Brevet FR2535124A1 — publié le 19840427

L'invention concerne un onduleur convenant parti- culièrement au fonctionnement des lampes à décharge et un transformateur du type à flux transversal que l'on peut ap- peler un transformateur à deux flux avec une configuration de noyau E-E pour utilisation avec l'onduleur. Les onduleurs statiques sont des dispositifs dans lesquels l'énergie électrique continue est convertie en énergie électrique alternative par des moyens statiques. Classiquement dans ces onduleurs, une source de courant con- tinu fournit un courant dans un dispositif semi-conducteur tel qu'un transistor de puissance relié en série avec l'en- roulement primaire d'un transformateur de puissance et génè- re un signal de sortie dans l'enroulement secondaire du transformateur lorsque le dispositif semi-conducteur est commuté Les onduleurs comportent des enroulements de com- mande qui sont reliés à une électrode de commande du dispo- sitif semi-conducteur pour effectuer la commutation Qn peut munir le noyau du transformateur d'ouvertures qui divisent le noyau en branches localisées Une branche est conçue pour se saturer tout d'abord et après saturation pour diminuer le signal de réaction et augmenter le signal de contre réaction appliqué au transistor par les enroulements de commande de manière à effectuer la commutation avec l'efficacité maxi- mum Ces agencements connus sous le nom de transformateur à flux transversal sont décrits dans les brevets des E U A N O 3.914 680 et 4 002 999. Le brevet des E U A N O 4 259 716, incorporé ici 2 - par référence, décrit un onduleur statique utilisant un transformateur à noyau ou de type U-U La configuration de transformateur décrite dans ce brevet, quelquefois appelée transformateur à deux flux, est très efficace et fournit une bonne forme d'onde dans la commande de base qui est appli- quée au transistor de puissance. On préfère utiliser un inducteur ou transformateur E-E ou du type cuirasse à un transformateur du type à noyau ou U-U comme ballast dans les luminaires ou lampadaires par- ce qu'il est plus efficace pour contenir le flux magnétique au noyau Les flux parasites produisent des courants de Fou- cault dans les enceintes métalliques des luminaires, ce qui augmente considérablement les pertes du ballast Le but de l'invention est d'obtenir les avantages d'un fonctionnement en deux flux dans une configuration de transformateur du ty- pe cuirasse ou E-E. Selon l'invention, on obtient un fonctionnement en deux flux dans une configuration E-E de noyau de transforma- teur au moyen de deux ouvertures dans le noyau, une dans la zone de la culasse au-dessus et l'autre dans la zone de la culasse au-dessous de la branche centrale Par culasse on désigne les parties du noyau qui relient la branche centrale aux branches latérales Ces emplacements sont facilement ac- cessibles bien que les enroulements principaux du transfor- mateur soient enroulés autour de la branche centrale, et évitent le déséquilibre qui résulterait d'emplacements si- tués latéralement. Dans un mode de réalisation recommandé, on réalise deux ouvertures pratiquement de même taille dans un noyau de ferrite sur l'axe principal de la branche centrale, une im- médiatement et l'autre immédiatement en-dessous de la ligne de jonction de la branche centrale avec les parties de cu- lasse On utilise le noyau du transformateur dans un ondu- leur comportant un oscillateur de relaxation servant au dé- clenchement d'un oscillateur principal de blocage qui génère 3 - le signal alternatif de sortie et les enroulements de com- mande de réaction pour les deux oscillateurs sont enfilés dans les deux ouvertures. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1 un diagramme schématique du circuit d'un onduleur statique et d'un ballast pour une lampe à décharge utilisant le transformateur à deux flux à noyau en E de l'invention; Figure 2 une vue du transformateur E-E de l'inven- tion avec certaines caractéristiques du circuit représentées schématiquement. En liaison avec la figure 1 le circuit schématique représente un convertisseur de courant continu en courant alternatif utilisant un transformateur à deux flux à noyau E-E pour convertir le courant électrique continu en courant alternatif à 25 khz pour faire fonctionner une lampe à dé- charge à haute intensité LU On obtient le courant continu à partir d'un courant alternatif 120 V, 60 hz par un pont re- dresseur classique B 1 et un condensateur électrolytique de stockage C 1 La tension continue aux bornes du condensa- teur de stockage sera désignée par Vcc (tension collecteur vers commun) On utilise ici le signe classique indiquant la masse pour représenter seulement le commun d'un circuit. L'onduleur particulier utilise un oscillateur d'amorçage comprenant un transistor de signal Q 1 relié à un circuit d'oscillateur de relaxation, et un oscillateur principal comportant un transistor de puissance Q 2 relié à un circuit d'oscillateur de blocage On envoie le signal de sortie à 25 khz de l'oscillateur de blocage à-la lampe LU par un ballast qui a la forme d'une réactance inductive en série Li. A titre d'exemple la lampe LU peut être une lampe à vapeur de sodium, à pression élevée, de 100 W ayant une chute d'arc en fonctionnement d'environ 55 volts Une telle 2535124 - 4 - lampe nécessite des impulsions haute tension pour s'amorcer et ces dernières sont engendrées par le circuit d'amorçage comprenant le condensateur C 6, le sidac Si, la résistan- ce R 6 et la diode D 2 Le condensateur C 6 est chargé lentement par R 6 et D 2 et se décharge soudainement via quelques spires à la borne de sortie de L 1 lors de la rup- ture du sidac (ou un commutateur sensible à la tension équi- valent) Pendant la décharge L 1 agit comme un transforma- teur d'impulsions fournissant 3000 v ou plus aux bornes de la lampe pour l'amorcer Le circuit se met au repos après l'amorçage de la lampe parce que la chute de tension à ses bornes n'est pas suffisante pour provoquer la rupture du sidac Le brevet des E U A N O 3 963 958 décrit de tels cir- cuits d'amorçage. Les deux oscillateurs de l'onduleur utilisent des enroulements de commande du nouveau transformateur 10 repré- senté figure 2 C'est un transformateur cuirasse comprenant deux noyaux de ferrite en forme d'E en vis-à-vis L'enroule- ment principal N 6 est enroulé autour de la branche centra- le 11 du noyau A titre d'exemple convenant pour la lampe citée ci-dessus, les dimensions extérieures du noyau sont de 0,8 cm x 0,8 cm x 1,27 cm et l'enroulement principal N 6 a 112 spires avec une prise pour envoyer un signal de sortie vers L 1 située à 60 spires à partir du commun Selon l'inven- tion on réalise deux ouvertures A 1 et A 2 sur l'axe prin- cipal de la branche centrale Elles sont situées dans les parties supérieure et inférieure de la culasse du noyau qui relient la branche centrale aux branches latérales 12, 13. Les enroulements de commande N 1 à N 4 sont enfilés dans ou enroulés à travers les ouvertures A 1, A 2 On enroule autour de la branche latérale 12 du noyau l'enroulement de commande N 5. En fonctionnement, la tension Vcc aux bornes de C 1 fournit un courant qui charge le condensateur C 3 via la résistance R, et en même temps charge le condensateur -5- C 2 via le trajet Rl, R 2, C 2, Nl' N 2, R 3Lors- que la tension sur C 2 est suffisante pour amorcer le tran- sistor Q 1 (Vc 2 = tension de raccord de Q 1 j) le courant circule à partir de C 3 (et une faible quantité à partir de Vcc via R 1) dans Q 1 du collecteur vers l'émetteur, et ensuite dans l'enroulement N 2 et dans R 3 vers le commun du circuit Le courant dans N 2 produit un flux Xc qui entoure chaque ouverture Ce flux induit un courant dans l'enroulement N 1 qui renforce la tension déjà présente sur C 2, provoquant la saturation de Ql et la décharge rapide de C 3 dans l'enroulement N 2, produisant un courant substantiel dans ce processus Ce courant transitoire est à son tour relié à l'enroulement N 3, qui est relié à la base du transistor Q 2 de manière à déclencher l'amorçage de ce transistor. Le déclenchement de l'amorçage du transistor Q 2 permet au courant provenant de Vcc de commencer à circuler du collecteur vers l'émetteur dans le transistor et après dans les enroulements N 4 et N 6 On renvoie le courant dans N 4 comme courant de base via l'enroulement N 3 ce qui a pour résultat une saturation très rapide du transistor Q 2 On améliore la rapidité de saturation de Q 2 par la tension induite dans l'enroulement N 5 comme résultat de la circulation de courant dans l'enroulement principal N 6 t ce qui a pour résultat que le courant dans R 5 renforce le courant circulant de N 3 vers la base de Q 2. Après que le transistor de puissance Q 2 se soit saturé, le courant augmente linéairement dans l'enroulement principal N 6 et le flux fm dans le noyau principal aug- mente de même linéairement Le courant augmente aussi li- néairement dans N 3 et N 4 de sorte que le flux oc en- tourant les ouvertures A 1 et A 2 et qui est initialement transversal au flux principal augmente aussi linéairement. Pendant ce temps le transistor Q 1 demeure saturé par le courant induit dans N 1 par N 4 * Comme le courant dans 6- N 4 et N 6 continue d'augmenter en même temps que la gran- deur de leurs flux associés dcc et O m' à la fin les zones à droite de l'ouverture A 1 et à gauche de l'ouverture A 2 commenceront à se saturer Ces zones sont indiquées par des ombres en 14 et 15 figure 2 Ceci a lieu parce que les flux 0 m et PC s'ajoutent sur le côté droit de l'ouverture A 1 et sur le côté gauche de l'ouverture A 2 mais se sous- trayent sur le côté gauche de l'ouverture A 1 et le côté droit de l'ouverture A 2 Puisque ces zones ombrées repré- sentent des régions dans le circuit magnétique o la densité du flux augmente à une vitesse plus élevée que dans le reste du circuit magnétique et puisque la section droite du noyau dans ces zones est limitée, la saturation magnétique aura lieu dans ces zones avant que d'autres régions puissent se saturer. Lorsque les zones ombrées commencent à se saturer, le couplage entre N 4 et N 3 diminue graduellement tout d'abord et ensuite chute rapidement vers zéro, réduisant ainsi puis éliminant le signal de réaction de N 4 vers N 3 Cependant le courant de collecteur continue de circu- ler dans le transistor QZ du fait de la présence de por- teurs minoritaires de chaque côté de la jonction base-émet- teur Puisque la saturation empêche maintenant tout accrois- sement supplémentaire du flux dans les zones ombrées à côté de chaque ouverture, le flux principal t est forcé de s'écouler en diagonale vers le haut de la branche centrale en pénétrant à droite de l'ouverture inférieure A 2 et en sortant à gauche de l'ouverture supérieure A 1 Le résultat de la déviation du flux est que maintenant le flux coupe le plan de l'enroulement de réaction N 3 de manière à faire sortir un courant négatif ou inverse de la base de Q 2 ' ce qui provoque un blocage très rapide du transistor Q 2. L'intervalle entre l'instant o le transistor de puissance Q 2 est bloqué et l'instant o il est amorcé à nouveau peut être désigné comme la phase ou période de re- 7- tour Le courant qui s'écoulait dans l'inductance formée par N 6 et le noyau (LN 6) s'écoule maintenant dans la borne inférieure de C 4, c'est-à-dire qu'il charge C 4 négative- ment par rapport au commun du circuit L'inductance LN 6 en parallèle avec C 4 forme un circuit résonnant et lorsque l'énergie emmagasinée initialement dans LN 6 a été entière- ment transmise à C 4 sous forme de charge négative (moins les pertes), la circulation du courant s'inverse de manière oscillatoire et commence de charger C 4 positivement. Pendant le temps o le transistor de puissance Q est saturé, le courant est tiré par la charge, c'est-à-dire par la lampe à décharge LU via l'inducteur L du ballast; ce courant sert en partie à emmagasiner de l'énergie dans L 1 et en partie à maintenir l'arc dans la lampe créant lumière et chaleur Lorsque la tension aux bor- nes de LN 6 devient négative, l'énergie emmagasinée dans L 1 doit être renvoyée au condensateur Ci avant que l'in- version du courant puisse avoir lieu dans la charge après le blocage du transistor Lorsque le transistor de puissance Q 2 est bloqué et que le circuit se trouve dans la période de retour, l'énergie pour faire fonctionner la lampe à dé- charge provient du circuit résonnant composé de l'inducteur LN 6 et du condensateur C Juste avant la fin de la pé- riode de retour, de l'énergie est emmagasinée à la fois dans LN 6 et L Il Au moment o la tension aux bornes de C 4 atteint une valeur égale à Vcc plus la chute de tension directe de Dl, la diode Dl commence à conduire, évacuant l'énergie stockée dans L 1 et LN 6 sous la forme d'un courant de re- tour au condensateur C 1 Lorsqu'on a évacué suffisamment d'énergie pour que la tension aux -bornes de C 4 ne puisse plus longtemps être maintenue au niveau de Vcc + une chute de tension de diode, alors C 4 commence à se décharger en retour, par LN 6, vers le commun du circuit Ce courant de décharge crée un flux dans le noyau principal qui induit une -8- tension aux bornes de l'enroulement N 5 dans un sens qui fournit un signal de base de réaction au transistor Q 2 et l'amorce L'amorçage de Q 2 est renforcé comme auparavant par le courant induit dans l'enroulement N 3 par le courant circulant via le transistor Q 2 et les enroulements N 4 et N 6 vers le commun et la saturation a lieu à nouveau Le courant dans N 4 amorce aussi le transistor Q 1 au moyen d'une réaction de courant vers l'enroulement Nl, déchar- geant toute tension apparaissant sur C 3 Le courant agit maintenant pour s'accroître linéairement dans N 6 et le cy- cle se répète. Bien que l'on ait décrit l'invention en se réfé- rant à un mode de réalisation particulier utilisant l'induc- teur dans le circuit onduleur recommandé, il est clair qu'il est aussi applicable à d'autres configurations d'inducteur et que l'on peut y apporter de nombreuses modifications sans sortir du domaine de l'invention. 99- REVENDICATIONS 1 Transformateur pour fonctionnement à deux flux caractérisé en ce qu'il comprend: un noyau en un matériau magnétique à flux prati- quement linéaire, du' type cuirasse à configuration E-E ayant une branche d'enroulement centrale et deux branches la- térales ( 12, 13) reliées à celle-ci par deux parties de cu- lasse; deux ouvertures (A 1, A 2) traversant trans- versalement les parties de culasse du noyau, l'une (A 1) au dessus et l'autre (A 2) en dessous de la branche d'enroule- ment centrale; un enroulement principal (N 6) entourant la branche centrale pour engendrer un flux ( O m) dans le noyau lorsqu'on y fait passer du courant; et des enroulements de commande enfilés dans les ouvertures (A 1, A 2) en boucles autour de la branche cen- trale ( 11) pour engendrer ou répondre à une composante transversale du flux, cette composante transversale provo- quant la déviation du flux principal (#m) dans la branche centrale ( 11) vers l'un ou l'autre de deux trajets diagonaux dans lesquels des régions du noyau sur l'un ou l'autre côté des ouvertures (A 1, A 2 >se saturent avant la partie principale du noyau. 2 Transformateur selon la revendication 1 carac- térisé en ce que les ouvertures (A 1, A 2) ont pratique- ment la même taille et sont situées pratiquement sur l'axe principal de la branche centrale ( 11). 3 Onduleur caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison avec le transformateur de la revendication 1: un dispositif de commutation électronique pour appliquer périodiquement une tension continue aux bornes de l'enroulement principal (N 6)> une paire d'enroulements de commande (N 3, N 4) enfilés dans les ouvertures (A 1,A 2) et fournis- - sant une réaction de la sortie vers l'entrée du dispositif de commutation par suite de la liaison par le flux transver- sal dans ce noyau; et un enroulement de commande (N 5) fournissant une réaction de la sortie à l'entrée du dispositif de commuta- tion par suite de la liaison par le flux principal dans le noyau. 4 Onduleur selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif de commutation est un transistor de puissance (Q 2 > et que l'enroulement principal (N 6) est pris en parallèle avec un condensateur (C 4 > pour former un circuit oscillateur de bloquage. Onduleur selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend en plus un oscillateur à relaxation comportant un transistor de signal (Q 1 >, deux autres en- roulements de commande enfilés dans les ouvertures et four- nissant une réaction de la sortie vers l'entrée du transis- tor de signal en tant que résultat de la liaison par le flux transversal, ces deux autres enroulements de commande (N 1, N 2) réalisant une liaison avec les deux premiers enroule- ments de commande (N 3, N 4) pour enclancher l'amorçage du transistor de puissance (Q 2 >. 6 Ballast pour faire fonctionner une lampe à dé- charge caractérisé en ce qu'il comprend un onduleur selon la revendication 5 et un enroulement L 1 pour un raccordement en série avec la lampe (LU) aux bornes d'une partie de l'en- roulement principal (N 6).