 se ferme et le courant s'écoule de la borne U à travers le ballast 2, le filament 101 a, le thyristor 301, le filament 101 b, jusqu'à l'autre borne V. Ainsi, les filaments 101 a et 101 b sont pré-chauffés Ensuite dans la phase e 2 de la demi-alternance négative, quand le courant dans le thyristor 301 devient nul, ce thyristor 301 bascule sur "OFF" A cet instant la tension aux bornes de l'élément diélectrique non linéaire 4 est nulle et la ten- sion d'alimentation euv est voisine de la tension de crête de polarité négative; ainsi l'élément diélectrique non linéaire 4 se trouve chargé à travers le ballast 2 comme représenté dans la Fig 2. L'élément diélectriquenon linéaire 4 a une caracté- ristique saturable entre le champs appliqué V et la charge Q comme représenté dans la Fig 3, et est de nature non linéaire en particulier quand le champs appliqué V excède la tension de saturation Es En conséquence, si la tension de saturation Es est plus faible que la valeur de crête de la tension d'alimentation, le courant s'écoulant dans l'élément diélec- trique non linéaire 4 décroît soudainement quand la tension instantanée d'alimentation excède la tension de saturation Es. Quand le courant décroît soudainement la tension de pointe des impulsions V 21 qui est beaucoup plus grande que la valeur de crête de la tension d'alim Lentation est induite aux bornes du ballast inductif et cette tension V 21 est appliquée aux bornes de la lampe fluorescente 1 La valeur de cette tension de pointe V 21 dépend du courant différentiel di / dt) et de l'inductance L du ballast 2 Après que l'impulsion de pointe V 21 a disparu, la tension d'alimentation euv est appliquée à la lampe fluorescente jusqu'à ce que le thyristor 301 vienne de nouveau sur "ON". L'opération qui précede se continue jusqu'â ce que la lampe fluorescente 1 soit allumé e Quand les filaments 10 11 a et 101 b de la lampe fluorescente sont suffisamlentpr&' -,fs, la lampe fluorescente 1 est allumée par la tension de pointe V 21 et/ou la tension positive Vil et le voltage de pointe avant le point e 7 Quand la lampe fluorescente 1 est allumée la tension aux bornes de la lampe décrolt à cause de la pr 4- sence du ballast 2; en conséquence le thvristor 301 ne bas- cule pas sur "ON" pendant la période d'allumaae de la lampe fluorescente 1. Il y a lieu de noter qcue la tension aux bornes de la lampe fluorescente 1 devient plus élevée aue la tension d'alimentation comme représenté en V 12 et V 22 dans la Fia 2 à cause de l'opération de charge de l'élément diélectricue non linéaire 4 Ces composantes élevées V 12 et V 22 sont absorbées par le condensateur 304, et ainsi le thyristor 301 ne bascule pas sur "ON" malgré la tension V 22 Le circuit de la Fig 1 allume une lampe fluorescente au moyen d'un commutateur sans contact et d'un élément dié- lectrique non linéaire et il a l'avantage d'un démarrage rapide de la lampe Le temps d'allumage avec le circuit de la Fig 1 est inférieur à 0,8 seconde ce qui est extrême- ment plus court que le temps mis par un starter d'une lampe à décharge de l'art antérieur Il y a lieu de noter qu'il faut 2 à 8 secondes avec le starter d'une lampe à décharge de l'art antérieur De plus le circuit de la Fig 1 a l'avantage que le dispositif est léger quant au poids,est petit quant à la taille si on le compore à un circuit du type à starter rapide de l'art antérieur. Cependant le circuit de la Fig 1 a le désavantage décrit ci-dessous En supposant qu'un commutateur d'alimen- tation est actionné à la phase e O de la Fig 2 alors les filaments 10 la et 101 b sont chauffés durant e 1 et e 2 mais leur pré-chauffage pendant cette période n'est pas suffisant et la température de ces filaments est insuffisante pour amorcer la lampe De cette façon, à la phase 94 la tension de pointe V 21 est induite et est appliquée aux filaments qui ne sont pas encore assez chauffés Il y a lieu de noter que le matériau de radiation comme l'oxyde de baryum (Ba O) qui est fixé à la surface du filament pour émettre des électrons chauds est pulvérisé et détérioré quand la haute tension est appliquée à ce matériau de radiation qui n'est pas assez chaud La quantité de matériau pulvérisé est significative parce ce que la tension de pointe V 21 est appliquée à chaque cycle de tension d'alimentation jusqu'à ce que la lampe fluorescente soit amorcée Ainsi le circuit de l'art antérieur de la Fig 1 a le désavantage d'écourter la durée de vie de la lampe. L'objet de la présente invention est, en conséquence, de surmonter les désavantages et les limitations d'un dispo- sitif d'allumage d'une lampe à décharge de l'art antérieur en prévoyant un dispositif d'allumage de lampes à décharge nouveau et perfectionné. Un autre objet de la présente invention est de fournir un dispositif d'allumage de lampes à décharge qui assure une longue durée de vie aux lampes à décharge, en empêchant la pulvérisation du matériau de radiation des filaments. Les objets ci-dessus ainsi que d'autres sont obtenus grâce à un dispotisif d'allumage de lampes à décharge qui comprend une lampe à décharge ayant une paire de filaments couplés à une alimentation en puissance à travers un ballast inductif; un élément diélectrique non linéaire couplé entre lesdits filaments; un commutateur à semi-conducteur couplé en parallèle avec ledit élément diélectrique non linéaire pour shunter ledit élément diélectrique non linéaire à une certaine phase de la tension d'alimentation; et des moyens de retard pour retarder graduellement la phase d'allumage dudit commutateur à semi-conducteur dans chaque cycle. Les objets qui précèdent ainsi que d'autres objets, caractéristiques et avantages attachés à la présente inven- tion seront mieux appréciés et mieux compris grâce à la description qui suit et aux dessins annexés dans lesquels la Fig 1 représente le diagramme d'un dispositif d'allumage de lampe à décharge d'après l'art antérieur; la Fig 2 représente la forme d'onde opérationnelle du dis- positif de la Fig 1; la Fig 3 est une courbe d'hystérésis entre la tension appliquée et la charge d'un élément diélectrique non linéaire; la Fig 4 est un diagramme du dispositif d'allumage de lam- pes à décharge conforme à la présente invention; la Fia 5 montre la forme d'onde opérationnelle du disposi- tif de la Fig 4; la Fig 6 est un autre diagramme de dispositif d'allumage de lampes à décharge conforme à la présente invention; la Fig 7 est encore un autre diagramme de dispositif d'allumage de lampes à décharge de la présente invention;et la Fig 8 est encore un autre diagramme de dispositif d'allumage de lampes à décharge de la présente invention. La Fig 4 est un diagramme de circuit d'un dispositif d'allumage de lampes à décharge conforme à la présente inven- tion Dans cette figure les mêmes numéros de référence que dans la Fig 1 désignent les mêmes composants que dans cette m 6621 dernière figure La caractéristique de la réalisation de la Fig 4 est que le commutateur à semi-conducteur 3 possède un circuit de temps ou de temporisation dans le circuit de porte du thyristor pour ajuster l'instant d'amorçage du thyristor 301 Ce circuit de temps comprend les résistances 303 e et 303 c, le condensateur 304 b et la diode 305 Les numé- ros de référence 303 e et 304 c sont respectivement une rdsis- tance et un condensateur Le numéro de référence 6 est un thyristor à deux bornes telles qu'un commutateur PNPN ou SSS (Commutateur Symétrique au Silicium) couplé en série avec l'élément diélectrique non linéaire 4 pour procurer un circuit de charge pour cet élément Le numéro de référence 7 est une résistance couplée en parallèle avec le thyristor 6 pour former un chemin de décharge pour l'élment diélectrique non linéaire 4. Maintenant le fonctionnement du circuit de la Fig 4 est décrit en relation avec les formes d'onde de la Fig 5. Dans la Fig 5 la courbe (a) montre la forme d'onde de la tension aux bornes de la lampe fluorescente 1, et la courbe (b) montre la forme d'onde de la tension aux bornes de i'élé- ment diélectrique non linéaire 4. En supposant que le commutateur d'alimentation (non représenté) soit basculé sur "ON" à la phase 01,1 le courant s'écoule dans le circuit de temps qui comprend la diode 305, la résistance 303 c, le condensateur 304 b et la r(sistance 303 d La tension d'alimentation est divisée seulement par les résistances 303 c et 303 d dans le premier étage juste après que le commutateur d'alimentation ait basculé sur "ON" car aucune charge n'est stockée dans le condensateur 304 b au premier étage La tension aux bornes de la résistance 303 d fait basculer sur "ON" le basculeur 302 à la phase e 1; puis, le thyristor 301 bascule sur "ON" Alors, le courant s'écoule entre les phases e 80 et e 1 à travers le ballast 2, le filament 101 a, le thyristor 301, et le filament 101 b pour Dré-chauffer les filaments A la phase e 2 quand le courant de pr&-chauffaae devient nul dans la demi-alternance négative de la tension d'alimentation, le thyristor 301 bascule sur "OFF" et la tension d'alimentation négative est appliquée à la lampe fluorescente 1 Cette tension aux bornes de la lampe fluores- cente 1 est divisée par la résistance 7 et l'élément diélec- trique non linéaire 4 La valeur de la résistance 7 est choisie de façon que la tension aux bornes de la résistance 7 soit plus élevée que la tension de seuil pour faire basculer sur "ON" le thyristor à deux bornes E; alors, le thyristor 6 bascule sur "ON" à la phase 83 et le courant de charge s'écoule dans l'élément diélectrique non linéaire 4. La tension positive V 13 aux bornes de l' 15-ément diélectrique non linéaire 4 jusqu'à ia phase 93 est la suivante. A la phase e 1 la tension V 11 aux bornes de la l fluorescente I est divisée -ar n'loment dinlectriue nor linéaire 4 et la résistance 7, et la tension divise est ap- pliquée aux bornes de I;Jéléent di lectrique non lir air 4, ll y a lieu de noter que la tension 1 Au= bonez ue La lampe fluorescente 1 et la tmlnsion divi:e 1 pl utot faibles car la phase e 1 dans laqueile le i'-; ri u 301 bascu- le sur "ON" est opetite il y a Rie de ni-,r ei' ovutre ae l'élément diélectrique non ll:n$ri re 4 ne préseene pas sa nature non linéair:e quand la tens ion so N,st faible, en particulier quand cett-e tenson est ' faibe -ue la tension de saturation 2 s, car a nature non in ai:e ou 'a nature d'hystdrésis de cet lé,2 let 1 rvi d: le podarila- tion interne du corps dieiectriv::e tn constlene r:-e si l'élément diélectrique 4 est chazqé a la phase G pa e courant de charge à travers 1 e tharistor 6 la tension de pointe V 211 aux bornes de l'é a diélectrigue est pl- tôt faible Ainsi il y a lieu de noter que la tenisicn de pointe dépend de la tension pr'cédente dans la direc- ion positive. A la seconde demi-alternance de la tension d'alimen- tation, le condensateur 304 b est charqé par le courlnt à travers la diode 305, les résistances 303 c et 303 d et la tension aux bornes de ce condensateur 304 b se trouve augmentée En conséquence, l'auamentation de la tension aux bornes de la résistance 303 d est retardée à cause de la tension de charge aux bornes du condensateur 304 d et ainsi la phase d'allumage e 4 dans la seconde demi-alternance est retardée par comparaison avec la phase d'allumage e 1 de la première demi-alternance En conséquence la tension V 11-2 aux bornes de la lampe fluorescente 1 à la phase e 4 est plus élevée que cette tension à la phase e 1 et ainsi la tension V 132 -aux bornes de l'élément diélectrique non-linéaire 4 à à la seconde demi-alternance est plus élevée que la tension V 131 à la première demi-alternance; et l'élément diélectri- que 4 présente une trace de nature non-linéaire Ainsi la tension de pointe V 21 2 à la seconde demi-alternance est plus élevée que la première tension de pointe V 21-1. En répétant le processus ci-dessus, la tension de pointe V 21 auqmente à chaque demi-alternance de la tension d'alimentation, et quand les filaments 10 la et 101 b sont suf- fisamment pré-chauffés et que la tension de pointe V 21 excède la tension d'amorçage de la lampe fluorescente 1, alors, cette lampe fluorescente 1 est allumée Quand la lampe fluores- cente 1 est allumée, la tension aux bornes de cette lampe se trouve diminuée à cause de la présence du ballast 2, et le thyristor 301 ne vient pas sur "ON" ainsi, la lampe 1 a-t-elle une brillance stable. La résistance 303 e dans la Fig 4 est prévue pour décharger le condensateur 304 b Cette résistance 303 e déchar- ge le condensateur 304 b quand l'interrupteur d'alimentation est "OFF" pour initialiser le circuit de temps en vue de la préparation de la prochaine opération lorsque l'interrup- teur d'alimentation sera de nouveau placé sur "ON" Le condensateur 304 e et la résistance 303 c opèrent comme un circuit de lissage pour absorber la composante du bruit au circuit de porte du thyristor 301. Comme décrit ci-dessus, conformément à la présente invention la tension de pointe V 21 aux bornes de la lampe fluorescente est faible juste quand l'interrupteur d'alimen- tation vient d'être placé sur "ON", et cette tension de pointe s'accroît graduellement à chaque demi-alternance de la ten- sion d'alimentation En conséquence, la tension de pointe avant que les filaments 101 a et 101 b ne soient suffisamment pré-chauffés est faible, et les filaments ne subissent pas de pulvérisation Ainsi, la durée de vie de la lampe fluores- cente est améliorée. Une réalisation numérique du circuit de la Fig 4 est maintenant décrite On a testé une lampe fluorescente de 40 watts avec le circuit de la Fig 4 qui comportait les composants indiqués dans le tableau 1 On a observé que la tension de pointe V 21 juste après que l'interrupteur d'alimen- tation ait été placé sur "ON", était de 600 volts, et que la lampe fluorescente s'allumait en 1,0 seconde quand la tension de pointe V 21 atteignait 900 volts L'opération d'amorçage de cette lampe fluorescente a été accomplie 10 000 fois A Drès des essais portant sur 10 000 amorçages on a mesuré la cquantité de l'lé 6- ment de radiation pulvérisé sur les filaments 101 a et 101 b, et on a trouvé que la quantité d'élément pulvérisé en 10 000 opéra- tions d'amorçage était approximativement seulement d'un tiers de sa valeur dans le circuit antérieur de la Fig 1. TABLEAU I - Composants Thyristor 301 Diode 305 Elément de bascule 302 Thyristor 6 Elément diélectrique non-linéaire 4 Résistance 7 Résistance 303 c Résistance 303 d Résistance 303 e Condensateur 304 b Condensateur 304 c Condensateur 5 Ballast 2 Spécification SCR 2 A, 1200 volts 0.5 A, 1200 volts Diac, tension de commutation 31 volts Commutateur PNPN, V = 250 volts VO Corps diélectrique: Groupe du titanate de Baryum Surface d'électrode 200 mm 2 Epaisseur 0,4 mm Tension de saturation 45 volts 22 kilo-ohms 330 kilo-ohms 220 kilo-ohms Mégohms 0,1 g F 0,0068 g F 0,006 g F 750 m-Henry (mesuré à lk Hz,1 V) La Fig 6 représente un circuit d'une autre réali- sation du dispositif d'éclairage de lampe à décharge conforme à la présente invention La caractéristique de la Fig 6 con- siste dans la présence d'une diode de Zener 8 couplée en série avec l'élément diélectrique non-linéaire 4 au lieu du thyristor 6 et de la résistance 7 de la Fig 4 Dans la réali- sation de la Fig 6, la tension positive aux bornes de l'élé- ment diélectrique non-linéaire 4, juste après que l'interrup- teur d'alimentation ait été placé sur "On" est V 13 = (V 11 VZ) O Vz est la tension de Zener de la diode 8 de Zener L'inter- rupteur à semi-conducteur 3 de la Fig 6 est semblable à celui de la Fig 4 et la phase d'amorçage est retardée à chaque demi- alternance et la tension positive V 11 aux bornes de la lampe en cours d'amorçage s'accroît à chaque demi-alternance En conséquence, la tension aux bornes de l'élément diélectrique non-linéaire 4 et la tension de pointe s'accroissent graduel- lement Par suite le circuit de la Fig 6 présente la proprié- té d'empêcher la pulvérisation du matériau de radiation hors les filaments. La Fig 7 représente encore une autre réalisation du dispositif d'allumage d'une lampe à décharge conforme à Ja présente invention La caractéristique de la réalisation de la Fig 7 consiste dans la présence d'une pluralité de diodes de Zener 9 et 10 couplées en série avec l'élément diélectrique non-linéaire 4 qui ont la polarité représentée sur la Fig 7. La tension de Zener des diodes de Zener connectées en série 9 et 10 est commandée par un second interrupteur à semi- conducteur 60 qui comprend un thyristor à 3 bornes 601, un élément basculeur 602 connecté au circuit de porte dudit thyristor 601, la diode 603, les résistances 704 a et 604 b et le condensateur 605 Le circuit série formé par la résistance 604 a et le condensateur 605 constitue un circuit de temps. La résistance 604 b est prévue pour décharger le condensateur 605 L'interrupteur à semi-conducteur 3 est le même que l'interrupteur 3 de la Fig 1. Dans la Fig 7, quand l'interrupteur d'alimentation (non représenté) est placé sur "ON", la tension aux bornes du condensateur 605 est presque nulle, et le thyristor 601 est dans l'état de repos En conséquence, la tension aux bornes de l'élément diélectrique non-lin 4 aire 4 est la diffé- rence entre la tension aux bornes de la lampe fluorescente 1 et la tension de Zener (Vz 9 + Vz 10) qui est la somme de la tension de Zener Vz 9 de la première diode de Zener 9 et de la tension de Zener Vz 10 de la seconde diode de Zener 10. En supposant que la tension totale de Zener (Vz 9 + V z 10) est approximativement égale à la tension d'alimentation V 11 (voir Fig 2) la tension V 13 aux bornes de l'élément diélec- trique non-linéaire 4 est alors presque nulle, et la tension de pointe V 21 est faible quand l'interrupteur d'alimentaticn est placé sur "ON". La tension aux bornes du condensateur 605 croit à chaque demi-alternance, et quand la tension aux bernes du condensateur 605 excède la tension de seuil de llélent basculeur 602, le thyristor 601 se mnet au travail Puis la diode de Zener 10 'est courtcircuitée par le lhyristor t 01, et la tension aux bornes de-l'élément diélectrique non- linéaire 4 s'accroit En conséquence, la tension de pointe devient suffisamment haute pour amorcer la lampe fluorescente 1 Par suite, dans la réalisation de la Fig 7, la tension de pointe, quand l'interrupteur d'alimentation est mis au travail, est faible et cette tension de pointe s'accroît graduellement; ainsi le matériau de radiation sur les filainents n'est pas pulvérisé. La Fig 8 est encore une autre réalisation du dispositif d'amorçage de lampe fluorescente conforme à la présente invention Dans cette figure le numé ro de référence 11 est un thermistor ayant un coefficient de température négatif (NTC), et 6 un thyristor à deux bornes Les autres composants de la Fig 8 sent les mêmes que ceux de la Fig 1. Dans la Fig 8 quand l'interrupteur d'alimenta- tion (non représenté) est mis au travail, la température du thermistor NTC 11 est faible et la résistance de celui-ci est élevée En conséquence, la tension aux bornes de l'élé- ment diélectrique non-linéaire 4 et la tension de pointe sont faibles Le thermistor NTC 11 est chauffé par le courant qui y circule dans chaque alternance Ainsi la résistance du ther- mistor NTC 11 décroît quand sa température s'accroît Par suite la tension aux bornes de l'élément diélectrique non- linéaire 4 et la tension de pointe s'accroissent graduelle- ment pour amorcer la lampe fluorescente 1. En conséquence, le circuit de la Fig 8 a la même propriété que ceux des réalisations précédentes des Figs 4, 6 et 7. Ainsi qu'il est décrit en détail ci-dessus le présent dispositif d'amorçage de lampe à décharge a un circuit de temps qui accroit graduellement la tension de pointe L'ac- croissement graduel de la tension de pointe est accompli en déplaçant la phase d'allumage du thyristor 301 et/ou en commu- tant une résistance couplée en série avec l'élément diélectri- que non-linéaire Ainsi le matériau de radiation sur les fila- ments n'est pas pulvérisé, et la durée de vie de la lampe est améliorée. De ce qui précède il apparaît clairement qu'un dispositif d'amorçage de lampe à décharge, nouveau et perfec- tionné a été trouvé Il y a lieu d'admettre bien entendu que les réalisations décrites l'ont été par voie de simple illus- tration sans aucune intention de limiter la portée de l'inven- tion On se référera aux revendications annexées plutôt qu'à la spécification pour délimiter la portée de l'invention. -12 REVENDICATIONS 1 Dispositif d'amorçage de lampes à décharge comprenant: - une lampe à décharge ( 1) ayant une paire de fila- ments ( 101 a,101 b) avec une alimentation à travers un ballast inductif ( 2); un élément diélectrique non-linéaire ( 4) couplé entre lesdits filaments; un interrupteur à semi-conducteur ( 3) couplé en parallèle avec ledit élément diélectrique non-linéaire; ledit interrupteur à semiconducteur se fermant à une certaine phase de la tension d'alimentation; caractérisé en ce que: il comprend des moyens de retard pour augmenter graduellement la tension positive aux bornes de l'élément diélectrique non-linéaire 2 Dispositif d'amorçage de lampes à décharge conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens d'augmenter graduellement la tension positive aux bornes de l'élément diélectrique non-linéaire cctrmrennert un circuit de temps dans ledit interrupteur à semi-conducteur, ledit circuit de temps repoussant, dans chaque demialternance de la tension d'alimentation la phase d'amorçage dudit inter- rupteur à semi-conducteur. 3 Dispositif d'amorçage de lampes à décharge conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'inter- rupteur à semi-conducteur ( 3) comprend un thyristor ( 301) dont le circuit-de porte est alimenté par la tension d'alimentation à travers le circuit de temps ( 303 c, 303 d, 304 b et 305). 4 Le dispositif d'amorçage de lampes à décharqe conforme à la revendication 3 caractérisé en ce que le circuit de temps comprend un circuit série ayant une résistance ( 303 b) et un condensateur ( 304 b), le point de con- nexion de la résistance et du condensateur étant couplé au circuit de porte ( 302) du thyristor ( 301). 5 Dispositif d'amorçage de lampes à décharge conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de retard comprennent une pluralité de diodes de Zener connectées en série ( 9, 10) couplées elles- mêmes en série avec ledit élément diélectri Que non-linéaire ( 4) la tension de Zener desdites diodes de Zener décroissant graduellement de façon que la tension aux bornes de l'élément diélectrique non-linéaire augmente-graduellement. 6 Dispositif d'amorçage de lampes à décharge conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de retard comprennent un circuit parallèle ayant un thermistor ( 11) à coefficient de température négatif et un thyristor ( 301), ledit circuit parallèle étant couplé en série avec l'élément diélectrique non-linéaire ( 4), de façon que la tension aux bornes dudit élément diélectriaue non- linéaire augmente graduellement quand la température dudit thermistor s'accroît et que sa résistance décroît.