Brevet FR2538949A1 — publié le 19840706

"Dispositif comportant un tube à décharge dans une vapeur métallique muni d'au moins deux électrodes intérieures". L'invention concerne un dispositif comportant, d'une part, un tube à décharge dans une vapeur métallique muni d'au moins deux électrodes intérieures et, d'autre part, un convertisseur de fré- quence servant à alimenter le tube à décharge en un courant alterna- tif à travers lesdites électrodes, l'intérieur du tube à décharge contenant du sodium et la fréquence de sortie du convertisseur dé fréquence étant de 6 k Hz au minimum. Un dispositif connu de ce genre est décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 824 1428 Dans ce dis- positif connu, la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence ne s'écarte que légèrement de ladite valeur de 6 k Hz. Un inconvénient de ce dispositif connu est que, s'il est équipé d'un tube à décharge dans la vapeur de sodium à basse pres- sion, l'efficacité lumineuse, exprimée en lumen par watt par exem- ple, de ce tube à décharge n'est en général pas plus grande qu'en présence d'une alimentation d'une fréquence de 50 à 60 Hz. L'invention vise à indiquer pour un dispositif du genre décrit dans le préambule la manière dont il est possible, lors de l'application d'un tube à décharge dans une vapeur de sodium à basse pression, d'obtenir une efficacité lumineuse relativement grande du tube à décharge. Un dispositif conforme à l'invention, comportant, d'une part, un tube à décharge dans une vapeur métallique muni d'au moins deux électrodes intérieures et, d'autre part, un convertisseur de fréquence servant à alimenter le tube à décharge en un courant alternatif à travers lesdites électrodes, l'intérieur du tube à décharge contenant du sodium et la fréquence de sortie du convertis- seur de fréquence étant de 6 k Hz au minimum, est remarquable en ce que le tube à décharge est un tube à décharge dans une vapeur de sodium à basse pression contenant un gaz rare, et en ce que la fré- quence de sortie du convertisseur de fréquence est d'au moins 80 k Hz. -2- Un avantage de ce dispositif est que l'efficacité lumineu- se du tube à décharge est très grande. Cela peut s'expliquer comme suit En première instance, on ne prend pas en considération le rendement du dispositif d'alimenta- tion, c'est-à-dire du convertisseur de fréquence Dans des expérien- ces effectuées par les inventeurs, l'augmentation de 6 k Hz à 30 k Hz environ de la fréquence d'alimentation d'une lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression, ne donnait pas une augmenta- tion de l'efficacité lumineuse à puissance constante de la lampe Au contraire, on a constaté une diminution de l'efficacité lumineuse à des fréquences comprises entre 10 et 30 k Hz Il s'avère qu'entre 30 k Hz et 80 k Hz environ se situe une gamme instable du point de vue du rendement Dans ce cas, dans les conditions du régime de fonctionne- ment, l'arc entre les électrodes du tube à décharge de la lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression, peut souvent être instable L'efficaéité lumineuse est alors tantôt grande tantôt faible. Ce n'est qu'à une fréquence encore plus élevée, à savoir une fréquence d'au moins 80 k Hz, qu'il se produit une situation sta- ble dans laquelle l'efficacité lumineuse est relativement grande. Les inventeurs ont constaté que, lors d'une augmentation supplémentaire de la fréquence d'alimentation de la lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression dans la gamme de fréquence au-dessus de 80 k Hz, l'efficacité lumineuse augmente d'abord pour rester ensuite à peu près constante. Il est à remarquer que l'invention repose sur l'idée de rompre la barrière de 30 k Hz environ lors de l'alim entation d'une lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression De plus, l'invention s'appuie sur l'idée d'indiquer une gamme de fré- quences située ai-dessus de cette valeur de 30 k Hz et dans laquel- le en régime continu l'efficacité lumineuse de la lampe à sodium est exempte de grandes variations temporaires En règle générale, cela implique que l'arc est stable. A ce sujet, il est à remarquer encore que dans le cas de l'alimentation en soi connue d'un autre type de tube à décharge à savoir un tube à décharge dans la vapeur de mercure à basse pres- -3- sion a une fréquence supérieure à 50 à 60 Hz, on obtient déjà un gain de rendement important à une fréquence d l'ordre de 20 k Hz. C'est un mérite des inventeurs que malgré ce fait et malgré les résultats décevants du point de vue de l'efficacité lumineuse de l'alimentation d'une lampe à sodium à basse pression à des fréquen- ces allant même jusqu'à 30 k Hz, ils ont pourtant franchi cette bar- rière. La fréquence de sortie du convertisseur de fréquence, c'est-à-dire la fréquence d'alimentation du tube à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression pourrait être de l'ordre de quel- ques M Hz par exemple. Dans un mode de réalisation préférentiel d'un dispositif conforme à l'invention, la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence est de 800 Ik Hz au maximum. Un avantage de ce dispositif est que, d'une part, lors de sa conception, on n'a pas besoin de tenir compte d'une limitation, dans la gamme M Hz, d'un rayonnement perturbateu R de la lampe et de celui du convertisseur de fréquence correspondant et que, d'autre part, à cette valeur de 800 k Hz, on a déjà atteint à maintes repri- ses la valeur élevée constan=e de l'efficacité lumineuse d'une lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression. Dans une variante de ce mode de réalisation préférentiel d'un dispesitif conforme à l'invention, le tube à décharge a une section transversale pratiquement circulaire dont le diamètre inté- rieur est situé dans l'intervalle compris entre 10 et 20 mm. Un avantage de cette variante est que, dans le cas d'une alimentation à des fréquences situées dans la plage de fréquences précitée de 80 k Hz à 800 k Hz, l'efficacité lumineuse est proportion- nellement beaucoup plus grande par rapport à celle obtenue dans le cas d'une alimentation à une fréquence comprise entre 50 et 60 Hz par exemple. Dans une lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression munie d'un tube à décharge dont le diamètre intérieur était inférieur-a 10 mm, ce gain proportionnel se trouvait être plus fai- ble En règle général, un diamètre intérieur de tube à décharge su- périeur à 20 mm conduit à une lampe à décharge dans la vapeur de -4- sodium à basse pression peu commode. Dans un autre mode de réalisation préférentiel d'un dispo- sitif conforme à l'invention, le tube à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression et le convertisseur de fréquence font partie de la même unité de lampe, le tube à décharge dans la vapeur de so- dium à basse pression étant entouré d'une couche transparente con- ductrice de l'électricité. Ce mode de réalisation préférentiel présente entre autres l'avantage que le tube à décharge peut être raccordé au convertis- seur de fréquence à l'aide de conducteurs électriques relativement courts Cela signifie que à la fréquence élevée de plus de 80 k Hz- l'auto-inductance de ces conducteurs n'a que peu d'influence sur l'alimentation du tube à décharge Un autre avantage de ce mode de réalisation préférentiel est que la couche transparente conductrice de l'électricité diminue un rayonnement perturbateur du champ électrique engendré dans le tube à déchprge De préférence, la cou- che conductrice est connectée, par exemple, à une électrode du tube à décharge. Ladite unité de lampe peut être munie, par exemple, d'un culot, à filet extérieur, qui s'adapte à une douille prévue pour une lampe à incandescence. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemples non limitatifs, permettra de mieux comprendre comment l'invention est-réalisée. La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif con- forme à l'invention, comportant un convertisseur de fréquence et, raccordé à celui-ci, un tube à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression. La figure 2 représente un circuit électrique du convertis- seur de fréquence de la figure 1. La figure 3 représente un second dispositif conforme à l'invention réalisé comme unité de lampe. Sur la figure 1, les références 1 et 2 indiquent des bor- nes d'entrée destinées à être branchées sur une source de tension alternative de 120 V, 60 Hz par exemple La borne 1 est raccordée à une borne d'entrée 3 d'un convertisseur de fréquence 4 La borne 2 -5- est raccordée à une borne d'entrée 5 du convertisseur de fréquence 4. Les références 6 et 7 indiquent des bornes de sortie du convertisseur de fréquence. La borne 6 est raccordée à une lampe 10 à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression La lampe 10 est représentée en vue en élévation, en coupe longitudinale partielle La borne 7 du convertisseur de fréquence 4 est également raccordée à la lampe 10. La lampe 10 est munie d'un tube à décharge 11 en U qui est entouré d'une ampoule extérieure 12 Cette ampoule extérieure 12 a la forme d'un cylindre à base circulaire La référence 13 représente un culot muni d'organes de raccordement électrique pour connecter la lampe au convertisseur de fréquence 4 La paroi intérieure de l'am- poule extérieure 12 est recouverte d'une couche 14 en oxyde d'indium qui est transparente à la lumière au sodium mais réfléchit le rayon- nement infrarouge Cette couche est indiquée par une ligne en traits interrompus L'épaisseur de couche est de l'ordre de 0,5 micron. A son extrémité qui est située à l'opposé du culot 13, l'ampoule extérieure 12 présente une pièce terminale hémisphérique 15 Aux extrémités du tube à décharge en U il se trouve respectivement une électrode 16 et une électrode 17 La référence 18 indique un organe servant à supporter le tube à décharge 11 par rapport à l'ampoule extérieure 12 La longueur de la lampe est de l'ordre de 20 cm Le diamètre extérieur de l'ampoule extérieure 12 est de l'ordre de 5 cm. Le diamètre intérieur de chacune des ailes du'tube à décharge 11 est de l'ordre de 1,5 cm Cela veut dire iue ce diamètre est situé dans l'intervalle compris entre 10 et 20 mm En plus d'un excès de so- dium, le tube à décharge contient un gaz rare, à savoir du néon avec une addition d'argon à 1 % La pression du gaz rare est de l'ordre de 1150 Pascals Pour l'essentiel, la lampe 10 correspond à celle dé- crite dans le brevet français No 2 369 678. Sur la figure 2, les références 3 et 5 indiquent à nouveau les bornes d'entrée du convertisseur de fréquence 4 De plus, les références 6 et 7 indiquent à nouveau les bornes de sortie de ce convertisseur de fréquence Le convertisseur est constitué par une partie courant alternatif courant continu suivi d'une partie cou- rant continu courant alternatif. -6- A cet effet, un pont de diodes ( 30, 31, 32 et 33) est rac- cordé aux bornes d'entrée 3 et 5 du convertisseur de fréquence Les bornes de sortie A et B du pont de diodes sont interconnectées à travers un condensateur 34 De plus, on a relié à la borne A un mon- tage série d'un condensateur 35, d'une diode 36 et d'un autre con- densateur 37 De plus, le condensateur 37 est relié à la borne B à travers une bobine 38 Le montage série de la diode 36 et du conden- sateur 37 est shunté par une diode Zener 39. A un point commun à la diode 36 et au condensateur 37 est raccordée une résistance 40 L'autre côté de cette résistance 40 est raccordé à la borne A à travers une résistance 41 Cette borne A est également raccordée à une prise centrale d'un enroulement primaire 42 d'un transformateur 43 Une extrémité de l'enroulement 42 est reliée au collecteur d'un transistor 44 Une seconde extrémité de l'enroulement 42 est reliée au collecteur d'un transistor 45 Les émetteurs des deux transistors 44 et 45 sont interconnectés et rac- cordés à la bobine 38. Le point commun aux résistances 40 et 41 est raccordé à la base du transistor 44 De plus, la base de ce transistor 44 est re- liée à la base du transistor 45 à travers un enroulement secondaire 46 d'un transformateur 43. L'enroulement primaire 42 est shunté par un condensateur 47. Finalement, le collecteur du transistor 44 est raccordé à la borne de sortie 6 à travers une bobine 48, alors que le collec- teur du transistor 45 est raccordé à la borne de sortie 7 à travers un condensateur 49. Dans un exemple de réalisation du dispositif décrit sur les figures 1 et 2, dans lequel la tension entre les bornes d'entrée et de l'ordre de 120 V, 60 Hz, la fréquence de sortie du convertis- seur de fréquence 4 est de l'ordre de 160 k Hz Dans ces conditions, la lampe 10 consomme 18 W environ Le flux lumineux est de l'ordre de 1980 lm Par conséquent, l'efficacité lumineuse est de l'ordre de lm/W. Dans une alimentation, non conforme à l'invention, de la même lampe à 60 Hz alimentation utilisant un autotransformateur de -7- dispersion et pour une puissance de la lampe 10 qui est également de 18 W, l'efficacité lumineuse de la lampe n'était que de 96 lm/W. Dans le dispositif décrit, conforme à l'invention, le ren- dement dit de système de la combinaison du convertisseur de fréquen- ce 4 et de la lampe 10 est de l'ordre de 90 lm/W. Le rendement de système de la combinaison comparable, non conforme à l'invention, la lampe 10 et l'autotransformateur de dis- persion étant alimentés de 60 Hz, n'est que de l'ordre de 55 lm/W. Dans l'exemple de la figure 1 et de la figure 2, les com- posants ont à peu près les valeurs suivantes: La résistance 40: 3,3 k O hms. La résistance 41: 33 k Ohms. Le condensateur 34: 22/u F Le condensateur 35: 150 p F Le condensateur 37: 15/u F Le condensateur 47: ln F Le condensateur 49: 100 n F La bobine 38: 6 m H La bobine 48: 0,8 m H. Dans le transformateur 43, chaque moitié de l'enroulement primaire a 80 enroulements environ L'enroulement secondaire 46 ne comporte qu'un seul enroulement. Dans le cas d'alimentations électriques de la lampe repré- sentée 10 (voir figure 1) en tensions alternatives ayant également des fréquences autres que la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence 4, on a trouvé pour l'efficacité lumineuse les valeurs inscrites sur le tableau Io La puissance de la lampe est toujours de 18 Watt (voir tableau I page 8). -8- TABLEAU I | Fréquence | Efficacité lumineuse | (k Hz) (lumen/watt) I | 100 j 106 I | 160 j 110 l | 200 | 115 I I 400 120 l I 700 j 121 l j 1000 j 121 l Le choix de l'exemple de réalisation de la figure 1 et de la figure 2 ( 160 k Hz) est également déterminé par les propriétés telles que le rendement du convertisseur de fréquence 4. Le tableau montre que, lors de l'augmentation de la fré- quence, l'efficacité lumineuse va d'abord en croissant pour rester ensuite pratiquement constante. Sur la figure 3 est illustrée en vue e élévation une uni- té de lampe munie d'un scond dispositif conforme à l'invention Sur la figure 3, la référence 62 indique une ampoule extérieure cylin- drique à base circulaire entourant un tube en U (non dessiné) à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression D'une manière analogue à celle de la lampe de la figure 1, la paroi intérieure de l'ampoule extérieure 62 est munie d'une couche d'oxyde d'indium 64. Cette couche est transparente aussi bien que conductrice de l'élec- tricité La couche 64 est connectée à une électrode du tube à décharge La transparence de la couche 64 concerne la lumière au sodium engendrée dans l'unité de lampe Le fait que la couche 64 est conductrice de l'électricité limite entre autres le rayonnement per- turbateur de l'unité de lampe. La structure du tube à décharge en U (non dessiné), ainsi que son atmosphère gazeuse, sont analogues à celles du tube à décharge 11 de la figure 1 Toutefois, dans le cas de la figure 3, la distance entre les électrodes est plus grande En effet, il s'a- git ici d'une lampe de l'ordre de 35 W. -9- La référence 65 indique un convertisseur de fréquence Un culot de l'unité de lampe est indiqué par la référence 66. Le diamètre de l'ampoule extérieure 62 est de l'ordre de 5 cm La longueur totale de l'unité de lampe est de l'ordre de 50 cm. Dans un exemple de réalisation, le culot 66 est placé dans une douille (non dessinée) et à travers celle-ci, il est alimenté en une tension alternative de l'ordre de 220 Vy, 50 Hz. La tension alternative est appliquée entre deux bornes d'entrée du convertisseur de fréquence 65, d'une manière analogue à celle utilisée pour le convertisseur de fréquence 4 de la figure 1. En l'occurrence, la fréquence de sortie du convertisseur est de l'ordre de 215 k Hz Ce convertisseur est quipé, par exem- ple, d'un demi-montage en pont Des bornes de sortie du convertis- seur de fréquence 65 sont raccordées à des électrodes intérieures du tube à décharge placé dans l'ampoule extérieure 62. Sur le tableau II, on a inscrit sur la ligne inférieure les résultats de la partie lampe de l'unité de lampe Sur la premié- re ligne sont inscrits, à titre comparatif, les résultats obtenus lors de l'alimentation de cette même partie lampe d'une manière autre que celle conforme à l'invention, à savoir une alimentation de la partie lampe à travers une bobine électrique en une tension alternative de l'ordre de 50 Hz, pour une même puissance de lampe de W. Tableau II j Fréquence | Lumen | Efficacité lumineuse | __(Hz) l l (lumen/watt) l | 50 | 5365 | 153 l | 215 K | 6130 | 175 l l l l l Il en ressort qu'en présence d'une alimentation dans une gamme spéciale de fréquence élevée, l'efficacité lumineuse de la lampe à sodium à basse pression peut être de 10 % plus élevée que - dans le cas d'alimentations connues basse fréquence de cette lampe. Du point de vue de l'économie d'énergie, cela constitue un grand avantage pour cette source lumineuse qui, sans cela, est déjà effi- cace. Il est imaginable que dans un dispositif conforme à l'in- vention, on utilise un tube à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression d'une puissance autre que celle du tube précité. Il est possible, par exemple, que le convertisseur de fré- quence alimente plus d'un tube à décharge Cela pourrait se produi- re, par exemple, dans le cas d'un appareil d'éclairage équipé d'au moins deux tubes à décharge. REVENDICATIONS 1 Dispositif comportant, d'une part, un tube à décharge dans une vapeur métallique muni d'au moins deux électrodes intérieures et, d'autre part, un convertisseur de fréquence servant à alimenter le tube à décharge en un courant alternatif à travers lesdites élec- trodes, l'intérieur du tube à décharge contenant du sodium et la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence étant de 6 k Hz au minimum, caractérisé en ce que le tube à décharge est un tube à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression contenant un gaz rare, et en ce que la fréquence de sortie du convertisseur de fré- quence est au moins de 80 k Hz. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de sortie du convertisseur de fréquence est de 800 k Hz au maximum. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube à décharge a une section transversale pratiquement circulai- re dont le diamètre intérieur est situé dans l'intervalle compris entre 10 et 20 mm. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le tube à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression et le convertisseur de fréquence font partie de la même unité de lampe, le tube à décharge dans la vapeur de so- dium à basse pression étant entouré d'une couche transparente con- ductrice de l'électricité.