Brevet FR2616613A1 — publié le 19881216

Dispositif d'allumage de tubes et d'ampoules fluo -rescentes à semi-conducteur La présente invention concerne un dispositif d'allumage de tubes et d'ampoules fluorescentes à base de semi-conduc -teur à effet de claquage , le montage étant passant à un certain voltage et bloquant à un autre La technique antérieure,trés diversifiée utilise le terme de starter pour désigner une telle fonction Le starter à gaz néon et bilame a été l'objet de plusieurs tentatives d'élimination par les procédés suivants - résistance parallèle au tube avec ou sans contacteur - bande auto-allumaOe (électrode auxiliaire) - V D R ( Voltage Dependant Resistor ) - V D R et starter néon - capacité - starter thermique - contacteur électrique à relais - thyristor , triac , transistor - générateur haute fréquence Tous ces starters ont de gros inconvénients par rapport au starter néon , et sont tous employés avec ballast sel -fique , plus rarement résistif Leurs défauts sont bien connus - ce sont des consommateurs de courant - ils sont dangereux (effet joule) - ils nécéssitent une protection thermique - ils sont volumineux --ils sont onéreux - ou ils font appel à une technologie de pointe, couteuse et complexe , à grand nombre de composant , et ne riva -lisetpas avec le starter néon Mitais cependant l'utilisation de celui-ci implique toujours de grands inconvénients , outre un certain caractère obsolet propre à un élément électro-mécanique le starter néon est d'abord volutineux , de 1,b à & 3 cm3, il génère des éclairs répétés de type court-circuit à l'al -lumage , ce qui .est trés génant et troublant , et il nécés- -site une capacité de déparasitage de 2 à 5 nf montée en dérivation , plus un boitier avec une embrase volumineuse et des raccords , et fixations . Son plus gros inconvénient du point de vue fonctionnement consiste en ce que le courant de préchauffage est non-pro- -gréssif , non linéaire , s'interrompant , tenant de la nature même du contacteur bilame , celui-ci ne conduisant que sous déformation par effet joule du néon ionisé , ce qui du même coup provoque un court-circuit général lébère -ment temporisé par la capacité , et génère de part la self une pointe haute tension jusqu'à 600 Volts et plus , pour obtenir un claquage disruptif du tube 'utilisation du starter néon s'est généralisé par le développement ce grands tubes pour lesquels seul un cla -quage disruptif à haute tension permet d'amorcer l'allu -mage L'application de ce principe et ce starter étant resté pour les petits tubes C'est pour ces faits de non-progréssivité et de manque d'intensité de préchauffage , il faille des contacts répétés tout à fait disgracieux pour délivrer la haute tension disruptive aux bornes du tube L'allumage dès la mise sous tension n'est donc pas automatique , et dure jusqu'à plusieurs secondes , avec les défauts évoqués plus hauts , les filaments sont préchauffés par leur mise série lors du contact du bilame suivant un cycle tout à fait aléatoire , voir erratique dépendant de l'état selon lequel le néon plus ou moins ionisé déforme le bilame , de la résistivité des filaments variant à chaque tube , l'état et la pression de la colonne gazeuse , sa température , la nature même du bilame , la tension délivrée , le type de ballast employé La tension de conduction (de pic) du néon étant de 80 volts , le starter ne conduit pas en dessous , donc pas de préchauffage dans la plage de 55 à 80 volts , le courant fourni est assez faible ce qui limite son emploi. Du point de vue fabrication , il est délicat , voir fastidieux à réaliser , art du verre , et fait appel à de multiples opérations . Fabrication du bilame , du pied > encapsuiage sous verre , vide , mise sous néon , scéllement, disposition d'une capacité au tantale et éssais Economiquement , il est assez lourd, d'un prix de revient usine élevé , nécéssitant en outre des accéssoires et un logement , et il n'est utilisé qu'avec des ballasts selfiques. La nouveauté qu'apporte l'invention, consiste en l'ap.pli- -cation d'un principe d'allumage différent. C'est en effet par claquage thermo-ionique sans pointe de tension , sans court-circuit , mais par préchauffage constant et continu des filaments jusqu'à allumage par conductivité des zones gazeuses ionisées Ceci: est parfaitement réalisé par deux semi-conducteurs Zener montés tête-bèche , à effet de claquage et de seuil, tension Zener élevée et à forte résistivité interne assurant le passage du courant inverse de claquage, en régime d'avalanche , la caractéristique négative du tube allumé réglant alors la consommation en hausse de 10 à 20 milli-ampères et la tension en baisse jusqu'à 35 volts ce qui a pour conséquence de bloquer le passage du dit courant inverse , la nouvelle tension ne suffisant plus à maintenir passantes les diodes , et de les relaxer La caractéristique technique est donc l'utilisation de l'effet de claquage de deux diodes Zener tête-bèche (DZIS) série, polarisé inverse , ou l'on observe le passage d'un courant inverse de forte intensité à tension élevée, soit 175 mA à 150 volts , puis de trés faible intensité à basse tension , 0,5 luA à 45 volts . Le montage DZT3 agit en effet de.bascule- Lors de la mise sous tension du dispositif selon l'in -vention , à savoi-r DOTS, on observe une tension-de 150.V maximum (fig.3) qui décroit trés rapidement tout en assu -rant le passage d'un courant élevé , de l'ordre de 175 mA, puis le claquage thermo-ionique-se produisant , la tension aux bornes se stabilise vers les 35 à 45 volts (fig.4), tension insuffisante pour maintenir passant le montage. Ce qui différencie l'invention de la technique précé -dente à starter néon ou il y avait une intensité de préchauffage supérieure à la consommation de régime soit 190 mA puis 160 à 180 mA , consiste en ce que l'on a une consommation de régime 185 mA supérieure à l'in- -tensité.de préchauffage soit environ 94,4 pour cent de l'intensité maximum , comprise entre 60 et 100 pour cent. Lorsqu'on polarise les deux jonctions ?N selon lin- -vention , elles conduisent si la tension est élevée, supérieure à 150 volts , c'est le claquage par avalanche. Le montage DZTB se comporte comme un Diac, sa caracté -ristique est symétrique , il peut être commuté de.l'état bloqué à l'état passant par dépassement de sa tension de claquage . Les diacs dont la tension d'amorçage est de- 32 à 38 volts ne conviennent pas à l'heure actuelle , d'une part leur tension inverse est trop faible , d'ou conduction permanente en courant et tension , et ils n'ont pas de caractéristique de puissance , outre un trés faible volume qui empêche toute dissipation thermique Selon la réalisation essentielle conforme à l'invention, le montage DZT3 est réalisé pour des tubes et ampoules de petite puissance , selon l'invention un tube F6W/Ww SGTE, à 50 Herz et 220 volts , de résistance équivalente 250 à 300 Ohms , avec ballast capacitif de 2 et 2,2 f (micro -farad) shunté à 200 gilo-Ohms , avec deux diodes Zener Thomson type BZX 85 C 100 de 1,3 Watt , tension Zener de 100 volts Le montage peut être aussi réalisé à l'aide des Zener suivantes Thomson type BZZ 85 C 110 , tension zener à 110 volts Pour les tubes de plus forte puissance , de 8 à 15 Watts , ce sont aussi les Zeners Thomson du type BZY 97 C 100 , C 110 , C 120 (volts), et de puissance 1,5 Watt qui sont le mieux appropriées .Toutes les Zener ainsi dénomées sont utilisées sur un ballast capacitif shunté ou sur un ballast selfique approprié , du genre Schwabe L 4/6/8 - 242 ou autre La tension Zener (Vz) choisie selon l'invention est donc la plus proche possible de la demie alternance 22G/2 diodes choisies de 100 à 120 volts , tolérances"Fabriquant" respectivement de 96 à 106 volts , 104 à 116 volts , 114 à 127 volts Au dela de la-tension Zener de 100 volts , la résistance interne du montage DZTB devient si forte qu'il ne délivre plus que 120 mA, vair 100 m (fig.1) ce qui est notoirement insuffisant pour amorcer le claquage de l'enceinte , le minimum étant de 150 m. Pour les Zener -inférieures à 90 volts , mais supérieures à 60 volts , la tension aux bornes est telle que les Zener sont maintenues passantes et qu'une consommation incidente de 20 mA se précise , telle qu'il faut y adjoindre une résis -tance série de 100 à 2000 Ohms, consommant et entrainant l'échauffement des diod-es p augmentant encore la consom- -mation (fig.1). En dessous de 60 volts, la consommation d'une telle résistance est si forte qu'elle détourne de 20 à 80 pour cent du courant de claquage , de telle sorte'que les diodes se détruisent par effet joule La consommation thermique propre aux Zener se situe à l'allumage du tube , il faut donc prévoir un radiateur On peut compenser l'effet de température du montage en méttant en série de chaque coté , une diode à coéfficient de température de signe différent , la somme des tensions étant égale à la tension souhaité La résistance interne du montage DZTB est pratiquement égale à la résistance différentielle en-zône de claquage des diodes utilisées , soit ici 350 Ohms. Dans la région du coude, la résistance différentielle est plus élevée, car la tangente au point de f-onctionnementest plus penchée. Pour cette même diode, on a sur le catalogue Fabriquant RzX = 3000 Ohms , pour une intensité de coude de 0,25 mA Par ailleurs , il peut-être nécéssaire de placer une charge résistive complémentaire dans le circuit, de façon à ce que le montage DZTS ne se fasse pas à lui -même ecretage et résistance , d'ou risque d'emballement et claquage thermique , notament pour les filaments de basse résistivité Le montage DZTB BZX 85 C 100 faisant environ 100 Ohms lorsqu'il est passant , il y a lieu de placer uné charge au moins équivalente en série Les résistances de filtrage placé aux bornes du tube de 20 Ohms chacune , de la résistivité des filaments de 20 Ohms chacun , il y a lieu de placer un complément de 1 à 500 Ohms , 20 Ohms selon l'invention Tout claquage du montage DZTE conforme à l'invention est exclu ; plusieurs périodes ae tests sur des équiva -lents résistifs purs de 140 à 300 Ohms , pendant 15 à 30 secondes , puis 5 et 45 minutes ont montré la stabi -lité du montage , notament thermique Ces tests ont été éffectués sur des charges de 3 et 6 Watts 1) 140 Ohms 6 W tests 10 s à 5 mn 185 mA 45 volts 2) 200 Ohms 3 W 9tests 10 s à 5 mn 175 mA 60 volts 3) 300 Ohms 3 W 6tests 45 minutes 180 md 70 volts le tube replacé aus bornes du montage.est reparti suivant plusieurs cycl.es d'allumage entre 3 et 8/10 de seconde , sans courant de fuite supérieur à 0,5 mais démontrant la nécéssité d'un chassis dans certaines installations La capacité du montage DZTE se situant entre 5 et 20 pico-farad , spécialement selon l'invention 10 pf, quel que soit le sens du montage au positif et au négatif La capacité de chaque diode de 0,005 nf à 0,5 nf plus spécialement selon l'invention de 0,018 à 0,020 nf cathode au positif Le rapport de capacité des diodes Zener selon l'in -vention A / C s'établi entre 90 et 130 selon le tableau ci-dessous , le contrôle de 7 diodes au capa -cimètre , selon l'invention , donne le tableau suivant. A C A/C nf nf rapport anode au + cathod-e au + 2,0 0,0187 106 2,1 0,0181 116 2,0 O, 01 93 103 1,9 0,0182 104 2,1 0,0188 111 1,9 0, 0184 103 2,2 0,0188 117 Dans le cas ou la capacitance du montage est déséqui -librée , il y a claquage d'une diode minimum , donc un allumage totalement défectueux , la diode détruite ne jouant plus son rôle de redresseur et entrainant la des -truction de la seconde à plus ou moins brève échéance Pour une caractéristique similaire des deux diodes , il est souhaitable de les obtenir du même lingot , puis de les trier au capacimètre . il est possible de monter les diodes en parallèle deux à deux ou en série deux à deux , et d'ex -trapoller le principe à d'autres tubes à décharge Au niveau de son utilisation , le montage DZTB selon l'ir.vention , a pro-curé les avantages suivants , nettement supérieur au starter néon . 1) dans le cas d'un ballast capacitif shunté - pour DZTB , allumage sans éclair ni papillotement entre 375 et 800 millièmes de seconde , consommation de 175 à 185 mA - pour le starter néon , allumage avec éclairs et papil -lotements entre 160 et 200 centièmes de seconde consommation de 120 à 180 mA 2) dans le cas d'un ballast selfique - pour DZTB , allumage sans éclair ni papillotement entre 120 et 160 centièmes de seconde , consommation de 195 à 185 mA - pour le starter néon , allumage avec un maximum d' éclairs et de papillotements , entre 70 et 210 cen -tièmes de seconde , passant de 90 à 190 mA (fig.2) Mesures réalisées avec un ballast Schwabe et une capacité de 2,2 micro-farad L'invention notament par l'absence de clignoteent et- sa rapidité d'allumage apporte un confort visuel total .Cette rapidité a'allumage est de 3 à 20 fois supérieure à celle procuré par le starter néon Le montage DZTB s'apparente à un allumage instantané, par effet de bascule Par ailleurs , la réalisation du dispositif d'allu -mage représente une économie de fabrication dans un rapport de 1 à 5 , avec tout d'abord moins de composant, seul deux silicium P régulateur de tension enverré en cylindre avec deux fils de cuivre étamé de contact Le dispositif selon l'invention est placé en parallèle au tube , à demeure par branchement simple Au niveau du tube , l'absence de-surtension à chaque allumage autorise à utiliser des composants plus simples, moins onéreux , et aussi diminue par ailleurs le vieillis -sement du tube .Dans certains cas , un fusible thermique peut être placé série avec des zeners amovibles, en cas de disfonctionnement il y a aussi l'économie de volume, dans un rapport de 77 à 100 , car la diode d'un diamètre de 2,3-mm et une longueur de 4,5mm a un volume de 18,7mm3 , et elle n'est pas équipée de condensateur de déparasitage L'économie de poids est aussi importante , dans un rapport de 50 fois , de 0,2 gramme à 10 grammes L'intéret d'une telle utilisation de semi-conducteur réside en une très importante diminution de taille du dispositif commutateur , et va permettre par cela même, la réalisation définitive d'ampoules fluorescentes à ballast complet intégré La réalisation du ballast complet avec sa chaine de commande à DZTB permet de réaliser une alimentation à - 1 condensateur shunté , 1 retour unique , 2 tubes 2 DZTS , telle figure 5 - ou 2 condensateurs shuntés , 1 retour unique , 2 tubes , 2 DZTS , telle figures 6 et 7 - ou 1 condensateur shunté, 1 retour unique1 3 tubes, 3 DZTB , telle figure 8 - ou 1 condensateur shunté , 2 retours , 2 tubes , z DZTB , telle figure 9 Les capacités peuvent être remplacées par des ballasts selfiques Les caractéristiques des diodes de régulation de Voltage Thomson sont les-suivantes 1,3 W BZX 1,5 W BZY 85C100 85C110 97C100 97C110 VZT/IZT V min. 96 104 94 106 V max. 105 116 10o 116 rZT/IZT ohm max. 35C 450 , 20G 250 IZT 2,7 2,7 5 5 rZK/IZK mA 0,25 0,25 max. ohm 3000 4000 Alpha VZ% C 0,09 0,10 0,09 0,095 IR/VR T amb. 25 max. 0,5 0,5 0,5 0,5 150 max. 10 10 VR (V) 75 82 50 50 IZM (mA) 9,4 8,6 12 11 Les appareils pour les mesures de tension et de courant de fuite sont le U 4315 et ST 680 R et le courant de fonctionnement , le DP 48 , le capacimètre CM 200 Monacor et l'oscilloscope HM 205 Capacités , Siemens 2,03 uf 180 mA DP 48 125 mA 6.80 Philips 2,14 uf 185 mA DP 48 130 mA 680 Diodes Zener BZX 85C100 , C110 , SZY 97C100 , C110 légende figure 1 A - Zone de courant de fuite que ne peuvent arrêter les Zener et qui nuit à la consommation du tube, soit énergie consommée par les Zener en régime de fonctio-nnement et soustraite au tube ------ Intensité de préchauffage délivré par les Zener - -- Tension de référence des Zener à retenir fonction de l'intensité délivrée REV: DICAri'IO 1) Dispositif d'allumage de tous types de tubes à décharge et d'ampoules fluorescentes sous tension alternative réseau avec ballast capacitif ou selfique, caractérisé en ce qu'il est composé de deux semi-conducteur de type Zener 100 volts placés tête bèche, assurant en claquage inverse le courant de préchauffage et le claquage thermo-ionique de l'enceinte, lequel se produisant établi alors une tension beaucoup plus basse qui a pour effet de ne pas maintenir le courant d'ava -lanche dans les Zener 2) Dispositif selon revendication 1, caractérisé en ce qu' une charge résistive est placee série avec le montage Zener 3) Dispositif selon revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le préchauffage se fait d'une manière continue par le courant d'avalanche 4) Dispositif selon revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'allumage du tube s'effectue par le préchauffage 5) Dispositif selon revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est placé série avec les filaments résistifs du tube 6) Dispositif selon revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tensions Zener d'utilisation s'étalent de 100 à 120 volts 7) Dispositif selon revendications 1 à 6,caractérisé en ce que le ballast capacitif est de type shunté par une résis -tance de forte valeur 8) Dispositif caractérisé en ce que les Zener délivrent au minimum 80 pour cent du courant de fonctionnement 9) Dispositif selon revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rapport de capacité des diodes s'établi entre 90 et 130 , anode par rapport cathode 10) Dispositif selon revendications 1--à 9, caractérisé en ce que le ballast est miniaturisé