Brevet FR2601840A1 — publié le 19880122

-1 La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation de lampes, lampes à décharge, tubes à décharge, etc... de type halogène, halogène à iodure métallique, vapeur de sodium, vapeur de mercure, ultraviolets, néon, etc... Le principe de fonctionnement de ces types de lampes ou tubes est dejà connu à ce jour et ne nécessite pas de description particulière. Néanmoins ces lampes ou tubes ne peuvent pas 10 être branchés directement sur le réseau de l'installation électrique, ils sont obligatoirement branchés, soit en série avec une impédance régulatrice de courant (généralement selfique), soit avec un transformateur réducteur ou élévateur de voltage avec ou 15 sans isolation galvanique, soit avec une combinaison de ces deux éléments. Les dispositifs connus à ce jour présentent l'inconvénient d'être lourds, encombrants, et de consommer plus d'énergie que le dispositif objet de 20 l'invention. Le dispositif objet de l'invention permet de pallier ces inconvénients; de plus, il atténue substantiellement l'effet stroboscopique en ce qui concerne les lampes et tubes à décharge, d'o un confort 25 d'utilisation et une économie d'énergie accrus. Un dispositif selon l'invention est composé de: 1- un élément de branchement sur le réseau alternatif qui est indifférent à la fréquence du 30 réseau. 2- un générateur auto-oscillant de tension sinusoidale de puissance, à des fréquences beaucoup plus élevées que celles du réseau, de l'ordre de 10 à 100 KHz fonctionnant en classe C ou B. 3- un circuit régulateur de courant de la lampe ou du tube. 4- un circuit d'amorçage des lampes ou tubes à décharge dans les cas nécessaires. Voyons maintenant dans le détail, la 40 composition de chacun de ces éléments de l'objet de l'invention. L'élément de branchement sur le réseau alternatif (voir Fig.1 planche.1) comprend: - un circuit limiteur de courant de pointe, qui est 45 selfique et qui permet de plus le découplage parasitaire du circuit vis-à-vis du réseau. Ce circuit comprend au moins une self série avec un entrefer limiteur de courant de saturation approprié (voir Fig.1l planche.1). 2 6 0 1 8 4 0 -2 Le découplage parasitaire du circuit vis-à-vis du réseau est réalise avec les capacités 2 et 3 en combinaison avec les selfs série la et lb. - un pont redresseur 4. - un condensateur de filtrage (ou lissage) 5A et/ou B qui nous permet d'obtenir une tension continue filtrée entre les points P et N. Cet élément de branchement sur le réseau alternatif est caractérisé par le fait qu'il présente 10 une impédance selfique d'entrée relativement élevée, atténuant ainsi l'incidence de la capacité 5, qui est généralement de forte valeur. Il permet ainsi l'absorption d'un courant de pointe moins élevé et d'une durée plus longue sur le réseau; de ce fait, il peut tre commandé plus facilement par des triacs en commutation ou graduation. Une des réalisations possibles du générateur de tension sinusoidale est présentée en Fig.2 planche.1. Cette réalisation en mono-alternance comprend: 20 - au moins un transformateur 14, ayant au moins deux bobinages 14A et 14B. - au moins une capacité de résonance 15, en parallèle sur le bobinage 14A entre autres. - un transistor de commutation 7. 25 - une self anti-résonance 13. - une résistance 6, connectée entre le point P et le transistor 7B, qui a pour objet de créer un courant de fuite entre les points 7C et 7E du transistor 7. - une diode 8. - une résistance 9. - une diode 10, en série avec la résistance 9. - une capacité 11, en série avec le bobinage 14B, de façon telle que l'ensemble capacité 11 et bobinage 14B soit en parallèle avec les points 7E et 7B. 35 - une diode 16. Le transformateur 14, le transistor 7 et la self 13 sont les trois éléments indispensables; ils sont montés en série, dans un ordre quelconque, de façon telle que l'ensemble soit en parallèle avec les points P 40 et N. Le courant créé par la résistance 6 engendre un phénomène de résonance connu entre le bobinage 14A et la capacité 15. Le courant ainsi engendre est prélevé par le bobinage de réaction 14B et amplifiée par le 45 transistor 7, créant ainsi des oscillations entretenues. Lors de la mise sous tension, le générateur oscille tout d'abord en classe A, puis il passe rapidement en classe B, pour atteindre son régime de fonctionnement en classe C, le tout en quelques fractions de secondes. Le bobinage 14B a pour objet de créer la réaction et de maintenir l'oscillation. La capacité 11 a pour objet, d'une part de présenter une impédance de série entre le point 7B, le -3- bobinage 14B et le point 7E, d'autre part, de crier une polarisation négative de 7B par rapport à 7E. La valeur de cette tension négative est inversement proportionnelle à la phase active de la conduction du transistor 7, d'o un transfert d'énergie. La conduction du transistor 7 dépend de la polarité négative du point 7B par rapport à 7E. Plus celle-ci est négative, plus la conduction est faible et vice versa. O10 Il suffit d'appliquer une tension plus ou moins négative à ce point 7B pour déterminer la puissance générée. La résistance 9 a pour objet d'évacuer ces charges négatives vers le point 7E. La présence de la 15 diode 10 a pour objet de neutraliser l'incidence de la résistancce 9 sur la résistance 6. En l'absence d'une charge substantielle (ce qui est courant en utilisation normale des lampes ou tubes précités), il se produit une inversion de polarité 20 aux deux extrémités 7E et 7C du transistor 7; cette tension, si elle est suffisamment importante, entrainerait la destruction du transistor 7; la diode 8 a donc pour râle d'empocher l'inversion de polarité, l'énergie ainsi disponible se trouvant réinjectée dans 25 le circuit entre P et N. La self 13 a pour effet de rendre l'incidence de la capacité 15 négligeable et de faciliter la saturation du transistor 7 lors de sa conduction. Par contre, lors du blocage du transistor 7, la self 13 30 présente l'inconvénient majeur de générer dans de nombreux cas d'utilisations des tensions élevées susceptibles de détruire le transistor 7. Pour éviter ce problème, on peut utiliser différents moyens connus à ce jour afin de diminuer le coefficiant Q de la self 13, ce 35 qui entratne inmanquablement une perte d'énergie non négligeable. L'un des objectifs de l'invention est de récupérer cette énergie. Pour cela, on a créé un bobinage 13B sur la self 13, d'une polarité appropriée; 40 ce bobinage 13B est branché en parallèle avec les points P et N et en série avec la diode 16. La combinaison bobinage 13B et diode 16 récupère la surtension ainsi générée. La figure 3 planche 2 présente la même variante du générateur de tension sinusoidale, mais en double alternance parallèle fonctionnant en classe B, c'est-à-dire de façon telle que le courant ne soit jamais interrompu dans le système (voir Fig.3B). En réalité, le courant circulant dans le circuit oscillant 50 n'est jamais interrompu, la variation de la charge se répercutant en une variation du courant continu avec une légère composante alternative. On utilise alors deux transistors en push-pool -4 parallèle sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Le dispositif ainsi présenté comprend: - au moins deux transistors 17-18 - un transformateur 19 - au moins trois bobinages 19a, 19b, 19c et si nécessaire un quatrième bobinage 19d (ou plus) pour le branchement de la charge, si l'isolation galvanique est désirée. - au moins une capacité 20 en parallèle sur au moins 10 un des bobinages pour la résonance. - une résistance 22 - une diode 23 - une résistance 24 - une impédance 21 qui est parfois nécessaire pour limiter le courant dans le circuit. En effet, au delà d'une tension limite, inhérente au type de transistor utilisé, un effet Zener se produit et entraene un courant très élevé entre les points 18b et 17b. L'impédance 21 peut @tre de nature ohmique, capacitive, selfique, ou une combinaison des deux, ou encore des trois. Le principe de fonctionnement de ce dispositif ne change pas beaucoup par rapport à la description 25 précédente. Les deux transistors 17-18 conduisent alternativement, c'est-à-dire que l'augmentation du courant dans l'un entratne obligatoirement la diminution dans l'autre, et vise et versa. On peut utiliser d'autres cas de figure, push-pool série, mono-alternance série, etc... sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Les transistors définis de type NPN bi-polaires, peuvent être de type PNP, MOS, GOT, ETC..., sans pour cela sortir du cadre de l'invention, il suffit pour cela d'appliquer les polarisations adéquates, ce qui est à la portée de l'homme de l'art. Le circuit régulateur de courant de la lampe ou du tube (Fig.4 planche.3) Les tensions générées aux bornes de l'enroulement 14A du transformateur 14 (Fig.2 planche.) ou de l'enroulement 19b du transformateur 19 (Fig.3 planche.2) ne peuvent être utilisés directement pour alimenter la lampe ou le tube. Aussi le dispositif objet de l'invention prévoit une impédance série entre la source de l'alimentation et la charge en question, afin d'une part, de réguler le courant, d'autre part, de découpler le système oscillant de la charge et de sa variation. L'impédance série la plus appropriée consiste en une impédance selfique (voir Fig.4 planche.3). Cette impédance selfique 30 comprend au moins un bobinage (bobiné sur un corps magnétique, exemple -5 ferrite), mis en série entre la charge et la source d'alimentation. De ce fait, si la charge diminue de résistance pour une cause quelconque, cette diminution a peu d'incidence sur la valeur de la tension générée aux 5 bornes du transformateur définit ci- dessus, et le système continue à fonctionner à la perfection. Ce système permet une régulation active par le fait que toute diminution de la résistance de la charge entraene une diminution de la self induction du 10 transformateur 14 (Fig.2 planche.1) qui elle-même entratne une augmentation de fréquence du générateur, d'o l'augmentation de l'impédance de la self 30 et la régulation du courant. Par ce fait, on obtient un courant presque constant malgré une variation importante 15 de la résistance ou impédance de la charge. Si l'on désire une régulation plus poussée, il suffit d'insérer un élément sensible 31 en série entre la source du courant et la charge, transformant une partie du courant en tension, résistance, courant 20 électrique, etc... Cet élément sensible 31 peut être une photo-diode, une photo-résistance, un photo-transistor ou un transformateur de courant, etc... La self 30 peut être matérialisée par un enroulement de fil autour d'un corps magnétique de type 25 ferrite ou similaire d'une forme quelconque, ou tout simplement matérialisée par une fuite magnétique entre primaire et secondaire (Voir Fig.5 planche.3 partie hachurée). L'utilisation d'une fuite magnétique permet 30 d'économiser l'un des deux bobinages, celui du secondaire ou de la self série. En effet, l'un des deux bobinages (voir Fig.5 planche.3) suffit pour faire le double emploi. Le circuit d'amorçage (Fig.6 planche.4) Dans le cas o la lampe (ou tube) à décharge nécessite une tension élevée, de l'ordre de 2500 à 4000 volts et même plus (voir notice des constructeurs), ce qui est généralement le cas pour les lampes halogènes à iodure métallique, sodium haute pression, ultra-violets, etc..., il est indispensable d'avoir un amorceur que l'on peut le cas échéant adjoindre ou incorporer à l'alimentation. La Fig.6 montre un dispositif d'amorçage possible dans le cadre de l'invention. 45 Ce dispositif comprend: - Une self 70 régulatrice de courant (qui peut être la même que celle définie sur les figures 4 ou ), ayant au moins deux enroulements 70a et 70b; l'enroulement 70a sert à réguler le courant de la 50 lampe et en l'absence de courant à élever la tension jusqu'aux quelques milliers de volts requis;' l'enroulement 70b sert à générer une tension de l'ordre de 100 à 250 volts, qui se -6 trouve élevée par le rapport de transformation entre 70a et 70b. - une diode 71 qui sert à redresser la tension aux bornes de la -lampe (ou tube) en l'absence de courant. - un condensateur 72 qui emmagasine cette tension et à découpler les impulsions d'amorçage. - deux résistances 74 et 75 qui servent de diviseur de tension. - un thyristor 76. - une capacité 77. Le condensateur 72 va donc être chargé 15 progressivement par la diode 71 et la résistance 73, atteignant une valeur critique, déclenchant un courant anode - cathode du thyristor 76. A une tension déterminée (de l'ordre de 100 à 250V), le thyristor se met à conduire et décharger le 20 condensateur 72 à travers l'enroulement 70b. Le seuil de déclenchement du thyristor 76 est déterminé par son courant de gachette et par les valeurs des résistances 74, 75, et 73. La capacité 77 n'a pour rôle que de protéger la diode 71 d'une tension inverse générée. Cette capacité peut être inutile si l'on choisit une diode 71 ayant une tension inverse de l'ordre de 4000 Volts ou plus. Mais ce type de diode est plus coo teux que la capacité. Ce système d'amorçage est conçu pour fonctionner en l'absence d'un courant dans la lampe, d'o une tension maximum. Dès l'établissement d'un courant dans la lampe et en fonctionnement normal, la tension se trouve être 35 environ de moitié inférieure à la tension maximum. Le choix des résistances 74, 75 et 73 est tel que le système fonctionne d'une façon satisfaisante à une tension de l'ordre de 70 à 100%. de la tension maximale (tension en l'absence de courant); le système 40 se trouve interrompu en fonctionnement normal de la lampe. Le thyristor -76 peut être remplacé par tout autre élément se mettant en court-circuit à une tension prédéterminée, de type SIDAC, TRISIL etc... Un autre système d'amorçage peut être également appliqué, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ce dispositif peut trouver un grand champ d'applications dans l'éclairage, l'industrie, le domaine 50 médical, etc... Il peut se substituer d'une façon avantageuse aux systèmes existants à un coût de production égal et même inférieur. 260 1 840 -7 Compte tenu de son faible poids (de l'ordre de 1/10 de celui d'un système classique) et de la diminution de la dissipation thermique, il peut donner un élan nouveau l'éclairage des lampes et tubes cites cidessus; en effet, pour les petites puissances, il permet de créer des luminaires légers, des lampes d'éclairage dans lequel le dispositif d'alimentation est incorporé au culot de la lampe; pour les grandes puissances, il permet d'incorporer l'alimentation au luminaire, évitant ainsi une installation généralement coûteuse entre le 10 foyer lumineux et le transformateur, ballaste, ou autre. - 8 REVENDICATIONS 1- Dispositif d'alimentation pour lampes, lampes & déchargé, tubes à décharge, etc... de type halogène, halogène à iodure métallique, vapeur de sodium, vapeur de mercure, ultra-violets, néons etc... caractérisé en ce qu'il comprend: - un élément de branchement sur le réseau alternatif (101) qui est indifférent à la fréquence du réseau. - un générateur (102) auto-oscillant de tension sinusoidale de puissance, à des fréquences plus 10 élevées que celles du réseau, de l'ordre de 10 à 100 KHz fonctionnant en classe C ou B. - un circuit régulateur de courant (103) de la lampe ou du tube. - un circuit d'amorçage (104) des lampes ou tubes à 15 décharge, dans les cas nécessaires. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de régulation de courant en série entre la lampe (ou tube) et la source de tension sinusoidale, d'une part, de 20 découplage du circuit oscillant de la charge et de sa variation, d'autre part. 3- Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractris6In ce qe la régulation est effectuée par une self-série. 4- Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé e ce quela self est remplacée par un système de shunt magnétique entre primaire et secondaire du bobinage (voir Fig.5). - Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 30 et 4, caractérisé en-ce que la self de régulation sert d'élévatrice de tension et de génératrice d'impulsion pour l'amorçage de la lampe. 6- Dispositif selon les revendications 1, 2, , 4 et 5, caractérisé par le fait que l'élément de 35 branchement sur le réseau alternatif (101) comprenant un circuit limiteur de courant de pointe, qui est selfique et qui permet de plus le découplage parasitaire du circuit vis-à-vis du réseau. Ce circuit comprend au moins une self série avec un entrefer limiteur de 40 courant de saturation approprié (voir Fig.1 planche.I). 7- Dispositif selon les revendications 1, 2,3, 4 et 5 caact6ri6é en ceque le générateur en mono-alternance est muni d'un système de récupération de surtension (voir Fig.2-13b). - 9 - 8- Dispositif ,6 et 7 caractérisé en sinusoidale est du type ayant un courant entre 5 composante continue (voir selon les revendivations 1, 2, 3, 4 ce cque. la génératrice de tension double alternance (voir Fig.3), les points P et N à forte Fig.5-b).