Brevet FR2585208A1 — publié le 19870123

La présente invention se rapporte à une source de courant alternatif à découpage pour alimenter des lampes à décharges de haute puissance, notamment des lampes au sodium basse et haute pression, au mercure, à iodures, etc ... Ces lampes fonctionnent selon des modes d'ionisation différents, les unes selon un régime équivalent à la luminescence pendant leur periode d'échauffement (sodium hasse pression), dans ce cas, la résistance présentée par la lampe décroît lorsque sa température augnente ; les autres lampes sodium haute pression, mercure et iodure), selon un régime de décharge établi, et dans ce cas, la résistance présentée par la lampe crott d'une valeur tres faible a une valeur nominale en général peu élevée, en fonction de la température du brûleur. De ce fait, on peut être tenté de concevoir des moyens d'alimentation spécifiques à chaque type de lampe, mais dans ce cas, le coût industriel de realisation devient très élevé. Dans tous les cas, les moyens électroniques d'alimentation sont plus couteux que les dispositifs électromagnétiques classiques. Il est donc indispensable que les dits moyens électroniques apportent des avantages complementaires justifiant leur surcout Parmi ces avantages supplémentaires, on peut citer la réduction du poids et de l'encombrement, la suppression du cosinus PHI, lequel penali3e les réseaux de 1'E.D.FJ dans le cas des alimentations éleTtromagnétiques classiques, la honne adsptabilité å une commande extérieure, pour laquelle on peut prendre par exemple la modulation de la puissance en fonction de l'heure de la nuit, de la saison, des besoins locaux dûs à la frequentation des lieux à éclairer, etc ..., et enfin, une maintenance facile et un bon rendement énergétique. Les techniques classiques proposent un dispositif électromagnétique simple, constitué du réseau d'alimentation alternatif classique à 50 Hz, de la lampe, d'une auto-inductance de limitation du courant dans la lampe et d'un condensateur d'ajustement du cosinus PHI représentant le dephasage provoqué par 1'auto-inductance entre le courant circulant dans la lampe et la tension du réseau d'alimentation. Ce dispositif est peu coûteux, mais présente les inconvénients d'encombrement, de poids élevé et de fragilité du condensateur. Enfin, un élément important et contraignant du cahier des charges d'une alimentation électronique consiste à délivrer un courant alternatif afin de respecter la condition d'usure symétrique des électrodes de la lampe. La présente invention a pour but de réaliser une source de courant alternatif à découpage à bon rendement énergétique, dont le schéms est compatible avec le fonctionnement de tous les types de lampes existants. L'invention consiste en une source de courant alternatif à découpage pour alimenter une lampe à décharge, branchez sur une source de tension continue, dont la structure est un filtre actif du troisième ordre caractérisé par le fait qu'il comporte un transformateur symétrique muni de trois bobinages dont le premier dit de magnétisstion à son point milieu directement relié au potentiel actif de ladite source de tension continue dont le deuxième est dit de démagnétisation et dont le troisième dit secondaire est branché aux bornes de la lampe, lequel secondaire présente un couplage magnétique partiel avec les deux autres bobinages, un condensateur branché aux extrêmités du premier bobinage, deux interrupteurs branchés chacun d'une part à une extrêmité dudit premier bobinage et d'autre part au potentiel de référence de la source, deux circuits d'analyse des tensions disponibles aux extrémités dudit premier bobinage, deux diodes reliant les extrêmités du deuxième bobinage a' l'un des potentiels de la source alors que point milieu desdits bobinages est relié å l'autre potentiel de la source, une boucle de rétro-action composée desdits circuits et de moyens de calcul des commutation desdits interrupteurs. L'invention va maintenant hêtre décrite avec plus de détaila en se référant à un mode de rhlisation donné å titre d'exemple et représenté par les dessins annexes sur lesquels - La figure 1 est un schéma de la source selon l'invention. - La figure 2 est diagramme de représentation des signaux caractérisant le fonctionnement de la source selon l'invention. - La figure 3 est un diagramme de représentation des signaux de gestion des commutations nécessaires au bon fonctionnement de la source. La source de courant à découpage est branchée sur une source de courant continu. Elle comporte un transformateur symétrique 10 à fuites magnétiques muni de trois bobinages, le premier bobinage 111 et 112 dit de magnétisation dont le point milieu 180 est directement relié au potentiel actif 182 de la source 13, le deuxième bobinage 113 et 114 dit de démagnétisation dont le point milieu 181 est relié au potentiel de référence 170 de la source 13, le troisième bobinage 115 dit secondaire branché aux bornes de la lampe 118 à alimenter, lequel secondaire, présente un couplage magnétique partiel avec les deux autres bobinages il 1-112 et 113-114.La source de courant alternatif comporte aussi les éléments suivants : un condensateur 14 branché aux deux extrémités du bobinage 111-112, deux interrupteurs 15 et 16 branchés chacun, d'une part à une extrémité des bobinages 111-112 et d'autre part au potentiel de référence 170 de la source 13, deux circuits 131 et 132 d'analyse des tensions disponibles aux extrémités des bobinages 111-112, un circuit 19 de traitement des signaux électriques délivrés par les circuits 131 et 132 à travers les connections 141, 142, 145 et 151, 152, 155, deux diodes 17 et 18 reliant les extrémités des bobinages 113 et 114 au potentiel actif 182 de la source 13. L'ensemble constitue un filtre actif du troisième ordre dont le fonctionnement électro-magnétique est exclusivement transitoire, dont la boucle de rétro-action est constituée par les circuits 131, 132, et 19, dont le transfert direct d'énergie, depuis la source 13 jusqu'a' la lampe à décharge 118, est assuré par les interrupteurs 15 et 16 et le transformateur 10. La récupération partielle de l'énergie magnétisante est assurée par les bobinages 113/114 et les diodes 17 et 18. Selon ce mode de réalisation, on relève les deux principes de fonctionnement suivants - On établit une circulation de puissance par récupération non dissipatrice des énergies de commutation. Le condensateur 14 joue le double rôle qui consiste à récupérer d'une part l'rwrgie emmagasinée par les inductances de fuite des bobinages 111-112 et 113-114 et à réduire d'autre part dans de très fortes proportions la croissance de la tension aux bornes des interrupteurs 15 et 16, afin de protéger ceux-ci. - La commutation des bobinages 111 et 112 devant être alternative et symétrique, doit être asservie à la phase du flux magnétique induit dans le matériau magnétique du transformateur 10. Nous appellerons l'instant critique de cette commutation, le "flux zéro" noté FO sur la Fig. 2 ; il est en effet nécessaire que les interrupteurs 15 et 16 de commutation se ferment alternativement au moment précis où le dit flux magnétique F passe par la valeur nulle FO, afin de limiter les surintensités IA de la fig. 3 dans 15 ou 16 au moment de la mise en conduction du primaire 111/112 du transformateur 10.Le bobinage 111/112 du transformateur 10 et le condensateur 14 de circulation de puissance préalablement chargés par la fermeture de l'un ou l'autre interrupteur 15 ou 16, constituent un circuit oscillant parallèle qui cède l'énergie emmagasinée simultanément à la lampe 118, par l'intermédiaire du bobinage 115 et à la source 13, par l'intermédiaire du bobinage 113/114 et des diodes 17 et 18. Afin de terminer la description de la figure 1, nous noterons que le circuit 132 est constitué d'un comparateur 127 dont une entrée, + dans le cas de la figure, est reliée au point commun du condensateur 125 et de la diode 124, dont l'autre entrée est relies' au point commun de la diode 124, des résistances 122 et 120 et de la résistance de polarisation et d'antiparasitage 123, dont la sortie 142 transmet au circuit logique 19 une impulsion de détection analysant la tension disponible sur la connection 143, laquelle tension 143 reflète l'image du flux magnétique circulant dans le transformateur, dans le but de détecter le passage par la valeur nulle dudit flux magnétique, en délivrant un signal électrique calibré sur la connection 142 au circuit 19.Le circuit 132 comporte aussi un comparateur 129 dont une entrée, - dans le cas de la figure, est connectée à une source 128 de tension de référence, dont l'autre entrée est connectée au point commun du pont des résistances 120 et 121, sont la sortie 141 transmet au circuit logique 19 une impulsion représentant le passage a' la valeur nulle du potentiel 143, lequel potentiel, lorsqu'il ne prend pas la valeur nulle, reflète une anomalie de fonctionnement du filtre du troisième ordre et crée une perturbation sur la sortie 141 interprétée par le circuit logique 19 comme une interdiction de fermeture des interrupteurs 15 et 16 provoquant l'arre't complet du fonctionnement de la source de courant alternatif. Notons que le circuit 131 est identique au circuit 132 et joute de ce fait un rôle identique. Les figures 2 et 3 illustrent le fonctionnement de la source du courant. En abscisse, on a représenté le temps T. En ordonnée, on trouve 19 lignes représentant respectivement les signaux suivants Ligne 21 Impulsions T De l'horloge synchronisée générant le temps de conduction des interrupteurs 15 ou 16. Ligne 22 Impulsions hi 2 e gales en temps à T D, mais spécialisees dans la fermeture d'un des deux interrupteurs, 16 par exemple. Ligne 23 Impulsions 111 W 1 égales en temps e' T D mais spécialisées dans la fermeture de l'autre interrupteur, 15, par exemple. Ligne 24 Representation des variations de flux magnétique F dans le matériau de transformateur 10 où FM représente la valeur maximale atteinte par F au bout du temps de conduction T D, F g représentant la valeur nulle du flux pendant les variations transitoires. Ligne 25 Représentation de ltévolution de la tension U 5 observée à l'une ou l'autre des extrémités des bobinages 111 et 112. Ligne 26 Représentation du courant I qui traverse l'un et/ou l'autre des interrupteurs 15 ou 16. Ligne 31 Impulsion D 1 d'initialisation des registres A, C et C des circuits 19 au moment de la mise sous tension. Ligne 32 Impulsion D 2 engendrant le démarrage de la source de courant. Ligne 33 Impulsion T D identique à la ligne 21. Ligne 34 Représentation de l'évolution de la tension 1; C 1 observée à l'une ou l'autre des extrémités du bobinage 111, correspondant a' l'interrupteur 15 par exemple. Ligne 35 Représentation de llévolution de la tension U C 2 observée à l'autre extrémité du bobinage de magnétisation 112 et correspondant a' l'autre interrupteur 16 par exemple. Ligne 36 Représentation de l'impulsion M 2 de détection du flux de valeur nulle F n délivrée par le comparateur 127 sur la connection 142. Ligne 37 Représentation de l'impulsion M I de détection de la décroissance des tensions U C 1 ou U C 2 apyres l'ouverture des interrupteurs 15 ou 16. Ligne 38 Représentation de l'état du contenu R 1 du registre A de détection d'anomalie de fonctionnement de la source de courant. Ligne 39 Représentation de l'état du contenu R 2 du registre U dont le passage a' zéro déclenche simultanément la fermeture de l'interrupteur suivant et la synchronisation du générateur d'impulsions T D. Ligne 300 Représentation des impulsions S des impulsions T D après traitement de synchronisation. Ces impulsions représentent L'état du registre C dont le front de montée déclenche le changement d'état de la bascule d'aiguillage D A de distribution des ordres de fermeture de 15 ou 16. Ligne 301 Représentation de l'état de la bascule D A de distribution des ordres de fermeture des interrupteurs 15 ou 16. Ligne 302 Impulsions hi 2 identiques à celles de la ligne 22. Ligne 303 Impulsions W 1 identiques à celles de la ligne 23. Le fonctionnement de la source de courant alternatif est illustré par les figures 2 et 3. A la mise sous tension, la tension U apparaît entre les points 170 et 180, le circuit 19 attend que la tension U ait atteint sa valeur nominale avant de fermer l'un ou l'autre des interrupteurs 15 ou 16. Pendant cette période d'attente, 19 génère l'impulsion D 1 qui positionne convenablement les registres de contrôle A, 8 et C. Après cette courte période de temps, une impulsion D 2 donne l'ordre de fermeture du premier interrupteur. Nous considérerons que le premier interrupteur fermé est 16 par exemple. L'ordre de fermeture étant donné par W 2 à travers la connection 160, D 2 déclenche un générateur d'impulsions TD représentant l'ordre de fermeture de 16. A ce moment précis, comme il faut charger préalablement brutalement le condensateur 14, une forte intensité I M (ligne 26) peut-être observée après laquelle, le courant I croît linéairement, car le transformateur à fuites magnétiques 10 se compose d'un transformateur parfait 119 et d'un système 100 de Self-inductances dont l'une 116 est branchée en parallèle et l'autre 117 en série avec la lampe à décharge 118. L'inductance 116 contient l'énergie magnétisante du transformateur 10, et 117 limite la croissance du courant dans la lampe 118. Pendant le temps T 1 d'application de T D, la tension U C 2 a pour valeur la tension de déchet de l'interrupteur 15, alors que la tension U C 1 a pour valeur 2 U, puisque le primaire Il 1/112 est symétrique. Pendant le tempe T 1, le flux magnétique F crott linéairement selon 241 (ligne 24) jusqu'à la valeur + FM. On constate aussi que l'impulsion D 2 ouvre le registre C (ligne 300) qui contient le temps d'ouverture T 1.Lorsque l'ordre d'ouverture de S6 est envoyé par 19 travers 160, les tensions U C 1 et U C 2 s'inversent selon un taux de variation contrôlé par le condensateur 14 et se trouvent limitées par l'effet des enroulements 113/114 et les diodes 17 et 18 L'ouverture de 16 sur le front de montée de T D déclenche aussi l'ouverture du registre A d'anomalie (ligne 38, niveau logique 1). Pendant cette phase de variation, le circuit-132 génère une impulsion de type 371 (ligne 37) délivrée par le comparateur 129 à travers 141 au circuit 19. L'impulsion 371 n'existe que si U C 1 décrort effectivement Jusqu'à la valeur nulle et referme le registre A, lequel registre interdirait toute nouvelle fermeture d'interrupteur s'il n'était pas remis au niveau logique D. De meme, le front de montée de T D referme le registre C par passage de S au niveau logique d (ligne 300). Toutes ces opérations terminées, le flux F décrott depuis la valeur + FM jusqu'à la valeur F û, au-delà de laquelle on observe une décroissance 252 des potentiels U C 1 et U C 2 aux bomes des bobinages primaires 111-112 (ligne 25).Le circuit 132 détecte la variation-de potentiel 252 à travers le détecteur de crête représenté par le comparatear 127 qui délivre sur 142 une impulsion 361 (ligne 36) dont le rôle consiste à ouvrir les registres 5 par passage à O de R2 et le registre C par passage à 1 de S, lequel registre C fait basculer DA (ligne 301) de façon à aiguiller W1 par anticipation sur l'interrupteur 15 pendant le temps T 2, l'impulsion W 1 débutant avant l'impulsion T D, la synchronisation du générateur d'impulsion T D exigeant un temps de réponse non négligeable. Sur l'ordre de fermeture 361, comme le condensateur 14 s'est faiblement déchargé d'une valeur de tension due à la variation 252, on observe une faible surintensité IA correspondant la recharge de 14 à la valeur 2 U.Cette surintensité reste faible, si le temps de réponse des circuits 132 et 19 est faible. Après quoi, l'intensité dans l'interrupteur 15 crott linéairement pour remagnétiser le transformateur 10 et realimenter la lampe 118, et le flux continue à décroître de la valeur nulle à la valeur - FM. Les potentiels U C 1 et U C 2 qui, avant fermeture de 15, avaient respectivement les valeurs O et 2 U, les conservent pendant la phase de conduction T 2. Après l'ordre dsouverture de 15, on observe que - Les tensions U C 1 et U C 2 s'inversent selon une variation contrôlée par le condensateur 14. - Le comparateur 129 génère une impulsion 371 qui vient refermer le registre A (ligne 38). - Le front de montée T D referme le registre B (ligne 39) par passage a' 1 de R 2. - Le front de montea T D ouvre le registre A (ligne 38) par passage à O de R 1. Après ouverture de 15, le flux F se remet a' crotte depuis la valeur - FM jusqu'a la valeur nulle FO pour laquelle le circuit de détection de crête 131 détectant une variation de tension de type 252, génère une nouvelle impulsion 361 qui ouvre de nouveau les registres C et B déclenchant respectivement le basculement de la bascule d'aiguillage DA et la fermeture de l'interrupteur 16. Le raisonnement valable pour l'interrupteur 15 s'applique point par point à l'interrupteur 16 en prenant à chaque fois les éléments symétriques de la figure 1. Nous observons simplement que le courant qui traverse la lampe 118 a la même allure que celle du flux F, l'intensité maximale etant réglée par les valeurs de U, 117, et T 1 ou T 2. REVENDICATIONS 1) Source de courant alternatif à décaupage pour alimenter une lampe à décharge (118), branchée sur une source de tension continue (13), dont la structure est un filtre actif du troisième ordre caractérisé par le fait qu'il comporte un transformateur (10) symétrique muni de trois bobinages dont le premier (111 et 112) dit de magnétisation a son point milieu (180) directement relié au potentiel actif (182) de ladite source (13) de tension continue dont le deuxième (113 et 114) est dit de démagnétisation et dont le troisième (115) dit secondaire est branché aux bornes de la lampe (118), lequel secondaire présente un couplage magnétique partiel avec les deux autres bobinages (111 et 112 et 113 et 114), un condensateur (14) branche aux extrémites du premier bobinage (111 et 112), deux interrupteurs (15 et 16) branchés chacun d'une part à une extrémité dudit premier bobinage (111 et 112) et d'autre part au potentiel de référence (170) de la source (13), deux circuits d'analyse (131 et 132) des tensions disponibles aux extrémités dudit premier bobinage (111 et 112), deux diodes (17 et 18) reliant les extrémités des bobinages (113 et 114) à l'un des potentiels (170 ou 182) de la source (13) alors que le point milieu (181) desdits bobinages (113 et 114) est relié à l'autre potentiel (182 ou 170) de la source (13), une boucle de rétro-action composée desdits circuits (131 et 132) et de moyens (19) de calcul de commutation desdits interrupteurs (15) et (16). 2) Source selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le circuit d'analyse de tensions (132) est constitué d'un compareteur (127) dont une entrée est reliée au point commun d'un condensateur (125) et d'une diode (124), dont l'autre entrée est reliée au point commun de la diode (124) et des résistances (122 et 120) et d'une résistance de polarisation d'antiparasitage (123), dont la sortie (142) transmet au circuit logique (19) une impulsion de detection analysant la tension disponible sur une connection (143) laquelle tension reflète l'image du flux magnétique circulant dans le transformateur (10) dans le but de détecter le passage par la valeur nulle dudit flux magnétique en délivrant un signal électrique calibré sur la sortie (142) reliée au circuit (19). 3) Source selon la revendication 1 ou 2 caractérisée par le fait que le circuit de détection (132) est constitué d'un comparateur (129), dont une entrée est connectée à une source (128) de tension de référence, dont l'autre entrée est connectée au point commun d'un pont de résistances (120 et 121) dont la sortie (141) transmet au circuit logique (19) une impulsion représentant le passage à la valeur nulle du potentiel (143), lequel potentiel, lorsqu'il ne prend pas la valeur nulle, reflète une anomalie de fonctionnement du filtre du troisième ordre et crée une perturbation sur la sortie (141) interprétée par le circuit logique (19) comme une interdiction de fermeture des interrupteurs (15 et 16) provoquant l'arrêt complet du fonctionnement de la source de courant. 4. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes 2 et 3 caractérisée par le fait que le circuit (131) est identique au circuit (132). 5. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le filtre actif du troisième ordre comporte dans la boucle de rétro-action un circuit logique (19) qui calcule les instants de commutation correspondant à la valeur nulle du flux magnétique, détecte les anomalies de fonctionnement dudit filtre de façon à interdire dans ce dernier cas la fermeture des interrupteurs (15 et 16) règle la puissance délivrée à la lampe (178), en fonction de réglages électriques internes et externes au dit circuit (19), d'amorcer et d'éteindre la lampe (118) en toute sécurité. 6) Source selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée par le fait que la magnétisation du transformateur (10) est provoquée par une impulsion (361) délivrée alternativement par les circuits (131 et 132) et transmise par la connection (142 ou 152), laquelle impulsion traitée par le circuit logique (19) provoque la fermeture de l'un ou l'autre interrupteur (15 ou 16) lorsque la différence de potentiel aux bornes dudit interrupteur est encore sensiblement voisine de la valeur zéro. 7. Source selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le couplage magnétique partiel du troisième bobinage dit secondaire (115) avec les deux autres bobinages (11/112 et 113/114) permet de supporter la mise en court-circuit dudit secondaire correspondant au démarrage de la lampe (118), nécessite la présence de bobinage de démagnétisation (113 et 114) et des diodes (17 et 18) de récupération d'énergie magnétique magnétique et limite la puissance maximale transmise à la lampe (118). 8. Source selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le circuit logique (19) comporte trois registres A, B, et C, le registre A décryptant les anomalies de fonctionnement de la source de courant, le registre B assurant la synchronisation d'un générateur d'impulsions et la fermeture anticipée de l'un ou l'autre interrupteur (15 ou 16), le registre C déclenchant le basculement d'une bascule de distribution DA aiguillant alternativement un ordre de fermeture vers les interrupteurs (15 ou 16).